傳感器是提升我國精準農業產業化水平的關鍵技術之一.在整個精準農業生產周期中,稱重 傳感器在其中每個環節都有潛在的應用領域,文中從精準農業實施的4個不同階段:土地準備、精 準播種、作物管理、精準收獲,對稱重傳感器在精準農業裝備中應用和研究現狀進行了總結.在此基 礎上,進一步分析了當前稱重傳感器在精準農業實際應用中亟待解決的3個主要關鍵問題:可靠 性、穩定性和動態測量精度.最后,對解決這些問題背后所涉及的關鍵共性技術,包括敏感機理、制 造工藝和計測技術等作了進一步闡述.
傳感器是一種能感受被測量并按照一定的規律 轉換成可用輸出信號的器件或裝置m.稱重傳感器 就是其中一種測量物體質量或受力狀況的傳感器. 其中,基于電阻應變原理的稱重傳感器由于具有結 構簡單、成本低和精度高等優點占據了主導地位.電 阻應變式稱重傳感器(簡稱稱重傳感器)主要由彈 性元件,粘貼在彈性元件上的電阻應變計以及補償 電阻組成,其中電阻應變計和各類補償電阻連接組 成惠斯頓電橋,將被測物理量的變化經過電橋比例 轉換成電信號的變化0.
稱重傳感器作為電子稱重技術和電子衡器產品 的技術基礎和核心部件,在很多行業的生產與流通 中已經有了廣泛的應用.近幾年來,隨著物聯網、智 慧物流、智慧農業等新興產業的迅速發展,稱重傳感 器在一些新的領域也出現了相關應用.精準農業就 是其中一個有著廣闊應用前景的領域.精準農業又 稱精細農業或精確農業,是當今世界農業發展的新 潮流,是未來農業的雛形.在整個精準農業生產周期 中,稱重傳感器在其中每個環節都有其潛在的應用 市場,比如拖拉機的牽引力測量、精準播種、變量施 肥與噴藥、以及作物的產量監測、草捆重量監測統計 等等,都出現了基于稱重傳感器的相關應用研究.據 美國的霍尼韋爾公司在2013年的評估:未來10年, 僅在谷物收獲管理技術這一領域,開發無線農業傳 感器系統就能夠帶動大約860億美元的投資,由此 可見,稱重傳感器作為谷物產量監測中的關鍵部件 之一,其市場前景一定會十分廣闊.
文中主要介紹了國內外稱重傳感器技術在精準 農業領域的研究現狀,分析了當前國內精準農業領 域中稱重傳感器產業化存在的一些主要技術問題, 最后給出了解決這些問題的一些對策分析.
1.精準農業領域的應用
1.1土地準備
土地精整是精準農業中的一項重要內容,主要 通過拖拉機牽引農機具進行作業.農具通過安裝在 拖拉機上的電液懸掛系統進行控制,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 被用來對農機懸掛的受力狀況進行測量并反饋給控 制系統進行決策,但農具懸掛系統在作業中是一個 動態的非線性慣性系統,對它進行綜合電子控制一 直未能取得滿意的效果,主要原因是控制方法和傳 感器性能的穩定性不能適應復雜的作業環境H -文 獻&]設計了一種可調節寬度和高度尺寸的Dyna- mometer (即一種稱重傳感器或幾個稱重傳感器的組 合),以適應不同的農具安裝條件,節約了成本.文 獻H基于DEOR結構設計了一種測量范圍達到 180 kN的Dynamometer,可以同時測量水平和垂直 力,兩者之間的互擾低且傳感器的線性指標很好.為 了提高作業效率和降低能耗,文獻6]為約翰迪爾 公司的3140型拖拉機設計了一個新型三點懸掛用 Dynamometer,相比其他同類Dynamometer,其測量精 度對懸掛點變化不敏感,且制造成本相對更低.隨著 數字化傳感器的不斷發展,文獻&]開發了一種嵌 入式的數字牽引力測量裝置,并于其他傳感器數據 結合一起對耕作過程中的狀況進行分析.
