稱重傳感器在精準農業(yè)裝備中的應用研究綜述

湯建華, 陳樹人, 花銀群, 楊繼昌

(1. 江蘇大學 機械工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 江蘇大學 現(xiàn)代農業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 3. 江蘇大學 新材料研究院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

傳感器是一種能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置[1].稱重傳感器就是其中一種測量物體質量或受力狀況的傳感器.其中,基于電阻應變原理的稱重傳感器由于具有結構簡單、成本低和精度高等優(yōu)點占據(jù)了主導地位.電阻應變式稱重傳感器(簡稱稱重傳感器)主要由彈性元件,粘貼在彈性元件上的電阻應變計以及補償電阻組成,其中電阻應變計和各類補償電阻連接組成惠斯頓電橋,將被測物理量的變化經過電橋比例轉換成電信號的變化[2].

稱重傳感器作為電子稱重技術和電子衡器產品的技術基礎和核心部件,在很多行業(yè)的生產與流通中已經有了廣泛的應用.近幾年來,隨著物聯(lián)網、智慧物流、智慧農業(yè)等新興產業(yè)的迅速發(fā)展,稱重傳感器在一些新的領域也出現(xiàn)了相關應用.精準農業(yè)就是其中一個有著廣闊應用前景的領域.精準農業(yè)又稱精細農業(yè)或精確農業(yè),是當今世界農業(yè)發(fā)展的新潮流,是未來農業(yè)的雛形.在整個精準農業(yè)生產周期中,稱重傳感器在其中每個環(huán)節(jié)都有其潛在的應用市場,比如拖拉機的牽引力測量、精準播種、變量施肥與噴藥、以及作物的產量監(jiān)測、草捆重量監(jiān)測統(tǒng)計等等,都出現(xiàn)了基于稱重傳感器的相關應用研究.據(jù)美國的霍尼韋爾公司在2013年的評估:未來10年,僅在谷物收獲管理技術這一領域,開發(fā)無線農業(yè)傳感器系統(tǒng)就能夠帶動大約860億美元的投資,由此可見,稱重傳感器作為谷物產量監(jiān)測中的關鍵部件之一,其市場前景一定會十分廣闊.

文中主要介紹了國內外稱重傳感器技術在精準農業(yè)領域的研究現(xiàn)狀,分析了當前國內精準農業(yè)領域中稱重傳感器產業(yè)化存在的一些主要技術問題,最后給出了解決這些問題的一些對策分析.

1 精準農業(yè)領域的應用

1.1 土地準備

土地精整是精準農業(yè)中的一項重要內容,主要通過拖拉機牽引農機具進行作業(yè).農具通過安裝在拖拉機上的電液懸掛系統(tǒng)進行控制,基本的控制方法有力控制、位控制和力位綜合控制等.稱重傳感器被用來對農機懸掛的受力狀況進行測量并反饋給控制系統(tǒng)進行決策,但農具懸掛系統(tǒng)在作業(yè)中是一個動態(tài)的非線性慣性系統(tǒng),對它進行綜合電子控制一直未能取得滿意的效果,主要原因是控制方法和傳感器性能的穩(wěn)定性不能適應復雜的作業(yè)環(huán)境[3].文獻[4]設計了一種可調節(jié)寬度和高度尺寸的Dynamometer(即一種稱重傳感器或幾個稱重傳感器的組合),以適應不同的農具安裝條件,節(jié)約了成本.文獻[5]基于DEOR結構設計了一種測量范圍達到180 kN的Dynamometer,可以同時測量水平和垂直力,兩者之間的互擾低且傳感器的線性指標很好.為了提高作業(yè)效率和降低能耗,文獻[6]為約翰迪爾公司的3140型拖拉機設計了一個新型三點懸掛用Dynamometer,相比其他同類Dynamometer,其測量精度對懸掛點變化不敏感,且制造成本相對更低.隨著數(shù)字化傳感器的不斷發(fā)展,文獻[7]開發(fā)了一種嵌入式的數(shù)字牽引力測量裝置,并于其他傳感器數(shù)據(jù)結合一起對耕作過程中的狀況進行分析.

除此之外,文獻[8]設計了安裝在農具上的稱重傳感器，測量土壤阻力,進而與其他傳感器一起用于實時土壤堆積密度的測量.文獻[9]研究了一個包含稱重傳感器的多傳感器平臺來生成土壤密度分布圖用于精準農業(yè)的耕作方案制定.

在國外,稱重傳感器在拖拉機懸掛系統(tǒng)中已經商業(yè)化應用,其研究方向也開始轉向傳感器的數(shù)字化和智能化,擴展稱重傳感器的應用范圍,以及結合多傳感器數(shù)據(jù)融合來提高農機作業(yè)的效率和質量.

