肥箱電容式料位傳感器設計與試驗

趙明巖，王 熙，戚增坤，王新忠，莊衛東

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

施肥作業是農業生產過程中一項重要的環節[1]，直接影響作物產量。當肥箱出現肥料排空時，會導致漏施現象的發生，容易造成農作物減產，引起農業生產損失。因此，肥箱料位在線檢測技術裝備是目前國內外相關領域學者研究的重點之一。人工肥箱料位檢測法是目前農業生產中普遍采用的方法，存在檢測不及時、易出現肥箱排空現象、肥料漏施及導致人員傷亡等弊端。因此，設計一款電子檢測裝置替代人工，對肥箱料位進行檢測具有重要意義[2]。隨著電子信息技術的發展，傳感器技術在農業領域得以廣泛應用，便于及時發現和處理農業機械存在的潛在問題，提高農業機械信息化程度，降低能耗，節省人力、物力等資源投入[3]。王大可[4]等對氣吸精播機施肥量無線計量監測系統進行了研究，利用電容式接近開關、光電傳感器檢測化肥箱的工作狀態；美國Mander G[5]等人設計一款電容傳感器用于土壤水分監測及水分變化模擬電壓的分析；美國Chinnock R T[6]等人設計一款電容器進行大氣環境的檢測。

本文設計了一種電容信號獲取與實時傳輸的施肥機肥箱顆?；柿衔粰z測傳感器，由電容傳感器獲取肥箱中化肥料位的信息，搭載CAN總線進行實時信息傳輸，以實現對施肥作業情況的實時檢測。

1 顆?；柿衔粰z測原理

平行極板電容傳感器安裝在化肥箱對面的內壁上，當化肥箱中充滿顆?；蕰r，傳感器兩電極間的電容值為定值[7-8]；當肥箱中顆?；柿衔幌陆禃r，顆粒化肥與空氣共同充當了兩極板之間的介質，空氣與顆粒化肥混合比例變化，導致電容率改變，引起兩極板之間的電容輸出值變化。顆粒化肥的介電常數在1.5～3之間，空氣的介電常數為1，通過測量兩極板之間電容值輸出變化，來判斷肥箱中的化肥余量(料位高度)。由于電容傳感器平行極板沒有機械部件，測量時為非接觸式測量，因此平行極板電容傳感器有高可靠性及較長的使用壽命。電容變化量計算公式為

(1)

式中ΔC—料位變化時電容的變化量(F)；

ξ1—化肥介電常數(F/m)；

ξ3—空氣介電常數(F/m)；

S—電容極板的面積(m2)；

K—靜電力常量；

D—平行極板間距離(m)。

由式(1)可知：傳感器輸出電容值的變化量與施肥機肥箱中化肥余量呈線性關系[9-10]。通過實時獲取電容信號變化，可以實現施肥機肥箱化肥料位的在線檢測。除此之外，當肥箱中肥料剩余量不足時，及時提醒農機駕駛人員停車，并對肥箱中的化肥進行添加；還可以根據施肥機作業幅寬及前進速度，進一步分析計算，得到單位面積化肥施用量。單位面積化肥施用量計算公式為

(2)

式中M(t)—單位面積化肥施用量(kg/m2)；

D—施肥具作業的幅寬(m)；

Vt—作業機具前進速度(m/s)；

Qt—肥料流量(kg/s)。

根據施肥機作業時前進速度，計算出單位作業面積所使用的化肥量。新的化肥施用量計量方法能夠精準控制化肥施用量，減少化肥浪費，實現農業生產優質、低耗，對農業可持續發展及提高農業機械信息化水平具有重要意義[11]。

2 傳感器設計

2.1 外形與尺寸設計

設計兩種極板安裝位置不同的傳感器：第1種為平行極板電容傳感器，第2種為相鄰極板電容傳感器。相鄰極板電容傳感器電容值變化是非線性的，沒有統一的電容值計算公式，但通過公式(1)仍然能夠看出，相鄰極板傳感器電容值與傳感器極板面積、極板間距及極板間物質的介電常數都有著很大關系。

電場線穿透深度是衡量相鄰極板電容傳感器性能的關鍵參數之一，決定著電場線能夠穿透多厚的待測物體表面[12]，從而測量極板間待測物的厚度。通過有限元仿真與試驗可知：電場線穿透性近似正比于傳感器兩極板間的距離。在實際生產中，由于傳感器安裝在化肥箱內測，電場線的穿透深度為化肥箱的寬度，所以極板相鄰距離不宜過大。通過仿真與臺架試驗可知：相鄰極板安裝距離最大不超過傳感器電容極板長或寬的40%。傳感器電極板安裝距離與電容測量結果呈一定相關性。

