飼料收獲機(jī)金屬探測系統(tǒng)研究進(jìn)展

摘要：飼料收獲機(jī)作業(yè)時田間遺落的鐵絲等金屬物易混入飼草對機(jī)器零部件造成損傷，維修時間的增加易錯過飼草最佳收獲時間，后續(xù)牲畜采食混有金屬的飼草易對其腸胃健康造成嚴(yán)重威脅。因此，配備性能優(yōu)良的金屬探測裝置逐漸成為飼料收獲機(jī)械的必備系統(tǒng)。當(dāng)前國外廠商生產(chǎn)的飼料收獲機(jī)械大多配備有金屬探測裝置，但國內(nèi)廠商生產(chǎn)的機(jī)型配備該裝置還極少，相關(guān)性能的穩(wěn)定性和靈敏度也與國外產(chǎn)品有較大差距。通過查閱文獻(xiàn)資料，分析飼料收獲機(jī)對于金屬探測裝置的需求，簡述金屬探測技術(shù)原理，對比分析國內(nèi)外金屬探測技術(shù)在飼料收獲機(jī)上的應(yīng)用及發(fā)展。針對國內(nèi)金屬探測目前存在的系統(tǒng)靈敏度、集成度，以及系統(tǒng)響應(yīng)時間、制動控制策略等技術(shù)挑戰(zhàn)與趨勢，提出未來加快金屬探測系統(tǒng)研發(fā)和試驗(yàn)、推廣應(yīng)用建議，攻克我國飼料收獲機(jī)械核心關(guān)鍵系統(tǒng)“卡脖子”問題。

關(guān)鍵詞：飼料收獲機(jī)；金屬探測；電磁感應(yīng)；靈敏度

中圖分類號：S225.8； S817.11

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 12-0030-07收稿日期：2023年5月17日

修回日期：2023年7月31日

*基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（重大科技創(chuàng)新工程）項(xiàng)目（2022CXGC020704）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-34）

第一作者：張慶，男，1986年生，山東棗莊人，副教授，博導(dǎo)；研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備及智能車輛技術(shù)。E-mail：zhangqingbit@cau.edu.cn

Research progress of metal detection system for feed harvesters

Zhang Qing^{1， 2}， Li Yang¹， You Yong^{1， 2}， Wang Decheng^{1， 2}， Hui Yunting^{1， 2}

（1. College of Engineering， China Agricultural University， Beijing， 100083， China; 2. Smart Agriculture and Intelligent Equipment Research Center， China Agricultural University， Beijing， 100083， China）

Abstract：

During the operation of the feed harvester， metal objects such as iron wires left in the field can easily mix with the grass and cause damage to machine components. The increase in maintenance time can easily miss the optimal harvesting time for grass， and the subsequent consumption of mixed metal grass by livestock can pose a serious threat to their gastrointestinal health. Therefore， equipping high-performance metal detection device is gradually becoming an essential system for feed harvesting machinery. Currently， most feed harvesting machinery produced by foreign manufacturers are equipped with metal detection devices， but the models produced by domestic manufacturers are rarely equipped with such devices， and the stability and sensitivity of related performance also have a significant gap compared to foreign products. Through literature review， the demand for metal detection devices in feed harvesters was analyzed， and the principle of metal detection technology was briefly described. The application and development of metal detection technology in feed harvesters at home and abroad were compared and analyzed. In view of the current technical challenges and trends in domestic metal detection， such as system sensitivity， integration， system response time and braking control strategy， suggestions are proposed to accelerate the research and development， testing， and promotion of metal detection systems in the future， and to overcome the bottleneck problem of the core key system of feed harvesting machinery in China.

