CN109041759B - 一种基于超声悬浮的谷物联合收割机清选损失检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声悬浮的谷物联合收割机清选损失检测装置及方法，属于谷物联合收割机损失检测技术领域，该装置包括声悬浮信号采集系统、单片机和报警电路，在清选筛尾部安装声悬浮信号采集系统，利用悬浮球内含有的压电陶瓷传感器和无线发射芯片将信号采集并输出给单片机，单片机利用混沌算法精确地识别谷粒冲击信号并得出谷粒清选损失量和清选损失率。该方法通过利用混沌算法实现对谷物联合收割机谷粒冲击信号的检测；本发明可以噪声信号中精确提取谷粒冲击信号，在提高检测精度的同时可以降低成本，提高系统可靠性。

Description

一种基于超声悬浮的谷物联合收割机清选损失检测装置及 方法

技术领域

本发明属于谷物联合收割机性能测试技术领域，涉及一种基于超声悬浮的谷物联合收割机清选损失检测装置及方法。

背景技术

谷物清选损失量和清选损失率是谷物联合收割机性能的一个重要指标，直接影响联合收割机的经济效率和作业质量。经脱粒装置脱下的和经分离装置分出的谷物中，混有断、碎茎秆、颖壳和尘土等细小夹杂物。清粮装置的功用是将谷粒分离出来，而将细小夹杂物排出机外，以得到清洁的谷粒。对联合收割机清粮装置的要求是：清选出的谷粒清洁度在98％以上；清选损失率在0.5％以下；其生产率应与收割、脱离装置相适应。性能良好的联合收割机应当具有对清选损失量进行实时检测的功能以保证联合收割机的经济效益和作业质量。

联合收割机工作环境非常恶劣，作业过程伴随强烈的噪声，加之传感器检测到的谷粒冲击信号十分微弱，导致谷粒冲击信号容易被湮没，这对谷物清选损失检测中谷粒冲击信号的检测造成了很大困难。目前国内外尚未出现精度较高的对谷物联合收割机清选损失检测的方法和装置。

发明内容

针对背景技术存在的技术问题，本发明提供一种谷物联合收割机清选损失检测装置及方法。实时检测谷物联合收割机的清选损失量和清选损失率，当清选损失量和清选损失率高于初始设定值，报警器将会工作，从而最大限度地保证谷物联合收割机的经济效率和作业质量。

为了达到上述目标，本发明采取的技术方案是：

一种基于超声悬浮的谷物联合收割机清选损失检测装置，包括声悬浮信号采集系统、单片机和报警电路；在联合收割机清选筛尾部安装声悬浮信号采集系统，经声悬浮信号采集系统中的悬浮球内的压电陶瓷传感器和无线发射芯片采集信号并实时地发送给单片机，单片机通过混沌算法实时对接收到的信号进行处理得到谷物联合收割机的清选损失量和清选损失率；当联合收割机的清选损失量和清选损失率大于预设值时，报警电路报警；

所述声悬浮信号采集系统包括超声波换能器、变幅杆、超声波发射端、悬浮球和超声波反射端；所述超声波换能器、变幅杆、超声波发射端依次机械连接；超声波发射端与超声波反射端之间设置有悬浮球；

所述悬浮球内壁上固定设置有压电陶瓷传感器、滤波电路、信号放大电路、无线发射芯片；所述压电陶瓷传感器利用正压电效应实现对谷粒冲击信号的检测；经压电陶瓷传感器检测到的信号经滤波电路和信号放大电路处理后经无线发射芯片发射给单片机。

进一步的，所述声悬浮信号采集系统通过三个均匀分布的悬浮球来实现信号的接收。

进一步的，所述声悬浮信号采集系统还包括电源，电源为超声波换能器提供相匹配的高频交流电信号。

进一步的，所述悬浮球内壁上还固定设置有电源电路；电源电路为悬浮球内部的器件提供电能。

基于谷物联合收割机清选损失检测装置的方法，包括如下步骤：

步骤一)对清选损失检测装置首先设定位移下限，该下限略小于谷粒冲击信号幅值A1，并输入预先测定的不含谷粒的混沌系统Lyapunov指数以作标准；

步骤二)位于悬浮球内部的压电陶瓷传感器采集悬浮球上谷粒、秸秆混合物撞击而产生的振动信号；

步骤三)位于悬浮球内部的滤波电路以及信号放大电路对压电陶瓷传感器采集到的振动信号进行处理，然后通过无线发射芯片实时发送给单片机进行处理；

步骤四)单片机通过对悬浮球的振动位移信号进行处理分析，若位移幅值小于预设位移下限的信号视为噪声信号，并将其归零；若所测位移幅值大于预设位移下限且Lyapunov指数和预设Lyapunov指数马氏距离超过一定界值，则提取其位移信号幅值A2，则冲击谷粒数量为N＝A2/A1；将设定时间内的谷粒冲击数量累加得到总谷粒冲击数量，得到谷物清选损失量和清选损失率；单片机得到清选损失量和清选损失率后和初始设定值进行比较，若清选损失率高于预设值，系统则通过报警电路发出报警信号。

