張 甜 蔣 樂 李兆東 謝 瑞 王韋韋 陳永新

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機裝備工程實驗室， 合肥 230036)

0 引言

油菜精量直播技術(shù)是油菜機械化生產(chǎn)的重要一環(huán)[1]。油菜種子粒徑小，顏色與土壤接近，落入土壤不易發(fā)現(xiàn)，其機械化播種質(zhì)量只能依靠觀察種箱里種子的數(shù)量變化及后期出苗狀況來判斷[2-4]。為清晰直觀地掌握機械化直播油菜的播種量信息，研制一種油菜種子流檢測系統(tǒng)具有重要意義。

排種器是播種機的核心工作部件，其排種性能差將直接影響播種質(zhì)量，導(dǎo)致后期出苗率低、收益差[5-7]。對此，國內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)機構(gòu)通常采用在排種器的導(dǎo)種管及排種盤等關(guān)鍵部件上安裝檢測系統(tǒng)對排種性能進行檢測，對于種子流檢測相關(guān)研究，一般以下落種子通過傳感器過程中產(chǎn)生的非電信號轉(zhuǎn)換為可檢測的脈沖信號。根據(jù)傳感器類型不同主要可分為光電感應(yīng)式、壓電感應(yīng)式、電容感應(yīng)式和視覺式，其中：光電感應(yīng)式傳感器具有良好的響應(yīng)速度，但工作時易受光照及灰塵干擾[8]；壓電感應(yīng)式傳感器需放置于導(dǎo)種管內(nèi)部，影響種子投送軌跡，以致排種精度不易保證[9]；電容感應(yīng)式傳感器易受溫度和寄生電容干擾，其可靠性、穩(wěn)定性等方面不易適應(yīng)田間復(fù)雜環(huán)境[10]；視覺式傳感器檢測精度高、信息獲取直觀，但對檢測環(huán)境要求嚴格，限制了在田間生產(chǎn)中的應(yīng)用[11]。上述傳感器各有優(yōu)勢，但在小粒徑種子流檢測方面，光電感應(yīng)式傳感器工作穩(wěn)定、響應(yīng)時間短、分辨率高，可實現(xiàn)非接觸檢測，成本低廉，成為當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的檢測手段。

國外研究方面，KARIMI等[12]基于光敏二極管研制了紅外傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)可檢測播種時種子通過導(dǎo)種管的質(zhì)量流量；HADI等[13]基于種子流監(jiān)測的紅外激光二極管陣列傳感器構(gòu)建了田間播種監(jiān)測裝置和播種監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了種子流量的測算；Precision Planting公司基于WaveVision傳感器在導(dǎo)種管內(nèi)安裝種子監(jiān)控系統(tǒng)，可實時檢測排種頻率、排種量、漏播以及重播等信息[14]；上述國外播種檢測相對于國內(nèi)起步較早，播種檢測技術(shù)比較成熟，但配套硬件產(chǎn)品價格昂貴，與國產(chǎn)化油菜播種機具兼容性不佳。

國內(nèi)在排種器種子流檢測方面進行了卓有成效的研究。TANG等[15]采用漫反射光電傳感器和矩形光柵傳感器設(shè)計了玉米播種質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)；李兆東等[16]設(shè)計了一種基于光束阻斷式的漏充和堵孔同步檢測系統(tǒng)，用于檢測油菜漏充率與堵塞率；賈洪雷等[17]針對高速精密播種作業(yè)中氣吸式排種器，設(shè)計了一種排種器吸種狀態(tài)檢測系統(tǒng)，通過對光電傳感器的輸出信號和光電編碼器脈沖信號進行處理，得到排種盤每個吸孔的吸種情況，從而進一步獲取整個排種器的工作狀況；丁幼春等[18-19]針對油菜播種作業(yè)過程中播量監(jiān)測與漏播檢測的問題，設(shè)計了一種油菜播種監(jiān)測系統(tǒng)，通過改變連接種子流傳感檢測模塊的數(shù)量，達到監(jiān)測不同作業(yè)幅寬的目的；姜萌等[20]針對化肥排施過程流量較大，化肥顆粒相互遮擋導(dǎo)致難以準(zhǔn)確檢測的問題，提出了基于光量阻擋原理的顆粒化肥流量檢測方法，該方法以顆粒流量與傳感器響應(yīng)電壓間的相關(guān)性為基礎(chǔ)建立檢測模型。上述研究表明，相關(guān)專家學(xué)者或機構(gòu)在監(jiān)測排種器是否發(fā)生漏播、堵塞以及種子在排種過程中難以兼容檢測的問題上研究較多，但對振動環(huán)境下小粒徑油菜種子流快速檢測方法仍有待研究。