Keywords： feed harvester; metal detector; electromagnetic induction； sentivity

0 引言

畜牧養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致飼料的需求急劇增大，從而推動了飼料收獲機(jī)械的發(fā)展^［1］。飼料收獲機(jī)在進(jìn)行收獲作業(yè)時，如果田間遺留的鐵絲等金屬異物混入飼草，將對收獲機(jī)器關(guān)鍵裝置和后續(xù)牲畜健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅^［2］。一方面，金屬物一旦進(jìn)入收獲機(jī)切碎和籽粒破碎系統(tǒng)，極有可能會對刀片等關(guān)鍵零部件造成損傷，維修時間的增加會使已收割的飼料錯過最佳發(fā)酵時間，致使飼料營養(yǎng)流失嚴(yán)重，飼料品質(zhì)降低^［３］。另一方面，牛、羊等牲畜一旦進(jìn)食了含有金屬異物的飼料，由于金屬異物無法消化，在胃腸蠕動作用下，金屬異物會刺破胃壁甚至損傷其他臟器，從而引發(fā)炎癥，導(dǎo)致患病牲畜食欲不振，料肉比增大，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失^［4］。

為了保證飼料收獲機(jī)正常工作以及飼料的質(zhì)量，需要在收割飼草時快速、準(zhǔn)確地檢測并清除金屬異物。因此，在飼料收獲機(jī)上安裝探測靈敏、工作可靠的金屬探測系統(tǒng)，成為飼料收獲機(jī)械行業(yè)和國家農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展的迫切需求。目前國外的飼料收獲機(jī)械普遍標(biāo)配金屬探測系統(tǒng)，其金屬探測技術(shù)發(fā)展比較成熟，系統(tǒng)配置也比較完備，其金屬探測系統(tǒng)靈敏度、智能化程度高，探測范圍大，能準(zhǔn)確檢出并及時報(bào)警。國內(nèi)金屬探測技術(shù)研究起步較晚，精度、靈敏度較低，未在飼料收獲機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用^［5］。市面上國產(chǎn)主流飼料收獲機(jī)基本未配置金屬探測系統(tǒng)，部分安裝金屬探測系統(tǒng)的飼料收獲機(jī)，其金屬探測系統(tǒng)也是整套進(jìn)口，費(fèi)用昂貴^［6］。金屬探測技術(shù)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)機(jī)械“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)，亟需加大金屬探測關(guān)鍵技術(shù)的研究及系統(tǒng)集成，突破國外技術(shù)封鎖。

目前飼料收獲機(jī)金屬探測技術(shù)進(jìn)展尚待梳理，未來發(fā)展方向尚未明確。針對飼料收獲機(jī)金屬探測系統(tǒng)做文獻(xiàn)和資料調(diào)研分析，梳理金屬探測技術(shù)基本原理，對比分析國內(nèi)外金屬探測技術(shù)在飼料收獲機(jī)上的應(yīng)用及發(fā)展，指出目前飼料收獲機(jī)金屬探測系統(tǒng)存在的問題與不足，為技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供信息支撐，并對未來的研究方向提出展望。

1 金屬探測原理及技術(shù)研究現(xiàn)狀

金屬探測裝置要求靈敏度高、穩(wěn)定性好。目前金屬探測技術(shù)主要有X射線型、微波探測型、電磁感應(yīng)型等。

電磁感應(yīng)是金屬探測系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。該技術(shù)原理來源于法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)通過導(dǎo)體所圍區(qū)域的磁通量隨時間變化時，回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。基于電磁感應(yīng)原理，有四種常用的檢測方案：差拍式、自激振蕩式、耗能式、平衡式。

差拍式和自激振蕩式運(yùn)用了LC振蕩電路原理，差拍式是將有無金屬時的振蕩頻率形成差頻信號輸出^［7］；自激振蕩式則是利用金屬物體對LC振蕩電路的影響輸出電壓信號^［8］；耗能式的工作原理是將檢測線圈頻率經(jīng)同相、異相測量電路處理后輸出一個值，與金屬物設(shè)定值進(jìn)行對比^［9］；平衡式則是由發(fā)射線圈和接收線圈組成，兩個接收線圈差動連接，發(fā)射線圈發(fā)出激勵，當(dāng)金屬通過磁場，兩接收線圈之間會有感應(yīng)電勢差，據(jù)此做出報(bào)警^［10］。四種檢測方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

