光电式籽棉质量流量传感器的试验研究

梁　锦，马　蓉，张长龙，石　翔，谢振伟

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832000)



光电式籽棉质量流量传感器的试验研究

梁锦，马蓉，张长龙，石翔，谢振伟

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832000)

摘要：针对籽棉在管道中的输送过程，设计了一种光电式籽棉质量流量传感器，以实现籽棉质量流量的检测。在籽棉质量流量试验台上对该传感器进行了测试与研究，确定了籽棉质量流量和光电传感器输出信号的关系，发现二者的有非常良好的线性关系，并对二者进行了线性拟合，拟合度R2= 0.99，表明该传感器是非常具有潜力的。

关键词：籽棉；质量流量传感器；光电式

0引言

近年来，新疆生产建设兵团大力推广采棉机，机采棉的种植面积越来越大[1-2]。目前，采棉机械和棉花加工机械普遍采用管道气力输送方式[3-5]，结合籽棉自身的物料特性，由此可以确定进行在线质量流量检测的最优形式为非接触式测量。棉花的气力输送过程属于典型的气固两相流稀相流的研究范畴[6]。现阶段，气固两相流的非接触式检测方法主要有光电法、静电法、超声波法和电容法等[7-10]。鉴于应用场合和成本，籽棉质量流量检测采用光电法比较合适，即利用光衰减或透射性转换成相应电压信号或频率信号等信号输出的方法是比较合适的检测方法。一些学者已经开展了其他原理的籽棉质量流量检测方法的研究，如差分式电容法[11]、管路压差法[12-13]、微波法[14]，但这些方法目前仍处于室内研究阶段。

本文提出了一种基于光电法检测籽棉质量流量的方法,并设计和搭建了籽棉流量试验台进行了试验。同时，本文还对室内试验和和田间试验的一些差别进行了讨论。

1测量原理及装置

1.1籽棉流量的光电转换

光电传感器基本工作原理如图1所示。发射传感器包括发射端和接收端两部分：发射端发射出固定波长的光束，通过平凸透镜后成为平行的光束，平行光束在穿过输棉管横截面的后达到输棉管另一侧的接收端感光区；接收端由对应的光电感应芯片构成，通过安装在表面的凸透镜，将发射器发出的到达感光范围内的平行光分别聚焦到光电感应芯片的感光体凸点上。如果没有棉花通过输棉管时，传感器输出的信号不会发生改变；而如果籽棉在通过光电式传感器时，由于光通量的变化，传感器输出的电压将发生变化。

图1　光电检测原理图

当籽棉在风力作用下流过输棉管时，将会对光造成衰减，传感器接收端的信号减小并产生一个电压信号，通过试验能得出光强的衰减量与籽棉流量大小的关系。光衰减率为

式中Vp—没有棉花通过时接收端的输出电压；

Vi—有棉花通过时接收端的输出电压；

φ—光衰减率。

1.2光电传感器的设计及安装

安光辉在试验台上开展了籽棉纤维对不同波长的光源的衰减作用的检测试验，试验波长范围为400～1 100mn。试验结果表明：940nm的近红外光源对籽棉纤维具有良好的衰减特性，且对棉花品种和含水率不存在显著关系[15]。

传感器包含发射端和接收端两个部分，其结构图如图2所示。基于以上理论分析,传感器发射端阵列选用5个Vishay公司的TSAL6400的近红外LED作为光源，其波长峰值为940nm，工作电流范围为 20～100mA，具有较高的辐射强度。发射端的接线图如图3所示。

图2　传感器结构图

图3　发射端电路图

传感器接收端阵列选用5个美国德州光电仪器公司(TIAO)生产的光电转换器TSL260R，可根据接收到光强的强弱,线性输出相应的电压信号。每个TSL260R的信号线分别接向数据采集模块的对应通道。接收端的接线图如图4所示。

为了便于传感器安装，在输棉管中部位置的上表面和下表面开了4个133mm×51mm的槽，安装的位置如图6所示。在本次试验中，输棉管上安装了两套传感器，分别为传感器1和传感器2。