課題組前期研制了一種具有槽齒盤的油菜氣力式精量排種器，可滿足1～2粒油菜種子精量排種農(nóng)藝要求，但該排種器作業(yè)速度提高時存在排種頻率高、序列差、不易快速檢測導(dǎo)致檢測精度下降的問題。本文采用反射式光電感應(yīng)法設(shè)計一種光纖計數(shù)式油菜精量排種器種子流檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)種子流的實時計數(shù)，并利用微計算機自動數(shù)粒儀進行同步檢測驗證試驗，旨在驗證該系統(tǒng)的檢測精度。

1 基于光纖計數(shù)的種子流檢測原理

1.1 傳感器檢測原理

傳感器主要采用CRS-602窗口型光纖傳感器，自帶的20 mm×20 mm正方形窗口為種子下落檢測區(qū)域，窗口內(nèi)側(cè)分別裝有光束信號發(fā)射端和接收端，且發(fā)射端和接收端位于同一側(cè)。傳感器通電工作時，發(fā)射端通過發(fā)光二極管發(fā)射光束經(jīng)另一側(cè)鏡面反射回接收端的光敏元件上，此時內(nèi)部電路導(dǎo)通，輸出為高電平。當(dāng)油菜種子穿越落料窗口的檢測區(qū)域時，會短暫遮擋發(fā)光二極管發(fā)出的光束，導(dǎo)致光敏元件無法接收到鏡面反射回來的光束，此時內(nèi)部電路為斷開狀態(tài)，電勢發(fā)生改變并輸出為低電平，在此過程中，傳感器內(nèi)部電路由于電勢的改變會產(chǎn)生一個脈沖信號，因此可通過檢測脈沖信號的數(shù)量得到下落種子流的種子數(shù)量。油菜種子流持續(xù)通過檢測區(qū)域時，光敏元件間歇性地接收發(fā)光二極管發(fā)出的光而使電路間歇性地導(dǎo)通和斷開，電路間歇性地輸出高低電平，從而形成占空比不確定的脈沖信號波形，如圖1所示。

圖1 種子流采樣信號Fig.1 Seed flow sampling signal

為保證傳感器工作時不受光照及灰塵干擾，同時使得下落的種子流均能順利落至傳感器檢測區(qū)域中，設(shè)計了如圖2所示的傳感器連接裝置，連接裝置上部連接口與排種器落種管采用過盈配合相連，光纖傳感器從側(cè)部插入連接裝置的卡槽內(nèi)，傳感器方形窗口檢測區(qū)域正好對應(yīng)上部的落種管中心，以便種子流能順利落至檢測區(qū)域內(nèi)。傳感器通過外部供電驅(qū)動落料窗口發(fā)射光纖，使通過傳感裝置中的種子流被發(fā)射的光纖所感知。

圖2 傳感器裝置示意圖Fig.2 Schematics of sensing device1.入種口 2.油菜種子 3.連接裝置 4.傳感器 5.出種口

1.2 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過程

檢測裝置以ZD/YH-XTP型六度空間振動臺為基礎(chǔ)，同時搭載多行排種裝置剛性臺架，臺架上方并排放置4個擾動氣力式精量排種器，搭配永磁直流減速電機、驅(qū)動軸、HG-1500-C2型漩渦式氣泵及管道。種子流檢測傳感器安裝于排種器投種口下方的導(dǎo)種管道上，檢測模塊整體放置在靠近導(dǎo)種管的一方，由2個12 V的鋰電池提供穩(wěn)定電壓，網(wǎng)頁終端模塊實時顯示在計算機屏幕上，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Detection system structure diagram1.檢測窗口 2.計數(shù)器 3.電源 4.核心檢測裝置 5.計算機終端 6.精量排種器 7.剛性臺架 8.六度空間振動臺 9.控制臺 10.風(fēng)機 11.電機

