電容法化肥余量檢測裝置設計與試驗范文

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摘要：為了提高我國農業機械化的完善程度，實現中耕機械化肥箱化肥余量的在線監測，本文根據肥料與空氣介電常數的差異性，設計了一種基于電容法的化肥箱化肥余量在線監測系統。采用電容轉換芯片和單片機構成電容檢測電路，并搭載CAN總線將實時采集的數據進行處理、傳輸。建立了氮肥（尿素）與電容輸出的關系模型，并對模型進行了驗證。試驗結果表明：化肥余量監測系統，對于化肥余量的監測最大誤差率為1.4%，系統能夠精準的對肥料的余量情況進行在線檢測，電容式化肥箱余量檢測裝置為化肥箱的余量在線獲取提供了有效途徑，對于完善我國農業機械化水平有具重大意義。

關鍵詞：機械化；電容；設計；施肥機

引言

中耕施肥是農作物在生長過程中一項重要的田間管理環節。中耕機械的排肥作業質量直接影響中耕作業質量，當肥箱出現肥料排空時會導致漏播現象的發生，容易造成農業生產的損失。對化肥箱化肥余量的在線檢測是目前國內外相關學者的研究重點之一。人工檢測法是目前生產中普遍的檢測方法，由于人工在進行檢測時存在檢測不及時等弊端，會出現肥箱排空的現象。本文設計一種基于電容傳感器的化肥余量檢測裝置，提高檢測精度[1]。本文設計的這種電容信號獲取與實時傳輸的中耕施肥作業機械化肥箱化肥余量檢測裝置，由電容傳感器獲取化肥箱中化肥余量的信息，以實現對施肥作業情況的實時監測。

1化肥余量檢測原理

中耕施肥機械在正常作業過程中，化肥在封閉的肥料箱中，由于肥料的介電常數與空氣的介電常數存在明顯差異，經由排肥器下落的化肥會導致化肥箱中料位的變化，會使極板內物質的介電常數發生變化，從而導致輸出電容發生變化，此時傳感器輸出電容變化量為：式中：△C為肥料通過傳感器時電容的變化量；F。ξ1為化肥介電常數；F/m。ξ2為空氣介電常數；F/m。S為電容極板的面積；m2。K為靜電力常量；D為極板間距離；m。由式（1）可知，傳感器所輸出的電容的變化量與中耕機械化肥箱中化肥余量的料位呈線性關系，因此通過實時獲取電容信號的變化可以實現對中耕機化肥箱中化肥料位的在線檢測。除此之外，當肥料剩余量不足時，及時提醒駕駛人員需停車，并對化肥箱中的化肥進行添加，將進行中耕施肥作業所使用的人員數量減少，最大限度的減少安全事故的發生率，消除安全隱患。

2系統硬件設計

2.1裝置總體設計中耕機械化肥箱余量檢測系統主要由微電容測量電路模塊、單片機處理模塊、供電模塊以及車載終端組成[2]，圖1為中耕作業機械化肥箱化肥余量檢測系統結構示意圖。檢測所使用的電容式傳感器安裝在化肥箱體與底部垂直的箱體壁上，主要檢測化肥箱中化肥的剩余量，車載終端位于駕駛室內對處理后的信息進行顯示，在化肥箱中化肥余量不足時通過報警指示顯示報警狀態。 

2.2化肥余量檢測傳感器結構設計化肥箱化肥余量檢測傳感器是測量系統中的最關鍵的部件，安裝位置簡圖如圖2所示，其性能的穩定性直接影響測量的效果，電容式肥料余量檢測傳感器主要組成部件有化肥箱、電容極板、信號調節電路、屏蔽外殼以及外圍電路組成，結構如圖3所示。化肥箱主要由金屬材料構成，主要起到對電容極板支撐的作用；電容極板194mm*278mm*0.5mm，用樹脂材料將電容極板充分與化肥箱體隔離。

3試驗結果與分析

3.1試驗材料與試驗裝置試驗選用的肥料為農業常用的顆粒狀肥料：尿素（氮肥）。肥料顆粒均勻，無結塊、變質等現象[3-4]。為了驗證電容式化肥箱余量檢測系統的可靠性，在中耕施肥試驗臺上進行化肥箱化肥余量檢測試驗，試驗臺主要由化肥箱、排肥軸、液壓系統、排肥管以及整機的中控系統組成。該實驗裝置由液壓系統驅動中耕機械的排肥軸轉動，模擬生產作業過程中轉動的地輪所提供的動力；通過整機的中控系統可以改變排肥軸的轉速以及作業時間的監測，可以實現排肥軸連續工作，達到化肥箱化肥余量的在線監測。

3.2數據分析先檢測化肥箱空箱狀態時的電容值P1，再將化肥箱中填滿化肥，化肥填裝量超過電容極板的邊緣，測量出此時化肥箱的電容值P2，那么P2/P1就是化肥箱中所添加的化肥種類的介電常數；利用不同作業時間化肥箱中如表1所示，化肥余量所占據電容極板的百分比利用公式p2/p1計算此時的電容量；然后利用電容表測量此時的化肥箱中的電容量，與所計算出的電容進行誤差分析。通過分析化肥剩余含量的百分比與電容值的變化趨勢，得到實際作業中化肥余量的變化與電容值的變化的線性關系，并對變化趨勢進行驗證性試驗，同時評價檢測系統對化肥余量檢測的穩定性。隨著作業面積的增加，化肥箱中化肥余量逐漸減少，利用電容傳感器檢測化肥箱中化肥的電容變化值，利用電容值的計算方法可得數據如表2所示（單位pF）。4結論中耕施肥作業機械的余量檢測裝置的作業檢測情況較為精準，對于化肥余量的監測最大誤差率為1.4%，監測系統能夠精準的對肥料進行檢測以及傳輸，對國內農業機械的在線檢測提供了有效途徑。

參考文獻：

[1]王新嵐.淺談傳感器在農業機械中的重要性[J].農業技術與裝備，2016(4)：21-22.

[2]梁碩.電子信息技術在農業機械中的結合[J].消費電子，2014(6)：175.

[3]趙一鳴，趙睿，朱建峰.電子信息技術在農業機械領域的應用[J].南方農機，2017，48(1)：17.

[4]王瀟，李志玉.農業機械與電子信息技術的結合研究[J].南方農機，2016，47(12)：15.

作者：趙明巖 王熙 單位：黑龍江八一農墾大學工程學院