图4　接收端电路图

1.3电压信号的采集及软件

试验中，电压信号的采集使用的是USB7325A型高速光电隔离型模入数据采集模块(北京中泰研创有限公司)，可进行多路信号采集，采集的电压范围为0～4V、0～5V、0～10V、±3V、±5V、±10V，可采集16组数据，本次试验中选择的范围是0～10V。传感器1接收端和数据采集模块的3～7通道相连，传感器2接收端和8～12通道相连。数据采集软件的采用的是LabView软件，主要包括通讯参数的配置、数据实时曲线图及数据保存等功能，数据采集界面如图5所示。

图5　时性数据采集界面

2籽棉流量检测试验台

籽棉流量试验台的结构简图如图6所示。该试验台的设计尽量和现有的采棉机上气力输送部分保持一致。试验台主要由风机、喂棉箱、输棉管道、流量控制器、储棉箱和高精度电子秤组等组成。风机选用的是5-29-350型离心风机(新疆永通风机厂，380V)，额定转速3 150r/min，流量为3 876m3/h，全压3 555Pa。与之配套的电机采用的是西安西玛电机有限公司的Y100M2-2型电机，额定功率为15kW。经过测定，出口的风速为35m/s，和采棉机上的风速大致接近。

喂棉箱中包含两个喂花辊，其旋转方向相反，能将籽棉比较均匀地喂入到输棉管中。喂花辊驱动由1001-6型(凯利达防爆电机，380V)可调速电机驱动，传动方式为链传动，经过变速后与链轮同轴的喂花辊最大转速为34r/min。变频器与该电机相连，通过调节变频器上的旋钮来调整喂花辊的转速，从而控制籽棉流量。

图6　试验台结构简图

3试验与数据分析

3.1试验方法及步骤

先后打开风机电机开关和喂棉电机开关，等棉花流量比较均匀时开始测量并采集数据。籽棉通过输棉管，传感器采集到信号，籽棉最后进入储棉箱中。储棉箱的下方安装有高精度的电子秤，用来称量储棉箱中籽棉的质量。调节变频器来改变籽棉流量的大小。进行试验时，每次测量的时间分为30、60、90、120、150、180s。每个时间段的试验重复4～5次，每次重复试验时都会对流经管道的棉花进行称重。

输棉管的截面是保持固定的，棉花的质量流量按每次试验的棉花总质量除以时间进行计算。计算公式为

式中m—每次试验时通过；

t—每次进行试验的时间；

Q—籽棉的质量流量。

其它籽棉流量的大小的标定也按照这种方法进行。

3.2试验结果分析

在正常情况下，试验台的总体运行情况良好。可以通过调节变频器实线籽棉流量的改变，满足籽棉流量室内测试试验的要求。然而，当变频器的数值为5或者更高时，籽棉有时候会堵塞在输棉管的入口处，则需要一台更大容量的风机来测量更大的籽棉流量。当变频器的数值为3.0时，试验台每分钟能输送3.94kg籽棉；变频器数值为4.0和4.5时，每分钟分别能输送籽棉的质量为8.43kg和9.48kg。变频器的数值分别设置为3.0、4.0、4.5时，得到的试验结果如图7、图8和图9所示。通过分析这3组试验结果可知：试验时间和籽棉的质量有很强的线性相关性。

图7　试验时间与通过籽棉的质量(1)

图8　试验时间与通过籽棉的质量(2)

图9　试验时间与通过籽棉的质量(3)

光电式籽棉流量传感器的测试结果如图10、图11和图12所示。通过输棉管的籽棉质量与传感器的输出信号有非常好的线性相关性。图10的输出信号是传感器1和传感器2输出信号的总和与输送籽棉自量的关系，表明通过的籽棉质量和总的输出信号的线性拟合度R2= 0.99；图11所示是只有传感器1的输出信号与输送籽棉质量的关系；图12为只有传感器2的输出信号。由此可知：通过的籽棉质量与两个单独的传感器输出信号同样有一个非常高的线性相关性(R2=0.99)。通过两套传感器进行试验的结果可知：使用一套传感器即能获得比较准确的试验数据。测试结果表明：该传感器对棉花测产具有巨大的应用潜力。

图10于 籽棉质量和传感器输出信号的关系

图11　籽棉质量和传感器输出信号

图12　籽棉质量和传感器输出信号

4讨论

1)通过多次试验还发现：试验中用来测试的籽棉在通过试验台1次后会缠绕在一起且外形有了一定的改变。这种物理上的形变可能会影籽棉流量与传感器测量结果的一致性，扭曲后的籽棉的密度明显会高于松散的籽棉。当在试验台上进行试验时，籽棉物理上的形变也应该考虑在其中，不建议将试验样品棉花使用2次以上。

