湯建華, 陳樹人, 花銀群, 楊繼昌

(1. 江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2. 江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 3. 江蘇大學(xué) 新材料研究院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

傳感器是一種能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置[1].稱重傳感器就是其中一種測(cè)量物體質(zhì)量或受力狀況的傳感器.其中,基于電阻應(yīng)變?cè)淼姆Q重傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和精度高等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了主導(dǎo)地位.電阻應(yīng)變式稱重傳感器(簡(jiǎn)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(yīng)變計(jì)以及補(bǔ)償電阻組成,其中電阻應(yīng)變計(jì)和各類補(bǔ)償電阻連接組成惠斯頓電橋,將被測(cè)物理量的變化經(jīng)過電橋比例轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化[2].

稱重傳感器作為電子稱重技術(shù)和電子衡器產(chǎn)品的技術(shù)基礎(chǔ)和核心部件,在很多行業(yè)的生產(chǎn)與流通中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用.近幾年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)、智慧物流、智慧農(nóng)業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,稱重傳感器在一些新的領(lǐng)域也出現(xiàn)了相關(guān)應(yīng)用.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)就是其中一個(gè)有著廣闊應(yīng)用前景的領(lǐng)域.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)又稱精細(xì)農(nóng)業(yè)或精確農(nóng)業(yè),是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流,是未來農(nóng)業(yè)的雛形.在整個(gè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期中,稱重傳感器在其中每個(gè)環(huán)節(jié)都有其潛在的應(yīng)用市場(chǎng),比如拖拉機(jī)的牽引力測(cè)量、精準(zhǔn)播種、變量施肥與噴藥、以及作物的產(chǎn)量監(jiān)測(cè)、草捆重量監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)等等,都出現(xiàn)了基于稱重傳感器的相關(guān)應(yīng)用研究.據(jù)美國(guó)的霍尼韋爾公司在2013年的評(píng)估:未來10年,僅在谷物收獲管理技術(shù)這一領(lǐng)域,開發(fā)無(wú)線農(nóng)業(yè)傳感器系統(tǒng)就能夠帶動(dòng)大約860億美元的投資,由此可見,稱重傳感器作為谷物產(chǎn)量監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵部件之一,其市場(chǎng)前景一定會(huì)十分廣闊.

文中主要介紹了國(guó)內(nèi)外稱重傳感器技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中稱重傳感器產(chǎn)業(yè)化存在的一些主要技術(shù)問題,最后給出了解決這些問題的一些對(duì)策分析.

1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 土地準(zhǔn)備

土地精整是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,主要通過拖拉機(jī)牽引農(nóng)機(jī)具進(jìn)行作業(yè).農(nóng)具通過安裝在拖拉機(jī)上的電液懸掛系統(tǒng)進(jìn)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(duì)農(nóng)機(jī)懸掛的受力狀況進(jìn)行測(cè)量并反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行決策,但農(nóng)具懸掛系統(tǒng)在作業(yè)中是一個(gè)動(dòng)態(tài)的非線性慣性系統(tǒng),對(duì)它進(jìn)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(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境[3].文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)寬度和高度尺寸的Dynamometer(即一種稱重傳感器或幾個(gè)稱重傳感器的組合),以適應(yīng)不同的農(nóng)具安裝條件,節(jié)約了成本.文獻(xiàn)[5]基于DEOR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種測(cè)量范圍達(dá)到180 kN的Dynamometer,可以同時(shí)測(cè)量水平和垂直力,兩者之間的互擾低且傳感器的線性指標(biāo)很好.為了提高作業(yè)效率和降低能耗,文獻(xiàn)[6]為約翰迪爾公司的3140型拖拉機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)新型三點(diǎn)懸掛用Dynamometer,相比其他同類Dynamometer,其測(cè)量精度對(duì)懸掛點(diǎn)變化不敏感,且制造成本相對(duì)更低.隨著數(shù)字化傳感器的不斷發(fā)展,文獻(xiàn)[7]開發(fā)了一種嵌入式的數(shù)字牽引力測(cè)量裝置,并于其他傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合一起對(duì)耕作過程中的狀況進(jìn)行分析.

