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CN115574878A - 颗粒化肥流量传感器、排肥检测方法及变量施肥系统 - Google Patents

颗粒化肥流量传感器、排肥检测方法及变量施肥系统 Download PDF

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CN115574878A
CN115574878A CN202211283972.7A CN202211283972A CN115574878A CN 115574878 A CN115574878 A CN 115574878A CN 202211283972 A CN202211283972 A CN 202211283972A CN 115574878 A CN115574878 A CN 115574878A
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Abstract

本发明公开了一种颗粒肥料流量传感器、排肥检测方法及双闭环变量施肥系统。所述传感器由外壳体、涡轮导流机构、光路调整透镜组、激光发射模组、光电感应电路构成；所述传感器安装在排肥器落肥口与排肥管道之间，从所述涡轮导流机构进入所属传感器的肥料被离散均匀；所述激光发射模组所发射光线先由所述光路调整透镜组准直后穿过化肥，由化肥遮挡后的剩余部分光线经所述光路调整透镜组聚光；所述光电感应电路输出处理后的电压信号；所述双闭环变量施肥控制系统由流量与转速两个闭环反馈环节构成。本发明的施肥系统检测精度高、防尘效果好、拆装方便。

Description

颗粒化肥流量传感器、排肥检测方法及变量施肥系统
技术领域
本发明属于农用传感器技术领域，涉及颗粒化肥流量传感器、排肥检测方法及变量施肥系统，尤其涉及一种基于红外光电效应的颗粒化肥流量传感器、排肥检测方法及双闭环变量施肥系统。
背景技术
通过使用化肥提升农产品的产量非常的普遍，但是化肥的过度施用不但不能有效地提高粮食生产能力，反而会引起土壤板结，导致土地生产能力下降，对农业生产环境带来破坏，土壤残留的化肥还会随着雨水的冲刷流入河流，引起水体富营养化，从而引起农业面源污染。科学有效减小化肥的使用量是越来越成为共识。
变量施肥技术是精准农业的重要组成部分，也是现代农业发展的必然趋势。作为变量施肥控制系统的重要反馈环节，施肥量检测的准确性是实现施肥量准确调控的关键因素。我国农用化肥以颗粒肥为主，现有的颗粒肥排肥量检测方法，例如排肥轴转速检测、电机转速或排肥口开度检测等多为间接测量颗粒化肥流量，检测精度不高，干扰因素多，缺少对颗粒化肥流量的直接检测装置。
发明目的
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于红外光电效应的颗粒化肥流量传感器及排肥检测方法，可实时、准确地进行排肥流量检测，响应速度快，体积小，安装方便，能满足田间作业要求。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种基于红外光电效应的颗粒化肥流量传感器，所述颗粒化肥流量传感器由外壳体(Ⅰ)、涡轮导流机构(Ⅱ)、光路调整透镜组(Ⅲ)、激光发射模组(Ⅳ)、光电感应电路(Ⅴ)构成；其中，所述外壳体(Ⅰ)由左壳体(103)、右壳体(104)、PVC防尘罩(105)组成，左壳体(103)与右壳体(104)通过槽口配合，所述PVC防尘罩(105)分别贴合于左壳体(103)、右壳体(104)的内侧窗口处；所述涡轮导流机构(Ⅱ)由涡轮扇叶(110)与涡轮轴(111)构成，所述涡轮轴(111)上端横梁固定在所述