2)值得注意的是，即使在变频器的数值相同的情况下，测试的结果也会有所变化。例如，变频器的数值为3.0时，持续时间为60s的籽棉流量比平均流量速率高18.34%；而当变频器的数值从3.0调至4.0时，籽棉流量降低13.20%。该情况在传感器后期的标定时进行考虑。

5结论

1)当变频器的数值不同时，试验时间和通过的籽棉的质量有非常良好的线性相关性，说明了试验台满足室内研究的要求。

2)通过的籽棉的质量和传感器的输出信号的相关性非常好，通过线性拟合，拟合度R2= 0.99，说明传感器具有很好的潜力，利用光电传感器是可行的。

3)指出了一些室内试验和田间试验的区别，这些问题需要在传感器的标定和优化的过程中予以考虑。

参考文献：

[1]佚名.精准农业[J].农业科技与信息,2015(6):89.

[2]高玉芝,王君玲,李成华.我国旱地育苗移栽机械化面临的问题及应对措施[J].沈阳农业大学学报,2004,35(2):145-147.

[3]Yong Yan.Mass flow measurement of bulk solids in pneumatic pipelines[J].Measurement Science and Technology，1996(7)：1687-1760.

[4]张彦娥,张漫,张文革,等.采棉机测产系统数据采集与处理的试验研究[J].农业机械学报,2005(4):95-98.

[5]李鹏.采棉机测产系统智能监控技术研究[D].北京:中国农业大学,2005.

[6]李序,金喜平,季秀丽.气力输送管道中固体颗粒质量流量测量技术及装置[J].仪器仪表学报,2001,22(4):8.

[7]田硕.气/固流速度测量静电传感器优化设计研究[D].北京：北京交通大学,2014.

[8]田昌.基于超声法测量气固两相流颗粒相浓度研究[D].上海：上海理工大学,2013.

[9]周利明,李树君,张小超,等.基于电容法的棉管籽棉质量流量检测[J].农业机械学报,2014(6):47-52.

[10]沈雷.输棉管籽棉流量光电检测模型建立与优化[D].石河子：石河子大学,2014.

[11]周利明.基于电容法的棉花产量和播种量检测技术研究[D].北京：中国农业大学,2014.

[12]Funk P A, Gillum M N, Hughs S E, et al.Mass flow measurement of seed cotton[J].Transactions of the ASAE，2000,43(6):1401-1407.

[13]Mailander M, Moriasi D. Test of pressure transducer for measuring cotton flow [J].The Tournal of Cotton Science, 2011(15):137-143.

[14]Joseph P J,Donald L G.Microwave flow sensor for a harvester: US, 6606571B2 [P].2003-08-12.

[15]安光辉,马蓉,芦帅,等.棉纤维质量密度光学检测模型的优化[J].农业工程学报,2012(10):253-258.

Experimental Study on Seed Cotton Mass Flow Sensor Based on Optoelectronic Detection

Liang Jin, Ma Rong, Zhang Changlong, Shi Xiang, Xie Zhenwei

(Machinery and Electricity Engineering College，Shihezi University，Shihezi 832000，China)

Abstract：For seed cotton delivery process in the pipeline, a seed cotton mass flow sensor was designed in order to measure mass flow of seed cotton.The sensor was tested on the cotton-harvester-flow simulator with different cotton flow rates, and the relationship between feeder rate and amount of conveyed seed cotton was found to be consistent. It showed that the output signal was very strongly correlated to conveyed cotton weight with a R2of 0.99, indicating that the sensor is very promising.Finally, some differences between laboratory testing and field-testing was noted.

Key words：seed cotton; mass flow sensor; optoelectronic

文章编号：1003-188X(2016)06-0200-05

中图分类号：S237

文献标识码：A

作者简介：梁锦(1989-),男，四川锦阳人，硕士研究生，(E-mail)443663612@qq.com。通讯作者：马蓉(1974-)，女(回族)，新疆石河子人，教授，硕士生导师，(E-mail)lzymrhs@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(F030305)

收稿日期：2015-07-09