除此之外,文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了安裝在農(nóng)具上的稱重傳感器，測(cè)量土壤阻力,進(jìn)而與其他傳感器一起用于實(shí)時(shí)土壤堆積密度的測(cè)量.文獻(xiàn)[9]研究了一個(gè)包含稱重傳感器的多傳感器平臺(tái)來生成土壤密度分布圖用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的耕作方案制定.

在國(guó)外,稱重傳感器在拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)中已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用,其研究方向也開始轉(zhuǎn)向傳感器的數(shù)字化和智能化,擴(kuò)展稱重傳感器的應(yīng)用范圍,以及結(jié)合多傳感器數(shù)據(jù)融合來提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的效率和質(zhì)量.

在國(guó)內(nèi),目前拖拉機(jī)仍然以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)性能中低端為主,相關(guān)研究更多集中在拖拉機(jī)懸掛的控制系統(tǒng)研究,針對(duì)稱重傳感器研究相對(duì)較少.如江蘇大學(xué)的韓江義等[10]為測(cè)量大馬力拖拉機(jī)的牽引力,開發(fā)了一種軸銷式感器,主要對(duì)傳感器的彈性體設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真計(jì)算,而對(duì)稱重傳感器的封裝等其他重要技術(shù)未做詳述.

1.2 精準(zhǔn)播種

播種機(jī)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播種的主要手段,其性能好壞直接影響播種質(zhì)量及農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量.較為直觀的應(yīng)用,是在播種機(jī)的種子斗與機(jī)架之間安裝稱重傳感器以隨時(shí)監(jiān)測(cè)種子斗內(nèi)部的狀況,配合速度傳感器等可以實(shí)現(xiàn)單位播種率的統(tǒng)計(jì).如美國(guó)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(jié)構(gòu)與測(cè)量方法,它們采用的都是類似Weigh bar結(jié)構(gòu)的稱重傳感器.在國(guó)內(nèi),王素珍等[13]等在條播機(jī)的排種器上設(shè)計(jì)了一個(gè)稱重傳感器,牽引機(jī)裝有轉(zhuǎn)速傳感器,然后采集稱重傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的讀數(shù)變化,計(jì)算出單位播種量,并可以針對(duì)不同播種對(duì)象重新標(biāo)定,適應(yīng)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(shù)特征.

氣吸式振動(dòng)排種器通過振動(dòng)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(jìn)行播種,具有精度高,通用性好等優(yōu)點(diǎn),是精密排種器的一個(gè)重要發(fā)展方向.為了保證振動(dòng)盤內(nèi)的種子處于較好的“沸騰”狀態(tài),需要控制種盤內(nèi)的種子數(shù)量,近年來,相關(guān)人員[14]研究了通過一個(gè)雙孔平行梁稱重傳感器來監(jiān)測(cè)振動(dòng)盤內(nèi)的種子分布情況,實(shí)現(xiàn)定量加種,提高了播種質(zhì)量.

另外,播種深度對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量也有顯著影響.文獻(xiàn)[15]對(duì)種子直播時(shí)的深度主動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,一個(gè)尺寸緊湊的圓柱形稱重傳感器被安裝在播種機(jī)構(gòu)的彈簧上,測(cè)量播種機(jī)構(gòu)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(gè)重要環(huán)節(jié),對(duì)種子的發(fā)芽、出苗和最終產(chǎn)量有很大影響.針對(duì)不同土壤、含水和作物類型,鎮(zhèn)壓強(qiáng)度應(yīng)有不同.國(guó)外對(duì)此研究較多,僅美國(guó)就有200余種[16].在國(guó)內(nèi),王景立等[16]設(shè)計(jì)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(gè)輪子內(nèi)安裝了一對(duì)稱重傳感器,測(cè)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(jìn)而改變鎮(zhèn)壓輪對(duì)種床土壤的壓力.