傳感器電容極板為矩形，由條件可知相鄰電容極板的寬度X為：電容極板寬度+電容極板間距+封裝外殼=安裝位置寬度。由此得極板長度為30mm。在給定傳感器尺寸、規定測量區域的情況下，設計兩種傳感器形式，并結合以上參數進行性能試驗。

2.2 傳感器材料的選擇

設計好的電容極板安裝在化肥箱內側，因化肥箱的箱體形狀各異，且存在較少的相對平行表面，為避免傳感器在肥箱中彎曲變形，傳感器的極板應具有一定強度，以抵抗變形。經調研分析，采用厚度0.5mm的銅皮作為傳感器極板的材料[13-14]，并應進行絕緣封裝。

2.3 安裝位置與封裝外殼設計

肥箱料位電容傳感器極板是檢測裝置中最關鍵的部件，有兩種安裝位置，如圖1所示。

圖1 電容極板安裝位置簡圖

電容傳感器的穩定性直接影響檢測效果，因此進行單因素試驗。電容式肥料余量檢測傳感器由電容極板、封裝外殼及外圍電路等組成，安裝在施肥機化肥箱內壁，對肥箱內化肥余量信息進行采集。

化肥箱主要有金屬材料、聚碳材料兩種，主要起到對化肥的盛裝及對電容極板支撐的作用。電容極板在安裝過程中，應充分考慮絕緣問題。因化肥具有腐蝕性和導電性，直接與電容極板接觸易造成電容極板聯通和腐爛，對電容測量結果的準確性存在影響，所以電容極板用絕緣材料進行隔離封裝處理，如用聚酯材料進行密閉封裝、刷涂層等。

2.4 有限元仿真分析

因該肥箱料位檢測傳感器的檢測場為電磁場，試驗還受實際工作中肥箱材料的影響，且無具體計算公式。為驗證所設計電容極板檢測方案的可行性，利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics進行了極板電容檢測過程的仿真分析，建立了相鄰電容極板不同間距下電場線的穿透強度和電容值的耦合模型，并考慮了在肥箱中的安裝位置，以確保檢測電容值的穩定性。

電容仿真建模方法：在COMSOL Multiphysics有限元分析軟件中調用AC/DC模塊中的靜電模塊，然后在AC/DC靜電模塊下選擇穩態，完成檢測場模型的全部選擇。在構建的仿真模型左側及模型開發器中，依次對仿真的模型、物理場進行三維的搭建，建立極板尺寸、極板相對位置及檢測場模型；搭建的電容極板尺寸為50mm×300mm，兩極板將相鄰距離為20 mm，極板封裝寬度為30mm，檢測場的幾何尺寸為170mm的立方體。設置完成后，軟件基于其內部算法在構建的物理檢測場內進行運算至求解結束。在計算結果樹狀圖下選擇派生值、電容計算，得到仿真計算電容值的大小。相對極板電容傳感器，檢測物理場內電容值的方法與相鄰極板電容傳感器構建物理檢測場和電容值方法相同。軟件仿真操作結果如圖2所示。

圖2 仿真分析圖

運用有限元仿真分析軟件構建檢測物理場得仿真分析，分別對相鄰極板電容傳感器、相對極板電容傳感器“空箱”“滿箱”狀態時的電容值進行物理場檢測仿真分析，將仿真運算所得到的電容值整理，運算結果如表1所示。

表1 極板不同安裝位置仿真分析極限電容值

通過簡單的建模仿真，對結果進行分析可知：電容極板安裝位置不同的兩種傳感器對肥箱中肥料電容值的檢測結果與肥箱中料位剩余量呈正相關。所以，用電容傳感器檢測肥箱料位余量的方法具有可行性。

3 傳感器性能試驗

3.1 傳感器性能測試

將電容傳感器極板安裝在如圖1所示相對平行、相鄰兩種位置，進行化肥箱排空單因素試驗。為減少試驗誤差進行多次測量，將所得電容值數據的平均值記錄，如表2所示。

表2中，兩組數據分別表示電容極板采用相對平行安裝、相鄰安裝時對顆粒肥料(尿素)進行多組肥箱排空試驗記錄測得電容值的平均數。顆?；试谂懦龇氏涞倪^程中，電容值的變化與肥箱中肥料的余量，存在一定的線性關系。肥箱排空試驗所測得的電容值與肥箱中化肥所剩余量(百分比)的線性關系、電容值的變化趨勢如圖3所示。

