一种采棉机棉花质量流量检测装置及方法

摘要

一种采棉机棉花质量流量检测装置及方法，该装置包括流量检测传感器、数据采集处理系统和数据输出装置，该数据采集处理系统分别与该流量检测传感器及该数据输出装置连接，该流量检测传感器为电容极板阵列传感器，包括检测电极、保护电极、屏蔽罩和绝缘层，该绝缘层包覆在该采棉机的输棉管管壁外侧，该检测电极包括多对分别固定在该绝缘层外侧的检测电极板，该保护电极包括多个保护电极板，该保护电极板分别固定在该多对检测电极板的每相邻两个检测电极板之间，该检测电极板与该保护电极板绝缘。该方法包括获得电压变化信号、获得棉花质量变化流量分量、获得棉花质量流量瞬态数值、获得棉花质量流量数值及输出棉花质量流量数值。

权利要求

1.一种采棉机棉花质量流量检测装置，安装在采棉机上用于对棉花产量的在线检测，包括流量检测传感器、数据采集处理系统和数据输出装置，所述数据采集处理系统分别与所述流量检测传感器及所述数据输出装置连接，其特征在于，所述流量检测传感器为电容极板阵列传感器，所述电容极板阵列传感器包括检测电极、保护电极、屏蔽罩和绝缘层，所述绝缘层包覆在所述采棉机的输棉管管壁外侧，所述检测电极包括多对检测电极板，每对检测电极板组成一组电容传感器，所述多对检测电极板分别固定在所述绝缘层外侧，所述保护电极包括多个保护电极板，所述保护电极板分别固定在所述多对检测电极板的每相邻两个检测电极板之间，所述检测电极板与所述保护电极板绝缘，所述屏蔽罩包覆在所述检测电极和所述保护电极外侧，所述保护电极与所述屏蔽罩的屏蔽外壳均接地；

所述数据采集处理系统为信号调理电路板，所述信号调理电路板包括电容/电压转换模块、数据采集控制模块、模拟/数字转换模块和通信接口，所述电容/电压转换模块将各组所述电容传感器的检测量转化为对应的电压变化信号，测定每组所述电容传感器的棉花质量变化，并将所述电压变化信号转化为对应于每组所述电容传感器的棉花质量变化流量分量；通过所述数据采集控制模块对每组所述电容传感器的棉花质量变化流量分量进行叠加，得到棉花质量流量瞬态数值；计算采棉机输棉管道内棉花的平均速度，根据物料质量－电容函数关系得到的所述电容传感器内棉花质量流量瞬态数值，结合棉花的所述平均速度，积分运算得到棉花质量流量数值并进行信号放大；所述模拟/数字转换模块将放大后的所述棉花质量流量数值由模拟信号转换为数字信号并通过所述通信接口将处理过的数字信号输送到所述数据输出装置。

2.如权利要求1所述的采棉机棉花质量流量检测装置，其特征在于，所述多对检测电极板围绕所述输棉管的圆心中心对称分布，所述保护电极板沿所述输棉管的半径方向设置。

3.如权利要求2所述的采棉机棉花质量流量检测装置，其特征在于，还包括水分检测传感器，所述水分检测传感器与所述数据采集系统连接。

4.一种采棉机棉花质量流量检测方法，用于棉花产量的在线检测，其特征在于，包括如下步骤：S1、获得电压变化信号，测量电容极板阵列传感器的各组电容传感器的电容值变化量，通过电容/电压转换模块，将各对电容的变化量转化为对应的电压变化信号；

S2、获得棉花质量变化流量分量，测定每组电容传感器的棉花质量变化，并将所述电压变化信号转化为对应于每组电容传感器的棉花质量变化流量分量；

S3、获得棉花质量流量瞬态数值，对所述每组电容传感器的棉花质量变化流量分量进行叠加，得到棉花质量流量瞬态数值；

S4、获得棉花质量流量数值，计算采棉机输棉管道内棉花的平均速度，根据物料质量－电容函数关系得到的所述电容传感器内棉花质量流量瞬态数值，结合棉花的所述平均速度，积分运算得到棉花质量流量数值；

