肥箱電容式料位傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙明巖，王 熙，戚增坤，王新忠，莊衛(wèi)東

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

施肥作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一項(xiàng)重要的環(huán)節(jié)[1]，直接影響作物產(chǎn)量。當(dāng)肥箱出現(xiàn)肥料排空時(shí)，會(huì)導(dǎo)致漏施現(xiàn)象的發(fā)生，容易造成農(nóng)作物減產(chǎn)，引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失。因此，肥箱料位在線檢測技術(shù)裝備是目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者研究的重點(diǎn)之一。人工肥箱料位檢測法是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的方法，存在檢測不及時(shí)、易出現(xiàn)肥箱排空現(xiàn)象、肥料漏施及導(dǎo)致人員傷亡等弊端。因此，設(shè)計(jì)一款電子檢測裝置替代人工，對(duì)肥箱料位進(jìn)行檢測具有重要意義[2]。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理農(nóng)業(yè)機(jī)械存在的潛在問題，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化程度，降低能耗，節(jié)省人力、物力等資源投入[3]。王大可[4]等對(duì)氣吸精播機(jī)施肥量無線計(jì)量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，利用電容式接近開關(guān)、光電傳感器檢測化肥箱的工作狀態(tài)；美國Mander G[5]等人設(shè)計(jì)一款電容傳感器用于土壤水分監(jiān)測及水分變化模擬電壓的分析；美國Chinnock R T[6]等人設(shè)計(jì)一款電容器進(jìn)行大氣環(huán)境的檢測。

本文設(shè)計(jì)了一種電容信號(hào)獲取與實(shí)時(shí)傳輸?shù)氖┓蕶C(jī)肥箱顆?；柿衔粰z測傳感器，由電容傳感器獲取肥箱中化肥料位的信息，搭載CAN總線進(jìn)行實(shí)時(shí)信息傳輸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)施肥作業(yè)情況的實(shí)時(shí)檢測。

1 顆粒化肥料位檢測原理

平行極板電容傳感器安裝在化肥箱對(duì)面的內(nèi)壁上，當(dāng)化肥箱中充滿顆粒化肥時(shí)，傳感器兩電極間的電容值為定值[7-8]；當(dāng)肥箱中顆?；柿衔幌陆禃r(shí)，顆?；逝c空氣共同充當(dāng)了兩極板之間的介質(zhì)，空氣與顆粒化肥混合比例變化，導(dǎo)致電容率改變，引起兩極板之間的電容輸出值變化。顆?；实慕殡姵?shù)在1.5～3之間，空氣的介電常數(shù)為1，通過測量兩極板之間電容值輸出變化，來判斷肥箱中的化肥余量(料位高度)。由于電容傳感器平行極板沒有機(jī)械部件，測量時(shí)為非接觸式測量，因此平行極板電容傳感器有高可靠性及較長的使用壽命。電容變化量計(jì)算公式為

(1)

式中ΔC—料位變化時(shí)電容的變化量(F)；

ξ1—化肥介電常數(shù)(F/m)；

ξ3—空氣介電常數(shù)(F/m)；

S—電容極板的面積(m2)；

K—靜電力常量；

D—平行極板間距離(m)。

由式(1)可知：傳感器輸出電容值的變化量與施肥機(jī)肥箱中化肥余量呈線性關(guān)系[9-10]。通過實(shí)時(shí)獲取電容信號(hào)變化，可以實(shí)現(xiàn)施肥機(jī)肥箱化肥料位的在線檢測。除此之外，當(dāng)肥箱中肥料剩余量不足時(shí)，及時(shí)提醒農(nóng)機(jī)駕駛?cè)藛T停車，并對(duì)肥箱中的化肥進(jìn)行添加；還可以根據(jù)施肥機(jī)作業(yè)幅寬及前進(jìn)速度，進(jìn)一步分析計(jì)算，得到單位面積化肥施用量。單位面積化肥施用量計(jì)算公式為

(2)