1.3 精準(zhǔn)作物管理

精準(zhǔn)作物管理是指從作物播種到收獲過程中為作物生長(zhǎng)進(jìn)行的各種管理措施,包括水、肥、藥的管理.傳統(tǒng)的化肥農(nóng)藥施用方法,利用率低,帶來了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)污染問題[17].精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的變量施肥與噴藥技術(shù),能夠有效提高肥料和農(nóng)藥的利用率,節(jié)約成本,提高產(chǎn)量.文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng),在施肥機(jī)的懸掛上設(shè)置3個(gè)稱重傳感器,1個(gè)50 kN的剪切梁式傳感器作為主稱量用傳感器,另2個(gè)平行梁式傳感器分別是20和500 N,作為參考傳感器對(duì)振動(dòng)等信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償.該系統(tǒng)在田間測(cè)試過程中,稱重系統(tǒng)在6～20 kN測(cè)量范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)差不超過20 N,響應(yīng)時(shí)間在1 s內(nèi).

測(cè)土配方施肥是聯(lián)合國(guó)在世界范圍內(nèi)推行的一項(xiàng)先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù),也是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)重要技術(shù).文獻(xiàn)[19]采用稱重法反饋肥料流量信息,采用4個(gè)400 kg的稱重傳感器支撐肥箱,監(jiān)測(cè)肥箱內(nèi)肥料質(zhì)量變化情況,并按照當(dāng)前車速,實(shí)施調(diào)整配肥施肥量,試驗(yàn)表明作業(yè)精度和施肥流量(由稱重傳感器獲取)、車速檢測(cè)的準(zhǔn)確性有很大關(guān)系,有待進(jìn)一步驗(yàn)證與完善.文獻(xiàn)[20]采用同樣的稱重方法,只是每個(gè)肥箱采用3個(gè)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(shí)現(xiàn)智能變量配肥.在試驗(yàn)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(duì)噴桿式噴霧機(jī)藥箱藥液晃動(dòng)造成的操控穩(wěn)定性差問題,張安東等[21]設(shè)計(jì)了一種專用的三向力傳感器用于監(jiān)測(cè)噴霧機(jī)藥液箱晃動(dòng)產(chǎn)生的附加力.傳感器是由上板、側(cè)板和下板組成的整體對(duì)稱結(jié)構(gòu),由4塊側(cè)板作為應(yīng)變梁測(cè)量晃動(dòng)產(chǎn)生的附加力,采用Q235作為傳感器彈性元件的材料,其強(qiáng)度和耐腐蝕性都較差.

在節(jié)水灌溉管理方面,文獻(xiàn)[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(cè)量方法,試驗(yàn)表明在1.94～7.78 dm3·s-1測(cè)量范圍內(nèi)的不確定度為5.7%.文獻(xiàn)[23]建立了一個(gè)多傳感器監(jiān)測(cè)平臺(tái),用于指導(dǎo)節(jié)水灌溉,其中一個(gè)9 t的剪切梁稱重傳感器主要用于監(jiān)測(cè)深耕的深度,與文獻(xiàn)[9]類似.

