一种基于离心力分析的联合收割机谷物流量检测装置及其检测方法
阅读说明：本技术 一种基于离心力分析的联合收割机谷物流量检测装置及其检测方法 (Combine harvester grain flow detection device based on centrifugal force analysis and detection method thereof ) 是由 汪六三 王儒敬 刘洋 许桃胜 宿宁 黄伟 黄子良 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于离心力分析的联合收割机谷物流量检测装置及其检测方法,与现有技术相比解决了谷物流量测量方式难以满足实际使用需要的缺陷。本发明中壳体位于主动齿轮的上方处为圆弧形且圆弧形的圆心与主动齿轮的圆心为同一点,壳体上开有离心力采集窗口,离心力采集窗口的位置位于当刮板运动至主动齿轮顶端时刮板安装处的切线方向上,参考力冲动板、测量力冲击板分别通过刚体梁安装在参考力传感器、测量力传感器上,测量力冲击板位于离心力采集窗口内,参考力冲动板位于壳体外。本发明利用离心力方式进行谷物流量检测,通过链式提升机的圆周运动的测量谷物流量,检测精度高、复杂度低。(The invention relates to a combine harvester grain flow detection device based on centrifugal force analysis and a detection method thereof, and compared with the prior art, the combine harvester grain flow detection device overcomes the defect that a grain flow measurement mode is difficult to meet the actual use requirement. The shell is positioned above the driving gear and is in an arc shape, the circle center of the arc shape is the same as that of the driving gear, a centrifugal force acquisition window is arranged on the shell, the position of the centrifugal force acquisition window is positioned in the tangential direction of the installation position of the scraper when the scraper moves to the top end of the driving gear, the reference force impact plate and the measuring force impact plate are respectively arranged on the reference force sensor and the measuring force sensor through rigid beams, the measuring force impact plate is positioned in the centrifugal force acquisition window, and the reference force impact plate is positioned outside the shell. The invention utilizes the centrifugal force mode to detect the grain flow, measures the grain flow through the circular motion of the chain type elevator, and has high detection precision and low complexity.)
技术领域
本发明涉及谷物流量检测技术领域，具体来说是一种基于离心力分析的联合收割机谷物流量检测装置及其检测方法。
背景技术