電磁感應(yīng)式金屬探測系統(tǒng)通常包括探測線圈、磁體、處理電路。探測線圈感應(yīng)磁場變化，通過電路處理轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，通過設(shè)定閾值，判斷是否檢測到金屬。

2 飼料收獲機(jī)械金屬探測技術(shù)方案

國外對金屬探測技術(shù)研究起步較早，最早在飼料收獲機(jī)上進(jìn)行應(yīng)用。飼料收獲機(jī)作業(yè)過程分為喂入、切碎、拋送三部分，物料經(jīng)喂入系統(tǒng)導(dǎo)流進(jìn)入切碎系統(tǒng)，如果物料中夾雜金屬異物，則會導(dǎo)致切碎系統(tǒng)損壞，因此金屬探測功能要求在喂入部分將金屬檢出并移除，因此大部分飼料收獲機(jī)金屬探測裝置安裝在喂入輥內(nèi)部。物料經(jīng)喂入輥導(dǎo)流進(jìn)入青貯機(jī)。為減小喂入輥對傳感器磁場的影響，需對喂入輥進(jìn)行定期消磁處理。

喂入輥以及車體零部件會對磁場產(chǎn)生影響，從而影響探測效果。國外金屬探測裝置一般工作在低頻下，所以喂入輥材料選擇消磁后的奧氏體不銹鋼，以減小對磁場的屏蔽作用，若是工作在高頻下，喂入輥則需要選擇無磁且電導(dǎo)率低的材料^［11］。此外還可通過濾波算法等濾除外界影響。國內(nèi)目前主要采用對金屬喂入輥進(jìn)行定期消磁處理方式，來減少外部金屬結(jié)構(gòu)對金屬探測傳感器的干擾，但是這種方式會使得維護(hù)成本高，影響收獲機(jī)的工作效率和可靠性。

2.1 國外飼料收獲機(jī)金屬探測技術(shù)方案

國外金屬探測系統(tǒng)所應(yīng)用的探測原理大多是電磁感應(yīng)原理。由直流線圈或永磁體產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場，當(dāng)金屬異物進(jìn)入探測范圍，磁場會受到影響產(chǎn)生變化，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，感應(yīng)線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，依據(jù)感應(yīng)電壓的變化判斷是否存在金屬異物。在此原理的基礎(chǔ)上，研究人員對金屬探測系統(tǒng)進(jìn)行了各種設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

2.1.1 金屬異物的位置指示功能設(shè)計(jì)方案

飼料收獲機(jī)進(jìn)料口比較寬大，金屬物體積較小，即使金屬探測裝置及時檢出金屬并報(bào)警，駕駛員也很難及時找到并清除，因此金屬探測裝置需具備指示位置的功能。Byttebier等^［12］設(shè)計(jì)了一款金屬探測系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。傳感器部分包括鐵磁性基板、蓋板、磁體、控制裝置以及感應(yīng)線圈。鐵磁性基板上安裝有六個磁體，中間磁體直徑較兩側(cè)要大，以獲得更加均勻的磁場，蓋板由非鐵磁性不銹鋼制成。傳感器安裝在喂入輥中，喂入輥由非鐵磁性材料制成，固定傳感器的緊固件和墊片也使用非鐵磁性材料，例如奧氏體不銹鋼或者鋁。當(dāng)金屬物靠近磁場時，磁場發(fā)生變化，這種變化可以由感應(yīng)線圈來檢測。

