油菜精量排种器种子流传感装置设计与试验

丁幼春，杨军强，朱 凯，张莉莉，周雅文，廖庆喜



油菜精量排种器种子流传感装置设计与试验

丁幼春，杨军强，朱 凯，张莉莉，周雅文，廖庆喜

（华中农业大学工学院，武汉430070）

针对油菜精量播种过程中缺乏小粒径种子流传感而导致播量监测困难的问题，设计了一种油菜精量排种器种子流传感装置。运用高速摄影技术及碰撞动力学模型，记录并分析油菜种子与聚偏氟乙烯压电薄膜的碰撞轨迹，为传感装置的导管、压电薄膜倾角、出种口位置等关键结构参数提供依据。基于油菜种子与压电薄膜的碰撞信号特征分析，设计了沉槽基板-压电薄膜感应结构，将碰撞信号的衰减时间从9缩短至1 ms，提高了对高频种子流检测的时间分辨率，同时能够有效抵抗机械振动带来的干扰影响。对微弱碰撞信号进行放大、半波整流、电压比较、单稳态触发转化为单脉冲信号，通过单片机定时计数采集处理，实现油菜种子流排种频率与排种总量的实时检测，并利用无线收发模块定时发送给监测显示终端，实现播量数据的实时显示与保存。油菜精量排种器台架及数粒仪高频排种试验表明：在排种频率8.1～32.9 Hz范围内，检测准确率不低于99.5%。田间播种试验表明传感装置能够实时检测精量排种器的排种频率与排种总量，在无排种时计数为零，正常播种状态时检测准确率不低于99.1%，机械振动及粉尘对传感装置没有影响。该传感装置为油菜精量播种过程播量监测、漏播检测以及补种提供有效支撑。

机械化；设计；监测；油菜精量排种器；油菜种子流；碰撞；传感装置

0 引 言

精量播种能够省种、降低劳动强度、提高作业效率、增加农民收益，是智能农机发展的重要环节。播种过程中播量监测、播种状态图生成是精量播种智能化发展的趋势之一。中国是世界油菜生产大国，年种植面积和总产量均居世界前列。目前油菜精量播种的播量指标主要是通过种箱内种量变化或排种器转速及型孔数推算间接获得，究其原因是缺少油菜等小粒径种子流传感装置。研究一种油菜精量排种器种子流传感装置对于实现油菜精量播种过程播量监测、漏播检测以及实时补种、提升油菜精量播种智能化水平具有重要的现实意义。

国外播种监测技术研究较早，并逐步实现了规模化生产应用。美国内布拉斯加大学研究的由24对发光二极管和光电晶体管组成的矩形光栅块（124 mm×92 mm）能够实现甜菜、菊苣种子（2.8～4.5 mm）排种均匀性的快速检测[1]。Karayel等[2-3]分别设计的高速摄像系统和电容传感装置实现对小麦、大豆以及甘蔗坯精密播种排种粒距均匀性及落种速度的检测。Precision Planting公司所研制的WaveVision检测器能够克服排种过程中连续2粒或多粒种子被认为1粒种子、尘土可能被检测为种子等技术难题，其检测对象为玉米、大豆、谷物等种子，难以实现对油菜等小粒径种子的检测[4]。近年来，中国针对马铃薯、玉米、小麦、谷物等大中粒径种子的精量播种监测研究力度逐步增大。刘洪强等[5-10]通过选用红外发光二极管、激光二极管、红外光敏二极管、硅光电池等作为发射端和接收端，并优化排列方式提高检测区域覆盖率及增加内置自清洁除尘装置设计的光电传感器，能够实现对小麦、玉米、水稻等作物精量排种器排种性能的检测。高速摄影法[11-15]有很高的检测准确率，但设备成本较高，系统结构复杂，且受田间振动和尘土的干扰较大，一般仅用于实验室环境下的排种检测。周利明等[16-18]利用种子介电性质及电容器的电容随极板间介质质量变化而发生变化的原理设计了基于电容信号的排种性能检测系统，能够实现玉米或小麦播种机排种量的在线检测。一些专家学者也利用压电传感法对播量监测进行了一些探索，张霖等[19]利用典型的弹簧-质量-阻尼系统理论对悬臂式压电陶瓷片的振动频率和阻尼进行分析，选择合适的粘弹性材料和安装方式，提出了一种针对绿豆种子的压电传感种子数粒系统。黄东岩等[20]也针对玉米精量播种机设计了一种基于聚偏氟乙烯压电薄膜的排种监测系统，种子碰撞信号脉冲宽度5 ms，检测准确率达96%，满足玉米排种监测要求。