該系統(tǒng)工作時，傳感器的檢測窗口通過連接裝置固定在排種器投種口的正下方，此時傳感器一直處于高電平；當(dāng)油菜種子在穿過傳感器落料口時，傳感器輸出電平立刻變?yōu)榈碗娖?，并輸出一個脈沖信號；在經(jīng)過DST-1R4C-N型電平轉(zhuǎn)換器降壓后，STM32單片機系統(tǒng)通過中斷程序采集到輸出脈沖信號，此時單片機檢測的理論脈沖頻率經(jīng)WiFi模塊發(fā)送到網(wǎng)頁終端模塊的顯示屏上顯示各行播量。

1.3 響應(yīng)時間分析

為保證檢測系統(tǒng)的精度，需使油菜種子在通過傳感器時的信號被采集一次，因此傳感器最短響應(yīng)時間必須小于種子經(jīng)過傳感器時所需最短時間。種子通過傳感器時被采樣的約束條件為

Δt>ts

(1)

式中 Δt——種子經(jīng)過傳感器時所需時間，s

ts——傳感器最短響應(yīng)時間，s

對種子在導(dǎo)種管內(nèi)發(fā)生碰撞的過程進行運動學(xué)分析，設(shè)油菜種子在導(dǎo)種管內(nèi)經(jīng)過A、D、E多點碰撞，然后通過傳感器。碰撞過程中，不僅油菜種子的速度損失較大且速度方向變化也較大，因此油菜種子到達傳感器上表面的速度變小且經(jīng)過傳感器的路徑變長，使得油菜種子經(jīng)過傳感器所需時間Δt變大，在此狀況下不易確定傳感器最短響應(yīng)時間ts。相比之下，若油菜種子剛好以拋物線運動形式穿過傳感器，此時油菜種子與導(dǎo)種管內(nèi)壁之間沒有碰撞，油菜種子動能沒有損失，以最大速度通過傳感器，可得到極限時間Δt。此時Δt相比于所有油菜種子經(jīng)過傳感器的時間都要短，在此情況下油菜種子仍能被傳感器識別，則該傳感器符合檢測系統(tǒng)的要求。

圖4為種子與導(dǎo)種管碰撞時的運動分析圖，油菜種子在管徑長度x1橫向位移中，只能到達點P，然后沿著拋物線運動到達點A，但無法直接到達點E。若不考慮管壁的阻礙作用，油菜種子在到達點A后繼續(xù)以拋物線運動，最終經(jīng)過傳感器的上表面B和下表面C，此時油菜種子所獲得速度最大，經(jīng)過傳感器為最短時間Δt。

(2)

式中v0——種子下落至斜面板頂端的初速度，m/s

θ——種子下落方向與豎直方向的夾角，(°)

x——斜面板頂端至底端的水平距離，mm

t——種子從斜面板頂端下落至底端所用的時間，s

h1——種子從投種口到進管口距離，mm

vx——種子碰撞到斜面后橫向分速度，m/s

vy——種子碰撞到斜面后縱向分速度，m/s

g——重力加速度，取9.8 m/s2

解得

(3)

將已知參數(shù)代入式(3)可得

(4)

由式(4)可得

(5)

即

(6)

由于該方程較為復(fù)雜，不易采用傳統(tǒng)方式求解，采用Matlab數(shù)形結(jié)合的方法對式(6)進行求解，結(jié)果如圖5所示。得出Y0與Y1交點的橫坐標(biāo)，在x范圍內(nèi)解得交點橫坐標(biāo)為

圖5 函數(shù)曲線Fig.5 Function curve

θ=36.264°=0.632 6 rad

為減少種子與導(dǎo)種管壁接觸碰撞能量損失，投送的種子與管壁在點O碰撞并經(jīng)過點P、A、B、C后離開監(jiān)測窗口，可得

(7)

式中n——種盤轉(zhuǎn)速，r/min

r——種盤半徑，mmβ——投種角，(°)

H1——種子從投種口到傳感器進口距離，mm

H2——種子從投種口到傳感器出口距離，mm

T1——種子從投種口到傳感器進口時間，s

T2——種子從投種口到傳感器出口時間，s

ΔT——種子通過傳感器極限時間，s

由式(7)可解得

(8)

