深松鏟耗油量綜合測試系統(tǒng)設計與試驗研究

李慧俐，霍曉靜，王文娣，趙曉順

(河北農業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

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深松鏟耗油量綜合測試系統(tǒng)設計與試驗研究

李慧俐，霍曉靜，王文娣，趙曉順

(河北農業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

為了滿足深松鏟性能測試的需求，以深松鏟工作耗油量為主測試指標，設計了一套基于超聲波技術的深松鏟耗油量綜合測試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用DS1309B超聲波油位探測器實時檢測油位數據，經USB-6259型數據采集卡傳送到計算機進行分析處理。以LabWindows/CVI 軟件為開發(fā)平臺，完成了檢測系統(tǒng)軟件設計，實現了數據采集、系統(tǒng)標定、實時顯示、分析處理、生成數據報表及歷史數據回調的功能；進行了系統(tǒng)標定和實驗室測試，并以單個壁式深松鏟和現有深松鏟為例開展了大田試驗。實驗室測試結果表明：系統(tǒng)能夠準確采集數據，平均測試精度達到98.32%。大田試驗驗證了系統(tǒng)實時采集和數據處理方法的可行性和實時性，為深松鏟的優(yōu)化設計提供了新的方法。

深松鏟；耗油量檢測；LabWindows/CVI ；虛擬儀器

0 引言

深松技術[1]作為保護性耕作的重要手段之一，能夠有效減少地表水分流失，提高作物產量。深松鏟作為完成深松作業(yè)的核心部件，其性能的好壞直接影響深松的效果。通過檢測深松鏟作業(yè)過程的耗油量來驗證深松鏟的工作性能，有利于深松鏟的優(yōu)化改進設計，推動農業(yè)機械化發(fā)展。

劉富佳、張學利、董國亮[2]介紹了基于 Vmas 的碳平衡法汽車油耗檢測的檢測原理、系統(tǒng)構成及計算方法，通過現有廢氣分析儀和流量計構建了碳平衡油耗測量系統(tǒng)。吳媞、劉鵬飛等[3]應用日本小野容積式流量計 FP-2240H 作為系統(tǒng)油耗流量傳感器，基于FPGA構建了拖拉機綜合測試系統(tǒng)，完成田間作業(yè)拖拉機瞬時油耗等信息的測試和分析。Fatemeh Rahimi-Ajdadi、Yousef Abbaspour-Gilandeh[4]利用人工神經網絡和逐步多元回歸方法，構建了油耗預測模型，Ahn K、 Rakha H、 Trani A[5]等選擇車輛的加速度和瞬時速度作為變量，建立了油耗與排放量的相關模型。付百學、胡勝海[6]根據影響汽車油耗的主要因素建立了汽車油耗計算的理論模型；閆奇瑾、張春富[7]提出了基于雙流量傳感器的汽車油耗檢測系統(tǒng)設計方案，以單片機AT892051為核心，采用雙通道A/D轉換器對雙油路結構發(fā)動機的輸油與回油流量進行同步檢測，進而計算出油耗參數。

綜上所述，目前常用的油耗檢測方法[8]如下：一類是將流量傳感器接入發(fā)動機油路位置進行測量，安裝困難，存在較大安全隱患，影響油耗測試精度和油箱的后續(xù)使用；另一類碳平衡法[9]雖然測試精度較高，但測試設備昂貴、體積大、不易移動，不適于深松機油耗的實時檢測；基于超聲波的油耗不解體測量方法[10]具有儀器便于攜帶、安裝簡便等特點，可根據用戶的需求擴展功能，具有較強的技術優(yōu)勢和市場前景；除此之外，國內外關于深松鏟耗油量實時檢測的研究相對較少。本文旨在構建基于超聲波技術的深松鏟耗油量綜合測試系統(tǒng)，利用LabWindows/CVI 軟件完成了對油耗數據的實時采集、處理和顯示，開展了系統(tǒng)標定、實驗室測試，并進行了大田試驗驗證。

1 油耗檢測原理

超聲波測量法的基本工作原理是通過超聲波傳感器由脈沖信號激勵發(fā)出超聲波，在柴油中傳播直至液面，形成反射波；反射波通過柴油返回傳感器，傳感器把聲信號轉換成電信號，由系統(tǒng)計算出超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時間，再根據超聲波在柴油中傳播的速度，即可以確定超聲波探頭到柴油液面之間的距離。測量原理如圖1所示。設油耗量為F(mL)，深松機作業(yè)前的油箱油位高度為h1(cm)，作業(yè)后油箱內油位高度為h2(cm)，油箱長為a(cm)，寬為b(cm)，則本次作業(yè)油耗量計算公式為