除此之外,文獻8]設計了安裝在農具上的稱 重傳感器,測量土壤阻力,進而與其他傳感器一起用 于實時土壤堆積密度的測量.文獻9]研究了一個 包含稱重傳感器的多傳感器平臺來生成土壤密度分 布圖用于精準農業的耕作方案制定.
在國外,稱重傳感器在拖拉機懸掛系統中已經 商業化應用,其研究方向也開始轉向傳感器的數字 化和智能化,擴展稱重傳感器的應用范圍,以及結合 多傳感器數據融合來提高農機作業的效率和質量.
在國內,目前拖拉機仍然以結構簡單、技術性能 中低端為主,相關研究更多集中在拖拉機懸掛的控 制系統研究,針對稱重傳感器研究相對較少.如江蘇 大學的韓江義等M為測量大馬力拖拉機的牽引力, 開發了一種軸銷式感器,主要對傳感器的彈性體設 計進行了仿真計算,而對稱重傳感器的封裝等其他 重要技術未做詳述.
1.2精準播種
播種機是實現精準播種的主要手段,其性能好 壞直接影響播種質量及農作物的生長狀況和產量. 較為直觀的應用,是在播種機的種子斗與機架之間 安裝稱重傳感器以隨時監測種子斗內部的狀況,配 合速度傳感器等可以實現單位播種率的統計.如美 國專利 US9539927 B2 , WO2012/170548 A2 m 等都描述類似基于稱重傳感器的方案結構與測量方 法,它們采用的都是類似Wmgh bar結構的稱重傳 感器.在國內,王素珍等&3等在條播機的排種器上 設計了一個稱重傳感器,牽引機裝有轉速傳感器,然 后采集稱重傳感器和轉速傳感器的讀數變化,計算 出單位播種量,并可以針對不同播種對象重新標定, 適應多種作物的條播精密播種,但是沒有說明所述 稱重傳感器的技術特征.
氣吸式振動排種器通過振動使種子處于“沸 騰”狀態,依靠氣流將種子吸附,然后用正氣流進行 播種,具有精度高,通用性好等優點,是精密排種器 的一個重要發展方向.為了保證振動盤內的種子處 于較好的‘‘沸騰”狀態,需要控制種盤內的種子數 量,近年來,相關人員14研究了通過一個雙孔平行 梁稱重傳感器來監測振動盤內的種子分布情況,實 現定量加種,提高了播種質量.
另外,播種深度對農作物產量也有顯著影響.文 獻15]對種子直播時的深度主動控制系統進行了 研究,一個尺寸緊湊的圓柱形稱重傳感器被安裝在 播種機構的彈簧上,測量播種機構插入土壤的作用 力,并與位移傳感器數據一起反饋給播種控制系統.
最后,鎮壓也是精密播種作業的一個重要環節, 對種子的發芽、出苗和最終產量有很大影響.針對不 同土壤、含水和作物類型,鎮壓強度應有不同.國外 對此研究較多,僅美國就有200余種M .在國內,王 景立等M設計可變力苗帶鎮壓器,利用鎮壓輪、支 架的重力及液壓缸的壓力作用在鎮壓輪接觸的土地 上,在一個輪子內安裝了一對稱重傳感器,測量輪子 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,進而改變鎮壓輪對種床土壤的壓力.
1.3精準作物管理
精準作物管理是指從作物播種到收獲過程中為 作物生長進行的各種管理措施,包括水、肥、藥的管 理.傳統的化肥農藥施用方法,利用率低,帶來了嚴 重的生態環境和農業污染問題a7].精準農業中的變 量施肥與噴藥技術,能夠有效提高肥料和農藥的利 用率,節約成本,提高產量.文獻18設計了一種動 態稱重系統,在施肥機的懸掛上設置3個稱重傳感 器,1個50 kN的剪切梁式傳感器作為主稱量用傳 感器,另2個平行梁式傳感器分別是20和500 N,作 為參考傳感器對振動等信號進行補償.該系統在田 間測試過程中,稱重系統在6 ~20 kN測量范圍內, 標準差不超過20 N,響應時間在1 s內.