得

ΔT=T2(n)-T1(n)

(9)

根據(jù)前期預(yù)試驗，可得種盤轉(zhuǎn)速n與響應(yīng)精度P對應(yīng)關(guān)系，采用Matlab多項式離散點擬合可得

n=kP+b

(10)

根據(jù)95%置信區(qū)間k∈[-0.02，0.108]，取中值k=0.043 75；根據(jù)95%置信區(qū)間b∈[-1.46,4.087]，取中值b=1.313。

聯(lián)立式(9)、(10)可得響應(yīng)時間與檢測精度之間的數(shù)值關(guān)系規(guī)律為

ΔT=T2(0.043 75P+1.313)-
T1(0.043 75P+1.313)

(11)

由式(8)、(10)分析可得，式(11)為單調(diào)遞減函數(shù)，即傳感器響應(yīng)時間越快，精度越高。

所設(shè)計的油菜氣力式精量排種器工作轉(zhuǎn)速n∈[20 r/min,60 r/min]可滿足實際田間播種需要[21]，將其代入式(8)、(11)，可得油菜種子穿越響應(yīng)時間為2.68～8.36 ms，為確保檢測系統(tǒng)的精度，設(shè)定光纖傳感器響應(yīng)時間為2 ms。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件選型及設(shè)計

在ARM嵌入式系統(tǒng)框架中主要分為硬件設(shè)備與軟件設(shè)計兩部分，分別實現(xiàn)對排種器各行排量及其各行排量一致性變異系數(shù)的信息采集、儲存、通信以及實時顯示，由主程序調(diào)用若干子程序?qū)崿F(xiàn)多行種子流實時檢測。硬件包括信號采集模塊、核心控制模塊、無線通信模塊、檢測顯示終端模塊、網(wǎng)頁監(jiān)測模塊以及電源模塊。檢測系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 種子流檢測系統(tǒng)框圖Fig.6 Seed flow detection system frame diagram

核心控制模塊采用STM32F407VET6處理器，具有單周期DSP指令，內(nèi)核為Cortex-M4/32bit RISC，其主要通過PE2口的外部中斷功能采集輸出脈沖頻率，為避免信號在傳輸中出現(xiàn)延時傳輸、遺漏的現(xiàn)象，同時提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度及實時性，因此核心控制模塊每行需對應(yīng)一個STM32F407VET6型號的單片機控制器；無線通信模塊使用ESP8266串口WiFi模塊實現(xiàn)核心控制模塊與網(wǎng)頁監(jiān)測模塊的無線通信，該模塊核心程序主要通過Arduino軟件實現(xiàn)，響應(yīng)時間短、損耗低，通過提前設(shè)定程序連接WiFi并實現(xiàn)八對一的無堵塞式無線傳輸模式；網(wǎng)頁終端模塊以計算機為基礎(chǔ)同時基于Pygame庫對圖形界面進行設(shè)計與編寫，用于顯示各行播量信息以及檢測系統(tǒng)實時作業(yè)狀態(tài)；電源模塊主要由3個12 V、1 A的鋰電池組成，通過USB數(shù)據(jù)線分別給不同的模塊供電。

2.2 電路設(shè)計

為實現(xiàn)核心控制模塊對多路種子流的同步檢測，采用“一對一”數(shù)據(jù)獨立傳輸方式，每一路種子流的檢測分別對應(yīng)一個核心控制模塊，對外部中斷入口PE2進行監(jiān)聽，可實現(xiàn)每路數(shù)據(jù)單獨接收與發(fā)送。避免因排種速度的增大導(dǎo)致核心控制模塊響應(yīng)時間較長、檢測精度下降進而造成數(shù)據(jù)在接收與發(fā)送過程中延遲和丟失。同時針對江淮地區(qū)遲收糯稻茬田下油菜精量直播機多采用八行進行直播的問題，采用“多合一”并聯(lián)模式將每一路核心控制模塊的數(shù)據(jù)集成顯示在網(wǎng)頁監(jiān)測終端，各電路示意圖如圖7所示。