左壳体(103)与右壳体(104)上的开口处；所述光路调整透镜组(Ⅲ)由菲涅尔准直透镜(106)、菲涅尔聚光透镜(102)组成，所述菲涅尔准直透镜(106)固定于所述右壳体(104)中，所述菲涅尔聚光透镜(102)固定于所述左壳体(103)中；所述激光发射模组(Ⅳ)由一字线激光发射器(109)、散热铜片(108)、内六角紧定螺钉(107)组成；所述一字线激光发射器(109)与散热铜片(108)的孔壁配合，由所述内六角紧定螺钉(107)固定在所述菲涅尔准直透镜(106)的焦点处；所述光电感应电路(Ⅴ)由红外光敏晶体管(112)、精密电阻(113)、前置低通滤波器(114)，模数转换集成电路(115)、DSP数字信号处理模块(116)、Can通信模块(117)组成；所述红外光敏晶体管(112)的位置与所述菲涅尔聚光透镜(102)重合；所述光电感应电路(Ⅴ)布置在一块圆形PCB电路板(101)上，与所述左壳体(103)的上槽口贴合；
所述红外光敏晶体管(112)、菲涅尔聚光透镜(102)、菲涅尔准直透镜(106)以及一字线激光发射器(109)被布置在一条同轴线上；所述一字线激光发射器(109)、红外光敏晶体管(112)分别被设置在菲涅尔准直透镜(106)与菲涅尔聚光透镜(102)的焦点处；
所述精密电阻(113)与红外光敏晶体管(112)的集电极连接；前置低通滤波器(114)与模数转换集成电路(115)串联后再与所述精密电阻(113)、所述红外光敏晶体管(112)的集电极并联；
优选地，所述颗粒化肥流量传感器被安装在排肥器落肥口与排肥管道之间，所述左壳体(103)、右壳体(104)由槽口胶合后，外壳体(Ⅰ)的上端连接排肥器落肥口，下端连接排肥管道。
根据本发明的另一个方面，提供了一种使用上述颗粒化肥流量传感器进行排肥量检测方法，包括以下步骤：
步骤1、将所述颗粒化肥流量传感器通电后，由所述一字线激光发射器(109)发射出投影形状为一字横线的红外光源，该红外光源的位置在所述菲涅尔准直透镜(106)的焦点处，光路经菲涅尔准直透镜(106)调整为薄面平行光，辐射入传感器左壳体(103)和右壳体(104)之间；
步骤2、当化肥颗粒从排肥器落肥口流出时，化肥颗粒从排肥器的下肥口处落入所述颗粒化肥流量传感器的外壳体(Ⅰ)内，并以一定速度冲击所述涡轮扇叶(110)，使得涡轮扇叶(110)转动，所述肥料颗粒的团簇在所述涡轮扇叶(110)带动下离散开，在外壳体(Ⅰ)内均匀分布；
步骤3、被离散后的化肥颗粒在左壳体(103)、右壳体(104)之间遮挡一部分经菲涅尔准直透镜(106)调整后的薄面平行光，剩余红外光源通过菲涅尔聚光透镜(102)聚焦在红外光敏晶体管(112)上，所述精密电阻(113)接在红外光敏晶体管(112)集电极上，将集电极电流变化转换为精密电阻(113)两端的电压变化；
步骤4、通过采集红所述外光敏晶体管(112)集电极与精密电阻(113)之间的电位与零参考电位的电位差，将光强的变化转换为电压变化信号；该电压变化信号经前置低通滤波器(114)放大并滤去高频噪声信号后，再由模数转换集成电路(115)转换为数字信号，再经DSP数字信号处理模块(116)进行数字滤波后得到流量数据，最后通过Can通信模块(117)将所述流量数据传输给显控终端。
根据本发明的另一个方面，提供了一种使用所述颗粒化肥流量传感器的一种基于Can总线通信的双闭环变量施肥控制系统，包括显控一体终端、Can解析模块、GNSS定位模块、Can通信总线、安装了颗粒化肥流量传感器的肥箱(118)、多路电机驱动器。其中，所述肥箱(118)下悬挂了四个电驱式排肥单体，每个所述排肥单体由带编码器直流电机(121)、外槽轮排肥器(119)、颗粒化肥流量传感器(120)组成；