油菜等小粒径种子（平均粒径1.5～2.2 mm）质量轻、精量播种排种频率较高，针对通过光信号点对点发射与接收的传感装置，依靠种子隔断光路实现对种子感应的检测方式存在较大检测盲区，对尘土污染较为敏感，更难保证田间检测准确率。针对油菜等小粒径种子流的检测，丁幼春等[21-23]利用光纤传感器对油菜精量排种器的性能检测、漏播检测与补种进行了研究，但光纤传感器价格昂贵，实现油菜精量直播机六行播量实时监测的硬件成本高于直播机本身，严重制约着油菜等小粒径种子播量监测的应用推广。

针对气力式油菜等小粒径排种器排种种子流感应困难的问题，本文提出利用种子下落时与压电敏感材料碰撞产生的尖脉冲信号获得种子流序列信息，实现小粒径种子流的传感，在此基础上设计了油菜精量排种器种子流传感装置，并对其进行了试验。

1 传感装置工作原理

1.1 PVDF压电薄膜

聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）压电薄膜是由压电高分子材料聚偏氟乙烯制作而成的30～500m厚度薄膜，其具有压电电压常数高、频响宽、成本低等优点，在电声、水声超声测量、医疗电子、机器人等领域有着广泛的应用[24-30]。经过油菜种子与多种压电薄膜碰撞试验对信号进行对比分析，最终选用MEAS公司的LDT0-028K压电薄膜作为压电敏感元件，其厚度0.2 mm，最小感应力为0.01 N。

1.2 传感装置结构及工作原理

油菜精量排种器种子流传感装置主要包括入种口1、导管2、沉槽基板3、压电薄膜4、出种口5、碰撞腔6等。传感装置结构如图1a所示。

工作时，将传感装置安装于油菜精量排种器下方合适位置，排种器投种口下落的油菜种子流经入种口、导管落至倾斜向下的压电薄膜，与之发生碰撞后从传感装置出种口流出。传感装置在结构设计时考虑油菜种子尽可能只实现一次碰撞，维持投种的均匀性。压电薄膜在种子撞击作用下发生极化，产生衰减脉冲电压信号，经信号调理电路的放大、半波整流、电压比较、单稳态触发等环节处理，产生与种子流序列对应的矩形脉冲序列信号。通过单片机定时计数采集处理，实现油菜种子流排种频率与排种总量的实时检测，并利用无线收发模块定时发送给监测显示终端，实现播量数据的实时显示与保存。

2 传感装置主要结构及参数

油菜精量排种器种子流传感装置的关键结构为感应结构部件、导管、压电薄膜倾角与出种口位置，直接影响油菜种子与压电薄膜的有效碰撞及种子通过传感装置的流畅性。

2.1 感应结构部件

试验发现仅由悬臂式无基板压电薄膜作为油菜种子感应结构时，油菜种子碰撞压电薄膜后致使薄膜产生自由振荡，继而产生周期性衰减电压信号，收敛时间长，不利于对高频种子流的检测。为此设计了一种沉槽基板-压电薄膜结构，在基板上开出与压电薄膜有效感应区域（11 mm×16 mm）一致的矩形沉槽，沉槽深度1 mm（试验发现深度大于1 mm后压电输出信号特征无显著区别）。用粘胶将压电薄膜四周边沿粘贴在基板表面，压电薄膜有效感应区域下方处于中空状态，这种结构限制了压电薄膜在与油菜种子发生碰撞后产生自由振荡的幅度，碰撞信号快速收敛，提高了种子流检测的时间分辨率。沉槽基板与传感器装置相对独立，采用单挡板与楔形结构进行定位和夹紧，方便安装与更换压电薄膜。试验还发现沉槽基板-压电薄膜感应结构可以有效解决机械振动带来的干扰，结构如图1b所示。