該裝置按照喂入輥長度分成多個檢測區(qū)域，每個區(qū)域有單獨(dú)的金屬探測電路。當(dāng)金屬物出現(xiàn)在某一檢測區(qū)域，金屬探測裝置發(fā)出脈沖信號進(jìn)行報(bào)警顯示，依據(jù)不同的脈沖信號，可以設(shè)置不同的顯示方式，比如駕駛室顯示面板上可通過不同大小的同心圓等方式顯示金屬物大小、位置等信息。可以使外部喂入系統(tǒng)處有聽覺上的報(bào)警，依據(jù)不同脈沖信號指示不同位置，聲音大小指示金屬物尺寸，車外人員可據(jù)此獲得詳細(xì)信息以清理金屬物。檢測信號受到金屬物大小和移動速度的影響，金屬物尺寸越大，信號越強(qiáng)烈，喂入速度越快，金屬物越快靠近金屬探測裝置，信號越強(qiáng)烈，因此檢測信號不能直接用來指示金屬物信息，需要將檢測信號設(shè)置在與速度相關(guān)的水平，對檢測信號幅度進(jìn)行一定的補(bǔ)償，從而提高金屬物尺寸與位置信息的精確度。通過將探測寬度進(jìn)行劃分，可精準(zhǔn)定位金屬物在探測寬度上的位置，通過脈沖信號，可對駕駛室內(nèi)外的人員進(jìn)行精確提示。

Breitenstein^［13］設(shè)計(jì)了一套金屬探測系統(tǒng)，經(jīng)過對探測線圈信號處理可以用來指示金屬異物的位置、移動情況等信息。該金屬探測器應(yīng)用了電磁感應(yīng)原理，8個排列在喂入輥軸線處的磁體產(chǎn)生磁場，繞組5感測磁場變化，信號處理裝置1產(chǎn)生信號傳輸至信號處理裝置2，信號處理裝置2接收并處理信號，然后由急停控制裝置和顯示控制裝置分別控制喂入輥急停與顯示。上述系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了一種方式用來檢測金屬異物及其在物料中的運(yùn)動方向。其規(guī)定了一個時間范圍，當(dāng)檢測到金屬異物時，時間開始，當(dāng)喂入系統(tǒng)停止時，時間結(jié)束，在這個時間范圍內(nèi)，描繪信號與工作寬度和時間的關(guān)系。在駕駛室顯示終端橫排有8個燈，代表8個磁體的檢測區(qū)域，縱向的燈代表時間t₁～t_x，在這時間段內(nèi)，傳感器傳來信號，相應(yīng)的燈亮起，可顯示金屬的位置以及移動軌跡。此外，該系統(tǒng)可以將金屬物報(bào)警信息作為飼料收獲機(jī)位置的函數(shù)存儲在計(jì)算機(jī)中，當(dāng)機(jī)器在田地相同地方工作時，可提示重復(fù)發(fā)現(xiàn)金屬的位置。

Breitenstein^［13］利用傳感器信號與時間和工作寬度的關(guān)系，通過燈陣的形式顯示了金屬的位置及其運(yùn)動軌跡，能夠讓駕駛員在最短的時間內(nèi)取出異物、恢復(fù)工作。

2.1.2 金屬異物抗干擾能力設(shè)計(jì)方案

金屬探測系統(tǒng)安裝在飼料收獲機(jī)上，在車體零部件、工作環(huán)境等影響下，其準(zhǔn)確度受到很大影響，因此需要提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

Byttebier等^［12］設(shè)計(jì)的金屬探測裝置在磁體后面設(shè)計(jì)了一塊鐵磁板用以限制金屬探測裝置后面車體部件的磁噪聲。加裝鐵磁板后磁場變化如圖2所示，鐵磁板的安裝有效避免了車體部件對磁場的干擾，該設(shè)計(jì)可有效提高金屬探測系統(tǒng)的靈敏度。

Bennett等^［14］為提高金屬探測系統(tǒng)抗干擾性，對線圈進(jìn)行了設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

該金屬探測系統(tǒng)的磁場由磁鐵和激勵線圈產(chǎn)生，不同寬度的磁體間隔放置，以使磁場更加均勻，激勵線圈通入激勵電壓，可以產(chǎn)生高達(dá)100 Gs的磁場，探測線圈感應(yīng)磁場變化，兩個探測線圈配合使用。