F=ab(h1-h2)

(1)

圖1 超聲波法測油耗原理圖

2 測試系統(tǒng)硬件設計

測試系統(tǒng)硬件包括超聲波傳感器、數據采集卡和便攜式計算機3部分，如圖2所示。超聲波傳感器實時采集油位信息，經數據采集設備采集后發(fā)送至計算機，實現對深松機油耗的實時同步采集、記錄和分析。

圖2 測試系統(tǒng)硬件結構框圖

2.1 數據采集卡

數據采集卡是整個測試系統(tǒng)的重要組成部分，深松機工作強度大，作業(yè)環(huán)境復雜多變，田間測試需要選用可靠性高、穩(wěn)定性好的數采設備。

基于以上考慮，本測試系統(tǒng)采用美國NI公司的USB-6259作為完成A/D轉換的數據采集卡。該板卡使用即插即拔的USB接口與計算機連接，其功能可通過軟件編程實現。該數據采集卡的最大輸入電壓范圍為 ±10V，模擬輸入分辨率為16 bits，采樣頻率最高1.25 MS/s ，輸入電壓的分辨率0.03mV，能夠同時采集16路模擬電壓信號，滿足本系統(tǒng)的要求。

2.2 油耗傳感器選型

系統(tǒng)選擇DS1309型超聲波油位探測器采集油位數據。該傳感器主要通過超聲波技術對油箱內油位高度測量，傳感器供電范圍9～48V，測量范圍3～100cm，測量分辨率為0.1mm；輸出1～5V的模擬信號，且該傳感器在-40～80℃進行了溫度校正，無需對油箱打孔即可實時獲取油位，具有測量精度高、安裝簡便等優(yōu)勢，符合系統(tǒng)的要求。

3 系統(tǒng)軟件設計

測試軟件以LabWindows/CVI 軟件為平臺進行開發(fā)，主要分為系統(tǒng)標定模塊、數據采集模塊、數據處理模塊和數據管理模塊。數據采集模塊按設定采樣頻率和采樣點數實現對超聲波油位探測器輸出信號的采集，繪制實時油位高度曲線并在圖表控件顯示；系統(tǒng)標定模塊利用最小二乘法確定了在不同使用條件下傳感器輸出電壓與油位高度的線性關系；數據處理模塊主要包括數字濾波和數值轉換兩個部分；數據管理模塊主要完成數據存儲、生成測試報告與歷史數據回調的功能，并可將回調數據導入Excel 生成數據報表，便于后續(xù)數據分析。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.1 數據采集模塊

系統(tǒng)采用LabWindows/CVI 自帶的NI-DAQmx庫函數來完成數據采集的功能[11]，其數據采集過程如下：①調用DAQmxCreateTask函數創(chuàng)建模擬輸入任務；②調用DAQmxCreateAIVoltageChan函數創(chuàng)建一個模擬輸入通道；③調用DAQmxCfgSampClkTiming函數設置采樣時鐘的速率，同時設置該模擬輸入通道的采樣點數，本系統(tǒng)將采樣率設置為1kHz，采樣點數設置為100；④調用DAQmxStartTask函數開始采集任務；⑤調用DAQmxReadAnalogF64函數讀取數據；⑥調用DAQmxStopTask函數和DAQmxClearTask函數停止并清除任務。通過以上6步，實現了對深松機油耗的實時采集。

3.2 系統(tǒng)標定模塊

所謂標定[12]，是指通過試驗確定其輸入與輸出之間的關系，并確定不同使用條件下誤差的過程。標定可有效消除系統(tǒng)誤差，改善系統(tǒng)的準確度。雖然廠家均會在傳感器出廠前對其進行標定，但由于使用條件不同等因素的影響，正式使用時需對其進行重新標定以提高測量精度。

基于以上考慮，本系統(tǒng)設置了標定模塊。系統(tǒng)基于NI-DAQ庫函數采集數據，利用最小二乘法對數據進行擬合，得出模擬電壓與油位高度的關系，并存儲到計算機中，為后續(xù)的數值轉換提供依據。

3.3 數據處理模塊

數據處理模塊主要分為信號處理和數值轉換兩個部分，信號處理部分采用算巴特沃斯低通濾波器將傳感器輸出信號進行處理；數值轉換部分則是將處理過的數據根據油位高度轉換公式將其轉換為油位高度，再利用軟件換算為油耗量，存儲到計算機中。

