肥箱电容式料位传感器设计与试验

赵明岩，王 熙，戚增坤，王新忠，庄卫东

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

施肥作业是农业生产过程中一项重要的环节[1]，直接影响作物产量。当肥箱出现肥料排空时，会导致漏施现象的发生，容易造成农作物减产，引起农业生产损失。因此，肥箱料位在线检测技术装备是目前国内外相关领域学者研究的重点之一。人工肥箱料位检测法是目前农业生产中普遍采用的方法，存在检测不及时、易出现肥箱排空现象、肥料漏施及导致人员伤亡等弊端。因此，设计一款电子检测装置替代人工，对肥箱料位进行检测具有重要意义[2]。随着电子信息技术的发展，传感器技术在农业领域得以广泛应用，便于及时发现和处理农业机械存在的潜在问题，提高农业机械信息化程度，降低能耗，节省人力、物力等资源投入[3]。王大可[4]等对气吸精播机施肥量无线计量监测系统进行了研究，利用电容式接近开关、光电传感器检测化肥箱的工作状态；美国Mander G[5]等人设计一款电容传感器用于土壤水分监测及水分变化模拟电压的分析；美国Chinnock R T[6]等人设计一款电容器进行大气环境的检测。

本文设计了一种电容信号获取与实时传输的施肥机肥箱颗粒化肥料位检测传感器，由电容传感器获取肥箱中化肥料位的信息，搭载CAN总线进行实时信息传输，以实现对施肥作业情况的实时检测。

1 颗粒化肥料位检测原理

平行极板电容传感器安装在化肥箱对面的内壁上，当化肥箱中充满颗粒化肥时，传感器两电极间的电容值为定值[7-8]；当肥箱中颗粒化肥料位下降时，颗粒化肥与空气共同充当了两极板之间的介质，空气与颗粒化肥混合比例变化，导致电容率改变，引起两极板之间的电容输出值变化。颗粒化肥的介电常数在1.5～3之间，空气的介电常数为1，通过测量两极板之间电容值输出变化，来判断肥箱中的化肥余量(料位高度)。由于电容传感器平行极板没有机械部件，测量时为非接触式测量，因此平行极板电容传感器有高可靠性及较长的使用寿命。电容变化量计算公式为

(1)

式中ΔC—料位变化时电容的变化量(F)；

ξ1—化肥介电常数(F/m)；

ξ3—空气介电常数(F/m)；

S—电容极板的面积(m2)；

K—静电力常量；

D—平行极板间距离(m)。

由式(1)可知：传感器输出电容值的变化量与施肥机肥箱中化肥余量呈线性关系[9-10]。通过实时获取电容信号变化，可以实现施肥机肥箱化肥料位的在线检测。除此之外，当肥箱中肥料剩余量不足时，及时提醒农机驾驶人员停车，并对肥箱中的化肥进行添加；还可以根据施肥机作业幅宽及前进速度，进一步分析计算，得到单位面积化肥施用量。单位面积化肥施用量计算公式为

(2)

式中M(t)—单位面积化肥施用量(kg/m2)；

D—施肥具作业的幅宽(m)；

Vt—作业机具前进速度(m/s)；

Qt—肥料流量(kg/s)。

根据施肥机作业时前进速度，计算出单位作业面积所使用的化肥量。新的化肥施用量计量方法能够精准控制化肥施用量，减少化肥浪费，实现农业生产优质、低耗，对农业可持续发展及提高农业机械信息化水平具有重要意义[11]。

2 传感器设计

2.1 外形与尺寸设计

设计两种极板安装位置不同的传感器：第1种为平行极板电容传感器，第2种为相邻极板电容传感器。相邻极板电容传感器电容值变化是非线性的，没有统一的电容值计算公式，但通过公式(1)仍然能够看出，相邻极板传感器电容值与传感器极板面积、极板间距及极板间物质的介电常数都有着很大关系。

电场线穿透深度是衡量相邻极板电容传感器性能的关键参数之一，决定着电场线能够穿透多厚的待测物体表面[12]，从而测量极板间待测物的厚度。通过有限元仿真与试验可知：电场线穿透性近似正比于传感器两极板间的距离。在实际生产中，由于传感器安装在化肥箱内测，电场线的穿透深度为化肥箱的宽度，所以极板相邻距离不宜过大。通过仿真与台架试验可知：相邻极板安装距离最大不超过传感器电容极板长或宽的40%。传感器电极板安装距离与电容测量结果呈一定相关性。