圖7 電路示意圖Fig.7 Row circuit diagram

2.3 控制運算

檢測系統(tǒng)初始化后，種子流通過光纖傳感器檢測窗口并產(chǎn)生脈沖信號，同時調(diào)用外部定時中斷資源采集來自光耦隔離器降壓處理后的每行種子流的排種頻率，進而實現(xiàn)各行種子流的同步檢測；網(wǎng)頁監(jiān)測模塊通過八行的排種量計算得出各行排量一致性變異系數(shù)，并最終在終端上實時顯示。檢測系統(tǒng)程序流程如圖8所示。

圖8 檢測系統(tǒng)程序流程圖Fig.8 Flow chart of detection system program

假設(shè)檢測系統(tǒng)在一個檢測周期內(nèi)光纖感應(yīng)的次數(shù)為X，核心控制器通過降壓模塊采集到脈沖信號次數(shù)，并計算出每行種子流排種粒數(shù)xi和各行排量一致性變異系數(shù)。

3 試驗驗證

3.1 傳感器精度試驗

為驗證該檢測系統(tǒng)對小粒徑油菜種子的檢測精度，選用華油雜62油菜以單、雙粒形式通過傳感器進行試驗驗證。試驗方法如下：通過SLY-C型微計算機自動數(shù)粒儀帶動小型數(shù)粒盤轉(zhuǎn)動，此時手動將種子采用一?；螂p粒形式放入數(shù)粒盤中，通過調(diào)節(jié)微計算機自動數(shù)粒儀不同的檔位模擬不同下落速度下種子檢測情況。數(shù)粒盤的轉(zhuǎn)動帶動油菜種子以一定的時間間隔依次通過光纖傳感器，在傳感器下方放置油菜種子接收盒。光纖傳感器將采集的信號傳給上位機，上位機對采樣的數(shù)據(jù)進行分析處理，得到理論油菜籽粒數(shù)，人工統(tǒng)計接收盒里面的油菜種子得到實際籽粒數(shù)，每次試驗3 min并重復(fù)3次取平均值，通過理論籽粒數(shù)和實際籽粒數(shù)計算出該檢測系統(tǒng)的檢測精度。

由圖9可知，當(dāng)單粒油菜種子以不同下落速度通過光纖傳感器時，其檢測系統(tǒng)具有較高的檢測精度，且隨著下落速度的提高檢測相對偏差緩慢增加，相對偏差最大為2.21%；當(dāng)雙粒油菜種子以不同下落速度通過光纖傳感器時，隨著下落速度的提高相對偏差也隨之緩慢增加，且相對偏差最大為3.67%。分析其原因可知，隨著種子下落速度不斷增大，種子通過檢測系統(tǒng)的時間不斷減小以致于出現(xiàn)漏檢的情況，從而導(dǎo)致相對偏差不斷增大；而在兩粒種子通過檢測系統(tǒng)的同時，不僅有下落速度對檢測誤差的影響，且多粒種子產(chǎn)生的信號易發(fā)生混疊漏計，導(dǎo)致相對偏差呈上升趨勢。雙粒檢測試驗結(jié)果相對偏差大于單粒試驗結(jié)果相對偏差，但總體偏差仍相對較小，表明傳感器的精度能滿足本文試驗要求。

圖9 傳感器精度試驗結(jié)果Fig.9 Sensor accuracy test results

3.2 檢測系統(tǒng)性能試驗

3.2.1試驗設(shè)備與材料

以湖北國科高新技術(shù)有限公司生產(chǎn)的華油雜62油菜種子為試驗材料，其材料特性[22]如下：千粒質(zhì)量為4.4 g，含水率為7.6%，球形度為91.5%。

臺架試驗設(shè)備主要有：氣力式精量排種器、ZD/YH-XTP型六度空間振動臺、YVF2-802-4型三相異步變頻電機(日本三菱電機股份有限公司)、VC6236P型轉(zhuǎn)速表、SG-312型風(fēng)量風(fēng)壓計、計時器、接種杯、SLY-C型微計算機自動數(shù)粒儀(浙江托普儀器有限公司)、種子流檢測系統(tǒng)，如圖10所示。

圖10 多行振動檢測試驗裝置Fig.10 Multi-row vibration detection test device1.驅(qū)動軸 2.接種杯 3.移動電源 4.網(wǎng)頁終端模塊 5.核心控制模塊 6.氣力式精量排種器 7.振動控制臺