在國內,目前拖拉機仍然以結構簡單、技術性能中低端為主,相關研究更多集中在拖拉機懸掛的控制系統(tǒng)研究,針對稱重傳感器研究相對較少.如江蘇大學的韓江義等[10]為測量大馬力拖拉機的牽引力,開發(fā)了一種軸銷式感器,主要對傳感器的彈性體設計進行了仿真計算,而對稱重傳感器的封裝等其他重要技術未做詳述.

1.2 精準播種

播種機是實現(xiàn)精準播種的主要手段,其性能好壞直接影響播種質量及農作物的生長狀況和產量.較為直觀的應用,是在播種機的種子斗與機架之間安裝稱重傳感器以隨時監(jiān)測種子斗內部的狀況,配合速度傳感器等可以實現(xiàn)單位播種率的統(tǒng)計.如美國專利US9539927 B2[11], WO2012/170548 A2[12]等都描述類似基于稱重傳感器的方案結構與測量方法,它們采用的都是類似Weigh bar結構的稱重傳感器.在國內,王素珍等[13]等在條播機的排種器上設計了一個稱重傳感器,牽引機裝有轉速傳感器,然后采集稱重傳感器和轉速傳感器的讀數(shù)變化,計算出單位播種量,并可以針對不同播種對象重新標定,適應多種作物的條播精密播種,但是沒有說明所述稱重傳感器的技術特征.

氣吸式振動排種器通過振動使種子處于“沸騰”狀態(tài),依靠氣流將種子吸附,然后用正氣流進行播種,具有精度高,通用性好等優(yōu)點,是精密排種器的一個重要發(fā)展方向.為了保證振動盤內的種子處于較好的“沸騰”狀態(tài),需要控制種盤內的種子數(shù)量,近年來,相關人員[14]研究了通過一個雙孔平行梁稱重傳感器來監(jiān)測振動盤內的種子分布情況,實現(xiàn)定量加種,提高了播種質量.

另外,播種深度對農作物產量也有顯著影響.文獻[15]對種子直播時的深度主動控制系統(tǒng)進行了研究,一個尺寸緊湊的圓柱形稱重傳感器被安裝在播種機構的彈簧上,測量播種機構插入土壤的作用力,并與位移傳感器數(shù)據(jù)一起反饋給播種控制系統(tǒng).

最后,鎮(zhèn)壓也是精密播種作業(yè)的一個重要環(huán)節(jié),對種子的發(fā)芽、出苗和最終產量有很大影響.針對不同土壤、含水和作物類型,鎮(zhèn)壓強度應有不同.國外對此研究較多,僅美國就有200余種[16].在國內,王景立等[16]設計可變力苗帶鎮(zhèn)壓器，利用鎮(zhèn)壓輪、支架的重力及液壓缸的壓力作用在鎮(zhèn)壓輪接觸的土地上,在一個輪子內安裝了一對稱重傳感器,測量輪子與地面之間的壓力.改變液壓缸行程可改變作用在輪軸上的力,進而改變鎮(zhèn)壓輪對種床土壤的壓力.

1.3 精準作物管理

精準作物管理是指從作物播種到收獲過程中為作物生長進行的各種管理措施,包括水、肥、藥的管理.傳統(tǒng)的化肥農藥施用方法,利用率低,帶來了嚴重的生態(tài)環(huán)境和農業(yè)污染問題[17].精準農業(yè)中的變量施肥與噴藥技術,能夠有效提高肥料和農藥的利用率,節(jié)約成本,提高產量.文獻[18]設計了一種動態(tài)稱重系統(tǒng),在施肥機的懸掛上設置3個稱重傳感器,1個50 kN的剪切梁式傳感器作為主稱量用傳感器,另2個平行梁式傳感器分別是20和500 N,作為參考傳感器對振動等信號進行補償.該系統(tǒng)在田間測試過程中,稱重系統(tǒng)在6～20 kN測量范圍內,標準差不超過20 N,響應時間在1 s內.

測土配方施肥是聯(lián)合國在世界范圍內推行的一項先進農業(yè)技術,也是精準農業(yè)的一項重要技術.文獻[19]采用稱重法反饋肥料流量信息,采用4個400 kg的稱重傳感器支撐肥箱,監(jiān)測肥箱內肥料質量變化情況,并按照當前車速,實施調整配肥施肥量,試驗表明作業(yè)精度和施肥流量(由稱重傳感器獲取)、車速檢測的準確性有很大關系,有待進一步驗證與完善.文獻[20]采用同樣的稱重方法,只是每個肥箱采用3個稱重傳感器,降低了成本,并采用模糊控制算法,獲取各原料箱稱重傳感器的有效傳感器數(shù)據(jù),然后實現(xiàn)智能變量配肥.在試驗階段,該系統(tǒng)的最大稱重誤差為1.2%.