传感器电容极板为矩形，由条件可知相邻电容极板的宽度X为：电容极板宽度+电容极板间距+封装外壳=安装位置宽度。由此得极板长度为30mm。在给定传感器尺寸、规定测量区域的情况下，设计两种传感器形式，并结合以上参数进行性能试验。

2.2 传感器材料的选择

设计好的电容极板安装在化肥箱内侧，因化肥箱的箱体形状各异，且存在较少的相对平行表面，为避免传感器在肥箱中弯曲变形，传感器的极板应具有一定强度，以抵抗变形。经调研分析，采用厚度0.5mm的铜皮作为传感器极板的材料[13-14]，并应进行绝缘封装。

2.3 安装位置与封装外壳设计

肥箱料位电容传感器极板是检测装置中最关键的部件，有两种安装位置，如图1所示。

图1 电容极板安装位置简图

电容传感器的稳定性直接影响检测效果，因此进行单因素试验。电容式肥料余量检测传感器由电容极板、封装外壳及外围电路等组成，安装在施肥机化肥箱内壁，对肥箱内化肥余量信息进行采集。

化肥箱主要有金属材料、聚碳材料两种，主要起到对化肥的盛装及对电容极板支撑的作用。电容极板在安装过程中，应充分考虑绝缘问题。因化肥具有腐蚀性和导电性，直接与电容极板接触易造成电容极板联通和腐烂，对电容测量结果的准确性存在影响，所以电容极板用绝缘材料进行隔离封装处理，如用聚酯材料进行密闭封装、刷涂层等。

2.4 有限元仿真分析

因该肥箱料位检测传感器的检测场为电磁场，试验还受实际工作中肥箱材料的影响，且无具体计算公式。为验证所设计电容极板检测方案的可行性，利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics进行了极板电容检测过程的仿真分析，建立了相邻电容极板不同间距下电场线的穿透强度和电容值的耦合模型，并考虑了在肥箱中的安装位置，以确保检测电容值的稳定性。

电容仿真建模方法：在COMSOL Multiphysics有限元分析软件中调用AC/DC模块中的静电模块，然后在AC/DC静电模块下选择稳态，完成检测场模型的全部选择。在构建的仿真模型左侧及模型开发器中，依次对仿真的模型、物理场进行三维的搭建，建立极板尺寸、极板相对位置及检测场模型；搭建的电容极板尺寸为50mm×300mm，两极板将相邻距离为20 mm，极板封装宽度为30mm，检测场的几何尺寸为170mm的立方体。设置完成后，软件基于其内部算法在构建的物理检测场内进行运算至求解结束。在计算结果树状图下选择派生值、电容计算，得到仿真计算电容值的大小。相对极板电容传感器，检测物理场内电容值的方法与相邻极板电容传感器构建物理检测场和电容值方法相同。软件仿真操作结果如图2所示。

图2 仿真分析图

运用有限元仿真分析软件构建检测物理场得仿真分析，分别对相邻极板电容传感器、相对极板电容传感器“空箱”“满箱”状态时的电容值进行物理场检测仿真分析，将仿真运算所得到的电容值整理，运算结果如表1所示。

表1 极板不同安装位置仿真分析极限电容值

通过简单的建模仿真，对结果进行分析可知：电容极板安装位置不同的两种传感器对肥箱中肥料电容值的检测结果与肥箱中料位剩余量呈正相关。所以，用电容传感器检测肥箱料位余量的方法具有可行性。

3 传感器性能试验

3.1 传感器性能测试

将电容传感器极板安装在如图1所示相对平行、相邻两种位置，进行化肥箱排空单因素试验。为减少试验误差进行多次测量，将所得电容值数据的平均值记录，如表2所示。

表2中，两组数据分别表示电容极板采用相对平行安装、相邻安装时对颗粒肥料(尿素)进行多组肥箱排空试验记录测得电容值的平均数。颗粒化肥在排出肥箱的过程中，电容值的变化与肥箱中肥料的余量，存在一定的线性关系。肥箱排空试验所测得的电容值与肥箱中化肥所剩余量(百分比)的线性关系、电容值的变化趋势如图3所示。