S5、输出棉花质量流量数值，将得到的所述棉花质量流量数值输送到数据输出装置。

5.如权利要求4所述的采棉机棉花质量流量检测方法，其特征在于，在步骤S4中，包括：分别检测安装在所述输棉管道轴向分布的两对电容传感器的数值，用互相关法测量上位所述电容传感器和下位所述电容传感器的测量信号的间隔时间，进而根据上下位所述电容传感器的中心间距计算管道内棉花平均速度。

6.如权利要求4或5所述的采棉机棉花质量流量检测方法，其特征在于，在步骤S5之前，还包括：S50、数据放大和处理，将所述棉花质量流量数值进行信号放大和滤波处理，并将放大后的所述棉花质量流量由模拟信号转换为数字信号。

7.如权利要求5所述的采棉机棉花质量流量检测方法，其特征在于，所述互相关法的计算公式如下：式中，Rxy为互相关函数的最大值，

k＝1，2，……，N，N为用于互相关计算的采样点数，

C1，C2为两组沿输棉管道轴向分布的电容传感器，

i为第i对检测电极板。

8.如权利要求7所述的采棉机棉花质量流量检测方法，其特征在于，所述棉花质量流量数值的计算公式如下：其中，m瞬时为根据物料质量－电容函数关系得到的所述电容传感器内棉花质量流量瞬态数值，v棉花为棉花在输棉管道内的平均速度。

9.如权利要求8所述的采棉机棉花质量流量检测方法，其特征在于，

其中，j为检测电极板的对数，mi为第i对检测电极板对应的瞬态棉花质量，t为测量信号通过所述C1，C2的间隔时间，d电容为所述沿输棉管道轴向分布的电容传感器的中心间距。

说明书

一种采棉机棉花质量流量检测装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种采棉机棉花流量计量方法及装置，特别是一种基于电容法的采棉机棉花质量流量的检测装置和方法。

背景技术

[0002] 用于主要粮食作物收割机的产量传感器已有通用化产品，主要有冲击式、γ射线式和光电式容积式等流量传感器，用于John Deere、Case以及AGCO Massey Ferguson等联合收割机上。

[0003] 棉花是我国主要经济作物，在我国农业生产和农民收入中占有举足轻重的作用。由于棉花密度小，在采棉机中全靠风力传送，输棉管为全封闭机构，要求管道畅通，无法在内部安装传感器，产量测量困难。

[0004] 国外对棉花流量传感器的研究始于20世纪90年代，Wilkerson提出了一种基于透射光线密度变化的产量检测方法，但受田间环境光线影响，经改进提高了田间作业检测精度，Ruixiu Sui、J.A.Thomasson等人设计了光线反射式棉花产量传感器，光线收发器件同侧安装，单接口输出，通过对光照及环境温度的补偿，进一步提高了系统性能，但安装难度大，推广困难。Funk发现垂直气流输送管道中气流压差与棉花质量流量存在一定关系，J.Joseph利用微波原理获取信号的频域信息，经快速傅里叶变换得到流量信息。由于棉花含水率变化对微波信号影响大，该方法仍存在局限性。Carlos Luz借助于透射式超声波传感器研究了棉花质量与超声波能量衰减的关系，发现两者之间显著相关。但受环境温度和散射光线及器件表面覆土等影响，需要对传感器进行清理及标定，降低了系统的易用性。

[0005] 国内对棉花流量传感器及检测系统的研究是在国外的基础上完成，现在引进的美国AgLeader公司的棉花产量传感器，试验中发现我国棉花种植农艺不同，导致光电传感器的发射探头容易被灰尘、棉絮及碎屑等覆盖，无法长时间工作。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种可直接安装在采棉机上对棉花产量在线检测的测量精度和可靠性高的采棉机棉花质量流量检测装置及方法。