探測線圈形狀為矩形，在中間位置經(jīng)扭曲交叉形成“8”字型，將線圈分割成兩個等面積的部分，經(jīng)過適當(dāng)制造，使得通過兩個部分的磁通量相等，如圖5所示。由于飼料收獲機(jī)的車體零部件關(guān)于線圈的中間平面具有對稱性，因此飼料收獲機(jī)上的部件對磁場的影響使線圈中產(chǎn)生方向相反的電信號，兩種電信號抵消，因此在輸出端無信號輸出。當(dāng)金屬物體進(jìn)入探測范圍，線圈中產(chǎn)生差分信號，該信號通過導(dǎo)線傳遞到信號處理電路。為了避免金屬物通過中間平面位置不報(bào)警的情況，該裝置采用了一對探測線圈，兩個線圈對于各種磁場噪聲源具有類似的有效對稱度，互相彌補(bǔ)了中間平面位置不敏感的缺陷。該金屬探測裝置通過設(shè)計(jì)探測線圈的形狀，與靜態(tài)磁場有效結(jié)合，極大避免了飼料收獲機(jī)部件對磁場的影響，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

工作環(huán)境、車體零部件等對金屬探測系統(tǒng)的影響，最終影響到的是其信號輸出。 針對信號摻雜噪音的問題，Richard等^［15］提出了一種自適應(yīng)閾值系統(tǒng)。虛線為有金屬物后的總值，微計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行2 500次采樣并確定采樣間隔（6.25 s）期間噪聲分量的正峰值（POSP K）和負(fù)峰值（NE GPKJ），然后兩個單極低通濾波器對正負(fù)峰值進(jìn)行平均，得出兩個值EEPROM_ADAPT_NEGPK和EEPROM _ADAPT_POSPK，代表8 min左右的長時間間隔內(nèi)噪聲分量的正負(fù)峰值平均值，平均正峰值落在70范圍內(nèi)，平均負(fù)峰值落在72范圍內(nèi)。檢測閾值設(shè)置為平均峰值的兩倍，正自適應(yīng)閾值A(chǔ)DAPT.POSTH在74范圍內(nèi)移動，負(fù)峰值A(chǔ)DAPT.NEGTH在76范圍內(nèi)移動。通過對自適應(yīng)檢測閾值的設(shè)置，可以使金屬探測系統(tǒng)的靈敏度保持在當(dāng)前噪聲水平所允許的最高水平，有利于提高系統(tǒng)報(bào)警的抗干擾能力與準(zhǔn)確度。

2.1.3 金屬異物探測準(zhǔn)確性技術(shù)方案

飼料收獲機(jī)作業(yè)時由于金屬異物細(xì)小且運(yùn)動軌跡不定，金屬探測系統(tǒng)會產(chǎn)生漏測等問題，因此需提高系統(tǒng)探測準(zhǔn)確度。

Bohman^［16］ 從金屬探測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度出發(fā)，對線圈的布置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，磁體布置如圖7所示，磁場由兩組具有相反極性的磁體產(chǎn)生，布置兩排，橫向于物料流的路徑，磁體構(gòu)成交錯關(guān)系，其形成的磁場如圖7所示。兩組探測線圈安裝在磁體上方，每個線圈由大約一千個繞組組成，形成了兩個三角形并列的結(jié)構(gòu)，其作用與“8”字形線圈等效。由于磁體兩極之間的路徑上磁場最密集，因此線圈大部分布置在之字形線路上，如圖6中1和2、3和4等，這種布置可使得線圈最大化捕捉到磁場變化。該線圈形狀也使得金屬探測系統(tǒng)呈現(xiàn)出高靈敏度區(qū)域與低靈敏度區(qū)域，即三角形的頂點(diǎn)為高靈敏度區(qū)域，兩個三角形的交點(diǎn)為低靈敏度區(qū)域，為了彌補(bǔ)靈敏度的差別，采用了具有偏移關(guān)系的兩個感應(yīng)線圈。Bohman^［16］的設(shè)計(jì)使線圈能夠最大化接收磁場變化，由于相鄰檢測區(qū)域磁場方向不同，可極大降低金屬通過磁場而未被檢測到的可能性。