3.3.1 巴特沃斯濾波器濾波

理論上，超聲波油位傳感器輸出的信號是平穩(wěn)的，但由于深松機工作時振動較大及田間環(huán)境等因素的影響，導致油箱內油位晃動，影響了傳感器檢測油位的精度，這就需要對數據進行濾波處理。本系統(tǒng)采用巴特沃斯低通濾波器進行濾波。

巴特沃斯濾波器的特點是具有通帶內最大平坦的幅度特性，而且隨著頻率的升高而單調地下降。其幅度平方函數表達式為

(2)

其中，n為濾波器階數。隨著n的逐漸增大，通帶和阻帶的近似性越好，過渡帶也越陡。

LabWindows/CVI 中提供了實現巴特沃斯濾波器的相關函數[13]，具體實現過程如下：首先，使用函數 AllocIIRFilterPtr() 選定濾波器類型和濾波器階數，此處選用低通濾波器，濾波器階數設置為3；利用巴特沃思濾波器函數 Bw_CascadeCoef() 得到濾波器的系數，最后用 IIRCascadeFiltering() 實現了對信號濾波。

3.3.2 數值轉換

經過處理的數據，通過電壓與油位高度轉換公式轉換成可直接顯示的油位高度數據，再通過軟件計算實際油耗值，測試結束時可實時存儲到計算機中。

3.4 測試報告模塊

完成深松鏟耗油量測試后，生成相應的測試報告，是自動測試系統(tǒng)的重要功能，也是專業(yè)測試軟件的重要組成部分之一。測試報告包括測試對象的測試數據、實時曲線的回調及對數據的處理功能，科研人員可以根據實際需要對本次測試結果進行打印、導入到Excel等多項操作。

3.5 歷史數據回調模塊

回調出深松機工作的歷史油耗記錄，并形成相應的數據曲線和表格，對于科研人員根據原始數據做后續(xù)處理具有重要作用。本系統(tǒng)利用Active X 技術[14]實現CVI 與Excel 軟件的通信。當調用 Excel等常用的 Active X 控件時，LabWindows/CVI提供了一些常用的接口驅動程序文件 (*.fp)，用戶在調用時只需將相應的*.fp文件添加到工程文件中，結合 LabWindows/CVI 本身提供的 excelreport庫函數，完成與 Excel 間的數據動態(tài)交換，來實現對 Excel 報表的生成和打印功能。

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)標定

標定試驗時利用油位控制器改變油位高度，每改變一次油位高度，利用測試軟件采集傳感器輸出的電壓值，并利用鋼尺測量相應的油位高度，進行標定曲線繪制與直線擬合，最終確定電壓與油位的線性關系式。具體試驗方案如圖4所示。

圖 4 傳感器標定試驗方案

標定試驗選用0號柴油，結果如圖5所示。由傳感器標定結果擬合直線得出本測試系統(tǒng)油位高度與模擬電壓的轉換關系式為

H=26.96V-25.73

(3)

其中，H為油位高度(cm)；V為傳感器輸出的模擬電壓(V)。

圖5 油位傳感器標定擬合直線

4.2 實驗室測試

應用標定后的測試系統(tǒng)進行實驗室測試，并與標定前的油位數據進行對比，結果如表1所示。其中，標定前油位轉換公式為

H=25(V-1)

(4)

試驗結果表明：標定前最大相對誤差為8.15%，平均測試精度為94.16%；標定后最大相對誤差為3.22%，平均測試精度為98.32%。這說明，系統(tǒng)測試精度得到提高。

表1 標定前后油位測試結果

4.3 大田試驗

為了驗證系統(tǒng)的可行性，課題組采用河北農業(yè)大學自主研制的單個壁式深松鏟和河北農哈哈機械有限公司現有的深松鏟進行了田間試驗。

4.3.1 試驗條件

試驗地點在河北省農哈哈機械有限公司的試驗田進行，試驗田面積約為50m×40m。試驗中所使用的設備、儀器、油箱尺寸如表2所示。試驗對河北農大學自主研制的單個壁式深松鏟及河北農哈哈機械有限公司現有的深松鏟做對比分析。深松鏟結構圖如圖6、圖7所示。