測土配方施肥是聯合國在世界范圍內推行的一 項先進農業技術,也是精準農業的一項重要技術.文 獻采用稱重法反饋肥料流量信息,采用4個 400 kg的稱重傳感器支撐肥箱,監測肥箱內肥料質 量變化情況,并按照當前車速,實施調整配肥施肥 量,試驗表明作業精度和施肥流量(由稱重傳感器 獲取)、車速檢測的準確性有很大關系,有待進一步 驗證與完善.文獻&0]采用同樣的稱重方法,只是 每個肥箱采用3個稱重傳感器,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 感器數據,然后實現智能變量配肥.在試驗階段,該 系統的最大稱重誤差為1.2%.
在變量噴藥方面,針對噴桿式噴霧機藥箱藥液 晃動造成的操控穩定性差問題,張安東等M設計了 一種專用的三向力傳感器用于監測噴霧機藥液箱晃 動產生的附加力.傳感器是由上板、側板和下板組成 的整體對稱結構,由4塊側板作為應變梁測量晃動 產生的附加力,采用Q235作為傳感器彈性元件的 材料,其強度和耐腐蝕性都較差.
在節水灌溉管理方面,文獻&2]利用平行梁稱 重傳感器開發一種方便且低成本的耗水量測量方 法,試驗表明在1.94 ~7. 78 dm3 ? s'1測量范圍內的 不確定度為5.7%.文獻&3]建立了一個多傳感器 監測平臺,用于指導節水灌溉,其中一個9 t的剪切 梁稱重傳感器主要用于監測深耕的深度,與文獻 9]類似.
1.4精準收獲
通過谷物測產生成小區產量圖和處方農作,是 精確農業的應用基礎.基于傳統稱重測力傳感器衍 生而來的沖量式谷物流量傳感器,由于具有結構簡 單、成本低、便于安裝等特點,在聯合收割機測產系 統中已經得到廣泛的應用.國外商業化的農機裝備, 如 Micro Track 公司、CASE IH 公司和 Ag Leader 公 司的聯合收割機產量監測系統中的流量傳感器均采 用基于沖量的流量傳感器M.
目前,國外的應用研究已經從糧食作物轉向果 蔬以及經濟作物方面.文獻&5 -26]研究了柑橘的 產量監測系統,他們使用2個完全焊接密封的稱重 傳感器安裝在振動輸送系統的末端.為了減小振動 的影響,研究了這種焊接密封結構的稱重傳感器安 裝位置與傳感器響應特性的關系.在低速流量下, 與實際重量相比,平均誤差3. 56% ,高速流量誤差 9.16%.文獻的]設計了用于花生產量監測的沖量 板產量傳感器,并與光電式產量傳感器進行對比試 驗,發現沖量板產量傳感器的誤差大約在10% ,而 光電式的誤差只有1.54%,他們認為沖量式產量傳 感器的誤差主要來源于試驗中使用的舊式的行走式 稻草收割機.文獻&8]利用有限元法分析了不同稱 重條件下葡萄收獲機械中稱重系統的動態特性,并 給出了提高稱重精度的建議.
另外,由于在實際使用中傳感器存在零點飄移,文獻抄]研究了小型八角型稱重傳感器的零飄補 償算法,對零飄進行補償后,測量的相對誤差從補償前19%,減小到補償后的1.5%.
國內在谷物測產方面已經開展了不少研 究B°_34 ,并取得了一定成果.中國農業大學在國內 較早開發了沖擊式谷物流量傳感監測系統,測量誤 差在2.07% ~5.44% ;華南農業大學開發了雙板差 分沖量式谷物流量傳感監測系統,能減小機身振動 對測產精度的影響,谷物流量在0.5 ~2.0 kg ? s-1 的測量相對誤差不超過3 % ;江蘇大學開發了承載 板式谷物流量傳感監測系統,谷物流量小于2. 0 kg ? s-1時的測量相對誤差不超過2% ,谷物流量超 過2.5 kg ? s"1時的測量相對誤差約為5% ;中國農 業機械化科學研究院開發了稱量式谷物流量監測系 統,在室內和田間的測量誤差分別不超過2%和 3%.在傳感器優化設計研究方面,文獻35-36]對 傳感器的彈性元件的結構優化進行了研究,而文獻 37 -38]對傳感器的噪聲消除及動態補償進行了 研究,取得了一定的成果.
