基于近紅外光電效應(yīng)的聯(lián)合收獲機(jī)谷物厚度測(cè)量方法

趙 湛 雷朝鵬 李洪昌,2 劉金凱

(1.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院， 鎮(zhèn)江 212013; 2.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)院， 常州 213164)

0 引言

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是根據(jù)土壤環(huán)境和作物生長(zhǎng)狀況的空間差異信息，以平衡地力、提高產(chǎn)量為目標(biāo)，通過制定科學(xué)的管理決策、實(shí)施生產(chǎn)過程的定位、定量精細(xì)調(diào)控投入，以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、合理施用化肥、減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。獲取作物的產(chǎn)量信息，建立小區(qū)產(chǎn)量分布圖是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系中的重要環(huán)節(jié)[1-4]。

在谷物聯(lián)合收獲機(jī)上安裝測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)是獲取產(chǎn)量信息的有效途徑，其核心是谷物流量傳感器[5-8]。現(xiàn)有谷物流量傳感器主要根據(jù)容積式和沖量式工作原理[9-12]。文獻(xiàn)[13-16]分析了沖量式傳感器的測(cè)量誤差來源，指出收獲機(jī)振動(dòng)、機(jī)器姿態(tài)、田間坡度等因素對(duì)測(cè)量精度影響顯著。文獻(xiàn)[17-18]分析了谷物測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)傾斜特性，提出根據(jù)收獲機(jī)的傾斜、俯仰角度進(jìn)行測(cè)量誤差和零點(diǎn)漂移的修正方法，可以降低測(cè)量誤差。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者提出雙板沖量式谷物流量傳感器，通過差分運(yùn)算減小振動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響[19-20]，但由于每臺(tái)機(jī)器特性的差異性，難以建立準(zhǔn)確統(tǒng)一的修正模型。刮板式升運(yùn)器廣泛采用容積式測(cè)產(chǎn)裝置[11, 21]，它是通過光電傳感器測(cè)量谷物在升運(yùn)過程中的阻斷光路時(shí)間，產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖的時(shí)間寬度與谷物的堆積高度成正比，然后根據(jù)刮板尺寸和升運(yùn)速度計(jì)算得到谷物的體積。

本文以水稻籽粒為對(duì)象，根據(jù)籽粒的紅外光譜特性開展籽粒厚度的測(cè)量方法研究，設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)處理電路，分析紅外線波長(zhǎng)、功率、籽粒形態(tài)和含水率等因素對(duì)測(cè)量性能的影響。

1 測(cè)量原理

1.1 測(cè)量誤差分析

光電容積式谷物流量測(cè)量原理如圖1所示，谷物在刮板升運(yùn)器中可以分為兩部分：在高度h1范圍內(nèi)，籽粒充滿升運(yùn)器內(nèi)腔，通常呈現(xiàn)長(zhǎng)方體形態(tài)；受到內(nèi)摩擦作用力的影響，上層高度h2范圍內(nèi)的籽粒為自由堆積狀態(tài)。受到收獲機(jī)姿態(tài)、谷物流量、刮板結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)等因素的影響，h2范圍內(nèi)的籽粒分布狀態(tài)存在隨機(jī)性，即測(cè)量的脈沖寬度有一定的波動(dòng)和不確定性，這是造成容積式谷物流量測(cè)量誤差的最主要因素。籽粒堆積表面的曲率是決定體積的主要參數(shù)，受到內(nèi)摩擦力的影響，谷物在刮板內(nèi)h2范圍的堆積表面通常為連續(xù)曲面，通過測(cè)量頂部區(qū)域谷物厚度的變化，可以獲取表面整體變化的差異，其關(guān)鍵技術(shù)就是檢測(cè)谷物堆積厚度，即根據(jù)谷物厚度的變化速率獲取堆積表面的曲率變化規(guī)律。

圖1 光電容積式谷物流量測(cè)量原理圖Fig.1 Measurement method of grain mass using photoelectric sensor1.激光發(fā)射器 2.刮板 3.谷物 4.硅光電池

