基于近紅外光電效應的聯合收獲機谷物厚度測量方法

趙 湛 雷朝鵬 李洪昌,2 劉金凱

(1.江蘇大學農業工程研究院， 鎮江 212013; 2.常州機電職業技術學院車輛工程學院， 常州 213164)

0 引言

精準農業是根據土壤環境和作物生長狀況的空間差異信息，以平衡地力、提高產量為目標，通過制定科學的管理決策、實施生產過程的定位、定量精細調控投入，以提高農業生產力、合理施用化肥、減少環境污染，實現可持續發展。獲取作物的產量信息，建立小區產量分布圖是精準農業技術體系中的重要環節[1-4]。

在谷物聯合收獲機上安裝測產系統是獲取產量信息的有效途徑，其核心是谷物流量傳感器[5-8]。現有谷物流量傳感器主要根據容積式和沖量式工作原理[9-12]。文獻[13-16]分析了沖量式傳感器的測量誤差來源，指出收獲機振動、機器姿態、田間坡度等因素對測量精度影響顯著。文獻[17-18]分析了谷物測產系統傾斜特性，提出根據收獲機的傾斜、俯仰角度進行測量誤差和零點漂移的修正方法，可以降低測量誤差。國內許多學者提出雙板沖量式谷物流量傳感器，通過差分運算減小振動對測量精度的影響[19-20]，但由于每臺機器特性的差異性，難以建立準確統一的修正模型。刮板式升運器廣泛采用容積式測產裝置[11, 21]，它是通過光電傳感器測量谷物在升運過程中的阻斷光路時間，產生脈沖信號，脈沖的時間寬度與谷物的堆積高度成正比，然后根據刮板尺寸和升運速度計算得到谷物的體積。

本文以水稻籽粒為對象，根據籽粒的紅外光譜特性開展籽粒厚度的測量方法研究，設計相應的信號處理電路，分析紅外線波長、功率、籽粒形態和含水率等因素對測量性能的影響。

1 測量原理

1.1 測量誤差分析

光電容積式谷物流量測量原理如圖1所示，谷物在刮板升運器中可以分為兩部分：在高度h1范圍內，籽粒充滿升運器內腔，通常呈現長方體形態；受到內摩擦作用力的影響，上層高度h2范圍內的籽粒為自由堆積狀態。受到收獲機姿態、谷物流量、刮板結構和作業參數等因素的影響，h2范圍內的籽粒分布狀態存在隨機性，即測量的脈沖寬度有一定的波動和不確定性，這是造成容積式谷物流量測量誤差的最主要因素。籽粒堆積表面的曲率是決定體積的主要參數，受到內摩擦力的影響，谷物在刮板內h2范圍的堆積表面通常為連續曲面，通過測量頂部區域谷物厚度的變化，可以獲取表面整體變化的差異，其關鍵技術就是檢測谷物堆積厚度，即根據谷物厚度的變化速率獲取堆積表面的曲率變化規律。

圖1 光電容積式谷物流量測量原理圖Fig.1 Measurement method of grain mass using photoelectric sensor1.激光發射器 2.刮板 3.谷物 4.硅光電池

1.2 谷物厚度測量原理

根據Lambert-Beer定律，當光在介質中傳播時，普遍存在吸收、折射和散射現象，透過介質的光強I將隨傳播距離作指數衰減，即

I=I0e-αL

(1)

式中I0——介質表面上的輻射光強，W

L——光在介質中傳播的距離，m

α——光強衰減系數

本文以激光為光源。籽粒的含水率是影響光線衰減特性的重要因素，由于水分對波長1 440～2 500 nm范圍的近紅外光吸收敏感[22-23]，為了減小籽粒含水率變化對測量結果的影響，試驗選擇近紅外光波長λ的范圍為850～980 nm，功率P的范圍為100～500 mW。選擇LXD66RM型硅光電池為接收器，根據透過谷物的紅外線光強測量谷物的厚度。硅片尺寸為6 mm×6 mm，波長范圍300～1 100 nm，特征波長為940 nm時的靈敏度為0.57 A/W，響應時間為12 μs。