針對金屬探測系統(tǒng)對某些行進(jìn)方向的金屬物體敏感度不高而產(chǎn)生漏測的問題，Strosser等^［17］提出了兩種磁體布置方式。第一種方式如圖8所示，安裝板上裝有四個圓環(huán)狀磁體，每個圓環(huán)狀磁體里面又安裝有相對磁極的圓柱狀磁體，圓柱狀磁體上繞有感應(yīng)線圈，用以感測磁場變化。該磁場布置可以產(chǎn)生多方向磁場，如圖8所示，能有效防止金屬物漏測。

第二種結(jié)構(gòu)如圖9所示，其磁體部分為偏置雙齒結(jié)構(gòu)，同側(cè)齒具有相同磁極，每個齒與對側(cè)切口相對，感應(yīng)線圈放置在圖中所示位置。該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場呈“之”字型，磁場方向與物料流的方向成一定角度，減少了金屬探測系統(tǒng)漏測的可能性。

2.2 國內(nèi)飼料收獲機(jī)金屬探測技術(shù)方案

國內(nèi)知名的飼料收獲機(jī)大多不配備金屬探測系統(tǒng)，近年來受國外大型農(nóng)用機(jī)械的沖擊，國內(nèi)廠家開始在部分機(jī)型上安裝金屬探測器，然而由于缺乏自主研發(fā)金屬探測系統(tǒng)的能力，飼料收獲機(jī)廠家只能依賴進(jìn)口。

近年來，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部加快推進(jìn)農(nóng)機(jī)化轉(zhuǎn)型升級工作，使得全國農(nóng)機(jī)裝備結(jié)構(gòu)持續(xù)改善，形成了一批較為成熟的技術(shù)和產(chǎn)品^［18］。

中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院^{［19， 20］}承擔(dān)的“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“青貯飼料收獲關(guān)鍵技術(shù)研究”突破了智能金屬探測、自動磨刀、高效籽粒破碎等核心技術(shù)，其金屬探測固定座置于外殼內(nèi)，其上等間距設(shè)置多個安裝孔，安裝孔內(nèi)安裝有強(qiáng)磁芯與線圈。

其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。該金屬探測系統(tǒng)基于渦流效應(yīng)及電磁振蕩原理，利用檢測模塊實(shí)時動態(tài)檢測金屬探測裝置中每個繞線圈的等效阻抗以及電感值變化，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。控制處理模塊采用卡爾曼濾波方法對數(shù)字量進(jìn)行濾波，設(shè)定數(shù)字量閾值以及臨界預(yù)警值，判斷金屬探測裝置有效檢測范圍內(nèi)是否存在金屬異物，將預(yù)警信號經(jīng)CAN總線傳至總控顯示終端。若存在金屬異物則進(jìn)行預(yù)警、啟動急停裝置定位異物。

該金屬探測裝置可對金屬異物進(jìn)行精準(zhǔn)定位。首先建立金屬物位置及通過該裝置獲取的對應(yīng)數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)庫，當(dāng)金屬物出現(xiàn)在檢測區(qū)域，對金屬物反應(yīng)最強(qiáng)烈的線圈輸出數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行搜索匹配，從而實(shí)現(xiàn)對金屬物的精準(zhǔn)定位。該金屬探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，預(yù)警準(zhǔn)確，采用了卡爾曼濾波算法來提高系統(tǒng)抗干擾能力，可精準(zhǔn)定位金屬異物。試驗(yàn)證明，在最大安全檢測距離100 mm（距線圈端面）的前提下，對直徑0.6 mm，長度12 mm的金屬鐵絲報(bào)警率達(dá)90%。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張慶等^［21］研制了一款金屬探測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示，包括線圈、檢測模塊、控制模塊、工控機(jī)和顯示屏。該系統(tǒng)工作時，在上位機(jī)顯示界面選擇好串口通道，點(diǎn)擊讀取，檢測模塊讀取線圈數(shù)據(jù)并通過SPI通信傳輸至控制模塊，控制模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后通過串口通信傳至工控機(jī)，工控機(jī)接收數(shù)據(jù)并與檢測閾值進(jìn)行比較，連續(xù)低于檢測閾值10次系統(tǒng)報(bào)警。顯示屏幕實(shí)時顯示采樣數(shù)據(jù)，可據(jù)此實(shí)時調(diào)節(jié)檢測閾值，以此改變系統(tǒng)靈敏度。此外，顯示屏幕有三個警示燈對應(yīng)三個線圈，將檢測區(qū)域劃為三塊，當(dāng)金屬物進(jìn)入檢測區(qū)域，蜂鳴器報(bào)警，相應(yīng)燈光由綠變紅，駕駛員可根據(jù)燈光定位相應(yīng)區(qū)域，去除金屬異物。

