周銀章

（山東省費縣農業(yè)農村局，山東 臨沂 273400）

過去主要采用人工抽樣估產或者裝袋稱重的方式獲取農作物產量，但是該方式勞動強度大、作業(yè)效率低，所以并不適用于大面積種植的農田。如果要實現精準農業(yè)，對農作物產量進行在線測產，有必要對聯合收獲機的在線測產技術展開深入研究，通過合理化安裝測產傳感器裝置，實時在線獲取到農作物產量的分布信息，這樣農民以及農業(yè)管理者就可以參照信息，制訂農業(yè)生產與管理計劃。

1 谷物聯合收獲機在線測產技術分析

早在1992年就已經有企業(yè)將谷物產量監(jiān)測系統推向市場，目前已有不少國家掌握了谷物在線測產技術，并且監(jiān)測技術越來越先進。谷物聯合收獲機借助在線測產技術，一方面，便于人員對農機在遠程狀態(tài)下開展管理與服務工作，極大地提升了農業(yè)生產的機械化水平，并逐步向智能化的方向發(fā)展；另一方面，借助農機采集的精準的農作物產量信息，為繪制產量分布圖提供信息幫助，為制訂農業(yè)種植與生產管理方案提供數據支持。

1.1 動態(tài)稱量測量法

該方法的關鍵技術是根據谷物流量與質量之間的關系，發(fā)揮傳感器的作用，通過稱量糧倉重量的方式得出谷物產量。在實際操作中，可以將谷物收獲機的糧箱懸掛在兩個稱重桿上，同時稱重桿的另一端要固定在收獲機上。另外也可以調整稱重傳感器的安裝位置，將其設置在糧箱底部，這樣測量谷物質量時會更加便捷高效[1]。但是，因為直接利用傳感器對糧箱進行稱重，所以需要糧箱與谷物收獲機的結構各自獨立，也就是說將稱重傳感器安裝在螺旋輸送絞龍的出口位置，這樣既可以確保螺旋輸送絞龍重量與通過的谷物流量成正比，又能夠盡量避免收獲機顛簸造成測量誤差增大，借助稱重補償技術提高谷物產量測量的精準度。

1.2 體積測量法

該方法屬于聯合形式的谷物收獲機，通常機器內部會設置刮板式升運器結構用來運輸糧食，針對聯合式收獲機可選擇應用體積測量手段得出谷物質量信息。該測量手段包含兩種方式，一是測量階段時間內谷物體積，二是測量輸送一定體積谷物一共消耗的時間，但是兩種方式的基本原理均是先利用谷物密度，然后再測量谷物實際體積，最終通過一定公式換算確定谷物質量。而且兩種方式都需要借助光電傳感器、葉輪式容積傳感器以及圖像傳感器來完成。其中光電傳感器以及圖像傳感器具有共同點，都屬于非接觸式的測量技術，也就是說不需要接觸谷物流量，僅需要借助刮板式升運器輸送谷物的過程，來測量刮板上所堆積谷物的具體厚度，然后利用公式便可得出谷物實際體積。

1.2.1 對射式光電傳感器

光電傳感器由光發(fā)射器以及光接收器共同構成，包含對射式和漫反射式兩種光電傳感器。首先，對射式光電傳感器的光接收器與光發(fā)射器兩者在同一軸線內，且對準安裝在刮板式升運器的兩側，軸線與谷物輸送方向保持垂直，這樣射線光束能夠橫穿于升運器[2]。通常情況下，光發(fā)射器內部結構中包含紅外發(fā)光二極管，光接收器內部結構中設有光敏三極管，光路會在谷物經過傳感器光路的瞬間呈現出被阻斷或者衰弱的現象，造成光接收器輸出電壓的變化。所以在實際測量時只要記錄下光電傳感器脈沖信號持續(xù)輸出時間，就能夠分析出刮板谷物的厚度，最后結合刮板底面積與谷物密度得出谷物體積。

1.2.2 漫反射式光電傳感器

該光電傳感器需要將光發(fā)射器與光接收器結合在一起，一同安裝在刮板式升運器的側壁位置。在谷物通過升運器刮板過程中必然會經過漫反射光電傳感器，發(fā)射器的光在接收到谷物反射之后，會繼續(xù)原路返回到光接收器系統中，由此光接收器也會產生脈寬信號，并且信號持續(xù)時間會因刮板上谷物厚度的增加而持續(xù)變化，依據此原理就可以精準得出谷物體積信息。需要注意的是，此種測量方法對于傳感器探頭的清晰度要求較高，所以需要讓探頭始終保持干凈，避免因受到灰塵和異物影響，導致測量的精準度有所降低。此外，刮板上谷物受到機器振動與顛簸的影響，很容易發(fā)生掉落，導致觸碰到傳感器。