2.存在的問題
通過對以上不同子領域的研究和應用概述,稱 重傳感器在精準農業的研究和應用狀況可以總結如 下:首先,與其他國家相比,歐美國家特別是以美國 等為代表的國家在稱重傳感器在精準農業領域的應 用已經取得了一定的產業化成果.在亞洲國家中,日 本和韓國也在產業化研究道路上處于領先的地位. 我國還沒有出現明顯的產業化案例.其次,從研究應 用領域來看,目前我國稱重傳感器技術在精準農業 的精確收獲階段的應用研究比較多,并取得了一定 成果,而在土地準備、精準播種和精準作物管理階段 的研究相對較少.第三,從發展階段來看,目前我國 實際上還處在‘‘工業傳感器的農業應用”這一階段, 在很多研究試驗中,采用的都是傳統的工業稱重傳 感器,這些傳感器的功能、靈敏度、精度等方面的水 平在農業應用場合下還有很大的提升空間.但是,在 我國農業傳感器研究過程中,產品意識較為淡薄,使 得研究結果應用到生產實踐還存在諸多問題,限制 了其在精準農業裝備中的產業化.最后,結合上述文 獻的研究結果,文中將稱重傳感器在精準農業中面 臨的不利因素歸結以下3點:
第一,動態測量精度.動態稱重技術一直是國內 外傳感器公司和研究機構關注的研究領域,也是當 前稱重傳感器在精準農業應用中主要考慮的問題. 除了傳統動態稱重領域中需要考慮的一些干擾因素 外,還需要考慮由于農機在工作運動時,不可避免地 會受到來自各個方向的沖力,這會導致安裝在車輛 上的稱重傳感器感受到除重力之外的其他干擾力, 導致測量精度降低;同時,地面的不平整,也會使得 稱重傳感器在測量時不一定保持在理想的水平位置 狀態,也會影響到測量精度,所以農機工作狀態下的 動態測量技術,需要考慮的干擾因素更多,也更為復 雜,有必要深入進行研究.
第二,穩定性.這是目前研究中一個容易忽略的 關鍵問題.文獻的]對這此做了簡單的補償研究, 但對輸出漂移的內在機理未作深入分析.對傳統的 稱重傳感器應用場合來說,傳感器輸出數據不易察 覺的緩慢漂移在以往多數稱重的場合并不會對計量 精度造成顯著影響,因為可以在每次稱重前通過儀 表端清零消除漂移誤差.但是,在農業裝備中的稱重 場合下,更多時候傳感器需要長時間進行實時稱重 計量,這樣就無法采用傳統的儀表清零方法來消除 漂移誤差.另外一個不可忽視的情況就是,車輛在使 用時總是會產生顛簸振動,相當于對稱重傳感器的 加速老化,從而導致測量誤差會加速地累積,這就需 要稱重傳感器具有更高的長期穩定性.
第三,可靠性.可靠性是一項新技術或產品在產 業化時所必須解決的關鍵問題.農業裝備中的車載 稱重傳感器在實際工作中不可避免的會遇到路面不 平帶來的顛簸沖擊、裝卸物料過程中的沖擊、車輛碰 撞沖擊以及野外風吹雨淋等等情況.這就要求稱重 傳感器應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,一般要求零部件達到 10年的預期工作壽命,比一般電子衡器對工作壽命 的要求要高得多.雖然,國內一些相關研究涉及到了 稱重傳感器設計,但此類傳感器在農機工作環境下 的使用壽命并未得到有效驗證,傳感器可靠性相關 的封裝設計等技術并未深入考慮.
3.應對策略
通過上述分析,認為稱重傳感器應用于精準農 業的關鍵在于解決稱重傳感器的可靠性、穩定性和 動態測量精度問題.為了尋找解決問題的方案,有必 要在傳感器技術層面對這3個問題背后涉及的關鍵 技術做進一步分析.
