浅谈谷物联合收获机的在线测产技术

周银章

（山东省费县农业农村局，山东 临沂 273400）

过去主要采用人工抽样估产或者装袋称重的方式获取农作物产量，但是该方式劳动强度大、作业效率低，所以并不适用于大面积种植的农田。如果要实现精准农业，对农作物产量进行在线测产，有必要对联合收获机的在线测产技术展开深入研究，通过合理化安装测产传感器装置，实时在线获取到农作物产量的分布信息，这样农民以及农业管理者就可以参照信息，制订农业生产与管理计划。

1 谷物联合收获机在线测产技术分析

早在1992年就已经有企业将谷物产量监测系统推向市场，目前已有不少国家掌握了谷物在线测产技术，并且监测技术越来越先进。谷物联合收获机借助在线测产技术，一方面，便于人员对农机在远程状态下开展管理与服务工作，极大地提升了农业生产的机械化水平，并逐步向智能化的方向发展；另一方面，借助农机采集的精准的农作物产量信息，为绘制产量分布图提供信息帮助，为制订农业种植与生产管理方案提供数据支持。

1.1 动态称量测量法

该方法的关键技术是根据谷物流量与质量之间的关系，发挥传感器的作用，通过称量粮仓重量的方式得出谷物产量。在实际操作中，可以将谷物收获机的粮箱悬挂在两个称重杆上，同时称重杆的另一端要固定在收获机上。另外也可以调整称重传感器的安装位置，将其设置在粮箱底部，这样测量谷物质量时会更加便捷高效[1]。但是，因为直接利用传感器对粮箱进行称重，所以需要粮箱与谷物收获机的结构各自独立，也就是说将称重传感器安装在螺旋输送绞龙的出口位置，这样既可以确保螺旋输送绞龙重量与通过的谷物流量成正比，又能够尽量避免收获机颠簸造成测量误差增大，借助称重补偿技术提高谷物产量测量的精准度。

1.2 体积测量法

该方法属于联合形式的谷物收获机，通常机器内部会设置刮板式升运器结构用来运输粮食，针对联合式收获机可选择应用体积测量手段得出谷物质量信息。该测量手段包含两种方式，一是测量阶段时间内谷物体积，二是测量输送一定体积谷物一共消耗的时间，但是两种方式的基本原理均是先利用谷物密度，然后再测量谷物实际体积，最终通过一定公式换算确定谷物质量。而且两种方式都需要借助光电传感器、叶轮式容积传感器以及图像传感器来完成。其中光电传感器以及图像传感器具有共同点，都属于非接触式的测量技术，也就是说不需要接触谷物流量，仅需要借助刮板式升运器输送谷物的过程，来测量刮板上所堆积谷物的具体厚度，然后利用公式便可得出谷物实际体积。

1.2.1 对射式光电传感器

光电传感器由光发射器以及光接收器共同构成，包含对射式和漫反射式两种光电传感器。首先，对射式光电传感器的光接收器与光发射器两者在同一轴线内，且对准安装在刮板式升运器的两侧，轴线与谷物输送方向保持垂直，这样射线光束能够横穿于升运器[2]。通常情况下，光发射器内部结构中包含红外发光二极管，光接收器内部结构中设有光敏三极管，光路会在谷物经过传感器光路的瞬间呈现出被阻断或者衰弱的现象，造成光接收器输出电压的变化。所以在实际测量时只要记录下光电传感器脉冲信号持续输出时间，就能够分析出刮板谷物的厚度，最后结合刮板底面积与谷物密度得出谷物体积。

1.2.2 漫反射式光电传感器

该光电传感器需要将光发射器与光接收器结合在一起，一同安装在刮板式升运器的侧壁位置。在谷物通过升运器刮板过程中必然会经过漫反射光电传感器，发射器的光在接收到谷物反射之后，会继续原路返回到光接收器系统中，由此光接收器也会产生脉宽信号，并且信号持续时间会因刮板上谷物厚度的增加而持续变化，依据此原理就可以精准得出谷物体积信息。需要注意的是，此种测量方法对于传感器探头的清晰度要求较高，所以需要让探头始终保持干净，避免因受到灰尘和异物影响，导致测量的精准度有所降低。此外，刮板上谷物受到机器振动与颠簸的影响，很容易发生掉落，导致触碰到传感器。