2.2 导管内径

为了便于传感装置与油菜精量排种器投种口有效对接，同时保证种子有更好的下落导向性，设计导管为两段式，上段为锥管，下段为直管，锥管是上端入种口与下端直管形成的自然过渡。为保证所有油菜种子能够在压电薄膜的有效感应区内发生碰撞，且为避免因传感装置在非竖直状态时（导管轴线与竖直方向存在一定夹角）仍能有效感应种子流，压电薄膜有效感应区域短边方向需对称各保留2 mm，直管内径不宜过大；同时，油菜精量排种器排种时排种盘各型孔内油菜种子呈一定次序下落，在排种盘型孔加工精度达不到要求的情况下单个型孔内最多有3粒种子下落，为了防止偶然3粒种子同时下落而造成导管堵塞，直管内径又不能过小。据此得知，直管内径需满足：

式中为直管内径，mm；为种子平均直径，mm；为压电薄膜有效感应区域宽度，mm。

试验选用中双11号油菜种子，平均粒径1.5～2.2 mm，千粒质量1.65～5.21 g，球形度为97.9%，压电薄膜有效感应区域宽度为11 mm，故直管内径设定为7 mm。

2.3 压电薄膜倾角

为使经导管下落的油菜种子能够与压电薄膜发生有效碰撞，压电薄膜倾角（压电薄膜表面与水平面的夹角）受到油菜种子必须在压电薄膜有效感应区内发生碰撞的约束，不能过大；但从小粒径种子流经传感装置的流畅性上说，要避免油菜种子与压电薄膜发生二次甚至多次碰撞，理论上在0～90°范围内要尽可能大。因此，根据所设定直管内径、所选压电薄膜的有效感应区域以及直管与压电薄膜的几何关系，必须保证压电薄膜有效感应区足够容纳直管沿其轴线方向的投影，为避免因传感装置在非竖直状态时仍能有效感应种子流，压电薄膜有效感应区域长边方向两端各保留2 mm。压电薄膜倾角几何分析参见图2。

a. 种子与压电薄膜碰撞轨迹a. Collision trajectory of seed andpiezoelectric filmb. 种子与压电薄膜碰撞力学模型b. Collision mechanics model ofseed and piezoelectric film

根据几何关系，由式（2）计算可以得到压电薄膜倾角最大值。

式中直管内径为7 mm；压电薄膜有效感应区域长度为16 mm，得=54°。由此设定压电薄膜倾角为54°。

2.4 导管长度

导管长度决定着种子在传感装置中的下落高度，直接影响油菜种子与压电薄膜的碰撞前速度，进而影响碰撞冲击力。忽略种子下落初速度及与管壁的摩擦，利用高速摄影（pco.diamx HD）在20 000 fps的帧率下记录种子与压电薄膜的碰撞轨迹，利用运动学和碰撞动力学原理，建立种子与压电薄膜的碰撞模型，图2b为种子与压电薄膜碰撞轨迹及碰撞力学模型。

忽略种子从投种口下落时初速度，在垂直于压电薄膜方向利用冲量定理，由式（3）、（4）联立可得种子最小下落高度。

（4）

式中为种子最小下落高度，mm；0为种子碰撞前速度，m/s；最小感应冲击力为0.01 N。运用小粒径轨迹参数分析软件[12]得知：种子碰撞后速度1大小等于0.40大小，m/s；碰撞时间为0.2 ms；种子碰撞后速度方向与压电薄膜夹角为10°；为保证不同粒径油菜种子下落冲击达到最小感应冲击力，单粒油菜种子最小质量为1.65×10-6kg，得= 172 mm。

考虑入种口长度10 mm，故导管长度至少为162 mm。这样便可保证即使种子下落初速度为零，依然能够被压电薄膜感应到。为了减弱锥面对种子的能量削弱程度，设计锥角为10°，锥管长度91 mm。由于下落高度越大种子对压电薄膜的冲击越大，对粒径偏小油菜种子的检测可靠性越高，考虑传感装置的小巧以及在直播机上安装空间因素，设计直管长度为71 mm，导管总长度为162 mm，满足导管长度最小要求。

导管长度的计算是在种子作自由落体运动条件下推导出来的，在实际应用中，因机具震动、田间作业发生小幅度倾斜等原因导致传感装置处于非竖直状态在所难免，种子会在排种管内壁反复碰撞而影响其实际下落速度。为此可将传感装置竖直安装于油菜精量排种器投种口下方一定距离处（本文田间试验时设定350 mm），油菜种子本身有较高的球形度和较好的流动性，到达传感装置入种口时种子已具备较高的下落速度，再经过传感装置的导管，使得油菜种子与压电薄膜有效感应区碰撞前达到最低速度要求，从而实现种子的有效感应。