表2 單因素試驗表

圖3 極板兩種安裝位置排空試驗關系圖

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 試驗材料及設備

試驗材料選用顆粒狀化肥(尿素)，肥料顆粒均勻、無結塊及變質等現象[15]。試驗設備主要有施肥試驗臺、液壓驅動裝置、高精度數字顯示電容電感表(精度為0.01pF)、相鄰極板電容傳感器與相對極板電容傳感器及等組成。

為了驗證相鄰極板電容式肥箱料位檢測傳感器與相對極板電容傳感器的測量誤差，在施肥試驗臺上進行顆粒化肥料位余量檢測試驗。施肥試驗臺由液壓裝置驅動排肥器排肥軸轉動，提供排肥所需的動力。通過施肥試驗臺控制系統改變排肥軸轉速及排肥試驗時間，也可以實現連續排肥試驗，達到檢測肥箱化肥料位余量的目的。

3.2.2 臺架試驗及數據分析

利用實驗室施肥試驗臺進行試驗，液壓裝置提供排肥軸所需動力，用高精度數字顯示電容測試表檢測肥箱在空箱狀態時由傳感器所測得的電容值P1；然后向肥箱中填滿顆?；?尿素)，化肥填裝高度需超過電容極板的邊緣，記錄出此時傳感器所測得的電容值P2；那么，P2/P1就是肥箱中所添加顆?；?尿素)樣品的介電常數。試驗中所使用的顆粒(尿素)化肥介電常數P2/P1在1.74～2.45之間。試驗數據記錄如表3所示。

表3 極板兩種安裝位置極限電容值

根據作業過程中肥箱化肥余量不同，計算此時的電容量；然后，利用電容表測量此時的電容值，與計算出的電容值進行誤差分析。

由公式(1)和公式C=C1+C2計算化肥箱不同料位的電容值(平行極板電容器)。其中，C為理論測量的電容值(F)；C1為兩極板間化肥的電容值(F)；C2為兩極板間空氣的電容值(F)。

化肥余量分別達到肥箱容量的100%(滿箱)、70%、0(空箱)時，電容值為

通過分析肥箱中化肥余量比與電容值的變化趨勢，得到實際施肥作業過程中化肥余量變化與電容值變化的線性關系，并對電容值變化趨勢走向進行驗證性試驗，對施肥作業機械肥箱化肥料位傳感器電容值的檢測結果進行誤差分析比較。驗證誤差分析比較結果如表4所示。

表4 電容誤差分析

4 討論

肥箱料位檢測傳感器的作業效果不僅與天氣環境有關，而且與肥箱材料(金屬材料或聚碳材料)和肥箱尺寸有關。因此，研究基于電容法的肥箱中肥料余量檢測傳感器是否具有較強的通用性[16-17]，針對不同樣式的肥箱檢測傳感器是否具有通用性。

今后可考慮對于不同肥箱的匹配程度是否具有良好的通用性。對不同尺寸肥箱、不同天氣環境中進行試驗結果比較[18]，得到不同樣式肥箱的試驗結果和誤差曲線圖，評價不同肥箱和天氣環境下肥箱料位余量檢測傳感器的性能和效果，研究與肥箱肥料余量檢測傳感器相匹配的化肥箱及最佳天氣等問題[19]，減少因肥箱尺寸、結構不同而導致的匹配性問題。

5 結論

1)采用電容式傳感器檢測肥箱化肥料位的微小電容變化，實現肥箱料位的在線檢測。通過研究肥箱料位的改變，證明電容式傳感器對于檢測顆?；柿衔坏姆椒ň哂锌尚行浴?/p>

2)設計了基于電容法檢測肥箱化肥料位的電容傳感器，將傳感器獲取直觀性較差的電容信號值轉化成直觀性強的數字信號，實現肥箱中化肥料位的實時在線檢測。

3)試驗研究了檢測肥料余量的電容傳感器極板對于尺寸不同的化肥箱最佳安裝位置，設計了電容極板最佳幾何形狀。研究了兩種電容傳感器電容極板安裝位置與輸出電容值與肥箱肥料余量的相應關系，建立了肥料余量與電容值的線性擬合模型：電容極板相鄰安裝、相對安裝的有關模型相關系數分別為0.999 9、0.997 4。對模型的走向趨勢進行了試驗驗證，得到驗證性結論，電容值的變化趨勢與肥箱中化肥料位高度成正比。

4)電容式傳感器與化肥箱之間的安裝方法簡單、傳感器檢測方式采用非接觸式測量，使用壽命較長，不受田間惡劣作業環境因素的影響，具有良好的抗干擾性與穩定性。