分类：论文范文 发表时间：2020-04-28 09:47
摘要：传感器是提升我国精准农业产业化水平的关键技术之一．在整个精准农业生产周期中，称重传感器在其中每个环节都有潜在的应用领域，文中从精准农业实施的4个不同阶段：土地准备、精准播种、作物管理、精准收获，对称重传感器在精准农业装备中应用和研究现状进行了总结．在此基础上，进一步分析了当前称重传感器在精准农业实际应用中亟待解决的3个主要关键问题：可靠性、稳定性和动态测量精度．最后，对解决这些问题背后所涉及的关键共性技术，包括敏感机理、制造工艺和计测技术等作了进一步阐述．
关键词：称重传感器；测力传感器；动态称重；精准农业；智慧农业装备
传感器是一种能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置…．称重传感器就是其中一种测量物体质量或受力状况的传感器．其中，基于电阻应变原理的称重传感器由于具有结构简单、成本低和精度高等优点占据了主导地位．电阻应变式称重传感器(简称称重传感器)主要由弹性元件，粘贴在弹性元件上的电阻应变计以及补偿电阻组成，其中电阻应变计和各类补偿电阻连接组成惠斯顿电桥，将被测物理量的变化经过电桥比例转换成电信号的变化心J．称重传感器作为电子称重技术和电子衡器产品的技术基础和核心部件，在很多行业的生产与流通中已经有了广泛的应用．近几年来，随着物联网、智慧物流、智慧农业等新兴产业的迅速发展，称重传感器在一些新的领域也出现了相关应用．精准农业就是其中一个有着广阔应用前景的领域．精准农业又称精细农业或精确农业，是当今世界农业发展的新潮流，是未来农业的雏形．在整个精准农业生产周期中，称重传感器在其中每个环节都有其潜在的应用市场，比如拖拉机的牵引力测量、精准播种、变量施肥与喷药、以及作物的产量监测、草捆重量监测统计等等，都出现了基于称重传感器的相关应用研究．据美国的霍尼韦尔公司在2013年的评估：未来10年，仅在谷物收获管理技术这一领域，开发无线农业传感器系统就能够带动大约860亿美元的投资，由此可见，称重传感器作为谷物产量监测中的关键部件之一，其市场前景一定会十分广阔．文中主要介绍了国内外称重传感器技术在精准农业领域的研究现状，分析了当前国内精准农业领域中称重传感器产业化存在的一些主要技术问题，最后给出了解决这些问题的一些对策分析．
1精准农业领域的应用。
1．1土地准备
土地精整是精准农业中的一项重要内容，主要通过拖拉机牵引农机具进行作业．农具通过安装在拖拉机上的电液悬挂系统进行控制，基本的控制方法有力控制、位控制和力位综合控制等．称重传感器被用来对农机悬挂的受力状况进行测量并反馈给控制系统进行决策，但农具悬挂系统在作业中是一个动态的非线性惯性系统，对它进行综合电子控制一直未能取得满意的效果，主要原因是控制方法和传感器性能的稳定性不能适应复杂的作业环境”J．文献[4]设计了一种可调节宽度和高度尺寸的Dyna—mometer(即一种称重传感器或几个称重传感器的组合)，以适应不同的农具安装条件，节约了成本．文献[5]基于DEOR结构设计了一种测量范围达到180kN的Dynamometer，可以同时测量水平和垂直力，两者之间的互扰低且传感器的线性指标很好．为了提高作业效率和降低能耗，文献[6]为约翰迪尔公司的3140型拖拉机设计了一个新型三点悬挂用Dynamometer，相比其他同类Dynamometer，其测量精度对悬挂点变化不敏感，且制造成本相对更低．随着数字化传感器的不断发展，文献[7]开发了一种嵌入式的数字牵引力测量装置，并于其他传感器数据结合一起对耕作过程中的状况进行分析．
1．2精准播种
播种机是实现精准播种的主要手段，其性能好坏直接影响播种质量及农作物的生长状况和产量．较为直观的应用，是在播种机的种子斗与机架之间安装称重传感器以随时监测种子斗内部的状况，配合速度传感器等可以实现单位播种率的统计．如美国专利US9539927B2【11。，W02012／170548A2t12J等都描述类似基于称重传感器的方案结构与测量方法，它们采用的都是类似Weighbar结构的称重传感器．在国内，王素珍等¨川等在条播机的排种器上设计了一个称重传感器，牵引机装有转速传感器，然后采集称重传感器和转速传感器的读数变化，计算出单位播种量，并可以针对不同播种对象重新标定，适应多种作物的条播精密播种，但是没有说明所述称重传感器的技术特征．
2存在的问题