表2 单因素试验表

图3 极板两种安装位置排空试验关系图

3.2 试验结果与分析

3.2.1 试验材料及设备

试验材料选用颗粒状化肥(尿素)，肥料颗粒均匀、无结块及变质等现象[15]。试验设备主要有施肥试验台、液压驱动装置、高精度数字显示电容电感表(精度为0.01pF)、相邻极板电容传感器与相对极板电容传感器及等组成。

为了验证相邻极板电容式肥箱料位检测传感器与相对极板电容传感器的测量误差，在施肥试验台上进行颗粒化肥料位余量检测试验。施肥试验台由液压装置驱动排肥器排肥轴转动，提供排肥所需的动力。通过施肥试验台控制系统改变排肥轴转速及排肥试验时间，也可以实现连续排肥试验，达到检测肥箱化肥料位余量的目的。

3.2.2 台架试验及数据分析

利用实验室施肥试验台进行试验，液压装置提供排肥轴所需动力，用高精度数字显示电容测试表检测肥箱在空箱状态时由传感器所测得的电容值P1；然后向肥箱中填满颗粒化肥(尿素)，化肥填装高度需超过电容极板的边缘，记录出此时传感器所测得的电容值P2；那么，P2/P1就是肥箱中所添加颗粒化肥(尿素)样品的介电常数。试验中所使用的颗粒(尿素)化肥介电常数P2/P1在1.74～2.45之间。试验数据记录如表3所示。

表3 极板两种安装位置极限电容值

根据作业过程中肥箱化肥余量不同，计算此时的电容量；然后，利用电容表测量此时的电容值，与计算出的电容值进行误差分析。

由公式(1)和公式C=C1+C2计算化肥箱不同料位的电容值(平行极板电容器)。其中，C为理论测量的电容值(F)；C1为两极板间化肥的电容值(F)；C2为两极板间空气的电容值(F)。

化肥余量分别达到肥箱容量的100%(满箱)、70%、0(空箱)时，电容值为

通过分析肥箱中化肥余量比与电容值的变化趋势，得到实际施肥作业过程中化肥余量变化与电容值变化的线性关系，并对电容值变化趋势走向进行验证性试验，对施肥作业机械肥箱化肥料位传感器电容值的检测结果进行误差分析比较。验证误差分析比较结果如表4所示。

表4 电容误差分析

4 讨论

肥箱料位检测传感器的作业效果不仅与天气环境有关，而且与肥箱材料(金属材料或聚碳材料)和肥箱尺寸有关。因此，研究基于电容法的肥箱中肥料余量检测传感器是否具有较强的通用性[16-17]，针对不同样式的肥箱检测传感器是否具有通用性。

今后可考虑对于不同肥箱的匹配程度是否具有良好的通用性。对不同尺寸肥箱、不同天气环境中进行试验结果比较[18]，得到不同样式肥箱的试验结果和误差曲线图，评价不同肥箱和天气环境下肥箱料位余量检测传感器的性能和效果，研究与肥箱肥料余量检测传感器相匹配的化肥箱及最佳天气等问题[19]，减少因肥箱尺寸、结构不同而导致的匹配性问题。

5 结论

1)采用电容式传感器检测肥箱化肥料位的微小电容变化，实现肥箱料位的在线检测。通过研究肥箱料位的改变，证明电容式传感器对于检测颗粒化肥料位的方法具有可行性。

2)设计了基于电容法检测肥箱化肥料位的电容传感器，将传感器获取直观性较差的电容信号值转化成直观性强的数字信号，实现肥箱中化肥料位的实时在线检测。

3)试验研究了检测肥料余量的电容传感器极板对于尺寸不同的化肥箱最佳安装位置，设计了电容极板最佳几何形状。研究了两种电容传感器电容极板安装位置与输出电容值与肥箱肥料余量的相应关系，建立了肥料余量与电容值的线性拟合模型：电容极板相邻安装、相对安装的有关模型相关系数分别为0.999 9、0.997 4。对模型的走向趋势进行了试验验证，得到验证性结论，电容值的变化趋势与肥箱中化肥料位高度成正比。

4)电容式传感器与化肥箱之间的安装方法简单、传感器检测方式采用非接触式测量，使用寿命较长，不受田间恶劣作业环境因素的影响，具有良好的抗干扰性与稳定性。