圖6 單個壁式深松鏟 圖7 現有深松鏟

Fig.6 Single wall subsoiling shovels Fig.7 Existing subsoiling shovels

表2 試驗基本條件

試驗設備安裝實物圖如圖8所示。在油箱底部用砂紙將選中的安裝位置打磨光滑，在探頭表面涂抹耦合劑，并將探頭粘貼到處理好的安裝區(qū)域。油耗傳感器接好電源后，觀察傳感器指示燈是否慢閃。如果指示燈慢閃則表示安裝成功。然后，用導線扎帶、膠帶將探頭固定，并將傳感器的模擬電壓輸出端延長線沿著拖拉機車身布置到駕駛室，接入數據采集卡的模擬輸入3通道；打開測試軟件，觀察是否能采集到數據，若能即安裝成功。

a.直流電源 b. 數據采集卡 c. 油箱 d. 超聲波傳感器

4.3.2 大田測試試驗

使用設計的測試系統(tǒng)對同一深松機分別在使用單個壁式深松鏟和現有深松鏟的情況下進行大田試驗，將耕深和工作速度控制在30cm和1m/s，采樣頻率為 1kHz，并進行5次重復試驗。

拖拉機啟動后，點擊“開始”按鈕，測試系統(tǒng)開始實時采集數據并做相應顯示(見圖9)，同時記錄試驗時間。每次試驗完成后，點擊“停止”按鈕測試結束，利用卷尺測量作業(yè)距離，該距離除以試驗時間即為本次試驗的平均行駛速度；在已完成的作業(yè)路徑上隨機選取5個點用鋼尺測量實際耕深后取平均值，即為本次試驗耕深。由于田間復雜環(huán)境的影響，實際測量的耕深和速度會有誤差，油耗數據則利用測試軟件自動計算，相應的測試報告如圖 10所示。

圖9 測試軟件界面

圖10 測試報告

兩種深松鏟的綜合測試對比結果如表3所示。表3中各個數據為5次試驗的平均值，節(jié)油量為兩種鏟型5次試驗耗油量的差求平均后的結果。試驗結果表明：系統(tǒng)能夠快速實時采集油位數據，工作穩(wěn)定可靠；現有的深松鏟較單個壁式深松鏟而言比較節(jié)油，在耕深為30cm左右、速度在1m/s的前提下節(jié)油10.89mL。

表3 兩種深松鏟綜合測試對比結果

Table 3 The comprehensive comparison test results of two kinds of subsoiling shovels

對比項耕深/cm速度/m·s-1耗油量/mL測試時間/s作業(yè)面積/m2節(jié)油量/mL單個壁式深松鏟29.90.98285.495694.210.89現有深松鏟29.50.99274.605891.6

5 結論

設計了一套基于超聲波技術的深松鏟耗油量綜合測試系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的軟硬件設計，并進行了系統(tǒng)標定、實驗室試驗和大田試驗。實驗室試驗結果表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定，平均測試精度提高至98.32%。大田試驗結果表明：系統(tǒng)能夠實時采集油位數據，操作簡便，工作可靠穩(wěn)定；在作業(yè)面積為94.2m2時，現有深松鏟比單個壁式深松鏟平均節(jié)油10.89mL。

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Design and Test of the Comprehensive Test System of Oil Consumption of Subsoiling Shovels

Li Huili, Huo Xiaojing， Wang Wendi， Zhao Xiaoshun

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei,Baoding 071001,China)

In order to meet the demands of sub-soiling shovels’ property test, using the working oil consumption as the main testing indicator, a set of comprehensive testing system for sub-soiling shovels’ oil consumption was designed based on the ultrasonic technique. This system adopts DS1309B ultrasonic oil-level detector for the real-time detection of the oil level data which is transmitted through USB-6259 data collection card to the computer for analysis and processing. The system which was used LabWindows/CVI as the development platform, accomplished the design of the testing system software designing and realized the functions of data collection, system calibrating, real-time demonstration, analysis&processing, generating data reports and the historical data callback function. It also performed system calibrating and laboratory tests and carried out field tests taking single wall sub-soiling shovels and existing shovels as the examples. The laboratory test results showed that this system could collect data correctly and the average testing precision reached 98.32%. The field tests verified the feasibility and real-time property of the system’s real-time acquisition and data processing methods, providing new methods for the optimization design of subsoiling shovels.

subsoiler; oil consumption test ; LabWindows/CVI ; virtual instrument

2016-10-21

河北省高等學校科學技術研究重點項目(ZD2015100)

李慧俐(1990-)，女，河北秦皇島人，碩士研究生， (E-mail)viphuili@163.com。

霍曉靜(1978-)，女，河北邢臺人，副教授，碩士生導師，(E-mail)xjhuojxteng@126.com。

S222.2；S126

A

1003-188X(2017)10-0174-06