1.2.3 叶轮式容积传感器

通过测量容积的方式获得谷物质量，该种测产技术需要借助叶轮式容积传感器。叶轮式容积传感器由料位传感器和叶轮构成，在刮板式升运器出粮口的后方位置，通常两侧还会安装螺旋输送绞龙和粮箱[3]。当谷物进入到收获机其中一个叶轮后，在叶轮填充体积达到一定标准后便会触动传感器，促使叶轮发生转动，然后就可以继续填充下一个叶轮。参照单个叶轮体积、谷物填充时间、叶轮旋转次数，就可直接测算出谷物的体积与流量。但是叶轮式容积传感器在实际安装过程中对于空间的要求较高，并且安装过程相对烦琐，其测量更是具有不连续性的弊端。

1.2.4 图像传感器

光电传感器存在误触发的问题，为切实解决这一问题，可以基于图像传感测产系统，对与距离触发相机最近的刮板中的谷物进行拍照，将其作为测量模型，通过对所拍照片的结构光修正的方式推算出堆积谷物的实际厚度，进而分析出谷物质量。此种技术方式经过多次实践检验，相对误差可以降低到4.27%左右，但是不足之处是系统在成本投入方面要求较高。

1.3 冲击力测量法

谷物冲击力测量方法是基于传统压力传感器而衍生出的全新技术手段，将谷物流量传感器安装在刮板式升运器的顶部出口位置，这样就可以通过检测升运器抛出谷物的周期得知谷物产量。以下为冲量定理公式：F(t)△t=△m(t)△v和在第二个算式中，△t表示谷物从升运器刮板离开后，到冲击板所用时间；△m(t)代表在△t时间内，谷物与冲击板发生碰撞的总体质量；△v表示谷物流在撞击到冲击板前后，水平方向速度产生的变化量；q表示谷物质量流量[4]。接下来就可以在了解谷物流碰撞冲击板前水平方向速度v为升运器速度的条件下，将碰撞到冲击板后的速度设定为v0，这样就可以得出速度的变化量△v与升运器速度v相近似。所以说，可以通过对谷物冲击前后动力变化产生的力加以测量，进而完成对谷物质量流量的在线测量。

冲量式谷物流量传感器的结构相对简单，所以安装较为便捷，同时成本投入也相对较低。现阶段国外已经有诸多用于商业的产量监测系统功能均采用此种谷物流量传感器。此种传感器因为内部核心元件不同，所以分为压电冲量式和应变冲量式两种，而应变冲量式谷物流量传感器又包含单臂与双臂两种。

1.3.1 压电冲量式谷物流量传感器

此种感应器通常由压电薄膜和压电陶瓷作为感应元件，利用压电效应测量谷物产量。具体而言，当压电晶体、压电陶瓷、高分子压电材料受到外力作用的影响时会发生形变，如果内部结构此时产生极化现象，则说明传感器表面有电荷产生，可以以电荷量作为切入点去测量材料当时受外力情况。

1.3.2 应变单臂冲量式谷物流量传感器

利用应变式压力传感器，对处于运动状态的谷物给冲击板带来的冲击力进行采集，然后完成谷物质量计算。在谷物联合收获机的谷物脱粒分离部分安装单臂冲量式传感器，可以对脱粒谷物质量进行估算。或者尝试将贴有电阻应变片的悬臂梁压力传感器与谷物冲击板结合起来，创新设计出单臂冲量式谷物流量传感器，并且通过阻尼材料包裹悬臂梁的方式，最大程度消除机器的振动。

1.3.3 应变双臂冲量式谷物流量传感器

应变双臂冲量式谷物流量传感器通常安装在谷物联合收获机的出粮口位置，一方面是起到导流作用，并且因为增加了差分消阵电路的设计部分，所以可以避免因机器振动对谷物测产精准度的影响，特别是田间水稻更是能够将测产误差控制在5%以内[5]。通过对该传感器静态受力情况的深入分析可以了解到，当传感器所输出的信号与静态力作用点位置不存在关系，且测产误差控制在3.8%以下，但是谷物流量高于2 kg/s的情况下，测产误差必然会变大。