1.2 谷物厚度測(cè)量原理

根據(jù)Lambert-Beer定律，當(dāng)光在介質(zhì)中傳播時(shí)，普遍存在吸收、折射和散射現(xiàn)象，透過介質(zhì)的光強(qiáng)I將隨傳播距離作指數(shù)衰減，即

I=I0e-αL

(1)

式中I0——介質(zhì)表面上的輻射光強(qiáng)，W

L——光在介質(zhì)中傳播的距離，m

α——光強(qiáng)衰減系數(shù)

本文以激光為光源。籽粒的含水率是影響光線衰減特性的重要因素，由于水分對(duì)波長(zhǎng)1 440～2 500 nm范圍的近紅外光吸收敏感[22-23]，為了減小籽粒含水率變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，試驗(yàn)選擇近紅外光波長(zhǎng)λ的范圍為850～980 nm，功率P的范圍為100～500 mW。選擇LXD66RM型硅光電池為接收器，根據(jù)透過谷物的紅外線光強(qiáng)測(cè)量谷物的厚度。硅片尺寸為6 mm×6 mm，波長(zhǎng)范圍300～1 100 nm，特征波長(zhǎng)為940 nm時(shí)的靈敏度為0.57 A/W，響應(yīng)時(shí)間為12 μs。

均勻介質(zhì)的光強(qiáng)衰減系數(shù)α通常是光波長(zhǎng)的函數(shù)，根據(jù)光譜特性進(jìn)行籽粒的物理特性測(cè)量已有成功應(yīng)用[24-26]。水稻、小麥等谷物籽粒為散體顆粒，在升運(yùn)器中自由堆積時(shí)，籽粒間存在空隙。水稻籽粒的結(jié)構(gòu)和成分復(fù)雜，外層為穎殼，內(nèi)層為糙米，主要成分包括淀粉和水。光線在不同介質(zhì)中傳播時(shí)的衰減系數(shù)也不相同，通常籽粒的衰減系數(shù)遠(yuǎn)大于空氣的衰減系數(shù)，籽粒自然堆積時(shí)的空隙率則會(huì)受到籽粒尺寸和形態(tài)等因素的影響，很難推導(dǎo)準(zhǔn)確的光強(qiáng)衰減理論模型，但可以通過試驗(yàn)測(cè)量谷物厚度與接收光強(qiáng)的變化關(guān)系，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)函數(shù)。

2 信號(hào)處理電路

硅光電池在光照作用下會(huì)產(chǎn)生微弱電流信號(hào)，將其作為電流信號(hào)監(jiān)測(cè)具有較好的線性關(guān)系和帶寬性能。為了減小由放大器的輸入電流和硅光電池漏電流產(chǎn)生的直流偏置，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了T型I/V轉(zhuǎn)換電路。它由電阻R1、R2和R3構(gòu)成反饋電阻，可以消除寄生振蕩、提高頻率響應(yīng)的穩(wěn)定性，增大輸出信號(hào)的信噪比，電容C1可以減小由于相移產(chǎn)生的自激振動(dòng)。當(dāng)硅光電池輸出電流為Ip時(shí)，I/V轉(zhuǎn)換輸出電壓Vp為

(2)

式中R1、R2、R3——電阻R1、R2、R3的阻值

I/V轉(zhuǎn)換電壓Vp輸入至調(diào)節(jié)電路，通過電阻R4和R8分別調(diào)節(jié)輸出電壓Vout的零點(diǎn)和增益，從而將硅光電池接收的光強(qiáng)線性轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)Vout，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 信號(hào)處理電路Fig.2 Signal process circuit

3 谷物厚度測(cè)量試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)

圖3 標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of calibration test-rig1.信號(hào)處理器 2.水稻 3.硅光電池 4.轉(zhuǎn)動(dòng)手輪 5.激光發(fā)射器