1.4 精準(zhǔn)收獲

通過谷物測(cè)產(chǎn)生成小區(qū)產(chǎn)量圖和處方農(nóng)作,是精確農(nóng)業(yè)的應(yīng)用基礎(chǔ).基于傳統(tǒng)稱重測(cè)力傳感器衍生而來的沖量式谷物流量傳感器,由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、便于安裝等特點(diǎn),在聯(lián)合收割機(jī)測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用.國(guó)外商業(yè)化的農(nóng)機(jī)裝備,如Micro Track公司、CASE IH公司和Ag Leader公司的聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)量監(jiān)測(cè)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(guó)外的應(yīng)用研究已經(jīng)從糧食作物轉(zhuǎn)向果蔬以及經(jīng)濟(jì)作物方面.文獻(xiàn)[25-26]研究了柑橘的產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),他們使用2個(gè)完全焊接密封的稱重傳感器安裝在振動(dòng)輸送系統(tǒng)的末端.為了減小振動(dòng)的影響,研究了這種焊接密封結(jié)構(gòu)的稱重傳感器安裝位置與傳感器響應(yīng)特性的關(guān)系. 在低速流量下,與實(shí)際重量相比,平均誤差3.56%，高速流量誤差 9.16%.文獻(xiàn)[27]設(shè)計(jì)了用于花生產(chǎn)量監(jiān)測(cè)的沖量板產(chǎn)量傳感器,并與光電式產(chǎn)量傳感器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)沖量板產(chǎn)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(rèn)為沖量式產(chǎn)量傳感器的誤差主要來源于試驗(yàn)中使用的舊式的行走式稻草收割機(jī).文獻(xiàn)[28]利用有限元法分析了不同稱重條件下葡萄收獲機(jī)械中稱重系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,并給出了提高稱重精度的建議.

另外,由于在實(shí)際使用中傳感器存在零點(diǎn)飄移,文獻(xiàn)[29]研究了小型八角型稱重傳感器的零飄補(bǔ)償算法,對(duì)零飄進(jìn)行補(bǔ)償后,測(cè)量的相對(duì)誤差從補(bǔ)償前19%,減小到補(bǔ)償后的1.5%.

國(guó)內(nèi)在谷物測(cè)產(chǎn)方面已經(jīng)開展了不少研究[30-34],并取得了一定成果.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)在國(guó)內(nèi)較早開發(fā)了沖擊式谷物流量傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng),測(cè)量誤差在2.07%～5.44%;華南農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)了雙板差分沖量式谷物流量傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能減小機(jī)身振動(dòng)對(duì)測(cè)產(chǎn)精度的影響,谷物流量在0.5～2.0 kg·s-1的測(cè)量相對(duì)誤差不超過3%;江蘇大學(xué)開發(fā)了承載板式谷物流量傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng),谷物流量小于2.0 kg·s-1時(shí)的測(cè)量相對(duì)誤差不超過2%,谷物流量超過2.5 kg·s-1時(shí)的測(cè)量相對(duì)誤差約為5%;中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院開發(fā)了稱量式谷物流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在室內(nèi)和田間的測(cè)量誤差分別不超過 2%和 3%.在傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方面,文獻(xiàn)[35-36]對(duì)傳感器的彈性元件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了研究,而文獻(xiàn)[37-38]對(duì)傳感器的噪聲消除及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償進(jìn)行了研究,取得了一定的成果.

2 存在的問題

通過對(duì)以上不同子領(lǐng)域的研究和應(yīng)用概述,稱重傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用狀況可以總結(jié)如下:首先,與其他國(guó)家相比,歐美國(guó)家特別是以美國(guó)等為代表的國(guó)家在稱重傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的產(chǎn)業(yè)化成果.在亞洲國(guó)家中,日本和韓國(guó)也在產(chǎn)業(yè)化研究道路上處于領(lǐng)先的地位.我國(guó)還沒有出現(xiàn)明顯的產(chǎn)業(yè)化案例.其次,從研究應(yīng)用領(lǐng)域來看，目前我國(guó)稱重傳感器技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的精確收獲階段的應(yīng)用研究比較多,并取得了一定成果，而在土地準(zhǔn)備、精準(zhǔn)播種和精準(zhǔn)作物管理階段的研究相對(duì)較少.第三,從發(fā)展階段來看,目前我國(guó)實(shí)際上還處在“工業(yè)傳感器的農(nóng)業(yè)應(yīng)用”這一階段,在很多研究試驗(yàn)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(nóng)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合下還有很大的提升空間.但是,在我國(guó)農(nóng)業(yè)傳感器研究過程中,產(chǎn)品意識(shí)較為淡薄,使得研究結(jié)果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐還存在諸多問題,限制了其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)裝備中的產(chǎn)業(yè)化.最后,結(jié)合上述文獻(xiàn)的研究結(jié)果,文中將稱重傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中面臨的不利因素歸結(jié)以下3點(diǎn):