进一步的，所述单片机采用混沌算法，利用混沌系统对初始条件和参数的极端敏感性，通过对混沌参数的距离判别，实现在收割机清选作业强背景噪声中对谷粒冲击信号的检测。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

1、本发明利用声悬浮系统对谷物联合收割机清选作业谷粒冲击信号进行采集。由于声悬浮球悬于空中，没有弹性支撑部件，因而测量灵敏度高。

2、本发明单片机的算法采用混沌算法，声悬浮信号采集系统中的悬浮球受到谷粒冲击时会产生混沌运动，而混沌系统对初始参数的变化极为敏感，通过对混沌系统的混沌参数识别可以精准地检测到谷粒冲击信号，因而检测结果准确。

3、本发明采用混沌算法，对硬件没有太大的要求，在提高检测系统可靠性的同时降低清选损失检测的成本。

附图说明

图1为本发明涉及到的装置结构示意图。

图2是本发明图1中涉及到的声悬浮信号采集系统中的悬浮球内部结构示意图。

图3是声悬浮信号采集系统工作原理图。

图4为本发明检测方法流程图。

附图标记如下：

1、电源；2、换能器；3、变幅杆；4、超声波发射端；5、悬浮球；6、超声波反射端；7、单片机；8、报警电路；9、压电陶瓷传感器；10、信号放大电路；11、滤波电路；12、无线发射芯片；13、电源电路。

具体实施方式

为对本发明做进一步的了解，现结合附图对本发明做进一步描述：

结合附图1和2，所示的谷物联合收割机清选损失检测装置，包括声悬浮信号采集系统、单片机7和报警电路8。所述声悬浮信号采集系统安装在清选筛尾部，包括电源1、换能器2、变幅杆3、超声波发射端4、悬浮球5以及超声波反射端6。其中，换能器2、变幅杆3、超声波发射端4之间的连接采用机械连接。电源1产生和超声波换能器2相匹配的高频交流电信号，通过电线传送到超声波换能器2，驱动超声波换能器2工作；超声波换能器2将电源1发出的电功率转换成机械功率(即超声波)传递出去；变幅杆3配合超声波换能器2增大超声波振动幅度，提高振速比、提高效率，提高机械品质因数；超声波通过超声波发射端端4发射出去，配合超声波反射端6实现悬浮球5的悬浮。

结合附图2，声悬浮信号采集系统通过三个均匀分布的悬浮球5来实现信号的接收，其内部包含压电陶瓷传感器9、滤波电路10、信号放大电路11、无线发射芯片12和电源电路13。各元件均和悬浮球5内表面固连，以实现信号采集功能。压电陶瓷传感器9利用正压电效应实现对谷粒冲击信号的检测；信号经滤波电路10和信号放大电路11处理后经无线发射芯片12发射给单片机7，单片机7通过混沌算法识别出谷粒冲击信号，算出清选损失量和清选损失率，通过和初始设定值进行比较来判断收割机清选装置是否处于正常工作模式，若高于初始设定值则通过报警电路8发出报警信号，保证谷物联合收割机的经济效益和作业质量。

混沌算法利用混沌系统对初始参数的极度敏感使得系统周期解发生本质变化的特点实现对微弱信号即谷粒冲击信号的检测。系统在没有受到谷粒冲击时，即便受到强烈的噪声干扰，这对系统结果的改变也没有影响。但是一旦出现谷粒冲击信号，即便信号幅值较小，这也会使系统发生本质性的改变，单片机7通过辨识系统状态，可以清楚地判定出谷粒冲击信号的存在性，以此得到谷物联合收割机清选损失量和清选损失率。夹杂有谷粒的气固两相流和不含有谷粒的气固两相流是两种不同的流型，其混沌参数也存在差异，对应着系统混沌动力学特性的改变，本发明利用混沌参数的距离判别对气固两相流流型进行识别，识别出谷粒冲击信号。

结合附图3所示，经联合收割机清选后的谷粒以及秸秆混合物打在悬浮球5上并引起球体横向振动，位于悬浮球5体内部的压电陶瓷传感器9采集振动信号并通过信号处理电路处理后经无线发射芯片12将其实时发送给单片机7。

在谷物联合收割机作业过程中，经清选后的空气中夹杂着谷粒、碎秸秆流动过程可以看做是一个气固流态化过程，研究表明，这是一个混沌系统。Lyapunov指数(李雅谱诺夫指数)是衡量系统动力学特性的一个重要定量指标,，它表征了系统在相空间中相邻轨道间收敛或发散的平均指数率。一个正的Lyapunov指数,意味着在系统相空间中,无论初始两条轨线的间距多么小，其差别都会随着时间的演化而成指数率的增加以致达到无法预测。