1.2.3 葉輪式容積傳感器

通過測量容積的方式獲得谷物質量，該種測產技術需要借助葉輪式容積傳感器。葉輪式容積傳感器由料位傳感器和葉輪構成，在刮板式升運器出糧口的后方位置，通常兩側還會安裝螺旋輸送絞龍和糧箱[3]。當谷物進入到收獲機其中一個葉輪后，在葉輪填充體積達到一定標準后便會觸動傳感器，促使葉輪發(fā)生轉動，然后就可以繼續(xù)填充下一個葉輪。參照單個葉輪體積、谷物填充時間、葉輪旋轉次數，就可直接測算出谷物的體積與流量。但是葉輪式容積傳感器在實際安裝過程中對于空間的要求較高，并且安裝過程相對煩瑣，其測量更是具有不連續(xù)性的弊端。

1.2.4 圖像傳感器

光電傳感器存在誤觸發(fā)的問題，為切實解決這一問題，可以基于圖像傳感測產系統，對與距離觸發(fā)相機最近的刮板中的谷物進行拍照，將其作為測量模型，通過對所拍照片的結構光修正的方式推算出堆積谷物的實際厚度，進而分析出谷物質量。此種技術方式經過多次實踐檢驗，相對誤差可以降低到4.27%左右，但是不足之處是系統在成本投入方面要求較高。

1.3 沖擊力測量法

谷物沖擊力測量方法是基于傳統壓力傳感器而衍生出的全新技術手段，將谷物流量傳感器安裝在刮板式升運器的頂部出口位置，這樣就可以通過檢測升運器拋出谷物的周期得知谷物產量。以下為沖量定理公式：F(t)△t=△m(t)△v和在第二個算式中，△t表示谷物從升運器刮板離開后，到沖擊板所用時間；△m(t)代表在△t時間內，谷物與沖擊板發(fā)生碰撞的總體質量；△v表示谷物流在撞擊到沖擊板前后，水平方向速度產生的變化量；q表示谷物質量流量[4]。接下來就可以在了解谷物流碰撞沖擊板前水平方向速度v為升運器速度的條件下，將碰撞到沖擊板后的速度設定為v0，這樣就可以得出速度的變化量△v與升運器速度v相近似。所以說，可以通過對谷物沖擊前后動力變化產生的力加以測量，進而完成對谷物質量流量的在線測量。

沖量式谷物流量傳感器的結構相對簡單，所以安裝較為便捷，同時成本投入也相對較低。現階段國外已經有諸多用于商業(yè)的產量監(jiān)測系統功能均采用此種谷物流量傳感器。此種傳感器因為內部核心元件不同，所以分為壓電沖量式和應變沖量式兩種，而應變沖量式谷物流量傳感器又包含單臂與雙臂兩種。

1.3.1 壓電沖量式谷物流量傳感器

此種感應器通常由壓電薄膜和壓電陶瓷作為感應元件，利用壓電效應測量谷物產量。具體而言，當壓電晶體、壓電陶瓷、高分子壓電材料受到外力作用的影響時會發(fā)生形變，如果內部結構此時產生極化現象，則說明傳感器表面有電荷產生，可以以電荷量作為切入點去測量材料當時受外力情況。

1.3.2 應變單臂沖量式谷物流量傳感器

利用應變式壓力傳感器，對處于運動狀態(tài)的谷物給沖擊板帶來的沖擊力進行采集，然后完成谷物質量計算。在谷物聯合收獲機的谷物脫粒分離部分安裝單臂沖量式傳感器，可以對脫粒谷物質量進行估算。或者嘗試將貼有電阻應變片的懸臂梁壓力傳感器與谷物沖擊板結合起來，創(chuàng)新設計出單臂沖量式谷物流量傳感器，并且通過阻尼材料包裹懸臂梁的方式，最大程度消除機器的振動。

1.3.3 應變雙臂沖量式谷物流量傳感器

應變雙臂沖量式谷物流量傳感器通常安裝在谷物聯合收獲機的出糧口位置，一方面是起到導流作用，并且因為增加了差分消陣電路的設計部分，所以可以避免因機器振動對谷物測產精準度的影響，特別是田間水稻更是能夠將測產誤差控制在5%以內[5]。通過對該傳感器靜態(tài)受力情況的深入分析可以了解到，當傳感器所輸出的信號與靜態(tài)力作用點位置不存在關系，且測產誤差控制在3.8%以下，但是谷物流量高于2 kg/s的情況下，測產誤差必然會變大。

沖量式谷物流量傳感器的測量精準度會受到諸如谷物含水量、谷物流量、機器振動幅度、傳感器安裝角度等多方面因素的影響，而且當谷物流量相對較大的情況下，谷物流量會與谷物沖擊力呈現出非線性的關系。所以可以通過開發(fā)智能聯合收獲機測產系統、固定懸臂梁上沖擊板、設計弧形沖擊板的方式來盡可能控制測量的相對誤差。