所述显控一体终端由输入的土壤肥力信息决策出目标施肥量与电机转速，并通过控制系统发送转速信息给电机驱动；
所述双闭环变量施肥控制系统的控制过程包含两个反馈环节，分别为带编码器直流电机(121)与颗粒化肥流量传感器(120)的反馈；其中，转速与流量信息通过Can通信总线反馈给主控终端，所述双闭环变量施肥控制系统结合反馈信息与目标施肥量，通过所述多路电机驱动器调整所述带编码器直流电机(121)的转速，实现施肥量的变量调控；
所述显控一体终端通过柱状图动态显示各排肥单体中颗粒化肥流量传感器(120)所反馈的流量信息，通过柱状图的流量信息监测排肥管道堵塞情况，并根据所反馈的流量信息计算出预计作业时间。
附图说明
图1为颗粒化肥流量传感器结构示意图。
图2为涡轮导流机构轴测图
图3为光路调整透镜组聚焦与准直光路的示意图。
图4光电感应电路的电路原理框图。
图5为颗粒化肥流量传感器安装在肥箱上的总体结构示意图。
图6为显控终端界面示意图。
图7为基于Can总线通信的双闭环变量施肥控制系统示意图。
图8为排肥单体双闭环变量施肥控制系统流程框图
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
本发明提出一种基于红外光电效应的颗粒化肥流量传感器，该颗粒化肥流量传感器被安装在排肥器下肥口与排肥管道之间，对排肥器下肥口处的排肥流量进行检测。
图1所示为颗粒化肥流量传感器结构示意图。如图所示，所述基于红外光电效应的颗粒化肥流量传感器由外壳体(Ⅰ)、涡轮导流机构(Ⅱ)、光路调整透镜组(Ⅲ)、激光发射模组(Ⅳ)、光电感应电路(Ⅴ)构成；其中，外壳体(Ⅰ)由左壳体(103)、右壳体(104)、PVC防尘罩(105)组成，左壳体(103)与右壳体(104)通过槽口配合，PVC防尘罩分别贴合于左壳体(103)、右壳体(104)内侧窗口处；涡轮导流机构(Ⅱ)由涡轮扇叶(110)与涡轮轴(111)构成，涡轮轴(111)上端横梁固定在左壳体(103)与右壳体(104)上的开口处；光路调整透镜组(Ⅲ)由菲涅尔准直透镜(106)、菲涅尔聚光透镜(102)组成，菲涅尔准直透镜(106)固定于右壳体(104)中，菲涅尔聚光透镜(102)固定于左壳体(103)中；激光发射模组(Ⅳ)由一字线激光发射器(109)、散热铜片(108)、内六角紧定螺钉(107)组成，一字线激光发射器(109)与散热铜片(108)的孔壁配合，由内六角紧定螺钉(107)固定在菲涅尔准直透镜(106)的焦点处；光电感应电路(Ⅴ)由红外光敏晶体管(112)、精密电阻(113)、前置低通滤波器(114)，模数转换集成电路(115)、DSP数字信号处理模块(116)、Can通信模块(117)组成；红外光敏晶体管(112)的位置与菲涅尔聚光透镜(102)重合，光电感应电路(Ⅴ)布置在一块圆形PCB电路板(101)上，与左壳体(103)上槽口贴合。
图2为所述涡轮导流机构(Ⅱ)轴测图，颗粒肥料从排肥器下肥口处落入传感器壳体内，并以一定速度冲击涡轮扇叶(110)，使涡轮扇叶(111)转动，肥料颗粒的团簇在扇叶带动下被离散开，减少了颗粒团簇的重叠与堆积，使肥料在壳体内均匀分布，提高检测结果的准确性。
图3为所述颗粒化肥流量传感器光路调整透镜组(Ⅲ)聚焦与准直光路示意图。如图所示，所述红外光敏晶体管(112)、菲涅尔聚光透镜(102)、菲涅尔准直透镜(106)以及一字线激光发射器(109)被布置在一条同轴线上；所述一字线激光发射器(109)、红外光敏晶体管(112)分别被设置在菲涅尔准直透镜(106)与菲涅尔聚光透镜(102)的焦点处；所述一字线激光发射器(109)的发射投影形状为一字横线的薄面倒梯形光源，经过菲涅尔准直透镜(106)后光路被调整为薄面平行光，再经菲涅尔聚光透镜(102)聚焦，焦点位置与红外光敏晶体管(112)重合。
