雙平行梁谷物流量傳感器振動噪聲消除方法*

叢秉華，周 俊

(南京農業大學工學院/江蘇省智能化農業裝備重點實驗室，南京210031)

沖量式流量傳感器在谷物聯合收割機測產系統中應用最為普遍，但是機器振動、田間坡度、谷物含水率等因素對其測量精度影響很大[1－3]，其中振動影響尤其顯著，這些寬帶的機械振動干擾噪聲會夾雜在沖量式流量傳感器的輸出信號中。

國外，美國等國家經過多年的研制開發，已經有商品化的谷物流量傳感器，但是振動和機身傾斜等因素造成的測量誤差仍然存在。Ryan和Burks等分別對谷物流量傳感器進行了相關研究，實驗室試驗仍有3%的相對誤差[4－5]。目前研究主要集中在機身傾斜、谷物流量、前進速度等影響因素的分析方面，而對流量傳感器受機身振動影響的定量分析較少[6－7]。

國內，為了減少機身振動對谷物流量傳感器的影響，開展過較多的研究。孫宇瑞等研究了外部振動對流量傳感器的影響，對信號進行譜分解并從硬件和軟件設計兩方面入手引入濾波器，使流量傳感器的相對誤差減小到8%[8]。胡均萬等人研究使用雙板差分方式消除振動干擾[9]，但檢振梁和測量梁結構和參數等因素的固有差異性，制約了精度和可靠性的提高。我們在前面的研究中，設計了平行梁結構的谷物流量傳感器，并從平行梁結構[10]、阻尼[11]和信號處理[12]等方面進行了研究，但田間試驗結果仍然不理想。

為此，本文設計制作了雙平行梁谷物流量傳感器，運用谷物沖擊頻率諧波提取方法和雙平行梁信號自適應干擾對消方法，探索進一步消除流量傳感器信號中振動干擾噪聲的方法。

1 雙平行梁流量傳感器測量原理

如圖1所示為自主設計的雙平行梁沖量式流量傳感器，前面的測量指檢測谷物沖擊信號，同時也受到機身振動影響，后面的參考指檢測收割機振動等干擾信號，參考平行梁采集到的振動干擾信號用于對消夾雜在測量平行梁輸出信號中的振動噪聲。

圖1 雙平行梁流量傳感器結構示意圖

兩平行梁均由一個彈性應變梁[13]和兩側粘貼[14]的四個精密敏感電阻應變片構成的惠斯登電橋組成，當應變梁受外力時，橋路電阻發生變化，電橋失去平衡，從輸出端獲得一個與外力成正比的電壓信號。

雙平行梁沖量式流量傳感器安裝在收割機升運器的頂部，升運器拋出的谷物沖擊到測量指上。對于測量平行梁，根據沖量定理有:

式中，F(t)為谷物沖擊力;Δt為谷物沖擊作用時間;Δm(t)為沖擊作用時間段的谷物質量;Δv為沖擊前后谷物速度變化量;q(t)為谷物質量流量。

谷物沖擊攔截指后的速度近似為零，收獲過程中谷物拋出速度變化不大時，速度差Δv近似為常數，此時F(t)與谷物瞬時質量流量近似呈線性關系。實際應用中F(t)與瞬時質量流量的關系通過對平行梁輸出電壓和實際谷物流量進行標定得到。

2 試驗設備

為了方便研究雙平行梁流量傳感器受振動干擾的特性并探索消除振動噪聲的方法，以及對雙平行梁流量傳感器的性能進行試驗驗證，以約翰迪爾－3080A聯合收割機為基礎搭建了如圖2所示的雙平行梁流量傳感器試驗臺，其測量原理如圖3所示，此試驗臺能較好地模擬收割機田間作業振動工況，并可以通過實時測量試驗臺糧箱質量為流量傳感器的標定提供準確的實際谷物流量數據。

圖2 雙平行梁流量傳感器試驗臺

圖3 雙平行梁流量傳感器試驗臺測量原理

使用研華PCI－1710數據采集卡、聯想計算機和Labview軟件組成數據采集系統，采樣頻率設為1 000 Hz，平行梁傳感器量程為3 kg，精度為0.05%，稱重傳感器量程為900 kg，精度為0．02%。

3 雙平行梁流量傳感器信號處理技術

如圖4所示為試驗臺給糧測試采集到的兩平行梁輸出信號，可以看出谷物沖擊所產生的弱信號基本淹沒在振動干擾中，這給后續處理帶來很大困難。因此，本文采用谷物沖擊頻率諧波提取方法和雙平行梁信號自適應干擾對消方法進行振動噪聲的消除。

圖4 流量傳感器輸出信號

根據升運器轉速傳感器數據得到升運器刮板的最大沖擊頻率約為15 Hz，并且谷物沖擊信號的能量主要集中在低頻分量上，因此分別對兩平行梁輸出信號進行80 Hz低通濾波預處理。

3．1 谷物沖擊諧波信號提取

谷物在升運器刮板的帶動下不斷地沖擊到測量指上，由于谷物在相鄰兩刮板之間不能全部填滿，導致谷物以快速間斷的方式沖擊測量指，如圖4(a)所示，測量平行梁信號大致呈周期分布趨勢，其頻率大致等于刮板沖擊頻率。