第一,動(dòng)態(tài)測(cè)量精度.動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)一直是國(guó)內(nèi)外傳感器公司和研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的研究領(lǐng)域,也是當(dāng)前稱重傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中主要考慮的問題.除了傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)稱重領(lǐng)域中需要考慮的一些干擾因素外,還需要考慮由于農(nóng)機(jī)在工作運(yùn)動(dòng)時(shí),不可避免地會(huì)受到來自各個(gè)方向的沖力,這會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致測(cè)量精度降低;同時(shí),地面的不平整,也會(huì)使得稱重傳感器在測(cè)量時(shí)不一定保持在理想的水平位置狀態(tài),也會(huì)影響到測(cè)量精度,所以農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù),需要考慮的干擾因素更多,也更為復(fù)雜,有必要深入進(jìn)行研究.

第二,穩(wěn)定性.這是目前研究中一個(gè)容易忽略的關(guān)鍵問題.文獻(xiàn)[29]對(duì)這此做了簡(jiǎn)單的補(bǔ)償研究,但對(duì)輸出漂移的內(nèi)在機(jī)理未作深入分析.對(duì)傳統(tǒng)的稱重傳感器應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)合并不會(huì)對(duì)計(jì)量精度造成顯著影響,因?yàn)榭梢栽诿看畏Q重前通過儀表端清零消除漂移誤差.但是,在農(nóng)業(yè)裝備中的稱重場(chǎng)合下,更多時(shí)候傳感器需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)稱重計(jì)量,這樣就無(wú)法采用傳統(tǒng)的儀表清零方法來消除漂移誤差.另外一個(gè)不可忽視的情況就是,車輛在使用時(shí)總是會(huì)產(chǎn)生顛簸振動(dòng),相當(dāng)于對(duì)稱重傳感器的加速老化,從而導(dǎo)致測(cè)量誤差會(huì)加速地累積,這就需要稱重傳感器具有更高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性.

第三,可靠性.可靠性是一項(xiàng)新技術(shù)或產(chǎn)品在產(chǎn)業(yè)化時(shí)所必須解決的關(guān)鍵問題.農(nóng)業(yè)裝備中的車載稱重傳感器在實(shí)際工作中不可避免的會(huì)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(fēng)吹雨淋等等情況.這就要求稱重傳感器應(yīng)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(dá)到10年的預(yù)期工作壽命,比一般電子衡器對(duì)工作壽命的要求要高得多.雖然,國(guó)內(nèi)一些相關(guān)研究涉及到了稱重傳感器設(shè)計(jì),但此類傳感器在農(nóng)機(jī)工作環(huán)境下的使用壽命并未得到有效驗(yàn)證,傳感器可靠性相關(guān)的封裝設(shè)計(jì)等技術(shù)并未深入考慮.

3 應(yīng)對(duì)策略

通過上述分析,認(rèn)為稱重傳感器應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵在于解決稱重傳感器的可靠性、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)測(cè)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(shù)層面對(duì)這3個(gè)問題背后涉及的關(guān)鍵技術(shù)做進(jìn)一步分析.

可以將傳感器的技術(shù)領(lǐng)域分為四大關(guān)鍵基礎(chǔ)點(diǎn):敏感機(jī)理、功能材料、制造工藝和計(jì)測(cè)技術(shù)[39].涉及解決稱重傳感器可靠性的關(guān)鍵技術(shù)包括稱重傳感器的敏感機(jī)理(如彈性元件設(shè)計(jì)等技術(shù))、功能材料、制作工藝(如密封工藝)等;涉及穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)包括稱重傳感器的功能材料、制造工藝(如老化工藝)等;而動(dòng)態(tài)測(cè)量精度的關(guān)鍵技術(shù)則與稱重傳感器的敏感機(jī)理、計(jì)測(cè)技術(shù)(如動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法等)等相關(guān).可見,傳感器的可靠性、穩(wěn)定性以及動(dòng)態(tài)測(cè)量精度這3個(gè)問題并不是孤立的,它們都涉及到稱重傳感器技術(shù)領(lǐng)域中一些共性關(guān)鍵技術(shù).