[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种采棉机棉花质量流量检测装置，安装在采棉机上用于对棉花产量的在线检测，包括流量检测传感器、数据采集处理系统和数据输出装置，所述数据采集处理系统分别与所述流量检测传感器及所述数据输出装置连接，其中，所述流量检测传感器为电容极板阵列传感器，所述电容极板阵列传感器包括检测电极、保护电极、屏蔽罩和绝缘层，所述绝缘层包覆在所述采棉机的输棉管管壁外侧，所述检测电极包括多对检测电极板，每对检测电极板组成一组电容传感器，所述多对检测电极板分别固定在所述绝缘层外侧，所述保护电极包括多个保护电极板，所述保护电极板分别固定在所述多对检测电极板的每相邻两个检测电极板之间，所述检测电极板与所述保护电极板绝缘，所述屏蔽罩包覆在所述检测电极和所述保护电极外侧，所述保护电极与所述屏蔽罩的屏蔽外壳均接地。

[0008] 上述的采棉机棉花质量流量检测装置，其中，所述多对检测电极板围绕所述输棉管的圆心中心对称分布，所述保护电极板沿所述输棉管的半径方向设置。

[0009] 上述的采棉机棉花质量流量检测装置，其中，还包括水分检测传感器，所述水分检测传感器与所述数据采集系统连接。

[0010] 上述的采棉机棉花质量流量检测装置，其中，所述数据采集处理系统为信号调理电路板，所述信号调理电路板包括电容/电压转换模块、数据采集控制模块、模拟/数字转换模块和通信接口，所述电容/电压转换模块将各组所述电容传感器的检测量转化为对应的电压变化信号，通过所述数据采集控制模块计算出拟合的棉花流量变化量并进行信号放大，所述模拟/数字转换模块将放大后的所述棉花流量变化量由模拟信号转换为数字信号并通过所述通信接口将处理过的数字信号输送到所述数据输出装置。

[0011] 为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种采棉机棉花质量流量检测方法，用于棉花产量的在线检测，其中，包括如下步骤：

[0012] S 1、获得电压变化信号，测量电容极板阵列传感器的各组电容传感器的电容值变化量，通过电容/电压转换模块，将各对电容的变化量转化为对应的电压变化信号；

[0013] S2、获得棉花质量变化流量分量，测定每组电容传感器的棉花质量变化，并将所述电压变化信号转化为对应于每组电容传感器的棉花质量变化流量分量；

[0014] S3、获得棉花质量流量瞬态数值，对所述每组电容传感器的棉花质量变化流量分量进行叠加，得到棉花质量流量瞬态数值；

[0015] S4、获得棉花质量流量数值，计算采棉机输棉管道内棉花的平均速度，根据物料质量－电容函数关系得到传感器内棉花的瞬态质量，结合棉花流动速度，积分运算得到棉花质量流量数值；

[0016] S5、输出棉花质量流量数值，将得到的所述棉花质量流量数值输送到数据输出装置。

[0017] 上述的采棉机棉花质量流量检测方法，其中，在步骤S4中，包括：

[0018] 分别检测安装在所述输棉管道轴向分布的两对电容传感器的数值，用互相关法测量上位所述电容传感器和下位所述电容传感器的测量信号的间隔时间，进而根据上下位所述电容传感器的中心间距计算管道内棉花平均速度。

[0019] 上述的采棉机棉花质量流量检测方法，其中，在步骤S5之前，还包括：

[0020] S50、数据放大和处理，将所述棉花质量流量数值进行信号放大和滤波处理，并将放大后的所述棉花质量流量由模拟信号转换为数字信号。

[0021] 上述的采棉机棉花质量流量检测方法，其中，所述互相关法的计算公式如下：

[0022]

[0023] 式中，Rxy为互相关函数的最大值，

[0024] k＝1，2，……，N，N为用于互相关计算的采样点数，

[0025] C1，C2为两组沿输棉管道轴向分布的电容传感器，

[0026] i为第i对检测电极板。

[0027] 上述的采棉机棉花质量流量检测方法，其中，所述棉花质量流量的计算公式如下：

[0028]