图4为所述颗粒化肥流量传感器光电感应电路(Ⅴ)的电路原理框图，所述精密电阻(113)与红外光敏晶体管(112)的集电极连接，前置低通滤波器(114)与模数转换集成电路(115)串联后再与精密电阻(113)与红外光敏晶体管(112)的集电极并联。红外光敏晶体管(112)集电极电流与所受光强成线性关系，通过采集红外光敏晶体管(112)集电极与精密电阻(113)之间的电位与零参考电位的电位差，将光强的变化转换为电压变化。电压信号经前置低通滤波器(114)放大并滤去高频噪声信号后，再由模数转换集成电路(115)将模拟信号转换为数字信号，经DSP数字信号处理模块(116)进行数字滤波，得到稳定、准确的流量数据，最后通过Can通信模块(117)将数据传输给显控终端。
图5为颗粒化肥流量传感器安装在肥箱上的总体结构示意图。肥箱(118)下悬挂四个电驱式排肥单体，每个单体由带编码器直流电机(121)、外槽轮排肥器(119)、颗粒化肥流量传感器(120)组成。
图6为显控终端界面示意图。下方柱状图动态表示四个排肥单体实时流量信息，中间主显示界面为田间地形、农机具位置与土壤处方图信息。在模式选择中可切换手动与自动调控施肥量。
图7为基于Can总线通信的双闭环变量施肥控制系统示意图。GNSS定位信息、电机驱动反馈的转速信息及颗粒化肥流量传感器输出的流量信息通过Can通信总线传输到Can解析模块，解析后的流量、转速与位置信息被输入到显控终端，再由控制系统结合目标施肥量实现变量施肥的双闭环控制。
图8为排肥单体双闭环变量施肥控制系统流程框图。控制系统的输入为目标转速vr，排肥单体作为执行器。系统先对电机编码器反馈的转速vc与目标转速vr的偏差做PID校正，得到校正后的转速vi,由转速v与流量q的比例关系q＝k*v,得到目标流量qr,对qr与流量传感器反馈流量qc的偏差再次作PID校正，输出qi作为执行器的输入。
实施例1
本实施例是使用上述本发明所述的颗粒化肥流量传感器进行排肥量检测的具体实施例，具体操作过程包括以下步骤：
步骤1、将传感器通电后，由一字线激光发射器(109)发射出投影形状为一字横线的红外光源，光源位置在菲涅尔准直透镜(106)焦点处，光路经菲涅尔准直透镜(106)调整为薄面平行光，辐射入传感器左壳体(103)、右壳体(104)之间；
步骤2、当化肥颗粒从排肥器落肥口流出时，化肥颗粒从排肥器的下肥口处落入传感器的外壳体内，并以一定速度冲击所述涡轮扇叶(110)，使得涡轮扇叶(110)转动，所述肥料颗粒的团簇在所述涡轮扇叶(110)带动下被离散开，在外壳体内均匀分布；
步骤3、被离散后的化肥颗粒在左壳体(103)、右壳体(104)之间遮挡一部分经菲涅尔准直透镜(106)调整后的薄面平行光，剩余光源通过菲涅尔聚光透镜(102)聚焦在红外光敏晶体管(112)上，精密电阻(113)接在红外光敏晶体管(112)集电极上，将集电极电流变化转换为精密电阻(113)两端电压变化；
步骤4、通过采集红所述外光敏晶体管(112)集电极与精密电阻(113)之间的电位与零参考电位的电位差，将光强的变化转换为电压变化信号；该电压变化信号经前置低通滤波器(114)放大并滤去高频噪声信号后，再由模数转换集成电路(115)转换为数字信号，再经DSP数字信号处理模块(116)进行数字滤波后得到流量数据，最后通过Can通信模块(117)将所述流量数据传输给显控终端。
实施例2
本实施例是使用所述颗粒化肥流量传感器的一种基于Can总线通信的双闭环变量施肥控制系统。