可以將傳感器的技術領域分為四大關鍵基礎 點:敏感機理、功能材料、制造工藝和計測技術39 . 涉及解決稱重傳感器可靠性的關鍵技術包括稱重傳感器的敏感機理(如彈性元件設計等技術)、功能材 料、制作工藝(如密封工藝)等;涉及穩定性的關鍵 技術包括稱重傳感器的功能材料、制造工藝(如老 化工藝)等;而動態測量精度的關鍵技術則與稱重 傳感器的敏感機理、計測技術(如動態補償算法等) 等相關.可見,傳感器的可靠性、穩定性以及動態測 量精度這3個問題并不是孤立的,它們都涉及到稱 重傳感器技術領域中一些共性關鍵技術.
1)彈性元件設計.稱重傳感器中感受被測物理 量的彈性元件是影響傳感器性能和質量的關鍵部 分⑽.彈性元件的結構設計多樣,旨在提高感受被 測物理量的靈敏性和穩定性.通過合理的結構設計, 可以提高傳感器在農機工作環境下的響應速度和抗 干擾能力,在這方面,文獻35-36]都對提高傳感 器的動態特性做了一定的研究,不過沒有考慮過載 和沖擊的保護問題.
2)密封工藝、老化工藝.密封工藝是保證傳感 器可靠性和穩定性的關鍵技術.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 元件的應變區完全密封,從而達到了完全保護傳感 器內部應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業 領域的應用場合.不過,焊接密封技術也存在一些問 題.由于是在彈性元件的上進行焊接,即使采用激光 脈沖焊接等工藝也不可避免的會產生焊接殘余應力 和變形.在后續使用過程中,殘余應力的釋放和結構 的變形將會影響到彈性元件上的應變片,最終導致 稱重傳感器的輸出信號隨時間在緩慢變化,所以焊 接工藝對傳感器輸出的長期穩定性有著顯著影響. 同時,傳感器增加密封膜片后對傳感器的精度也有 影響,所以密封膜片一般會選擇很薄的金屬,以減小 其對傳感器彈性元件的附加影響,但是膜片太薄,在 焊接時又容易產生焊接不良和變形.尤其是小量程 的稱重傳感器,在增加密封膜片后,性能精度和穩定 性往往就遠不如焊接前的測試結果,特別難以設計 與制造.
傳感器的老化處理可以減少殘余應力,提高傳 感器的穩定性,相關公司和學者已做了不少研 究M .對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,此時還需要考 慮不能影響到傳感器的其他部分,如應變片和惠斯 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,振動時效法,冷 熱循環法等等.但是,這些方法或是效果有限,不能 徹底消除殘余應力,或是成本太高,難以大規模使 用,總之,目前為止還沒有一個簡單有效的方法.
3)動態補償算法.數字補償算法是提高動態測 量精度的關鍵.不過,數字補償算法的有效性依賴于 傳感器數學模型的正確建立.以前的研究往往忽略 了傳感器的可靠性設計和穩定性設計對傳感器數學 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,需要考慮到焊接密封工藝對傳感器響 應特性的影響,文獻42]研究了大氣壓力對焊接密 封型傳感器特性的影響,并對此進行了誤差補償研 究;而在國內,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,除了需要考慮傳統動態稱重 領域中傳感器的響應時間要快以外,對于農機的車 載稱重測力場合,還需要考慮到實際應用環境中的 復雜性,如農機的前進速度,道路崎嶇以及機械工作 振動等多種因素對傳感器測試精度的影響,因而有 必要對傳感器的動態數字補償算法繼續深入研究.
4.結束語
隨著現代農業裝備不斷向自動化和智能化發 展,稱重傳感器必將越來越多地應用到農業生產中. 由于農業生產作業的復雜性,對稱重傳感器及技術 也提出了更高的要求.研發出響應速度快、抗干擾能 力強、高可靠性和高精確度的車載稱重傳感器已成 為發展方向之一.基于焊接密封設計的動態數字稱 重傳感器的研發是其中一條有效的途徑.目前,由于 缺少相關基礎制造工藝和計測技術的研究,導致此 類傳感器的穩定性和精度都較差,國內還沒有相應 的成熟產品出現.因此,從事這方面的研究具有實際 應用價值,也有助于國內傳感器公司產品達到或超 過國際先進水平.