[0029] 其中，m瞬时为根据物料质量－电容函数关系得到的所述电容传感器内棉花瞬态质量，v棉花为棉花在输棉管道内的平均速度。

[0030] 上述的采棉机棉花质量流量检测方法，其中，

[0031]

[0032] 其中，j为检测电极板的对数，mi为第i对检测电极板对应的瞬态棉花质量，t为测量信号通过所述C1，C2的间隔时间，d电容为所述沿输棉管道轴向分布的电容传感器的中心间距。

[0033] 本发明的技术效果在于：本发明的采棉机棉花质量流量检测装置可直接安装在采棉机上，方便地实现对棉花产量在线检测，且测量精度高，可靠性高好，安装方便，成本低，实用性强。

[0034] 以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

[0035] 图1为本发明一实施例的采棉机棉花质量流量检测装置结构示意图；

[0036] 图2为本发明一实施例的流量检测传感器结构示意图；

[0037] 图3为本发明采棉机棉花质量流量检测方法流程图。

[0038] 其中，附图标记

[0039] 1流量检测传感器

[0040] 11检测电极

[0041] 111电容传感器

[0042] 1111检测电极板1A

[0043] 1112检测电极板1B

[0044] 12保护电极

[0045] 121保护电极板

[0046] 13屏蔽罩

[0047] 14绝缘层

[0048] 2数据采集处理系统

[0049] 21电容/电压转换模块

[0050] 22数据采集控制模块

[0051] 23模拟/数字转换模块

[0052] 24通信接口

[0053] 3数据输出装置

[0054] 4采棉机的输棉管

[0055] S1～S5步骤

具体实施方式

[0056] 下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

[0057] 参见图1及图2，图1为本发明一实施例的采棉机棉花质量流量检测装置结构示意图，图2为本发明一实施例的流量检测传感器结构示意图。本发明的采棉机棉花质量流量检测装置，安装在采棉机上用于对棉花产量的在线检测，包括流量检测传感器1、数据采集处理系统2和数据输出装置3，所述数据采集处理系统2分别与所述流量检测传感器1及所述数据输出装置3连接，其中，所述流量检测传感器1为电容极板阵列传感器。参见图2，所述电容极板阵列传感器包括检测电极11、保护电极12、屏蔽罩13和绝缘层14，所述绝缘层14包覆在所述采棉机的输棉管4管壁外侧，所述检测电极11包括多对检测电极板1111、1112（如图2中的检测电极板1A、检测电极板1B），优选紫铜板作为电极板，为防止外界电磁场干扰，电极板外部设置接地的屏蔽罩13，每对检测电极板1A、1B组成一组电容传感器111，所述多对检测电极板1111、1112分别固定在所述绝缘层14外侧，为降低检测电极板间的高固有电容以扩大系统的动态范围，在检测电极板间设置接地的径向电极板作为保护电极12。所述保护电极12包括多个保护电极板121，所述保护电极板121分别固定在所述多对检测电极板1111、1112的每相邻两个检测电极板之间，所述检测电极板与所述保护电极板121绝缘，所述屏蔽罩13包覆在所述检测电极11和所述保护电极12外侧，所述保护电极12与所述屏蔽罩13的屏蔽外壳均接地。检测电极11用于检测输棉管4的管壁内棉花流量，保护电极12用于降低检测电极板间的高固有电容以扩大系统的动态范围，屏蔽罩13用于防止外界电磁场干扰，绝缘层14起绝缘的作用。各检测电极11之间互相绝缘，分别通过导线连接到检测电路。保护电极
12和屏蔽罩13的外壳一起接到检测电路的接地端。