所述的距离判别，即先定义一个样本到某个总体的距离。然后根据所测样品到总体样本的距离来判定该样本的归属。在多元分析中距离概念是由印度统计学家Mahalanobis提出的，因此这儿所说的距离也称马氏距离，利用距离判别最为一个衡量标准实现所测样本的归属。

结合附图4，具体的工作过程如下：

步骤一)对清选损失检测装置首先设定位移下限，该下限略小于谷粒冲击信号幅值A1，并输入预先测定的不含谷粒的混沌系统Lyapunov指数以作标准；

步骤二)位于悬浮球5内部的压电陶瓷传感器9采集悬浮球5上谷粒、秸秆混合物撞击而产生的振动信号；

步骤三)位于悬浮球5内部的滤波电路10以及信号放大电路11对压电陶瓷传感器9采集到的振动信号进行处理，然后通过无线发射芯片12实时发送给单片机7进行处理；

步骤四)单片机7通过对悬浮球5的振动位移信号进行处理分析，若位移幅值小于预设位移下限的信号视为噪声信号，并将其归零；若所测位移幅值大于预设位移下限且Lyapunov指数和预设Lyapunov指数马氏距离超过一定界值，则提取其位移信号幅值A2，则冲击谷粒数量为N＝A2/A1；将设定时间内的谷粒冲击数量累加得到总谷粒冲击数量，得到谷物清选损失量和清选损失率；单片机7得到清选损失量和清选损失率后和初始设定值进行比较，若清选损失率高于预设值，系统则通过报警电路8发出报警信号。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于超声悬浮的谷物联合收割机清选损失检测装置，其特征在于，包括声悬浮信号采集系统、单片机(7)和报警电路(8)；在联合收割机清选筛尾部安装声悬浮信号采集系统，经声悬浮信号采集系统中的悬浮球(5)内的压电陶瓷传感器(9)和无线发射芯片(12)采集信号并实时地发送给单片机(7)，单片机(7)通过混沌算法实时对接收到的信号进行处理得到谷物联合收割机的清选损失量和清选损失率；当联合收割机的清选损失量和清选损失率大于预设值时，报警电路(8)报警；

所述声悬浮信号采集系统包括超声波换能器(2)、变幅杆(3)、超声波发射端(4)、悬浮球(5)和超声波反射端(6)；所述超声波换能器(2)、变幅杆(3)、超声波发射端(4)依次机械连接；超声波发射端(4)与超声波反射端(6)之间设置有悬浮球(5)；

所述悬浮球(5)内壁上固定设置有压电陶瓷传感器(9)、滤波电路(10)、信号放大电路(11)、无线发射芯片(12)；所述压电陶瓷传感器(9)利用正压电效应实现对谷粒冲击信号的检测；经压电陶瓷传感器(9)检测到的信号经滤波电路(10)和信号放大电路(11)处理后经无线发射芯片(12)发射给单片机(7)。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声悬浮的谷物联合收割机清选损失检测装置，其特征在于，所述声悬浮信号采集系统通过三个均匀分布的悬浮球(5)来实现信号的接收。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声悬浮的谷物联合收割机清选损失检测装置，其特征在于，所述声悬浮信号采集系统还包括电源(1)，电源(1)为超声波换能器(2)提供相匹配的高频交流电信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声悬浮的谷物联合收割机清选损失检测装置，其特征在于，所述悬浮球(5)内壁上还固定设置有电源电路(13)；电源电路(13)为悬浮球(5)内部的器件提供电能。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于超声悬浮的谷物联合收割机清选损失检测装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一)对清选损失检测装置首先设定位移下限，该下限略小于谷粒冲击信号幅值A1，并输入预先测定的不含谷粒的混沌系统Lyapunov指数以作标准；

步骤二)位于悬浮球(5)内部的压电陶瓷传感器(9)采集悬浮球(5)上谷粒、秸秆混合物撞击而产生的振动信号；

步骤三)位于悬浮球(5)内部的滤波电路(10)以及信号放大电路(11)对压电陶瓷传感器(9)采集到的振动信号进行处理，然后通过无线发射芯片(12)实时发送给单片机(7)进行处理；

步骤四)单片机(7)通过对悬浮球(5)的振动位移信号进行处理分析，若位移幅值小于预设位移下限的信号视为噪声信号，并将其归零；若所测位移幅值大于预设位移下限且Lyapunov指数和预设Lyapunov指数马氏距离超过一定界值，则提取其位移信号幅值A2，则冲击谷粒数量为N＝A2/A1；将设定时间内的谷粒冲击数量累加得到总谷粒冲击数量，得到谷物清选损失量和清选损失率；单片机(7)得到清选损失量和清选损失率后和预设值进行比较，若清选损失率高于预设值，系统则通过报警电路(8)发出报警信号。

6.根据权利要求5所述的基于超声悬浮的谷物联合收割机清选损失检测装置的方法，其特征在于，所述单片机(7)采用混沌算法，利用混沌系统对初始条件和参数的极端敏感性，通过对混沌参数的距离判别，实现在收割机清选作业强背景噪声中对谷粒冲击信号的检测。

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