在變量噴藥方面,針對噴桿式噴霧機藥箱藥液晃動造成的操控穩(wěn)定性差問題,張安東等[21]設計了一種專用的三向力傳感器用于監(jiān)測噴霧機藥液箱晃動產生的附加力.傳感器是由上板、側板和下板組成的整體對稱結構,由4塊側板作為應變梁測量晃動產生的附加力,采用Q235作為傳感器彈性元件的材料,其強度和耐腐蝕性都較差.

在節(jié)水灌溉管理方面,文獻[22]利用平行梁稱重傳感器開發(fā)一種方便且低成本的耗水量測量方法,試驗表明在1.94～7.78 dm3·s-1測量范圍內的不確定度為5.7%.文獻[23]建立了一個多傳感器監(jiān)測平臺,用于指導節(jié)水灌溉,其中一個9 t的剪切梁稱重傳感器主要用于監(jiān)測深耕的深度,與文獻[9]類似.

1.4 精準收獲

通過谷物測產生成小區(qū)產量圖和處方農作,是精確農業(yè)的應用基礎.基于傳統(tǒng)稱重測力傳感器衍生而來的沖量式谷物流量傳感器,由于具有結構簡單、成本低、便于安裝等特點,在聯(lián)合收割機測產系統(tǒng)中已經得到廣泛的應用.國外商業(yè)化的農機裝備,如Micro Track公司、CASE IH公司和Ag Leader公司的聯(lián)合收割機產量監(jiān)測系統(tǒng)中的流量傳感器均采用基于沖量的流量傳感器[24].

目前,國外的應用研究已經從糧食作物轉向果蔬以及經濟作物方面.文獻[25-26]研究了柑橘的產量監(jiān)測系統(tǒng),他們使用2個完全焊接密封的稱重傳感器安裝在振動輸送系統(tǒng)的末端.為了減小振動的影響,研究了這種焊接密封結構的稱重傳感器安裝位置與傳感器響應特性的關系. 在低速流量下,與實際重量相比,平均誤差3.56%，高速流量誤差 9.16%.文獻[27]設計了用于花生產量監(jiān)測的沖量板產量傳感器,并與光電式產量傳感器進行對比試驗,發(fā)現(xiàn)沖量板產量傳感器的誤差大約在10%,而光電式的誤差只有1.54%,他們認為沖量式產量傳感器的誤差主要來源于試驗中使用的舊式的行走式稻草收割機.文獻[28]利用有限元法分析了不同稱重條件下葡萄收獲機械中稱重系統(tǒng)的動態(tài)特性,并給出了提高稱重精度的建議.

另外,由于在實際使用中傳感器存在零點飄移,文獻[29]研究了小型八角型稱重傳感器的零飄補償算法,對零飄進行補償后,測量的相對誤差從補償前19%,減小到補償后的1.5%.

國內在谷物測產方面已經開展了不少研究[30-34],并取得了一定成果.中國農業(yè)大學在國內較早開發(fā)了沖擊式谷物流量傳感監(jiān)測系統(tǒng),測量誤差在2.07%～5.44%;華南農業(yè)大學開發(fā)了雙板差分沖量式谷物流量傳感監(jiān)測系統(tǒng),能減小機身振動對測產精度的影響,谷物流量在0.5～2.0 kg·s-1的測量相對誤差不超過3%;江蘇大學開發(fā)了承載板式谷物流量傳感監(jiān)測系統(tǒng),谷物流量小于2.0 kg·s-1時的測量相對誤差不超過2%,谷物流量超過2.5 kg·s-1時的測量相對誤差約為5%;中國農業(yè)機械化科學研究院開發(fā)了稱量式谷物流量監(jiān)測系統(tǒng),在室內和田間的測量誤差分別不超過 2%和 3%.在傳感器優(yōu)化設計研究方面,文獻[35-36]對傳感器的彈性元件的結構優(yōu)化進行了研究,而文獻[37-38]對傳感器的噪聲消除及動態(tài)補償進行了研究,取得了一定的成果.