1.4 射線測量法

射線測量方法主要借助射線強度的衰減程度情況，來表示刮板式升運器拋出的谷物質量流量。射線源與射線檢測器共同組成射線傳感器，射線源與射線檢測器是對準安裝在升運器出口位置，檢測到的射線強度越弱，則表示谷物質量流量越大。Y射線傳感器與X射線傳感器均是最常用于谷物的流量監(jiān)測，早在1993年，美國的AGCO公司已經將Y射線傳感器測產技術應用在谷物流量測量中，并且逐步向商品化邁進[6]。后來，我國也加大對農業(yè)裝備測產系統的研究力度，并且嘗試將Y射線傳感器應用其中，并且盡可能將產量測量精準度控制在2%范圍內。經過國內外的不懈研究，現在已經證實Y射線與X射線傳感器在測量谷物產量方面的精準度更高，其不受機器振動影響與粉塵污染影響的特點，是其他測量方法所無法比擬的，但是因為在實際使用中電磁輻射會對環(huán)境和操作者帶來一定危害，所以并沒有被大范圍推廣應用。

2 谷物聯合收獲機在線測產技術展望

谷物聯合收獲機在線測產技術在多數西方發(fā)達國家已經發(fā)展得非常成熟，基礎的智能化測產系統都基本配置完善，可以根據實際需求采用多種方式高效完成谷物在線測產工作，并生成詳盡的谷物產量空間分布圖，這也就為實現精準化農業(yè)生產提供了有價值的參考信息[7]。但是在我國恰恰相反，很多農民對于精準農業(yè)的認識還相對片面，且因為分散經營的模式，導致不僅經濟實力沒有得到顯著提升，農業(yè)機械智能化也依舊處于發(fā)展的起步階段，主要表現在精準農業(yè)落實力度不足、谷物聯合收獲機的在線測產技術距離實現商業(yè)化推廣還存在提升空間等。所以基于上述形勢，未來我國在研究谷物聯合收獲機在線測產技術時，可以嘗試從以下幾個方面切入。

2.1 改革農業(yè)生產模式

中國地域遼闊，各個地區(qū)之間不論是經濟水平還是技術水平均存在極大差異，以北方地區(qū)為例，農業(yè)生產類型主要為小規(guī)模的分散經營，經濟條件與機械化水平都是較為滯后的，也是因為此種粗放型的管理模式，給我國現代化農業(yè)的發(fā)展帶來約束?；诖耍哟髮Υ笠?guī)模集約化農業(yè)經營方式的推廣力度，從整體角度全面提高農業(yè)機械的規(guī)?；鳂I(yè)水平。與此同時，農民、農業(yè)管理者要加強對精準農業(yè)技術的認識與應用意識，實現農業(yè)與信息、農藝、機械的深度融合，這樣也是在無形之中為谷物測產技術創(chuàng)造了良好的研究與應用條件[8]。

2.2 強化測產傳感器技術

不同的聯合收獲機結構，不同的收獲物所適應的傳感器也就不同。需要基于不損傷農作物這一基本條件，盡可能采用簡便、高效的傳感器安裝方式，同時深入提高測產傳感器使用的準確度、通用性、穩(wěn)定性。在條件允許的情況下也要設計出低成本、高精度的智能化測產傳感器，攻克收獲機振動造成測量誤差這一技術難題，從而穩(wěn)步推進我國智慧農業(yè)與農業(yè)生產體系的發(fā)展[9]。

2.3 引進國外先進技術

我國要積極引進國外的先進智能在線測產技術，進而基于我國國情與農業(yè)生產現狀研究出功能強大的聯合收獲機在線測產技術。并且要借鑒國外成功的開發(fā)經驗，對我國現有的農業(yè)機械化遠程服務技術與管理技術進行創(chuàng)新，重點研發(fā)兼具測產功能、位置實時更新功能、產量分布圖生成功能、農機狀態(tài)監(jiān)控功能、實時調度功能的聯合收獲機在線監(jiān)控系統，一方面是為完善我國現有的農業(yè)測產研究技術，另一方面是力求實現田間應用的商品化[10]。

3 結語

綜上所述，我國農業(yè)當前的發(fā)展情況雖然與西方農業(yè)機械化水平距離較遠，但是隨著諸多專業(yè)研究員的不懈努力，基于基本操作理念對農業(yè)技術進行積極更新，使我國農業(yè)的發(fā)展趨勢穩(wěn)定，速度也在持續(xù)提升。農業(yè)作為我國的基礎產業(yè)，測產技術的提升需要根據實際問題以及我國測產技術現狀針對性地加以優(yōu)化，這樣才能對農業(yè)生產的發(fā)展有實際意義，提升我國農業(yè)機械化發(fā)展水平。