為了進(jìn)行谷物厚度測(cè)量性能試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)架，結(jié)構(gòu)如圖3所示。在滑臺(tái)模組的滑塊上安裝移動(dòng)支架，在轉(zhuǎn)動(dòng)手輪絲杠的驅(qū)動(dòng)下，移動(dòng)支架沿著導(dǎo)向光軸作直線運(yùn)動(dòng)，定支架固定安裝于滑臺(tái)模組的底座。在移動(dòng)支架上安裝紅外激光發(fā)射器，定支架上安裝硅光電池，并保證紅外激光發(fā)射器和硅光電池在同一軸線上。激光發(fā)射器發(fā)射的紅外光透過籽粒射入硅光電池，硅光電池產(chǎn)生的電流信號(hào)輸入信號(hào)處理電路，通過萬用表讀取測(cè)量結(jié)果Vout。

3.2 標(biāo)定試驗(yàn)建模

以南粳52水稻籽粒為對(duì)象，測(cè)量得到含水率為18.9%，三軸尺寸為7.07 mm×3.08 mm×2.40 mm，選擇紅外激光發(fā)射器的功率為200 mW、波長(zhǎng)為940 nm。當(dāng)兩個(gè)支架之間的距離小于4 mm時(shí)，籽粒難以均勻放入支架之間的區(qū)域，因此標(biāo)定試驗(yàn)從6 mm開始進(jìn)行。

試驗(yàn)過程中，人工將籽粒填滿定支架與移動(dòng)支架之間區(qū)域，通過調(diào)節(jié)移動(dòng)支架的位置改變谷物的厚度，調(diào)節(jié)精度為0.1 mm。由于籽粒填滿了定支架與移動(dòng)支架之間的區(qū)域，故將兩個(gè)支架之間的距離視為紅外線穿過的籽粒厚度x，每組參數(shù)下的試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，測(cè)量獲得的x與輸出電壓Vout的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 谷物籽粒厚度與輸出電壓的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between grain seed thickness and output voltage

由于籽粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)和存在空隙，紅外光線是在非連續(xù)介質(zhì)中傳播，鑒于光線的指數(shù)衰減特性，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，本文采用Gaussian函數(shù)建立x與Vout的變化關(guān)系

Vout=ae-(x-b)2/c2+d(x≥b)

(3)

函數(shù)中的系數(shù)a代表輸出電壓的變化幅值，主要取決于硅光電池接受的光強(qiáng)和波長(zhǎng)；b為輸出電壓的峰值所對(duì)應(yīng)的籽粒厚度；c為紅外線的衰減特性，且c越小，衰減速率越快，穿透能力越弱；d是由信號(hào)處理電路產(chǎn)生的偏置直流電壓，試驗(yàn)測(cè)量d=0.12 V。采用最小二乘法擬合得到，方程的決定系數(shù)R2>0.996，對(duì)應(yīng)的籽粒厚度x的測(cè)量誤差小于0.5 mm。在x

Vout=a+d(x

(4)

3.3 影響因素分析

3.3.1紅外波長(zhǎng)

為了分析波長(zhǎng)對(duì)谷物穿透性能的影響，分別采用850、940、980 nm的紅外光源進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。不同波長(zhǎng)下，均可采用Gaussian函數(shù)建立x與Vout的變化關(guān)系，擬合結(jié)果如表1所示。波長(zhǎng)λ=940 nm所對(duì)應(yīng)的擬合方程系數(shù)a值略大，這主要受到硅光電池特征波長(zhǎng)的影響，相同光強(qiáng)時(shí)，紅外線波長(zhǎng)與硅光電池的特征波長(zhǎng)越接近，硅光電池產(chǎn)生的光電流越大，輸出電壓Vout也越大；紅外線的穿透能力會(huì)隨著波長(zhǎng)的增加而增強(qiáng)，擬合得到的c也隨之增大；當(dāng)波長(zhǎng)為940 nm時(shí)，方程的擬合精度最高，相對(duì)誤差小于6.5%，因此，優(yōu)選波長(zhǎng)為940 nm的紅外激光發(fā)射器作為谷物厚度測(cè)量光源。