式中M(t)—單位面積化肥施用量(kg/m2)；

D—施肥具作業(yè)的幅寬(m)；

Vt—作業(yè)機(jī)具前進(jìn)速度(m/s)；

Qt—肥料流量(kg/s)。

根據(jù)施肥機(jī)作業(yè)時(shí)前進(jìn)速度，計(jì)算出單位作業(yè)面積所使用的化肥量。新的化肥施用量計(jì)量方法能夠精準(zhǔn)控制化肥施用量，減少化肥浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、低耗，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及提高農(nóng)業(yè)機(jī)械信息化水平具有重要意義[11]。

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 外形與尺寸設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)兩種極板安裝位置不同的傳感器：第1種為平行極板電容傳感器，第2種為相鄰極板電容傳感器。相鄰極板電容傳感器電容值變化是非線性的，沒有統(tǒng)一的電容值計(jì)算公式，但通過公式(1)仍然能夠看出，相鄰極板傳感器電容值與傳感器極板面積、極板間距及極板間物質(zhì)的介電常數(shù)都有著很大關(guān)系。

電場線穿透深度是衡量相鄰極板電容傳感器性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，決定著電場線能夠穿透多厚的待測物體表面[12]，從而測量極板間待測物的厚度。通過有限元仿真與試驗(yàn)可知：電場線穿透性近似正比于傳感器兩極板間的距離。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于傳感器安裝在化肥箱內(nèi)測，電場線的穿透深度為化肥箱的寬度，所以極板相鄰距離不宜過大。通過仿真與臺(tái)架試驗(yàn)可知：相鄰極板安裝距離最大不超過傳感器電容極板長或?qū)挼?0%。傳感器電極板安裝距離與電容測量結(jié)果呈一定相關(guān)性。

傳感器電容極板為矩形，由條件可知相鄰電容極板的寬度X為：電容極板寬度+電容極板間距+封裝外殼=安裝位置寬度。由此得極板長度為30mm。在給定傳感器尺寸、規(guī)定測量區(qū)域的情況下，設(shè)計(jì)兩種傳感器形式，并結(jié)合以上參數(shù)進(jìn)行性能試驗(yàn)。

2.2 傳感器材料的選擇

設(shè)計(jì)好的電容極板安裝在化肥箱內(nèi)側(cè)，因化肥箱的箱體形狀各異，且存在較少的相對(duì)平行表面，為避免傳感器在肥箱中彎曲變形，傳感器的極板應(yīng)具有一定強(qiáng)度，以抵抗變形。經(jīng)調(diào)研分析，采用厚度0.5mm的銅皮作為傳感器極板的材料[13-14]，并應(yīng)進(jìn)行絕緣封裝。

2.3 安裝位置與封裝外殼設(shè)計(jì)

肥箱料位電容傳感器極板是檢測裝置中最關(guān)鍵的部件，有兩種安裝位置，如圖1所示。

圖1 電容極板安裝位置簡圖

電容傳感器的穩(wěn)定性直接影響檢測效果，因此進(jìn)行單因素試驗(yàn)。電容式肥料余量檢測傳感器由電容極板、封裝外殼及外圍電路等組成，安裝在施肥機(jī)化肥箱內(nèi)壁，對(duì)肥箱內(nèi)化肥余量信息進(jìn)行采集。

化肥箱主要有金屬材料、聚碳材料兩種，主要起到對(duì)化肥的盛裝及對(duì)電容極板支撐的作用。電容極板在安裝過程中，應(yīng)充分考慮絕緣問題。因化肥具有腐蝕性和導(dǎo)電性，直接與電容極板接觸易造成電容極板聯(lián)通和腐爛，對(duì)電容測量結(jié)果的準(zhǔn)確性存在影響，所以電容極板用絕緣材料進(jìn)行隔離封裝處理，如用聚酯材料進(jìn)行密閉封裝、刷涂層等。

2.4 有限元仿真分析

因該肥箱料位檢測傳感器的檢測場為電磁場，試驗(yàn)還受實(shí)際工作中肥箱材料的影響，且無具體計(jì)算公式。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電容極板檢測方案的可行性，利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行了極板電容檢測過程的仿真分析，建立了相鄰電容極板不同間距下電場線的穿透強(qiáng)度和電容值的耦合模型，并考慮了在肥箱中的安裝位置，以確保檢測電容值的穩(wěn)定性。