精准农业是主要以3S空间信息技术和作物生产管理决策支持技术为基础的面向大田作物生产的精细农作技术。在联合收割机上安装谷物产量监测系统，获取作物产量分布信息，建立农田产量空间分布图是精准农业实施的重要内容。谷物产量监测系统中的核心部件是谷物流量检测装置，谷物流量检测方式主要有光电容积式、辐射式和冲量式。其中，光电式探头易受污染、辐射式对人体有伤害、冲量式对谷物品种不敏感、结构简单且安装方便，是应用最广泛的一类。
现有技术中，中国专利公开号为CN101995284B的发明专利提出了一种冲量式谷物质量流量传感器标定与试验装置，但由于是一维方向测定且倾角也只考虑了一维校正，对谷物质量流量的检测精度有限；中国专利公开号为CN103125204A的发明专利提出了一种联合收割机的谷物质量测量装置与测量方法，其采用六维力方式对冲击力进行测量，但该装置中六维力的标定较复杂，在实际应用中受到限制。因此，冲击(量)式谷物检测虽应用广泛，但是由于受联合收割机振动、流量变化和田间的坡度等因素的影响，冲量式检测装置测量误差大，也无法满足实际使用的需要。
如何开发出一种不单纯依赖的冲击(量)方式的谷物流量检测装置及其检测方法已经成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中谷物流量测量方式难以满足实际使用需要的缺陷，提供一种基于离心力分析的联合收割机谷物流量检测装置及其检测方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于离心力分析的联合收割机谷物流量检测装置，包括净粮升运器，所述的净粮升运器内设链式提升机，链式提升机包括安装在壳体内的主动齿轮，主动齿轮上安装有链条，链条上等距固定安装有若干个刮板，刮板的平台与链条相垂直，测量力传感器和参考力传感器均安装在净粮升运器上且位于壳体上方，
所述壳体位于主动齿轮的上方处为圆弧形且圆弧形的圆心与主动齿轮的圆心为同一点，壳体上开有离心力采集窗口，离心力采集窗口的位置位于当刮板运动至主动齿轮顶端时刮板安装处的切线方向上，参考力冲动板、测量力冲击板分别通过刚体梁安装在参考力传感器、测量力传感器上，测量力冲击板位于离心力采集窗口内，参考力冲动板位于壳体外；
所述测量力传感器的信号输出端与电桥A的输入端相连，参考力传感器的信号输出端与电桥B的输入端相连，电桥A、电桥B的输出端均与多通道高速AD的输入端相连，多通道高速AD的输出端与FPGA的输入端相连。
所述的刚体梁数量为两根，，两根刚体梁之间的长度差小于2cm。
所述测量力冲击板为弧形，测量力冲击板的大小与离心力采集窗口相同。
所述刮板位于平台四周处均设有挡板。
相邻两个刮板位于链条上的间距大于主动齿轮圆周长的四分之一。
一种基于离心力分析的联合收割机谷物流量检测装置的测量方法，包括以下步骤：
净粮升运器控制链式提升机带着刮板上谷物运动，待刮板作圆周运动到达顶部时，谷物以升运器速度沿圆周切线方向抛出，冲击测量力传感器的冲击板，产生离心力于冲击板面；
测量力传感器获取冲击力数据和由联合收割机运行产生的外部作用力数据，参考力传感器获取由联合收割机运行产生的外部作用力数据，传给FPGA；
FPGA将获得的测量力传感器和参考力传感器的数据进行差运算，去除由联合收割机运行产生的外部作用力数据，获得净离心力FG；
通过谷物离心力计算冲击的谷物质量，其校正模型公式如下：
其中，m为冲击的谷物质量，V为刮板运行速度，r圆周运动半径；
利用谷物离心力计算出谷物的平均质量流程，其计算公式如下：
其中，△t为冲击作用时间，Q为t1-t2时间间隔内谷物的平均质量流量。
有益效果
本发明的一种基于离心力分析的联合收割机谷物流量检测装置及其检测方法，与现有技术相比利用离心力方式进行谷物流量检测，通过链式提升机的圆周运动的测量谷物流量，检测精度高、复杂度低。
本发明的刮板采用加装挡板形似簸箕的设计，降低了谷物脱落的机率；采用三维力传感器，不仅可以测量谷物离心力，同时还能测量加速度、机身倾斜等产生的力，省去了加速度传感器和倾斜角度传感器的使用，降低了对谷物流量检测装置的标定复杂度；通过两个同样三维力传感器差分，消除了加速度、机身倾斜等外界因素对谷物流量测量的影响，进一步提高谷物流量检测装置的检测精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电气连接原理框图；
图3为本发明中检测方法的顺序图；