2.5 出种口位置

出种口位置影响油菜种子流出传感装置的顺畅程度，如果位置不合适，种子可能与出种口内壁发生碰撞反弹再次落到压电薄膜上。利用高速摄影记录的种子碰撞轨迹（见图2a）设计出种口位置。考虑纵向位置，为使种子尽快从碰撞腔到达出种口，设计出种口上端与压电薄膜下边界处相接；考虑水平位置，使出种口中心位于种子轨迹上，保证种子从出种口中部落下，减少种子与出种口碰撞的可能性。

3 信号采集系统设计及检测流程

3.1 碰撞信号特性分析

基于所设计的传感装置结构，由于油菜种子粒径差异，种子与压电薄膜碰撞后压电薄膜产生峰值为0.07～0.25 V范围内的尖脉冲电压信号。对压电薄膜进行了无基板与有沉槽基板碰撞信号测试，用双通道示波器（UNIT UTD2012CEL）对碰撞原始信号与放大信号实时采集，碰撞信号如图3所示。无基板压电薄膜测试时，压电薄膜受油菜种子撞击后产生自由振荡，输出与种子冲击产生的峰值电压幅值相当的周期性峰值电压，收敛时间达9 ms，也就是说，在收敛的9 ms内，再有种子与压电薄膜发生碰撞时，产生的撞击信号与自由振荡波形发生混叠，给后续的信号处理、数字化带来难度。沉槽基板-压电薄膜由压电薄膜与矩形沉槽基板通过四周粘接组成一个整体，这种结构限制了压电薄膜的自由振荡幅度，削弱了自由振荡峰值电压，碰撞信号在1 ms内即可收敛完成，提高了种子流检测的时间分辨率。

a. 无基板压电薄膜信号波形图

a. Signal waveform diagram of piezoelectric film without substrate

3.2 信号采集系统设计

信号采集系统包括信号调理、信号采集及监测显示终端，如图4所示。

信号调理包括信号放大电路、半波整流电路、比较电路、单稳态触发电路，将毫伏级碰撞信号转化为单片机可以处理的5 V矩形脉冲信号。放大电路利用高精度仪用放大芯片（AD620）将毫伏级碰撞峰值电信号放大至1.4～5 V范围内，此时杂波干扰信号幅值为0.2 V。半波整流利用二极管的单向导通性，将负电压信号滤除，保留正向电压信号，二极管正向导通会使正向电压信号峰值降低0.3 V左右。试验得知经过二极管后小粒径油菜籽产生的信号峰值电压均在1 V以上，在比较电路中设定比较电路阈值电压为0.6 V，即超过阈值电压的尖峰脉冲信号将被转换成方波脉冲信号，方波脉冲宽度在0.4～0.5 ms变化。利用单稳态触发器（74LS123N）的上升沿触发延时功能，通过调节外接电阻、电容参数设定最终输出1 ms固定脉宽的方波信号，实现了单粒小粒径种子与单个固定脉宽方波信号的转换。理论上讲，最终输出的方波信号脉宽越小，能检测相邻油菜籽的能力越强，但事实上，最终检测的时间分辨率是由压电薄膜碰撞后的收敛时间决定的。

信号采集利用STC12C2052AD单片机的定时器中断T0与外部中断INT0实现油菜籽种子流的排种频率与排种总量的实时检测，并通过NRF24L01无线收发模块（2.4 GHz的ISM频段，数据传输速率2 Mbps，传输距离25 m，一次数据传输时间小于3 ms）实现与监测显示终端的信息传输。监测显示终端通过NRF无线收发模块接收来自传感装置检测的排种频率和排种总量信息。通过监测显示终端按键操作向传感装置发送复位指令可以实现对传感装置数据清零。

3.3 检测流程

整个系统的程序流程如图5所示。工作前，先将种子流传感装置和监测显示终端初始化，即完成对定时器、外部中断、NRF等初始化工作。

种子流与压电薄膜碰撞后产生的脉冲序列直接产生外部INT0中断，可实时获得排种总量sum0，同时利用定时中断（定时1 s），可获得排种频率freq，每秒后通过NRF无线收发模块将排种总量、排种频率发送给监测显示终端。为了减小功耗，若连续检测周期内没有检测到种子，使NRF进入休眠状态，停止发送。只要某个周期检测到种子，NRF恢复发送数据状态。