2 存在的問題

通過對以上不同子領域的研究和應用概述,稱重傳感器在精準農業(yè)的研究和應用狀況可以總結如下:首先,與其他國家相比,歐美國家特別是以美國等為代表的國家在稱重傳感器在精準農業(yè)領域的應用已經取得了一定的產業(yè)化成果.在亞洲國家中,日本和韓國也在產業(yè)化研究道路上處于領先的地位.我國還沒有出現(xiàn)明顯的產業(yè)化案例.其次,從研究應用領域來看，目前我國稱重傳感器技術在精準農業(yè)的精確收獲階段的應用研究比較多,并取得了一定成果，而在土地準備、精準播種和精準作物管理階段的研究相對較少.第三,從發(fā)展階段來看,目前我國實際上還處在“工業(yè)傳感器的農業(yè)應用”這一階段,在很多研究試驗中,采用的都是傳統(tǒng)的工業(yè)稱重傳感器,這些傳感器的功能、靈敏度、精度等方面的水平在農業(yè)應用場合下還有很大的提升空間.但是,在我國農業(yè)傳感器研究過程中,產品意識較為淡薄,使得研究結果應用到生產實踐還存在諸多問題,限制了其在精準農業(yè)裝備中的產業(yè)化.最后,結合上述文獻的研究結果,文中將稱重傳感器在精準農業(yè)中面臨的不利因素歸結以下3點:

第一,動態(tài)測量精度.動態(tài)稱重技術一直是國內外傳感器公司和研究機構關注的研究領域,也是當前稱重傳感器在精準農業(yè)應用中主要考慮的問題.除了傳統(tǒng)動態(tài)稱重領域中需要考慮的一些干擾因素外,還需要考慮由于農機在工作運動時,不可避免地會受到來自各個方向的沖力,這會導致安裝在車輛上的稱重傳感器感受到除重力之外的其他干擾力,導致測量精度降低;同時,地面的不平整,也會使得稱重傳感器在測量時不一定保持在理想的水平位置狀態(tài),也會影響到測量精度,所以農機工作狀態(tài)下的動態(tài)測量技術,需要考慮的干擾因素更多,也更為復雜,有必要深入進行研究.

第二,穩(wěn)定性.這是目前研究中一個容易忽略的關鍵問題.文獻[29]對這此做了簡單的補償研究,但對輸出漂移的內在機理未作深入分析.對傳統(tǒng)的稱重傳感器應用場合來說,傳感器輸出數(shù)據(jù)不易察覺的緩慢漂移在以往多數(shù)稱重的場合并不會對計量精度造成顯著影響,因為可以在每次稱重前通過儀表端清零消除漂移誤差.但是,在農業(yè)裝備中的稱重場合下,更多時候傳感器需要長時間進行實時稱重計量,這樣就無法采用傳統(tǒng)的儀表清零方法來消除漂移誤差.另外一個不可忽視的情況就是,車輛在使用時總是會產生顛簸振動,相當于對稱重傳感器的加速老化,從而導致測量誤差會加速地累積,這就需要稱重傳感器具有更高的長期穩(wěn)定性.

第三,可靠性.可靠性是一項新技術或產品在產業(yè)化時所必須解決的關鍵問題.農業(yè)裝備中的車載稱重傳感器在實際工作中不可避免的會遇到路面不平帶來的顛簸沖擊、裝卸物料過程中的沖擊、車輛碰撞沖擊以及野外風吹雨淋等等情況.這就要求稱重傳感器應具有較好的抗沖擊性能、防水防潮能力和一定的工作壽命.在車輛行業(yè),一般要求零部件達到10年的預期工作壽命,比一般電子衡器對工作壽命的要求要高得多.雖然,國內一些相關研究涉及到了稱重傳感器設計,但此類傳感器在農機工作環(huán)境下的使用壽命并未得到有效驗證,傳感器可靠性相關的封裝設計等技術并未深入考慮.

3 應對策略

通過上述分析,認為稱重傳感器應用于精準農業(yè)的關鍵在于解決稱重傳感器的可靠性、穩(wěn)定性和動態(tài)測量精度問題.為了尋找解決問題的方案,有必要在傳感器技術層面對這3個問題背后涉及的關鍵技術做進一步分析.

可以將傳感器的技術領域分為四大關鍵基礎點:敏感機理、功能材料、制造工藝和計測技術[39].涉及解決稱重傳感器可靠性的關鍵技術包括稱重傳感器的敏感機理(如彈性元件設計等技術)、功能材料、制作工藝(如密封工藝)等;涉及穩(wěn)定性的關鍵技術包括稱重傳感器的功能材料、制造工藝(如老化工藝)等;而動態(tài)測量精度的關鍵技術則與稱重傳感器的敏感機理、計測技術(如動態(tài)補償算法等)等相關.可見,傳感器的可靠性、穩(wěn)定性以及動態(tài)測量精度這3個問題并不是孤立的,它們都涉及到稱重傳感器技術領域中一些共性關鍵技術.