其中，1-净粮升运器、2-链式提升机、3-壳体、4-主动齿轮、5-链条、6-刮板、7-测量力传感器、8-参考力传感器、9-电桥A、10-电桥B、11-多通道高速AD、12-FPGA、13-刚体梁、14-挡板、15-参考力冲击板、16-测量力冲动板。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
如图1所示，本发明所述的一种基于离心力分析的联合收割机谷物流量检测装置，包括净粮升运器1，净粮升运器1内设有链式提升机2。链式提升机2包括安装在壳体3内的主动齿轮4，主动齿轮4上安装有链条5，链条5上等距固定安装有若干个刮板6，通过主动齿轮4带动链条5上的刮板6作上升运动。在此，刮板6用于承载谷物，其固定安装在链条5，即在链条5的一侧刮板6朝上、在链条5的另一侧刮板6则朝下。刮板6的平台15与链条5相垂直，当刮板6随链条5运动至主动齿轮4顶部时，刮板6与地面呈垂直状态，以使得刮板6上的谷物可以在旋转离心力的作用下飞出刮板6。
为了配合主动齿轮4旋转过程中刮板6产生的离心力，壳体3位于主动齿轮4的上方处为圆弧形，并且壳体3位于主动齿轮4的上方处为圆弧形且圆弧形的圆心与主动齿轮4的圆心为同一点，即此处弧形正是为了模仿主动齿轮4的旋转轨迹。若在此将壳体3此处采用规则正(长)方形设计，其所受到谷物离心力飞出时会遇到不同谷物高度差的区别，例如某些谷物会先到达壳体、某些则会由于间距太大到不了壳体，从而造成谷物流量测算的失误。
在壳体3上开一个离心力采集窗口，离心力采集窗口的位置位于当刮板6运动至主动齿轮4顶端时刮板6安装处的切线方向上，即当刮板6上的谷物因为离心力飞出时，其所落位置正在离心力采集窗口内。测量力传感器7和参考力传感器8均安装在净粮升运器1上且位于壳体3上方，其中测量力传感器7和参考力传感器8通过现有传统方式安装在净粮升运器1其它部件上，只要位于壳体3上方即可。
参考力冲动板15、测量力冲击板16分别通过刚体梁13安装在参考力传感器8、测量力传感器7上，刚体梁13数量为两根。测量力冲击板16位于离心力采集窗口内，可以采集到谷物因为离心力飞出时所冲击的谷物质量。由于联合收割机本身具有振动，参考力冲动板15位于壳体3外，用于校验测量力传感器7，消除联合收割机本身振动、倾斜等因素所带来的影响力。
为了保证刮板6上谷物的飞出轨迹不受干扰，在相邻刮板6间位于链条5上的间距大于主动齿轮4圆周长的四分之一。同时，为了进一步增加测量力传感器7的精度，，两根刚体梁13之间的长度差小于2cm，刚体梁起到减小振动影响的作用，同时通过参考力传感器8更可能地模仿测量力传感器7的联合收割机振动力、倾斜。
为了更大程度采用到谷物作用力，可以将测量力冲击板16设计为弧形、测量力冲击板16的大小与离心力采集窗口相同，配合壳体3形成一体结构。还可以将刮板6位于平台15四周处均设有挡板14，使其形状类似于簸箕，防止运动过程中谷物的掉落。
如图2所示，在信号处理部分，测量力传感器7的信号输出端与电桥A9的输入端相连，参考力传感器8的信号输出端与电桥B10的输入端相连，电桥A9、电桥B10的输出端均与多通道高速AD11的输入端相连，多通道高速AD11的输出端与FPGA12的输入端相连，测量力传感器7和参考力传感器8所采集的数据经过模数转化后交于FPGA12进行分析处理。
如图3所示，在此还提供一种基于离心力分析的联合收割机谷物流量检测装置的测量方法，包括以下步骤：
第一步，净粮升运器1控制链式提升机2带着刮板6上谷物运动，待刮板6作圆周运动到达顶部时，谷物以升运器速度沿圆周切线方向抛出，冲击测量力传感器7的冲击板，产生离心力于冲击板面。
第二步，测量力传感器7获取冲击力数据和由联合收割机运行产生的外部作用力数据，参考力传感器8获取由联合收割机运行产生的外部作用力数据，传给FPGA12。
第三步，FPGA12将获得的测量力传感器7和参考力传感器8的数据进行差运算，去除由联合收割机运行产生的外部作用力数据，获得净离心力FG。
第四步，通过谷物离心力计算冲击的谷物质量，计算公式如下：
其中，m为冲击的谷物质量，V为刮板6运行速度，r圆周运动半径。
第五步，利用谷物离心力计算出谷物的平均质量流量，其校正模型公式如下：
其中，△t为冲击作用时间，Q为t1-t2时间间隔内谷物的平均质量流量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
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