均勻介質的光強衰減系數α通常是光波長的函數，根據光譜特性進行籽粒的物理特性測量已有成功應用[24-26]。水稻、小麥等谷物籽粒為散體顆粒，在升運器中自由堆積時，籽粒間存在空隙。水稻籽粒的結構和成分復雜，外層為穎殼，內層為糙米，主要成分包括淀粉和水。光線在不同介質中傳播時的衰減系數也不相同，通常籽粒的衰減系數遠大于空氣的衰減系數，籽粒自然堆積時的空隙率則會受到籽粒尺寸和形態等因素的影響，很難推導準確的光強衰減理論模型，但可以通過試驗測量谷物厚度與接收光強的變化關系，建立相應的數學函數。

2 信號處理電路

硅光電池在光照作用下會產生微弱電流信號，將其作為電流信號監測具有較好的線性關系和帶寬性能。為了減小由放大器的輸入電流和硅光電池漏電流產生的直流偏置，試驗設計了T型I/V轉換電路。它由電阻R1、R2和R3構成反饋電阻，可以消除寄生振蕩、提高頻率響應的穩定性，增大輸出信號的信噪比，電容C1可以減小由于相移產生的自激振動。當硅光電池輸出電流為Ip時，I/V轉換輸出電壓Vp為

(2)

式中R1、R2、R3——電阻R1、R2、R3的阻值

I/V轉換電壓Vp輸入至調節電路，通過電阻R4和R8分別調節輸出電壓Vout的零點和增益，從而將硅光電池接收的光強線性轉換為電壓信號Vout，電路結構如圖2所示。

圖2 信號處理電路Fig.2 Signal process circuit

3 谷物厚度測量試驗

3.1 試驗臺架結構

圖3 標定試驗臺架結構Fig.3 Structure of calibration test-rig1.信號處理器 2.水稻 3.硅光電池 4.轉動手輪 5.激光發射器

為了進行谷物厚度測量性能試驗，設計了標定試驗臺架，結構如圖3所示。在滑臺模組的滑塊上安裝移動支架，在轉動手輪絲杠的驅動下，移動支架沿著導向光軸作直線運動，定支架固定安裝于滑臺模組的底座。在移動支架上安裝紅外激光發射器，定支架上安裝硅光電池，并保證紅外激光發射器和硅光電池在同一軸線上。激光發射器發射的紅外光透過籽粒射入硅光電池，硅光電池產生的電流信號輸入信號處理電路，通過萬用表讀取測量結果Vout。

3.2 標定試驗建模

以南粳52水稻籽粒為對象，測量得到含水率為18.9%，三軸尺寸為7.07 mm×3.08 mm×2.40 mm，選擇紅外激光發射器的功率為200 mW、波長為940 nm。當兩個支架之間的距離小于4 mm時，籽粒難以均勻放入支架之間的區域，因此標定試驗從6 mm開始進行。

試驗過程中，人工將籽粒填滿定支架與移動支架之間區域，通過調節移動支架的位置改變谷物的厚度，調節精度為0.1 mm。由于籽粒填滿了定支架與移動支架之間的區域，故將兩個支架之間的距離視為紅外線穿過的籽粒厚度x，每組參數下的試驗重復進行3次，測量獲得的x與輸出電壓Vout的變化關系如圖4所示。

圖4 谷物籽粒厚度與輸出電壓的變化關系Fig.4 Relationship between grain seed thickness and output voltage

由于籽粒的復合結構和存在空隙，紅外光線是在非連續介質中傳播，鑒于光線的指數衰減特性，根據試驗測量結果，本文采用Gaussian函數建立x與Vout的變化關系

Vout=ae-(x-b)2/c2+d(x≥b)

(3)

函數中的系數a代表輸出電壓的變化幅值，主要取決于硅光電池接受的光強和波長；b為輸出電壓的峰值所對應的籽粒厚度；c為紅外線的衰減特性，且c越小，衰減速率越快，穿透能力越弱；d是由信號處理電路產生的偏置直流電壓，試驗測量d=0.12 V。采用最小二乘法擬合得到，方程的決定系數R2>0.996，對應的籽粒厚度x的測量誤差小于0.5 mm。在x