其金屬探測系統(tǒng)探頭由上蓋板、探測線圈、安裝基體、下蓋板組成。其中對探測線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。首先在COMSOL中建立仿真模型，通過對不同線圈形狀進(jìn)行仿真分析，確定線圈形狀，然后通過有限元仿真與多目標(biāo)遺傳算法（NSGA-Ⅱ）相結(jié)合，分別確定探測線圈內(nèi)徑、外徑、層數(shù)、頻率等參數(shù)。由于該平面螺旋線圈徑向尺寸較大，并且希望線圈盡可能靠近物料，因此將線圈彎曲一定弧度貼近喂入輥內(nèi)壁安裝，經(jīng)仿真計(jì)算，線圈彎曲后性能有所降低，但不影響其功能。三線圈并排陣列，將檢測區(qū)域分為三部分，分別對應(yīng)顯示界面和三個警示燈，有助于定位金屬異物位置。

飼料收獲機(jī)金屬探測系統(tǒng)在作業(yè)時，希望磁場在物料方向盡可能延伸，在車體零部件方向盡可能屏蔽。在該系統(tǒng)工作環(huán)境中，對不同材料進(jìn)行仿真分析，喂入輥應(yīng)選擇低磁導(dǎo)率、低電導(dǎo)率材料，如奧氏體不銹鋼，封裝材料應(yīng)選擇高電導(dǎo)率材料，如鋁、銅等。

祝正虎^［22］提出了一種用于飼料收獲機(jī)的金屬探測傳感器。整個傳感器由緊固件固定在縱向貫穿喂入輥的固定軸上，固定軸開孔，線束從固定軸孔中穿出。在傳感器外殼內(nèi)設(shè)有磁槽，磁槽內(nèi)有帶線圈的磁體，當(dāng)鐵磁性金屬進(jìn)入磁場范圍時，磁體磁通量發(fā)生變化，從而在線圈中感應(yīng)出電動勢，經(jīng)處理組件處理后將信號傳出，控制緊急停車。該金屬探測傳感器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可直接安裝在喂入輥中心固定軸上，此外，線束通過軸孔穿出，充分節(jié)約了空間。

王連山^［23］設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于飼料收獲機(jī)的金屬探測系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，除了實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的金屬探測功能，其主要設(shè)計(jì)了喂入機(jī)構(gòu)停止功能。金屬探測器檢測到金屬物會發(fā)出電信號，電磁控制器接收到信號后控制離合器控制塊，推動離合器撥叉，切斷變速箱與喂入輥的動力傳遞，從而使整個喂入機(jī)構(gòu)停止。該系統(tǒng)使用可靠，可及時避免金屬物喂入切碎系統(tǒng)造成破壞。

3 飼料收獲機(jī)金屬探測面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和未來趨勢

3.1 技術(shù)挑戰(zhàn)

目前國內(nèi)外金屬探測技術(shù)種類越來越多，但應(yīng)用在農(nóng)機(jī)上，主要以電磁感應(yīng)型為主。由于該技術(shù)利用金屬物對磁場的干擾來檢測金屬，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，易安裝，在農(nóng)機(jī)上不必占用太大的空間，得到了廣泛應(yīng)用。

目前，飼料收獲機(jī)械金屬探測主要面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)是系統(tǒng)探測靈敏度以及響應(yīng)時間。飼料收獲機(jī)金屬探測靈敏度主要面臨的挑戰(zhàn)有以下幾點(diǎn)。