1) 彈性元件設(shè)計(jì).稱重傳感器中感受被測(cè)物理量的彈性元件是影響傳感器性能和質(zhì)量的關(guān)鍵部分[40].彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多樣,旨在提高感受被測(cè)物理量的靈敏性和穩(wěn)定性.通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以提高傳感器在農(nóng)機(jī)工作環(huán)境下的響應(yīng)速度和抗干擾能力,在這方面,文獻(xiàn)[35-36]都對(duì)提高傳感器的動(dòng)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(hù)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(guān)鍵技術(shù).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(yīng)變區(qū)完全密封,從而達(dá)到了完全保護(hù)傳感器內(nèi)部應(yīng)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(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)合.不過,焊接密封技術(shù)也存在一些問題.由于是在彈性元件的上進(jìn)行焊接,即使采用激光脈沖焊接等工藝也不可避免的會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形.在后續(xù)使用過程中,殘余應(yīng)力的釋放和結(jié)構(gòu)的變形將會(huì)影響到彈性元件上的應(yīng)變片,最終導(dǎo)致稱重傳感器的輸出信號(hào)隨時(shí)間在緩慢變化,所以焊接工藝對(duì)傳感器輸出的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有著顯著影響.同時(shí),傳感器增加密封膜片后對(duì)傳感器的精度也有影響,所以密封膜片一般會(huì)選擇很薄的金屬,以減小其對(duì)傳感器彈性元件的附加影響,但是膜片太薄,在焊接時(shí)又容易產(chǎn)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(yuǎn)不如焊接前的測(cè)試結(jié)果,特別難以設(shè)計(jì)與制造.

傳感器的老化處理可以減少殘余應(yīng)力,提高傳感器的穩(wěn)定性,相關(guān)公司和學(xué)者已做了不少研究[41].對(duì)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(shí)還需要考慮不能影響到傳感器的其他部分,如應(yīng)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(dòng)時(shí)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(yīng)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(gè)簡(jiǎn)單有效的方法.

3) 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法.數(shù)字補(bǔ)償算法是提高動(dòng)態(tài)測(cè)量精度的關(guān)鍵.不過,數(shù)字補(bǔ)償算法的有效性依賴于傳感器數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)對(duì)傳感器數(shù)學(xué)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(shí),需要考慮到焊接密封工藝對(duì)傳感器響應(yīng)特性的影響,文獻(xiàn)[42]研究了大氣壓力對(duì)焊接密封型傳感器特性的影響,并對(duì)此進(jìn)行了誤差補(bǔ)償研究;而在國(guó)內(nèi),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(dòng)態(tài)稱重領(lǐng)域中傳感器的響應(yīng)時(shí)間要快以外,對(duì)于農(nóng)機(jī)的車載稱重測(cè)力場(chǎng)合,還需要考慮到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的復(fù)雜性,如農(nóng)機(jī)的前進(jìn)速度,道路崎嶇以及機(jī)械工作振動(dòng)等多種因素對(duì)傳感器測(cè)試精度的影響,因而有必要對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)字補(bǔ)償算法繼續(xù)深入研究.

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備不斷向自動(dòng)化和智能化發(fā)展,稱重傳感器必將越來越多地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中.由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的復(fù)雜性,對(duì)稱重傳感器及技術(shù)也提出了更高的要求.研發(fā)出響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、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(shè)計(jì)的動(dòng)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(guān)基礎(chǔ)制造工藝和計(jì)測(cè)技術(shù)的研究,導(dǎo)致此類傳感器的穩(wěn)定性和精度都較差,國(guó)內(nèi)還沒有相應(yīng)的成熟產(chǎn)品出現(xiàn).因此,從事這方面的研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,也有助于國(guó)內(nèi)傳感器公司產(chǎn)品達(dá)到或超過國(guó)際先進(jìn)水平.