通过对以上不同子领域的研究和应用概述，称重传感器在精准农业的研究和应用状况可以总结如下：首先，与其他国家相比，欧美国家特别是以美国等为代表的国家在称重传感器在精准农业领域的应用已经取得了一定的产业化成果．在亚洲国家中，日本和韩国也在产业化研究道路上处于领先的地位．我国还没有出现明显的产业化案例．其次，从研究应用领域来看，目前我国称重传感器技术在精准农业的精确收获阶段的应用研究比较多，并取得了一定成果，而在土地准备、精准播种和精准作物管理阶段的研究相对较少．第三，从发展阶段来看，目前我国实际上还处在“工业传感器的农业应用”这一阶段，在很多研究试验中，采用的都是传统的工业称重传感器，这些传感器的功能、灵敏度、精度等方面的水平在农业应用场合下还有很大的提升空间．但是，在我国农业传感器研究过程中，产品意识较为淡薄，使得研究结果应用到生产实践还存在诸多问题，限制了其在精准农业装备中的产业化．最后，结合上述文献的研究结果，文中将称重传感器在精准农业中面临的不利因素归结以下3点：
第一，动态测量精度．动态称重技术一直是国内外传感器公司和研究机构关注的研究领域，也是当前称重传感器在精准农业应用中主要考虑的问题．除了传统动态称重领域中需要考虑的一些干扰因素外，还需要考虑由于农机在工作运动时，不可避免地会受到来自各个方向的冲力，这会导致安装在车辆上的称重传感器感受到除重力之外的其他干扰力，导致测量精度降低；同时，地面的不平整，也会使得称重传感器在测量时不一定保持在理想的水平位置状态，也会影响到测量精度，所以农机工作状态下的动态测量技术，需要考虑的干扰因素更多，也更为复杂，有必要深入进行研究．
第二，稳定性．这是目前研究中一个容易忽略的关键问题．文献[29]对这此做了简单的补偿研究，但对输出漂移的内在机理未作深入分析．对传统的称重传感器应用场合来说，传感器输出数据不易察觉的缓慢漂移在以往多数称重的场合并不会对计量精度造成显著影响，因为可以在每次称重前通过仪表端清零消除漂移误差．但是，在农业装备中的称重场合下，更多时候传感器需要长时间进行实时称重计量，这样就无法采用传统的仪表清零方法来消除漂移误差．另外一个不可忽视的情况就是，车辆在使用时总是会产生颠簸振动，相当于对称重传感器的加速老化，从而导致测量误差会加速地累积，这就需要称重传感器具有更高的长期稳定性．
第三，可靠性．可靠性是一项新技术或产品在产业化时所必须解决的关键问题．农业装备中的车载称重传感器在实际工作中不可避免的会遇到路面不平带来的颠簸冲击、装卸物料过程中的冲击、车辆碰撞冲击以及野外风吹雨淋等等情况．这就要求称重传感器应具有较好的抗冲击性能、防水防潮能力和一定的工作寿命．在车辆行业，一般要求零部件达到10年的预期工作寿命，比一般电子衡器对工作寿命的要求要高得多．虽然，国内一些相关研究涉及到了称重传感器设计，但此类传感器在农机工作环境下的使用寿命并未得到有效验证，传感器可靠性相关的封装设计等技术并未深入考虑．3应对策略通过上述分析，认为称重传感器应用于精准农业的关键在于解决称重传感器的可靠性、稳定性和动态测量精度问题．为了寻找解决问题的方案，有必要在传感器技术层面对这3个问题背后涉及的关键技术做进一步分析．可以将传感器的技术领域分为四大关键基础点：敏感机理、功能材料、制造工艺和计测技术旧9I．涉及解决称重传感器可靠性的关键技术包括称重传感器的敏感机理(如弹性元件设计等技术)、功能材料、制作工艺(如密封工艺)等；涉及稳定性的关键技术包括称重传感器的功能材料、制造工艺(如老化工艺)等；而动态测量精度的关键技术则与称重传感器的敏感机理、计测技术(如动态补偿算法等)等相关．可见，传感器的可靠性、稳定性以及动态测量精度这3个问题并不是孤立的，它们都涉及到称重传感器技术领域中一些共性关键技术．
4结束语
随着现代农业装备不断向自动化和智能化发展，称重传感器必将越来越多地应用到农业生产中．由于农业生产作业的复杂性，对称重传感器及技术也提出了更高的要求．研发出响应速度快、抗干扰能力强、高可靠性和高精确度的车载称重传感器已成为发展方向之一．基于焊接密封设计的动态数字称重传感器的研发是其中一条有效的途径．目前，由于缺少相关基础制造工艺和计测技术的研究，导致此类传感器的稳定性和精度都较差，国内还没有相应的成熟产品出现．因此，从事这方面的研究具有实际应用价值，也有助于国内传感器公司产品达到或超过国际先进水平．
参考文献(References)
[1]谢杨春．传感器在农业上的应用[J]．工程技术(文摘版)，2016(8)：266—267．XIEYC．Applicationinsensorsinagriculture[J]．EngineeringTechnology(AbstractEdition)，2016(8)：266—267．(inChinese)
[2]何道清，张禾．传感器与传感器技术[M]．3版．北京：科学出版社，2014．
[3]庞昌乐，谭或，鄂卓茂．拖拉机作业机组智能化技术的研究现状及发展趋势[J]．中国农业大学学报，2001，6(4)：71—75．
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