1） 外部環(huán)境影響。金屬探測裝置安裝與飼料收獲機(jī)上，其上靜止或運(yùn)動的金屬部件，易對磁場產(chǎn)生干擾，影響金屬探測系統(tǒng)的靈敏度。此外農(nóng)機(jī)惡劣的工作環(huán)境也會對系統(tǒng)的工作造成一定的影響。

2） 金屬探測系統(tǒng)探測線圈長時間工作后會有侵蝕磨損等現(xiàn)象發(fā)生，磁體也會在惡劣的環(huán)境中發(fā)生退磁的風(fēng)險(xiǎn)。這對金屬探測系統(tǒng)的靈敏度會造成一定的負(fù)面影響。

3）

線圈參數(shù)包括材料、形狀、線徑、內(nèi)徑、外徑等，受到多因素制約以至于難以找到最優(yōu)解。線圈與磁體的設(shè)計(jì)、布置會極大影響磁場的分布，從而影響靈敏度。

4） 靈敏度的閾值設(shè)計(jì)。飼料收獲機(jī)遍布各類機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)件，這會對探測傳感器信號產(chǎn)生干擾。因此，如何設(shè)定探測傳感器的靈敏度閾值，使得金屬探測系統(tǒng)既能夠準(zhǔn)確探測到金屬異物的信號，又能夠避免靈敏度過高頻發(fā)誤報(bào)現(xiàn)象，是目前存在的一大技術(shù)難點(diǎn)。這需要針對具體機(jī)型和安裝位置，不斷進(jìn)行試驗(yàn)測試驗(yàn)證和確認(rèn)，來不斷提升系統(tǒng)最優(yōu)的靈敏度閾值。

飼料收獲機(jī)金屬探測系統(tǒng)要求及時檢出金屬并在金屬進(jìn)入切碎系統(tǒng)前清除，因此要求其響應(yīng)時間要小于安全輸送時間。該技術(shù)主要面臨兩項(xiàng)挑戰(zhàn)。

1） 需要提高金屬探測系統(tǒng)靈敏度，提高系統(tǒng)集成度，軟硬件配合，盡量縮短響應(yīng)時間，在輸送通道的前段就及時探測到金屬異物，以便及時停機(jī)處理。

2） 由于目前市面上飼料收獲機(jī)喂入系統(tǒng)大多采用液壓驅(qū)動，制動時間長，傳感器在發(fā)出指令后喂入輥很難在短時間內(nèi)急停，因此需研究相應(yīng)的制動控制策略，減少機(jī)器本身的響應(yīng)時長。

3.2 未來趨勢

金屬探測裝置在飼料收獲機(jī)上的需求越來越大，而目前國內(nèi)在這方面的技術(shù)和產(chǎn)品積累都十分薄弱，成為農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)。目前行業(yè)和主管部門也意識到該技術(shù)的重要性，未來會有越來越多的高校、企業(yè)加強(qiáng)這方面的研究。提高金屬探測系統(tǒng)的靈敏度、減小系統(tǒng)響應(yīng)時間仍是未來發(fā)展的趨勢。

在提高系統(tǒng)靈敏度方面，大多數(shù)對喂入輥材料進(jìn)行消磁處理，該方法需定期消磁，給使用帶來不便。對于該問題以及其他外部影響，除了進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及材料選擇，可通過研究相應(yīng)算法對外部影響進(jìn)行濾除。對于金屬探測傳感器本身，可通過多目標(biāo)優(yōu)化算法對磁體、繞組進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過有限元分析軟件，對其進(jìn)行分析。

在減小響應(yīng)時間方面，一方面需要提高系統(tǒng)靈敏度，使系統(tǒng)盡早檢出金屬；另一方面，需加強(qiáng)喂入輥驅(qū)動系統(tǒng)的研究，制定制動方案，使喂入輥能夠在最短的時間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動。

目前，無論是政策還是市場，乃至國家宏觀支持方向，對金屬探測技術(shù)都越來越重視，在這種大環(huán)境下，金屬探測裝置的研究力度也將不斷加大，其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域會有更加廣泛的應(yīng)用。

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