1) 彈性元件設計.稱重傳感器中感受被測物理量的彈性元件是影響傳感器性能和質量的關鍵部分[40].彈性元件的結構設計多樣,旨在提高感受被測物理量的靈敏性和穩(wěn)定性.通過合理的結構設計,可以提高傳感器在農機工作環(huán)境下的響應速度和抗干擾能力,在這方面,文獻[35-36]都對提高傳感器的動態(tài)特性做了一定的研究,不過沒有考慮過載和沖擊的保護問題.

2) 密封工藝、老化工藝. 密封工藝是保證傳感器可靠性和穩(wěn)定性的關鍵技術.稱重傳感器的密封主要有2種方式:采用涂覆材料密封和采用金屬焊接密封.其中,后者將金屬膜片通過焊接工藝將彈性元件的應變區(qū)完全密封,從而達到了完全保護傳感器內部應變片和變換電路的目的,具有很高的可靠性.所以,基于焊接密封的稱重傳感器非常適合農業(yè)領域的應用場合.不過,焊接密封技術也存在一些問題.由于是在彈性元件的上進行焊接,即使采用激光脈沖焊接等工藝也不可避免的會產生焊接殘余應力和變形.在后續(xù)使用過程中,殘余應力的釋放和結構的變形將會影響到彈性元件上的應變片,最終導致稱重傳感器的輸出信號隨時間在緩慢變化,所以焊接工藝對傳感器輸出的長期穩(wěn)定性有著顯著影響.同時,傳感器增加密封膜片后對傳感器的精度也有影響,所以密封膜片一般會選擇很薄的金屬,以減小其對傳感器彈性元件的附加影響,但是膜片太薄,在焊接時又容易產生焊接不良和變形.尤其是小量程的稱重傳感器,在增加密封膜片后,性能精度和穩(wěn)定性往往就遠不如焊接前的測試結果,特別難以設計與制造.

傳感器的老化處理可以減少殘余應力,提高傳感器的穩(wěn)定性,相關公司和學者已做了不少研究[41].對于焊接密封的稱重傳感器,一般在傳感器完成焊接密封后安排老化處理工藝,此時還需要考慮不能影響到傳感器的其他部分,如應變片和惠斯頓電橋電路等,這就限制了所能選擇工藝的范圍.常見的老化處理工藝有:超載靜壓法,振動時效法,冷熱循環(huán)法等等.但是,這些方法或是效果有限,不能徹底消除殘余應力,或是成本太高,難以大規(guī)模使用,總之,目前為止還沒有一個簡單有效的方法.

3) 動態(tài)補償算法.數(shù)字補償算法是提高動態(tài)測量精度的關鍵.不過,數(shù)字補償算法的有效性依賴于傳感器數(shù)學模型的正確建立.以前的研究往往忽略了傳感器的可靠性設計和穩(wěn)定性設計對傳感器數(shù)學模型正確建立帶來的附加影響.譬如,采用焊接密封型傳感器時,需要考慮到焊接密封工藝對傳感器響應特性的影響,文獻[42]研究了大氣壓力對焊接密封型傳感器特性的影響,并對此進行了誤差補償研究;而在國內,還未見涉及焊接密封稱重傳感器性能方面的深入研究.另外,除了需要考慮傳統(tǒng)動態(tài)稱重領域中傳感器的響應時間要快以外,對于農機的車載稱重測力場合,還需要考慮到實際應用環(huán)境中的復雜性,如農機的前進速度,道路崎嶇以及機械工作振動等多種因素對傳感器測試精度的影響,因而有必要對傳感器的動態(tài)數(shù)字補償算法繼續(xù)深入研究.

4 結束語

隨著現(xiàn)代農業(yè)裝備不斷向自動化和智能化發(fā)展,稱重傳感器必將越來越多地應用到農業(yè)生產中.由于農業(yè)生產作業(yè)的復雜性,對稱重傳感器及技術也提出了更高的要求.研發(fā)出響應速度快、抗干擾能力強、高可靠性和高精確度的車載稱重傳感器已成為發(fā)展方向之一.基于焊接密封設計的動態(tài)數(shù)字稱重傳感器的研發(fā)是其中一條有效的途徑.目前,由于缺少相關基礎制造工藝和計測技術的研究,導致此類傳感器的穩(wěn)定性和精度都較差,國內還沒有相應的成熟產品出現(xiàn).因此,從事這方面的研究具有實際應用價值,也有助于國內傳感器公司產品達到或超過國際先進水平.