周期信號的頻譜具有諧波性，且諧波信號頻率為基頻的整數倍，由于信號能量主要集中在低頻分量上，高次諧波分量所占能量很少，可以忽略不計。因此，可以通過諧波提取方法把沖擊信號與噪聲做初步分離，本文提取5次以下的沖擊諧波信號。

刮板沖擊頻率會受到升運器轉速不穩定的影響，需要實時測得的升運器轉速來換算出刮板沖擊頻率f0，得到沖擊諧波信號的基頻。6次使用3階巴特沃斯帶阻濾波器把沖擊諧波信號之外的頻率成分依次濾除，其中第i(i=1，2，…，6)次帶阻濾波通帶截止頻率上下限為(i－1)f0+1和if0－1，阻帶截止頻率上下限為(i－1)f0+5和if0－6，濾波器的通帶最大衰減為1 dB，阻帶最小衰減為20 dB。對測量平行梁和參考平行梁做同樣的諧波信號提取處理，處理前后，兩平行梁的頻譜圖變化分別如圖5～圖6所示，這樣沖擊頻率之外的振動干擾被消除，余下的與沖擊頻率重疊的振動干擾將運用下面介紹的自適應對消方法處理。

圖5 測量平行梁信號頻譜圖

3．2 雙平行梁信號自適應干擾對消

圖6 參考平行梁信號頻譜圖

通過前面介紹的沖擊信號諧波提取方法雖然可以去除谷物沖擊頻率以外的振動干擾噪聲，但與谷物沖擊頻率重疊的振動干擾噪聲卻難以消除。為進一步消除干擾噪聲中與谷物沖擊頻率重疊的頻率成分，對雙平行梁信號應用改進的LMS算法進行自適應干擾對消[15]。

如圖7所示，測量平行梁作為主通道接受谷物沖擊信號s的同時，還受到一個與沖擊信號不相關的振動噪聲n0。參考平行梁作為參考通道只接受到與沖擊信號不相關而與振動噪聲n0一定程度上相關的n1，自適應濾波器輸出y為振動噪聲n0的最佳估計，通過最小二乘法調整其輸出y，使y在最小均方意義下最逼近主通道振動噪聲n0。

圖7 自適應干擾對消

系統輸出誤差ε為:

則均方誤差為:

自適應濾波器就是要尋找最佳權系數，使均方誤差E{ε2}最小。

在某一時刻，取測量平行梁N個采樣值x(n)(n=0，1，…，N－1)，再取參考平行梁最近的 Q(Q＞N)個采樣值 z(n)(n=0，1，…，Q－1)，從 z(n)的起始點逐點進行相關運算，得到相關序列:

式中，zp(n)是z(n)中從p點處依次取長度為N的子序列。

最大相關系數r(m)為

式中，m即為z(n)中與x(n)具有最大相關系數的子序列zm(n)的起點。

設對消后誤差信號為

式中，w為對消因子。

則均方誤差為

為了最大程度地對消振動干擾，根據最小二乘法，式(8)對w求一階導數并令之等于0，可得最小均方誤差的條件為

得到對消因子后，代入式(7)，就可以得到干擾對消后的傳感器信號。

4 流量傳感器性能試驗與結果分析

4．1 流量傳感器標定試驗

選用300 kg冬小麥作為試驗用谷物，對收割機流量范圍0～2 kg/s分7個階段進行標定，試驗中收割機手油門置于大油門處，使收割機產生最大幅度振動以模擬收割機最惡劣的工作狀況，通過調節糧箱出糧口的大小控制每次試驗向升運器喂入的小麥流量。

試驗采集各傳感器數據，對兩平行梁輸出信號進行80Hz低通濾波預處理后，再使用諧波提取方法對兩個平行梁輸出信號進行5次諧波提取處理，然后采用改進的LMS自適應干擾對消方法進行干擾對消，最后獲得并記錄每次試驗流量傳感器的平均輸出電壓和小麥的平均流量，對標定數據點進行二次曲線擬合，結果如圖8所示。

4．2 流量傳感器驗證試驗

為了驗證流量傳感器標定結果的準確性，重新進行了5次不同流量的驗證試驗，每次試驗重復進行三次，隨機調節糧箱出口大小以獲得不同流量，并根據稱重傳感器的輸出計算實際小麥喂入流量，再根據標定試驗獲得的擬合方程，利用流量傳感器輸出信號計算傳感器測量流量，實際流量與計算流量結果如表1所示。

圖8 流量傳感器標定曲線

表1 驗證試驗結果

試驗結果表明，使用谷物沖擊頻率諧波提取方法和雙平行梁信號自適應干擾對消方法處理后，流量傳感器的最大相對誤差小于1．9%，驗證了諧波提取方法和自適應干擾對消方法的有效性，同時三次重復試驗結果驗證了流量傳感器的測量穩定性。

5 結論

(1)設計了雙平行梁結構的谷物流量傳感器，并構建了谷物流量傳感器試驗臺，可以較好地模擬收割機田間工作振動情況，并且通過實時測量喂入糧箱質量為流量傳感器的標定提供了準確的谷物流量數據。

(2)應用谷物沖擊頻率諧波信號提取方法和改進的LMS自適應干擾對消算法進行相關數據處理，試驗最大相對誤差小于1．9%，驗證了諧波提取和自適應干擾對消方法的有效性。

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