3.2.2試驗設(shè)計與方法

實際田間工況主要參數(shù)：土壤類型為黃棕壤，土壤堅實度為544.53～848.44 kPa,水稻留茬高度為300～350 mm，稻茬覆蓋量為0.82～1.24 kg/m2，土壤含水率為24.67%～30.12%。

試驗時，2BQFX-8型油菜精量聯(lián)合播種機由東方紅LY-1204D型輪式拖拉機提供動力。采用單因素試驗方法，測定機組前進速度分別為慢Ⅰ擋(2.6 km/h)、慢Ⅱ擋(3.3 km/h)、 慢Ⅲ擋(4.5 km/h) 作業(yè)時的振動特性。試驗前，將播種機調(diào)整至正常工作狀態(tài)，播種深度0～30 mm。為獲取油菜田間播種時排種系統(tǒng)的振動特性，根據(jù)已有研究[23-24]，排種系統(tǒng)受到豎直方向振動為主。本研究使用PCB356A32型三軸加速度傳感器對排種裝置豎直方向進行振動信號采集，試驗前將傳感器固定在排種裝置上，采用NI-9234采集卡采集加速度時域信號并通過LabVIEW顯示與儲存，在LabVIEW軟件前面板設(shè)置連續(xù)采樣頻率為2 500 Hz，采集振動信號15 s，將采集時頻數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab中進行傅里葉頻域轉(zhuǎn)換，得到振動頻率與振動加速度間對應(yīng)關(guān)系的頻域信號如圖11所示，左邊為振動時域圖，右邊為振動頻域圖。

圖11 機組振動加速度曲線Fig.11 Vibration acceleration analysis of unit

由頻域圖可知，播種機振動能量的頻率分布主要集中在低頻段的 3～10 Hz。前進速度越大，振動越劇烈，但不影響振動能量的頻率分布。為對比靜態(tài)環(huán)境與振動環(huán)境下播量檢測性能，臺架性能試驗設(shè)定振動頻率為0～10 Hz，取0、5、10 Hz 3個梯度，振動控制臺參數(shù)設(shè)置如圖12所示。

圖12 振動分析圖Fig.12 Vibration analysis diagram

播種機組實際作業(yè)過程中并非勻速前行，風(fēng)壓難以保持恒定且很難找出其變化規(guī)律，臺架試驗不易還原田間實時工作風(fēng)壓。根據(jù)前期研究[25]，種盤靜止(待轉(zhuǎn)動)狀態(tài)下的工作負壓1 500～2 500 Pa可滿足油菜多路排種時對種子精量吸附的實際需要。試驗中利用電動閥門控制風(fēng)泵出口的工作負壓，試驗前開展靜態(tài)工作負壓與閥門開度匹配試驗，靜態(tài)工作負壓波動較小，以SG-312型風(fēng)量風(fēng)壓計測量數(shù)據(jù)作為實測值，通過更改電動閥門的輸入電壓來控制閥門開度，輸入電壓從0 V到10 V，每次增加0.5 V，記錄電動閥門實際開度和靜態(tài)工作負壓，其負壓取3 min內(nèi)的均值，試驗重復(fù)3次，結(jié)果如圖13所示。

圖13 閥門特性曲線與擬合方程Fig.13 Valve characteristic curves and fitting equation

利用Origin軟件對圖13結(jié)果進行多項式擬合，得到曲線方程為：y=-0.02x3+3.14x2+18.34x-235.59，其模型決定系數(shù)R2為0.993 9，表明擬合模型顯著。根據(jù)擬合曲線方程計算靜態(tài)工作負壓為1 500～2 500 Pa時的閥門開度。

檢測系統(tǒng)初始化，啟動ZD/YH-XTP型六度空間振動臺電源，通過更改電動閥門的輸入電壓來控制閥門開度改變工作負壓，啟動YVF2-802-4型三相異步變頻電機，利用VC6236P型轉(zhuǎn)速表測定所需種盤轉(zhuǎn)速。當(dāng)振動排種系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，利用研制的檢測系統(tǒng)同步測定排種系統(tǒng)每一個導(dǎo)種口排出的種子數(shù)量并在上位機上實時顯示各行的排種數(shù)量和各行排量一致性變異系數(shù)，同時在每一個檢測的導(dǎo)種口處都放置一個接種杯，再利用SLY-C型微計算機自動數(shù)粒儀測定出對應(yīng)的每一個導(dǎo)種口排出的種子數(shù)量和各行排量一致性變異系數(shù)，檢測時間設(shè)定30 s，每組試驗重復(fù)3次[26]。根據(jù)表1中的因素水平依次更換振動頻率、種盤轉(zhuǎn)速及工作負壓，重復(fù)以上步驟直至完成試驗并計算出檢測值與實際值的相對偏差。