监测显示终端通过NRF无线收发模块每次接收到来自传感装置的排种频率freq、排种总量sum0数据，接收次数加1。为了避免因无线传输故障导致丢失数据的可能，采取监测显示终端排种总量累加值sum与sum0对比校验的方式，若sum与sum0不一致时，表明出现了数据丢失，此时以sum0作为准确的排种总量。同时，为操作方便，监测显示终端可以通过按键操作发送复位指令，实现对传感装置的数据清除。

4 传感装置的性能试验

4.1 台架试验

4.1.1 试验材料与设备

试验所用材料为中双11号油菜种子（试验前人工将缺损开裂的种子筛捡出）。试验所用主要仪器及设备为油菜精量排种器，气力式精量排种器试验台架，手持式测速器，油菜精量排种器种子流传感装置，监测显示终端，接种袋，秒表，SLY-C微电脑自动数粒仪（浙江托普仪器有限公司）。整体试验装置图6所示。

4.1.2 试验方法与结果分析

试验目的在于评估油菜精量排种器种子流传感装置对不同排种频率油菜种子流检测的准确率及可靠性。

将油菜精量排种器种子流传感装置安装于气力式油菜精量排种器投种口下方合适位置，并用接种袋收集通过传感装置的种子。设定40型孔排种器工作于12、18、24 r/min共3个适宜工作转速档位下，每个速度档位下重复3次试验。每次试验当监测显示终端显示检测粒数大约为1 120粒时，停止排种，记录排种时间与传感装置检测粒数，采用人工数粒获得实际粒数。为进一步检验传感装置对高频种子流的检测效果。利用微电脑自动数粒仪（小粒径种子低速计数精度4‰，速度高时，精度下降）模拟高频排种。通过调整数粒仪振动档位，开展落种频率在20、24、28、32 Hz附近4个档位进行测试（该设备落种频率不超过33 Hz），每个落种频率档位下重复3次试验。设定数粒仪数种量为1 120，停止数种后，记录排种时间、传感装置检测粒数，并对接种袋中的种子进行人工数粒获得实际粒数。油菜精量排种器台架试验与数粒仪高频排种试验检测结果如表1所示。

表1 排种器不同转速下与数粒仪高频排种下传感装置检测结果

由表1可知，传感装置在8.1～16.6 Hz田间正常排种频率范围内，检测准确率不低于99.6%，20.1～32.9 Hz高频排种频率范围内，检测准确率同样较稳定，不低于99.5%。传感装置检测粒数与实际粒数有一定的偏差，整体偏大，分析其原因，主要由以下两方面造成：一方面，种子从导管出口截面（直径为7 mm的圆截面）流出位置的不确定性导致种子与压电薄膜的碰撞点具有随机性，以直管轴线在压电薄膜上的投影点为中心，将碰撞区分为上、下碰撞区（见图1虚线上、下半椭圆区4-3、4-4）。利用高速摄影观察种子与压电薄膜碰撞过程，发现落至上碰撞区的部分种子碰撞后飞离过程中与下碰撞区下落的种子发生斜碰（碰撞之前两种子的运动速度与两种子质心的连线不在同一条直线上），致使种子速度被改变，均与压电薄膜发生碰撞，导致前粒种子被重复计数。另一方面，本传感装置对种子流检测的时间分辨率为1 ms，当多粒油菜籽在1 ms内与压电薄膜发生碰撞时，只会被计数1次，这样会使计数结果偏低，对于油菜精量排种器正常排种速率来说，1 ms内多粒油菜籽与压电薄膜发生碰撞的概率非常小。

整个试验过程中没有出现种子在传感装置内出种不畅甚至堵塞现象，也没有发生无线数据传输故障，装置充满电后可持续工作9 h。

4.2 田间试验

田间试验的目的在于考察田间播种过程中传感装置对机械振动、土壤粉尘等恶劣环境条件的抗干扰能力。

为了更直观地检验油菜精量联合直播机耕整与播种振动工况对传感装置的影响，将传感装置分别按表2所示安装在油菜精量联合直播机机架上（未与排种器投种口连接，即没有种子流经传感装置）。每组试验播种机工作距离为50 m，直播机工作过程中，测试者手持监测显示终端并跟随直播机，观察并记录显示的排种频率及排种总量。