Vout=a+d(x

(4)

3.3 影響因素分析

3.3.1紅外波長

為了分析波長對谷物穿透性能的影響，分別采用850、940、980 nm的紅外光源進行標定試驗，結果如圖4所示。不同波長下，均可采用Gaussian函數建立x與Vout的變化關系，擬合結果如表1所示。波長λ=940 nm所對應的擬合方程系數a值略大，這主要受到硅光電池特征波長的影響，相同光強時，紅外線波長與硅光電池的特征波長越接近，硅光電池產生的光電流越大，輸出電壓Vout也越大；紅外線的穿透能力會隨著波長的增加而增強，擬合得到的c也隨之增大；當波長為940 nm時，方程的擬合精度最高，相對誤差小于6.5%，因此，優選波長為940 nm的紅外激光發射器作為谷物厚度測量光源。

表1 水稻籽粒厚度測量擬合結果Tab.1 Fitting results of rice seed thickness measurements

3.3.2激光發射器功率

選擇波長λ為940 nm、功率P為100、200、300、500 mW的激光發射器，測量獲得的x與Vout的變化關系如圖5所示。由于硅光電池產生的光電流隨著接收光強的增大而線性增加，從表1可以看出，隨著激光發射器功率的增加，Gaussian方程的擬合系數a近似呈現線性增長關系；增大紅外線的能量密度，其穿透能力也隨之增強，方程擬合系數c也近似呈現線性增長關系，當功率為500 mW時，谷物厚度的有效測量距離約為50 mm。

圖5 發射功率對紅外線穿透能力的影響Fig.5 Effect of emission power on infrared transmission capacity

3.3.3谷物含水率

水稻籽粒的主要成分是淀粉和水，隨著籽粒含水率的不同，光傳播介質的特性也會發生改變，從而影響穿透性能。試驗將含水率為18.9%的南粳52水稻籽粒進行加熱干燥處理，然后進行標定性能試驗，結果如圖6所示。測量統計得到水稻籽粒干燥后的三軸尺寸為7.05 mm×2.99 mm×2.12 mm，體積縮小了約14.5%，空隙率隨之降低，淀粉的光吸收系數通常大于水的光吸收系數，綜合造成紅外線穿透能力隨著籽粒含水率的減小而降低；由于選用了相同的激光發射器(波長λ為940 nm、功率P為300 mW)，方程的擬合系數a基本保持恒定，即輸出電壓Vout的峰值基本相等。

圖6 籽粒含水率對紅外線穿透能力的影響Fig.6 Effect of seeds moisture content on infrared transmission capacity

3.3.4谷物品種

選擇了4個不同品種的水稻籽粒進行標定性能試驗，以分析品種的差異性對紅外線穿透性能的影響，激光發射器的波長λ為940 nm、功率P為300 mW，擬合結果如表1所示。可以看出，籽粒形態是決定空隙率和光傳播介質特性的主要因素，南粳52、南粳5055和南粳9018的籽粒形態、含水率相似，方程擬合系數a、b和c也比較接近。鎮稻20的三軸尺寸相對較大，籽粒間的空隙率也較大，擬合系數c較小，即紅外線的衰減速率相對較低。

4 結論

(1)通過激光發射器產生近紅外光，根據硅光電池接收穿過谷物籽粒后的光強變化，可以實現籽粒厚度的測量；設計了以T型反饋網絡為核心的I/V轉換處理電路，從而將硅光電池接收的光強信號線性轉換為電壓信號；根據試驗測量結果，采用Gaussian函數擬合建立籽粒厚度與輸出電壓的變化關系。

(2)當紅外線波長和硅光電池的特征波長為940 nm時，Gaussian函數擬合的擬合精度最高，籽粒厚度測量相對誤差小于6.5%；隨著激光發射器功率的增加，水稻厚度測量量程隨之增大，當功率為500 mW時，谷物厚度的有效測量厚度約為50 mm；紅外線的穿透能力隨著波長的增加而增強，隨著籽粒含水率的降低而減弱。