本实施例中的基于Can总线通信的双闭环变量施肥控制系统包括显控一体终端、Can解析模块、GNSS定位模块、Can通信总线、安装了颗粒化肥流量传感器的肥箱(118)、多路电机驱动器。其中，如图5所示，所述肥箱(118)下悬挂四个电驱式排肥单体，每个单体由带编码器直流电机(121)、外槽轮排肥器(119)、颗粒化肥流量传感器(120)组成。
所述显控一体终端由输入的土壤肥力信息决策出目标施肥量与电机转速，并通过控制系统发送转速信息给电机驱动。
所述双闭环变量施肥控制系统包含两个反馈环节，分别为带编码器直流电机(121)与颗粒化肥流量传感器(120)的反馈；其中，转速与流量信息通过Can通信总线反馈给主控终端，所述双闭环变量施肥控制系统结合反馈信息与目标施肥量，通过所述多路电机驱动器调整所述带编码器直流电机(121)的转速，实现施肥量的变量调控。
显控一体终端通过柱状图动态显示各排肥单体中颗粒化肥流量传感器(120)所反馈的流量信息，通过柱状图的流量信息监测排肥管道堵塞情况，并根据所反馈的流量信息计算出预计作业时间。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明的红外光电效应的颗粒化肥流量传感器使用防尘罩与外壳密封光路调整透镜组和光电感应电路，保护关键灵敏元件不受作业环境污染，保证了传感器工作的稳定性与可靠性。
2)本发明的红外光电效应的颗粒化肥流量传感器采用一字线激光发射器作为光源，穿透力强，抗尘效果好，灵敏度高。
3)本发明的红外光电效应的颗粒化肥流量传感器使用峰值波长为940纳米的近红外激光与光敏晶体管作为光电反应元件，避开了可见光波段，工作时不易受外界光源的干扰。
4)本发明的红外光电效应的颗粒化肥流量传感器使用数字集成电路对信号进行数字滤波处理，数字电路抗干扰能力强，测量结果受环境影响小。
5)本发明的红外光电效应的颗粒化肥流量传感器使用涡轮导流机构离散颗粒肥料的团簇，使肥料在传感器壳体内均匀分布，减少了肥料的堆积与重叠，提高了检测结果的准确性。
6)本发明的红外光电效应的颗粒化肥流量传感器在变量施肥控制系统中加入流量检测环节，为施肥量控制的准确性提供了有效的评价指标，并使系统实现闭环控制。
7)本发明的红外光电效应的颗粒化肥流量传感器安装简单，拆卸方便，无需对排肥器进行改造，可直接加装在排肥器与排肥管道之间。

Claims (4)

1.一种基于红外光电效应的颗粒化肥流量传感器，由外壳体(Ⅰ)、涡轮导流机构(Ⅱ)、光路调整透镜组(Ⅲ)、激光发射模组(Ⅳ)、光电感应电路(Ⅴ)构成，其特征在于，所述外壳体(Ⅰ)由左壳体(103)、右壳体(104)、PVC防尘罩(105)组成；所述左壳体(103)与右壳体(104)通过槽口配合，所述PVC防尘罩(105)分别贴合于所述左壳体(103)、右壳体(104)的内侧窗口处；所述涡轮导流机构(Ⅱ)由涡轮扇叶(110)与涡轮轴(111)构成，所述涡轮轴(111)上端横梁固定在所述左壳体(103)与右壳体(104)上的开口处；所述光路调整透镜组(Ⅲ)由菲涅尔准直透镜(106)、菲涅尔聚光透镜(102)组成，所述菲涅尔准直透镜(106)固定于所述右壳体(104)中，所述菲涅尔聚光透镜(102)固定于所述左壳体(103)中；所述激光发射模组(Ⅳ)由一字线激光发射器(109)、散热铜片(108)、内六角紧定螺钉(107)组成；所述一字线激光发射器(109)与散热铜片(108)的孔壁配合，由所述内六角紧定螺钉(107)固定在所述菲涅尔准直透镜(106)的焦点处；所述光电感应电路(Ⅴ)由红外光敏晶体管(112)、精密电阻(113)、前置低通滤波器(114)，模数转换集成电路(115)、DSP数字信号处理模块(116)、Can通信模块(117)组成；所述红外光敏晶体管(112)的位置与所述菲涅尔聚光透镜(102)重合；所述光电感应电路(Ⅴ)布置在一块圆形PCB电路板(101)上，与所述左壳体(103)的上槽口贴合；