表1 試驗因素水平Tab.1 Test factors level

通過檢測系統(tǒng)得到實際值與各行排量一致性變異系數(shù)并結(jié)合SLY-C型微計算機自動數(shù)粒儀記錄下每行實際值以及相對的各行排量一致性變異系數(shù)。相關(guān)試驗評價指標(biāo)計算公式[27-28]為

(12)

式中Ec——相對偏差，%

Gc——檢測到的種子數(shù)量，個

Cc——經(jīng)過數(shù)粒儀檢測后得出種子數(shù)量，個

3.2.3結(jié)果與分析

采取Box-Behnken響應(yīng)面分析法進行三因素三水平正交試驗，重復(fù)以上步驟直至完成試驗并計算出檢測值與實際值的相對偏差。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)果Tab.2 Test results

對實際值與檢測值之間的相對偏差進行方差分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，振動頻率、種盤轉(zhuǎn)速和工作負壓3個單因素對各行排種量的相對偏差均是極顯著影響，振動頻率、種盤轉(zhuǎn)速、振動頻率與工作負壓兩兩交互對各行排種量的相對偏差的影響均顯著，但工作負壓與種盤轉(zhuǎn)速間的交互對各行排種量相對偏差的影響為不顯著。分析其原因在于振動頻率打破了種子流有序的投送狀態(tài)，種盤轉(zhuǎn)速的增大則是在單位時間內(nèi)增加了種子數(shù)量，工作負壓的變化則是使得排種器在吸種過程中增大了重吸或漏吸的概率。

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

對于相對偏差，振動頻率與種盤轉(zhuǎn)速的交互作用響應(yīng)曲面如圖14a所示。當(dāng)振動頻率一定時，相對偏差隨著種盤轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)增大趨勢，原因是隨著轉(zhuǎn)速的增大，相同時間內(nèi)通過傳感器檢測窗口的種子流數(shù)量增大，從而提升各行排種量的相對偏差；當(dāng)種盤轉(zhuǎn)速一定時，相對偏差隨著振動頻率的增大而增大，但變化趨勢沒有種盤轉(zhuǎn)速顯著。在振動頻率與種盤轉(zhuǎn)速的交互作用中，主要影響相對偏差的因素是種盤轉(zhuǎn)速。振動頻率與工作負壓的交互作用響應(yīng)曲面如圖14b所示。當(dāng)工作負壓一定時，相對偏差隨著振動頻率的增加呈現(xiàn)增大趨勢，原因是隨著頻率的增大，對排種過程中種子的排種序列產(chǎn)生一定影響，打破了靜態(tài)環(huán)境排種下種子流有序投送狀態(tài)，當(dāng)振動頻率一定時，工作負壓對相對偏差產(chǎn)生的影響趨勢平緩，影響效果相對不顯著。

圖14 不同工況下各行排種量的相對偏差Fig.14 Relative deviation of seed quantity of each row under different working conditions

各行排量一致性變異系數(shù)檢測試驗結(jié)果如圖15所示。試驗結(jié)果表明，在不同的振動環(huán)境下，隨著種盤轉(zhuǎn)速和工作負壓的提高，各行排量一致性變異系數(shù)的檢測值與實際值相對偏差均不超過1.0%。其原因為對于振動環(huán)境下油菜氣力式精量排種器的各行排量一致性變異系數(shù)較低，檢測系統(tǒng)測得其各行排量一致性變異系數(shù)也較低，因此其相對偏差小。由此驗證了該檢測系統(tǒng)可用于振動環(huán)境下油菜氣力式排種器種子流的實時檢測。

圖15 不同工況下各行排量一致性變異系數(shù)的相對偏差Fig.15 Relative deviation of coefficient of variation of displacement consistency of each row under different working conditions