[0058] 本实施例中，优选所述多对检测电极板1111、1112围绕所述输棉管4的圆心中心对称分布，所述保护电极板121沿所述输棉管4的半径方向呈放射状设置。

[0059] 本发明还可包括水分检测传感器（图未示），所述水分检测传感器与所述数据采集系统连接。因该水分检测传感器的设置为较成熟的现有技术，在此不作赘述。

[0060] 本实施例中，所述数据采集处理系统2优选为信号调理电路板，所述信号调理电路板包括电容/电压转换模块21、数据采集控制模块22、模拟/数字转换模块23和通信接口24，所述电容/电压转换模块21将各组所述电容传感器111的检测量转化为对应的电压变化信号，通过所述数据采集控制模块22计算出拟合的棉花流量变化量并进行信号放大，所述模拟/数字转换模块23将放大后的所述棉花流量变化量由模拟信号转换为数字信号并通过所述通信接口24将处理过的数字信号输送到所述数据输出装置3。该通信接口24可含电源和通信线，信号调理电路板连接电源和通信线，一起固定到屏蔽罩13的外壳上。通信线通过屏蔽罩13外壳上的安装孔，将处理过的数字信号输送到机载计算机。该数据输出装置3可直接设置在机载计算机上，可为显示屏、打印机、语音输出设备等，对此不做限制。该装置优选采用一体化设计，电容传感器111和信号调理电路板均位于屏蔽罩13内，而屏蔽罩13罩在测量的输棉管4的管道外面。流量检测传感器1固定到输棉管4管壁外侧，通过导线连接到信号调理电路板。

[0061] 参见图3，图3为本发明采棉机棉花质量流量检测方法流程图。本发明的采棉机棉花质量流量检测方法，使用上述装置对棉花产量进行在线检测，包括如下步骤：

[0062] 步骤S1、获得电压变化信号，测量电容极板阵列传感器的各组电容传感器111的电容值变化量，通过电容/电压转换模块21，将各对电容的变化量转化为对应的电压变化信号；

[0063] 步骤S2、获得棉花质量变化流量分量，测定每组电容传感器111的棉花质量变化，并将所述电压变化信号转化为对应于每组电容传感器111的棉花质量变化流量分量；

[0064] 步骤S3、获得棉花质量流量瞬态数值，对所述每组电容传感器111的棉花质量变化流量分量进行叠加，得到棉花质量流量瞬态数值；

[0065] 步骤S4、获得棉花质量流量数值，计算采棉机输棉管4道内棉花的平均速度，根据物料质量－电容函数关系得到传感器内棉花的瞬态质量，结合棉花流动速度，积分运算得到棉花质量流量数值；

[0066] 步骤S5、输出棉花质量流量数值，将得到的所述棉花质量流量数值输送到数据输出装置3。

[0067] 在步骤S4中，可包括：

[0068] 分别检测安装在所述输棉管4道轴向分布的两对电容传感器111的数值，用互相关法测量上位所述电容传感器111和下位所述电容传感器111的测量信号的间隔时间，进而根据上下位所述电容传感器111的中心间距计算管道内棉花平均速度。

[0069] 在步骤S5之前，还可包括：

[0070] 步骤S50、数据放大和处理，将所述棉花质量流量数值进行信号放大和滤波处理，并将放大后的所述棉花质量流量由模拟信号转换为数字信号。

[0071] 其中，所述互相关法的计算公式如下：

[0072]

[0073] 式中，Rxy为互相关函数的最大值，

[0074] k＝1，2，……，N，N为用于互相关计算的采样点数，

[0075] C1，C2为两组沿输棉管4道轴向分布的电容传感器111，

[0076] i为第i对检测电极11板。

[0077] 其中，所述棉花质量流量的计算公式如下：

[0078]

[0079] m瞬时为根据物料质量—电容函数关系得到的所述电容传感器111内棉花瞬态质量，v棉花为棉花在输棉管4道内的平均速度。

[0080] 其中，

[0081] j为检测电极11板的对数，mi为第i对检测电极11板对应的瞬态棉花质量，t为测量信号通过所述C1，C2的间隔时间，d电容为所述沿输棉管4道轴向分布的电容传感器111的中心间距。