表2 传感装置田间抗振性试验结果

由表2的第1组和第2组试验结果可知，田间机械振动带动传感装置振动，无基板压电薄膜在外部振动激励的作用下，产生自由振荡形成干扰脉冲信号，导致排种总量示数不断增加，无基板压电薄膜感应结构容易受田间机械震动影响；对于沉槽基板-压电薄膜感应结构，虽同样存在外部振动激励，沉槽基板限制了压电薄膜的自由振荡幅度，从而有效抵抗田间机械振动影响。从表2的第1组和第3组试验结果可知，结合导种管软质结构特点，采用软管悬挂连接方式可以进一步吸收机械振动从而减小田间振动对传感装置的影响。

为进一步检验传感装置田间播量监测的效果，在孝南区西河镇油菜机械化生产试验示范基地开展了田间油菜精量播种播量监测试验。选用雷沃M704-BA拖拉机为2BYM8-油菜精量联合直播机提供动力，直播机所用排种器为正负气压组合式精量排种器，油菜精量排种器种子流传感装置通过导种软管竖直安装于排种器投种口下方350 mm位置处，用接种袋收集通过传感装置的种子。试验现场如图7所示。

试验过程中设定3个适宜的直播机工作速度水平，慢I档、慢II档、慢III档，每个档位测定工作距离=40 m。记录监测显示终端显示的播种时间、排种频率、播种总量，采用人工数粒获得实际播种总量。田间播量监测结果如表3所示。

表3 田间播量监测试验结果

从表3可以看出，在3个速度档位下检测播种总量856、853、845与实际播种总量851、845、838相差不大，检测准确率不低于99.1%；检测平均排种频率9.6、13.1、17.6 Hz与实际排种频率9.6、13.0、17.5 Hz也很接近。

由于传感装置处于封闭状态，虽然田间会有尘土，气力式精量排种器下方与传感装置连接的导种管内气流向下，并不会使田间尘土进入传感装置内部干扰种子流监测。试验结束后发现压电薄膜上有少量极为细微的浮尘，主要来源于种箱，播种过程中随种子散落在压电薄膜上，不足以产生与油菜籽相当的碰撞力度，不会对种子流计数产生干扰。由于田间不平整造成的传感装置一定角度的倾斜同样能够保证油菜种子流与压电薄膜发生有效碰撞，并不会影响检测效果。

5 结 论

本文设计了油菜精量排种器种子流传感装置用于解决油菜等小粒径种子流传感器缺乏而导致播种监测困难的问题，对油菜精量排种器种子流传感装置准确率、抗振性及抗尘性进行了性能试验。

1）利用小粒径种子碰撞力学特性设计了油菜精量排种器种子流传感装置。该装置包括入种口、导管、沉槽基板-压电薄膜、碰撞腔、出种口，集成信号处理、信号采集、无线收发等功能，结构紧凑，适合于油菜等小粒径种子精量排种器田间环境播量监测。

2）利用高速摄影技术及碰撞动力学记录并分析油菜种子与压电薄膜的碰撞轨迹，设计确定了导管长度162 mm、压电薄膜倾角54°、出种口合理位置等重要结构参数，保证种子流与压电薄膜发生有效碰撞后快速、顺畅地流出传感装置。设计了沉槽基板-压电薄膜感应结构，将碰撞信号的衰减时间从9缩短至1 ms，提高了对高频种子流检测的时间分辨率，同时能够有效抵抗机械振动带来的干扰影响。

3）油菜精量排种器台架及数粒仪高频排种试验表明：在落种频率8.1～32.9 Hz范围内，检测准确率不低于99.5%，无种子堵塞现象。田间播种试验表明：传感装置能够实时检测种子流的排种频率与排种总量，在无排种时计数为零，正常播种状态时检测准确率不低于99.1%，机械振动及粉尘对传感装置无影响。

该传感装置可为油菜精量播种过程播量监测、漏播检测以及补种提供参考。

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Design and experiment on seed flow sensing device for rapeseed precision metering device

Ding Youchun, Yang Junqiang, Zhu Kai, Zhang Lili, Zhou Yawen, Liao Qingxi

(,,430070,)