電容仿真建模方法：在COMSOL Multiphysics有限元分析軟件中調(diào)用AC/DC模塊中的靜電模塊，然后在AC/DC靜電模塊下選擇穩(wěn)態(tài)，完成檢測場模型的全部選擇。在構(gòu)建的仿真模型左側(cè)及模型開發(fā)器中，依次對(duì)仿真的模型、物理場進(jìn)行三維的搭建，建立極板尺寸、極板相對(duì)位置及檢測場模型；搭建的電容極板尺寸為50mm×300mm，兩極板將相鄰距離為20 mm，極板封裝寬度為30mm，檢測場的幾何尺寸為170mm的立方體。設(shè)置完成后，軟件基于其內(nèi)部算法在構(gòu)建的物理檢測場內(nèi)進(jìn)行運(yùn)算至求解結(jié)束。在計(jì)算結(jié)果樹狀圖下選擇派生值、電容計(jì)算，得到仿真計(jì)算電容值的大小。相對(duì)極板電容傳感器，檢測物理場內(nèi)電容值的方法與相鄰極板電容傳感器構(gòu)建物理檢測場和電容值方法相同。軟件仿真操作結(jié)果如圖2所示。

圖2 仿真分析圖

運(yùn)用有限元仿真分析軟件構(gòu)建檢測物理場得仿真分析，分別對(duì)相鄰極板電容傳感器、相對(duì)極板電容傳感器“空箱”“滿箱”狀態(tài)時(shí)的電容值進(jìn)行物理場檢測仿真分析，將仿真運(yùn)算所得到的電容值整理，運(yùn)算結(jié)果如表1所示。

表1 極板不同安裝位置仿真分析極限電容值

通過簡單的建模仿真，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可知：電容極板安裝位置不同的兩種傳感器對(duì)肥箱中肥料電容值的檢測結(jié)果與肥箱中料位剩余量呈正相關(guān)。所以，用電容傳感器檢測肥箱料位余量的方法具有可行性。

3 傳感器性能試驗(yàn)

3.1 傳感器性能測試

將電容傳感器極板安裝在如圖1所示相對(duì)平行、相鄰兩種位置，進(jìn)行化肥箱排空單因素試驗(yàn)。為減少試驗(yàn)誤差進(jìn)行多次測量，將所得電容值數(shù)據(jù)的平均值記錄，如表2所示。

表2中，兩組數(shù)據(jù)分別表示電容極板采用相對(duì)平行安裝、相鄰安裝時(shí)對(duì)顆粒肥料(尿素)進(jìn)行多組肥箱排空試驗(yàn)記錄測得電容值的平均數(shù)。顆?；试谂懦龇氏涞倪^程中，電容值的變化與肥箱中肥料的余量，存在一定的線性關(guān)系。肥箱排空試驗(yàn)所測得的電容值與肥箱中化肥所剩余量(百分比)的線性關(guān)系、電容值的變化趨勢如圖3所示。

表2 單因素試驗(yàn)表

圖3 極板兩種安裝位置排空試驗(yàn)關(guān)系圖

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料選用顆粒狀化肥(尿素)，肥料顆粒均勻、無結(jié)塊及變質(zhì)等現(xiàn)象[15]。試驗(yàn)設(shè)備主要有施肥試驗(yàn)臺(tái)、液壓驅(qū)動(dòng)裝置、高精度數(shù)字顯示電容電感表(精度為0.01pF)、相鄰極板電容傳感器與相對(duì)極板電容傳感器及等組成。

為了驗(yàn)證相鄰極板電容式肥箱料位檢測傳感器與相對(duì)極板電容傳感器的測量誤差，在施肥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行顆?；柿衔挥嗔繖z測試驗(yàn)。施肥試驗(yàn)臺(tái)由液壓裝置驅(qū)動(dòng)排肥器排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng)，提供排肥所需的動(dòng)力。通過施肥試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)改變排肥軸轉(zhuǎn)速及排肥試驗(yàn)時(shí)間，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)排肥試驗(yàn)，達(dá)到檢測肥箱化肥料位余量的目的。