[0082] 下面对本发明的工作原理予以说明：

[0083] 由于棉花和空气的介电常数不同，当棉花通过电容传感器111的检测电极板间所形成的检测场时，电容传感器111的等效介电常数发生变化，引起电容输出值改变，电容值的大小可作为输棉管4棉花流量检测的量度。

[0084] 对于单对极板，设棉花通过极板时，板间介质的等效介电常数为ε，棉花及空气的介电常数分别为ε1，ε2；棉花的质量为m1，密度为ρ1。则

[0085]

[0086] 式中，V1、V2分别为棉花及空气各占的体积，V为电容传感器111极板间检测场的总体积。

[0087] 根据电容量关系式，则

[0088]

[0089] 当传感器内无棉花通过时

[0090]

[0091] 这样

[0092]

[0093] 其中：C-C0为棉花通过传感器时电容变化量(f)，s为极板面积(m2)，ε1为棉花介电常数，ε2为空气介电常数，ρ1为棉花密度(kg/m3)，d为极板间距(m)，V为电容传感器111极板间检测场体积(m3)，m1为传感器内瞬时棉花质量。

[0094] 由上式知道，传感器电容值的变化量与通过传感器的棉花质量成线性关系。通过对电容值的测量即可知道传感器内米棉花的质量。

[0095] 其中，棉花质量流量计算方法：

[0096] 设第i对极板对应的瞬态棉花质量为mi，计算通过极板阵列电容传感器111的瞬态质量 j为极板对数。

[0097] 安装两对沿输棉管4的管道轴向分布的电容传感器111，下面分别用C1，C2代表，用互相关法测量上位电容传感器111（C1）和下位电容传感器111（C2）检测信号的间隔时间t，进而根据上下位电容传感器111的间距d计算输棉管4的管道内物料平均速度v。互相关算法的公式如下：

[0098]

[0099] 式中，k＝1，2，……，N，N为用于互相关计算的采样点数。

[0100] 求得互相关函数的最大值Rxy及其对应的时间kTm,其中Tm为采样时间。则间隔时间t=kTm。

[0101] 根据信号的间隔时间t和上下游传感器电气中心间距d电容，得到棉花在输棉管4内的平均速度：

[0102]

[0103] 根据物料质量－电容函数关系得到传感器内物料瞬态质量，结合物料流动速度，积分运算得到质量流量：

[0104]

[0105] 下面通过一具体实施例，详细说明本发明的在线检测过程：

[0106] 步骤1，当棉花通过电容传感器111的检测电极板间所形成的检测场时，电容传感器111的等效介电常数发生变化，引起电容输出值改变；

[0107] 步骤2，测量各对检测电极板所组成的电容传感器111的电容值变化量，通过电容/电压(C/V)转换模块21，将各对电容传感器111电容的变化量转化为对应的电压变化信号；

[0108] 步骤3，通过实验标定和分析，将所述电压变化信号转化为单对电极板组成的电容传感器111反映的棉花质量变化；

[0109] 步骤4，对各电容传感器111的电容反映出来的棉花质量流量分量进行叠加，得到棉花质量流量瞬态数值；

[0110] 步骤5，分别检测安装在输棉管4的管道轴向分布的两对电容传感器111的数值，用互相关法测量上位和下位电容传感器111的信号的间隔时间，进而根据上下位电容传感器111的中心间距计算输棉管4的管道内物料平均速度；

[0111] 步骤6，根据物料质量－电容函数关系得到电容传感器111内物料瞬态质量，结合物料流动速度，积分运算得到棉花质量流量；

[0112] 步骤7，通过数据采集控制模块22，将所述棉花质量流量瞬态数值进行信号放大和滤波处理；

[0113] 步骤8，模拟/数字（A/D）转换模块23将放大后的所述棉花流量瞬态数值由模拟信号转换为数字信号；

[0114] 步骤9，通过通信线将处理过的数字信号输送到机载电脑。

[0115] 通过机载电脑可精确地在线得到棉花产量，且该测量精度高，可靠性高好，安装方便，成本低，实用性强。

[0116] 当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。