Precision seeding plays an important role in intelligent agricultural machinery development due to its advantages of saving seeds, reducing labor intensity, improving operation efficiency and increasing farmers' income. In the planting process, seed metering device is in a closed status and sowing quantity affects crop yield directly, and thus sowing quantity monitoring become one of the development trends in intelligent precision seeding. In recent years, various methods for precision seeding such as photoelectric sensor detection, high-speed photography, and capacitance sensing have been proposed to improve seeding performance for the corn, rice, soybean and other large seeds. Few studies have focused on the sensing method of small seeds such as rapeseed because of its small size, light weight and high frequency seeding. Thus, the development and application of monitoring technology about precision sowing for small seeds are limited. In this study, a seed flow sensing device for rapeseed precision metering device was designed and tested. Specifically, collision trajectory between rapeseed and PVDF (polyvinylidene fluoride) piezoelectric film was recorded and analyzed using high-speed photography and collision dynamics. These data provided a quantitative reference for the design of key structures in terms of the height of catheter, sloping angle of piezoelectric film, position of seed-output, etc. The sensing structure of sinking groove substrate and piezoelectric film was designed based on the analysis of characteristics of impact signal between rapeseed and piezoelectric film. The structure could limit the free oscillation amplitude of the piezoelectric film that could weaken the peak voltage of the free oscillation effectively. The decay time of impact signal was reduced from 9 to 1 ms, which improved the time resolution for high frequency seed flow detection and effectively eliminated the interference caused by mechanical vibration. The signal conditioning circuit turned weak signal into single pulse signal by signal amplification, half wave rectification, voltage comparison, and mono-stable triggering. Then, the real-time detection of seeding frequency and seeding quantity of rapeseed flow was obtained through the timing and counting function of the MCU (STC12C2052AD). Finally, these data were transmitted at a fixed time interval (1 s) by 2.4 GHz wireless transmission module to the monitoring display terminal, and the real-time display and storage of detection data (including the seeding frequency and the total seeding amount) were realized. Bench experiment consisted of two tests. One was carried out on the pneumatic precision metering device for rapeseed bench test. During the test, a seeding plate (40 holes) was set at a suitable speed such as 12, 18, and 24 r/min (seeding frequency was 8, 12, and 16 Hz), and the sensing device was installed under the metering device. After a period of seeding time, the detection seeding quantity, seeding time and actual seeding quantity were recorded by observing monitoring display terminal and by manual counting the seeds in the seeds collecting bag. Another test about high-rate seeding was carried out using microcomputer automatic counting instrument. During the test, seeding frequency was set as about 20, 24, 28, and 32 Hz, respectively by adjusting the vibration level, and then the detection of seeding quantity, the seeding time and the actual seeding quantity were obtained using a similar method of the first test. Tests of rapeseed precision metering device bench and high-rate seeding with counting instrument showed that the detection accuracy was not less than 99.5% by comparing detection seeding quantity and actual seeding quantity in the seeding frequency ranging from 8.1 to 32.9 Hz. In addition, the field experiment was carried out on precision joint planter of 2BYM8 for rapeseed driven by a LOVOL M704-BA tractor. The results indicated that the sensing device based on the composite sensing structure of sinking groove substrate and piezoelectric film sensing composite structure can detect the seed flow seeding frequency and seeding quantity, with the counting number being zero without seeding and the detection accuracy being not less than 99.1% under normal seeding. Besides, the mechanical vibration and dust had no effect on the sensing device. The piezoelectric rapeseed flow sensing device presented may facilitate metering quantity monitoring, loss sowing detection and reseeding.

mechanization; design; monitoring; rapeseed precision metering device; rapeseed flow; collision; sensing device

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.004

S223.2+5

A

1002-6819(2017)-09-0029-08

2016-12-25

2017-04-08

国家重点研发计划项目（2016YFD020060602）；湖北省技术创新专项重大项目（2016ABA094）

丁幼春，男，湖北孝感人，副教授，主要从事油菜机械化生产智能化技术与装备研究。武汉 华中农业大学工学院，430070。Email：kingbug163@163.com

丁幼春，杨军强，朱 凯，张莉莉，周雅文，廖庆喜. 油菜精量排种器种子流传感装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(9)：29－36. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.004 http://www.tcsae.org

Ding Youchun, Yang Junqiang, Zhu Kai, Zhang Lili, Zhou Yawen, Liao Qingxi. Design and experiment on seed flow sensing device for rapeseed precision metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 29－36. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.004 http://www.tcsae.org