所述红外光敏晶体管(112)、菲涅尔聚光透镜(102)、菲涅尔准直透镜(106)以及一字线激光发射器(109)被布置在一条同轴线上；所述一字线激光发射器(109)、红外光敏晶体管(112)分别被设置在菲涅尔准直透镜(106)与菲涅尔聚光透镜(102)的焦点处；
所述精密电阻(113)与红外光敏晶体管(112)的集电极连接；前置低通滤波器(114)与模数转换集成电路(115)串联后再与所述精密电阻(113)、所述红外光敏晶体管(112)的集电极并联。
2.根据权利要求1所述的一种基于红外光电效应的颗粒化肥流量传感器，其特征在于，所述颗粒化肥流量传感器被安装在排肥器落肥口与排肥管道之间，所述左壳体(103)、右壳体(104)由槽口胶合后，外壳体(Ⅰ)的上端连接排肥器落肥口，下端连接排肥管道。
3.一种使用根据权利要求1或2所述的颗粒化肥流量传感器进行排肥量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将所述颗粒化肥流量传感器通电后，由所述一字线激光发射器(109)发射出投影形状为一字横线的红外光源，该红外光源的位置在所述菲涅尔准直透镜(106)的焦点处，光路经菲涅尔准直透镜(106)调整为薄面平行光，辐射入传感器左壳体(103)和右壳体(104)之间；
步骤2、当化肥颗粒从排肥器落肥口流出时，化肥颗粒从排肥器的下肥口处落入所述颗粒化肥流量传感器的外壳体(Ⅰ)内，并以一定速度冲击所述涡轮扇叶(110)，使得涡轮扇叶(110)转动，所述肥料颗粒的团簇在所述涡轮扇叶(110)带动下离散开，在外壳体(Ⅰ)内均匀分布；
步骤3、被离散后的化肥颗粒在左壳体(103)、右壳体(104)之间遮挡一部分经菲涅尔准直透镜(106)调整后的薄面平行光，剩余红外光源通过菲涅尔聚光透镜(102)聚焦在红外光敏晶体管(112)上，所述精密电阻(113)接在红外光敏晶体管(112)集电极上，将集电极电流变化转换为精密电阻(113)两端的电压变化；
步骤4、通过采集红所述外光敏晶体管(112)集电极与精密电阻(113)之间的电位与零参考电位的电位差，将光强的变化转换为电压变化信号；该电压变化信号经前置低通滤波器(114)放大并滤去高频噪声信号后，再由模数转换集成电路(115)转换为数字信号，再经DSP数字信号处理模块(116)进行数字滤波后得到流量数据，最后通过Can通信模块(117)将所述流量数据传输给显控终端。
4.一种使用根据权利要求1或2所述的颗粒化肥流量传感器的基于Can总线通信的双闭环变量施肥控制系统，其特征在于，包括显控一体终端、Can解析模块、GNSS定位模块、Can通信总线、安装了颗粒化肥流量传感器的肥箱(118)、多路电机驱动器；
其中，所述肥箱(118)下悬挂了四个电驱式排肥单体，每个所述排肥单体由带编码器直流电机(121)、外槽轮排肥器(119)、颗粒化肥流量传感器(120)组成；
所述显控一体终端由输入的土壤肥力信息决策出目标施肥量与电机转速，并通过控制系统发送转速信息给电机驱动；
所述双闭环变量施肥控制系统的控制过程包含两个反馈环节，分别为带编码器直流电机(121)与颗粒化肥流量传感器(120)的反馈；
其中，转速与流量信息通过Can通信总线反馈给主控终端，所述双闭环变量施肥控制系统结合反馈信息与目标施肥量，通过所述多路电机驱动器调整所述带编码器直流电机(121)的转速，实现施肥量的变量调控；
所述显控一体终端通过柱状图动态显示各排肥单体中颗粒化肥流量传感器(120)所反馈的流量信息，通过柱状图的流量信息监测排肥管道堵塞情况，并根据所反馈的流量信息计算出预计作业时间。
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