冲量式谷物流量传感器的测量精准度会受到诸如谷物含水量、谷物流量、机器振动幅度、传感器安装角度等多方面因素的影响，而且当谷物流量相对较大的情况下，谷物流量会与谷物冲击力呈现出非线性的关系。所以可以通过开发智能联合收获机测产系统、固定悬臂梁上冲击板、设计弧形冲击板的方式来尽可能控制测量的相对误差。

1.4 射线测量法

射线测量方法主要借助射线强度的衰减程度情况，来表示刮板式升运器抛出的谷物质量流量。射线源与射线检测器共同组成射线传感器，射线源与射线检测器是对准安装在升运器出口位置，检测到的射线强度越弱，则表示谷物质量流量越大。Y射线传感器与X射线传感器均是最常用于谷物的流量监测，早在1993年，美国的AGCO公司已经将Y射线传感器测产技术应用在谷物流量测量中，并且逐步向商品化迈进[6]。后来，我国也加大对农业装备测产系统的研究力度，并且尝试将Y射线传感器应用其中，并且尽可能将产量测量精准度控制在2%范围内。经过国内外的不懈研究，现在已经证实Y射线与X射线传感器在测量谷物产量方面的精准度更高，其不受机器振动影响与粉尘污染影响的特点，是其他测量方法所无法比拟的，但是因为在实际使用中电磁辐射会对环境和操作者带来一定危害，所以并没有被大范围推广应用。

2 谷物联合收获机在线测产技术展望

谷物联合收获机在线测产技术在多数西方发达国家已经发展得非常成熟，基础的智能化测产系统都基本配置完善，可以根据实际需求采用多种方式高效完成谷物在线测产工作，并生成详尽的谷物产量空间分布图，这也就为实现精准化农业生产提供了有价值的参考信息[7]。但是在我国恰恰相反，很多农民对于精准农业的认识还相对片面，且因为分散经营的模式，导致不仅经济实力没有得到显著提升，农业机械智能化也依旧处于发展的起步阶段，主要表现在精准农业落实力度不足、谷物联合收获机的在线测产技术距离实现商业化推广还存在提升空间等。所以基于上述形势，未来我国在研究谷物联合收获机在线测产技术时，可以尝试从以下几个方面切入。

2.1 改革农业生产模式

中国地域辽阔，各个地区之间不论是经济水平还是技术水平均存在极大差异，以北方地区为例，农业生产类型主要为小规模的分散经营，经济条件与机械化水平都是较为滞后的，也是因为此种粗放型的管理模式，给我国现代化农业的发展带来约束。基于此，要加大对大规模集约化农业经营方式的推广力度，从整体角度全面提高农业机械的规模化作业水平。与此同时，农民、农业管理者要加强对精准农业技术的认识与应用意识，实现农业与信息、农艺、机械的深度融合，这样也是在无形之中为谷物测产技术创造了良好的研究与应用条件[8]。

2.2 强化测产传感器技术

不同的联合收获机结构，不同的收获物所适应的传感器也就不同。需要基于不损伤农作物这一基本条件，尽可能采用简便、高效的传感器安装方式，同时深入提高测产传感器使用的准确度、通用性、稳定性。在条件允许的情况下也要设计出低成本、高精度的智能化测产传感器，攻克收获机振动造成测量误差这一技术难题，从而稳步推进我国智慧农业与农业生产体系的发展[9]。

2.3 引进国外先进技术

我国要积极引进国外的先进智能在线测产技术，进而基于我国国情与农业生产现状研究出功能强大的联合收获机在线测产技术。并且要借鉴国外成功的开发经验，对我国现有的农业机械化远程服务技术与管理技术进行创新，重点研发兼具测产功能、位置实时更新功能、产量分布图生成功能、农机状态监控功能、实时调度功能的联合收获机在线监控系统，一方面是为完善我国现有的农业测产研究技术，另一方面是力求实现田间应用的商品化[10]。

3 结语

综上所述，我国农业当前的发展情况虽然与西方农业机械化水平距离较远，但是随着诸多专业研究员的不懈努力，基于基本操作理念对农业技术进行积极更新，使我国农业的发展趋势稳定，速度也在持续提升。农业作为我国的基础产业，测产技术的提升需要根据实际问题以及我国测产技术现状针对性地加以优化，这样才能对农业生产的发展有实际意义，提升我国农业机械化发展水平。