3.2.2 臺(tái)架試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

利用實(shí)驗(yàn)室施肥試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，液壓裝置提供排肥軸所需動(dòng)力，用高精度數(shù)字顯示電容測試表檢測肥箱在空箱狀態(tài)時(shí)由傳感器所測得的電容值P1；然后向肥箱中填滿顆?；?尿素)，化肥填裝高度需超過電容極板的邊緣，記錄出此時(shí)傳感器所測得的電容值P2；那么，P2/P1就是肥箱中所添加顆?；?尿素)樣品的介電常數(shù)。試驗(yàn)中所使用的顆粒(尿素)化肥介電常數(shù)P2/P1在1.74～2.45之間。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表3 極板兩種安裝位置極限電容值

根據(jù)作業(yè)過程中肥箱化肥余量不同，計(jì)算此時(shí)的電容量；然后，利用電容表測量此時(shí)的電容值，與計(jì)算出的電容值進(jìn)行誤差分析。

由公式(1)和公式C=C1+C2計(jì)算化肥箱不同料位的電容值(平行極板電容器)。其中，C為理論測量的電容值(F)；C1為兩極板間化肥的電容值(F)；C2為兩極板間空氣的電容值(F)。

化肥余量分別達(dá)到肥箱容量的100%(滿箱)、70%、0(空箱)時(shí)，電容值為

通過分析肥箱中化肥余量比與電容值的變化趨勢，得到實(shí)際施肥作業(yè)過程中化肥余量變化與電容值變化的線性關(guān)系，并對(duì)電容值變化趨勢走向進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，對(duì)施肥作業(yè)機(jī)械肥箱化肥料位傳感器電容值的檢測結(jié)果進(jìn)行誤差分析比較。驗(yàn)證誤差分析比較結(jié)果如表4所示。

表4 電容誤差分析

4 討論

肥箱料位檢測傳感器的作業(yè)效果不僅與天氣環(huán)境有關(guān)，而且與肥箱材料(金屬材料或聚碳材料)和肥箱尺寸有關(guān)。因此，研究基于電容法的肥箱中肥料余量檢測傳感器是否具有較強(qiáng)的通用性[16-17]，針對(duì)不同樣式的肥箱檢測傳感器是否具有通用性。

今后可考慮對(duì)于不同肥箱的匹配程度是否具有良好的通用性。對(duì)不同尺寸肥箱、不同天氣環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果比較[18]，得到不同樣式肥箱的試驗(yàn)結(jié)果和誤差曲線圖，評(píng)價(jià)不同肥箱和天氣環(huán)境下肥箱料位余量檢測傳感器的性能和效果，研究與肥箱肥料余量檢測傳感器相匹配的化肥箱及最佳天氣等問題[19]，減少因肥箱尺寸、結(jié)構(gòu)不同而導(dǎo)致的匹配性問題。

5 結(jié)論

1)采用電容式傳感器檢測肥箱化肥料位的微小電容變化，實(shí)現(xiàn)肥箱料位的在線檢測。通過研究肥箱料位的改變，證明電容式傳感器對(duì)于檢測顆?；柿衔坏姆椒ň哂锌尚行浴?/p>

2)設(shè)計(jì)了基于電容法檢測肥箱化肥料位的電容傳感器，將傳感器獲取直觀性較差的電容信號(hào)值轉(zhuǎn)化成直觀性強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)肥箱中化肥料位的實(shí)時(shí)在線檢測。

3)試驗(yàn)研究了檢測肥料余量的電容傳感器極板對(duì)于尺寸不同的化肥箱最佳安裝位置，設(shè)計(jì)了電容極板最佳幾何形狀。研究了兩種電容傳感器電容極板安裝位置與輸出電容值與肥箱肥料余量的相應(yīng)關(guān)系，建立了肥料余量與電容值的線性擬合模型：電容極板相鄰安裝、相對(duì)安裝的有關(guān)模型相關(guān)系數(shù)分別為0.999 9、0.997 4。對(duì)模型的走向趨勢進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到驗(yàn)證性結(jié)論，電容值的變化趨勢與肥箱中化肥料位高度成正比。

4)電容式傳感器與化肥箱之間的安裝方法簡單、傳感器檢測方式采用非接觸式測量，使用壽命較長，不受田間惡劣作業(yè)環(huán)境因素的影響，具有良好的抗干擾性與穩(wěn)定性。