表1 水稻籽粒厚度測(cè)量擬合結(jié)果Tab.1 Fitting results of rice seed thickness measurements

3.3.2激光發(fā)射器功率

選擇波長(zhǎng)λ為940 nm、功率P為100、200、300、500 mW的激光發(fā)射器，測(cè)量獲得的x與Vout的變化關(guān)系如圖5所示。由于硅光電池產(chǎn)生的光電流隨著接收光強(qiáng)的增大而線性增加，從表1可以看出，隨著激光發(fā)射器功率的增加，Gaussian方程的擬合系數(shù)a近似呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)關(guān)系；增大紅外線的能量密度，其穿透能力也隨之增強(qiáng)，方程擬合系數(shù)c也近似呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)關(guān)系，當(dāng)功率為500 mW時(shí)，谷物厚度的有效測(cè)量距離約為50 mm。

圖5 發(fā)射功率對(duì)紅外線穿透能力的影響Fig.5 Effect of emission power on infrared transmission capacity

3.3.3谷物含水率

水稻籽粒的主要成分是淀粉和水，隨著籽粒含水率的不同，光傳播介質(zhì)的特性也會(huì)發(fā)生改變，從而影響穿透性能。試驗(yàn)將含水率為18.9%的南粳52水稻籽粒進(jìn)行加熱干燥處理，然后進(jìn)行標(biāo)定性能試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。測(cè)量統(tǒng)計(jì)得到水稻籽粒干燥后的三軸尺寸為7.05 mm×2.99 mm×2.12 mm，體積縮小了約14.5%，空隙率隨之降低，淀粉的光吸收系數(shù)通常大于水的光吸收系數(shù)，綜合造成紅外線穿透能力隨著籽粒含水率的減小而降低；由于選用了相同的激光發(fā)射器(波長(zhǎng)λ為940 nm、功率P為300 mW)，方程的擬合系數(shù)a基本保持恒定，即輸出電壓Vout的峰值基本相等。

圖6 籽粒含水率對(duì)紅外線穿透能力的影響Fig.6 Effect of seeds moisture content on infrared transmission capacity

3.3.4谷物品種

選擇了4個(gè)不同品種的水稻籽粒進(jìn)行標(biāo)定性能試驗(yàn)，以分析品種的差異性對(duì)紅外線穿透性能的影響，激光發(fā)射器的波長(zhǎng)λ為940 nm、功率P為300 mW，擬合結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯蚜Ｐ螒B(tài)是決定空隙率和光傳播介質(zhì)特性的主要因素，南粳52、南粳5055和南粳9018的籽粒形態(tài)、含水率相似，方程擬合系數(shù)a、b和c也比較接近。鎮(zhèn)稻20的三軸尺寸相對(duì)較大，籽粒間的空隙率也較大，擬合系數(shù)c較小，即紅外線的衰減速率相對(duì)較低。

4 結(jié)論

(1)通過激光發(fā)射器產(chǎn)生近紅外光，根據(jù)硅光電池接收穿過谷物籽粒后的光強(qiáng)變化，可以實(shí)現(xiàn)籽粒厚度的測(cè)量；設(shè)計(jì)了以T型反饋網(wǎng)絡(luò)為核心的I/V轉(zhuǎn)換處理電路，從而將硅光電池接收的光強(qiáng)信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，采用Gaussian函數(shù)擬合建立籽粒厚度與輸出電壓的變化關(guān)系。

(2)當(dāng)紅外線波長(zhǎng)和硅光電池的特征波長(zhǎng)為940 nm時(shí)，Gaussian函數(shù)擬合的擬合精度最高，籽粒厚度測(cè)量相對(duì)誤差小于6.5%；隨著激光發(fā)射器功率的增加，水稻厚度測(cè)量量程隨之增大，當(dāng)功率為500 mW時(shí)，谷物厚度的有效測(cè)量厚度約為50 mm；紅外線的穿透能力隨著波長(zhǎng)的增加而增強(qiáng)，隨著籽粒含水率的降低而減弱。