4 田間試驗

4.1 試驗設(shè)備與方法

田間播種作業(yè)因拖拉機動力、旋耕刀輥與土壤秸稈耦合作用等激勵產(chǎn)生振動，種子流檢測精度受振動頻率和幅度影響，且振動幅度對其影響較大。臺架試驗中使用全功能微計算機控制振動試驗臺，其工作要求為：振頻小于50 Hz，振幅不得超過5 mm，無法復(fù)制田間實際振動幅度，需通過田間試驗進一步驗證其檢測系統(tǒng)的可行性，于2021年11月10日在安徽省安慶市懷寧縣石牌鎮(zhèn)開展田間試驗。

試驗設(shè)備為湖北樺磊農(nóng)機制造有限公司生產(chǎn)的2BQFX-8型油菜精量播種機(搭載擾動氣力式精量排種器)、東方紅LY-1204D型輪式拖拉機、種子流檢測裝置、接種袋等。

為進一步檢驗該檢測裝置在田間振動下的檢測效果，試驗過程中給檢測裝置及終端進行穩(wěn)定供電并將裝置初始化，設(shè)置拖拉機3個前進速度分別為2.6 km/h(慢Ⅰ擋)、3.3 km/h(慢Ⅱ擋)、4.5 km/h(慢Ⅲ擋)，對應(yīng)種盤轉(zhuǎn)速分別為22、30、41 r/min，均為適宜江淮區(qū)域油菜直播作業(yè)擋位[29]。設(shè)定機具行駛距離為40 m，并用接種袋收集從導(dǎo)種口排出的油菜種子流，再利用SLY-C型微計算機自動數(shù)粒儀測定出對應(yīng)的每一個導(dǎo)種口排出的種子數(shù)量和各行排量一致性變異系數(shù)，每組試驗重復(fù)3次。試驗現(xiàn)場如圖16所示。

圖16 田間排種試驗Fig.16 Field seeding test1.東方紅LY-1204D型輪式拖拉機 2.2BQFX-8型油菜精量播種機 3.接種袋 4.氣力式精量排種器 5.種子流檢測系統(tǒng) 6.網(wǎng)頁顯示終端

4.2 試驗結(jié)果分析

由表4可以看出，實際排種量比檢測播種量整體偏大，二者相對偏差小于8.0%，但該結(jié)果略高于臺架試驗結(jié)果。主要原因為：拖拉機田間工作時，振動幅度較大，多粒種子同時下落時被檢測系統(tǒng)計為一個脈沖數(shù)據(jù)，導(dǎo)致了排種檢測值整體偏小。在符合農(nóng)藝要求的油菜播量下，結(jié)合機具前進速度，在播種機正常工作的速度區(qū)間范圍內(nèi)，種子流檢測系統(tǒng)在田間工作穩(wěn)定、試驗可靠。種子流傳感系統(tǒng)和網(wǎng)頁顯示端處于密封狀態(tài)，田間的泥土和粉塵等并不會對種子流檢測系統(tǒng)造成影響。

表4 油菜種子流檢測系統(tǒng)田間試驗結(jié)果Tab.4 Field test results of rapeseed seed flow detection system

5 結(jié)論

(1)基于反射式光電感應(yīng)法設(shè)計一種光纖計數(shù)式油菜精量排種器種子流檢測系統(tǒng)，由光纖計數(shù)式傳感器、核心控制模塊、降壓模塊、無線通信模塊和網(wǎng)頁終端組成，檢測系統(tǒng)在Android軟件的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了多行種子流信息的實時傳輸與顯示。

(2)通過搭建的振動試驗臺測得，振動頻率、種盤轉(zhuǎn)速、工作負壓對檢測精度均有顯著影響，試驗因素對種子流檢測性能影響的主次順序為種盤轉(zhuǎn)速、工作負壓、振動頻率；各行排種量實際值與檢測值的相對偏差不超過4.0%，各行排量一致性變異系數(shù)的檢測值與實際值的相對偏差不超過1.0%。

(3)田間試驗得出，受機組振動、顛簸等綜合因素作用下，實際各行播種量與檢測播種量的相對偏差小于8.0%，滿足油菜精量播種檢測需求。