PVDF压电传感器在播种种子数和库尔特堵塞检测过程监控

文摘

提出了一个测试的结果使用压电传感器由PVDF箔播种计数谷物和检查堵塞的演习。的测试是在模拟器进行播种钻使用一个高输入阻抗的测量系统。两种大麦和黑小麦谷物。测量进行了不同喂养频率。的基础上的信号记录,一个算法计算播种粮食是开发和测试。该算法是基于信号统计比较相邻窗口。发达算法允许计数超过90%的播种谷物。

1。介绍

在现代农业中,这两个关键问题确定耕地的经济效率和工业设备利用率的挑战是获得颗粒均匀分布在整个领域的检测播种机coulter堵塞(1- - - - - -6]。解决这两个问题允许增加粮食生产的效率,同时减少除草剂的使用,肥料和水。第一个问题,播种均匀性,允许更精确的种植。这是由于这样的事实,可以预测最优对肥料的需求,除草剂,和水。如果播种不均匀分布,应用不同的代理在整个地区将导致本地赤字或过度。类似的,第二个挑战,避免堵塞,在生产效率方面是很重要的。堵塞的条播机coulter结果的领域没有播下种子,每公顷总体生产能力下降。在这个过程中使用的基本参数是播种的频率,一个描述的测量单位面积种子。通常,它是由种子的数量每平方米(7,8]。光学测量方法被用于古典解的确定播种频率(9]。然而,他们是不可靠的播种过程中由于含尘量较高。一个有前途的替代方法是使用聚合物或陶瓷压电传感器来检测播种种子。由于此类传感器的低价格,高强度,高操作频率和高信噪比,他们允许精确计数的播种种子10,11]。现有的文献对压电式传感器的使用是有限的。黄的工作等。12)使用PVDF膜的形式描述了一个系统一个悬臂梁,使用电压产生的后续事件监控播种种子的过程。当电压脉冲不生成,它表明系统中发生堵塞。在文献[13),描述的播种和施肥系统。肥料控制模块采用PVDF膜检测压力供应管道堵塞导致创建。在这种情况下,一个压电传感器作为压力测量装置。此外,还有商业系统,应用压电传感器;例如,AIRidium®系统从Muller-Elektronik能够计算事件粮食10 kHz的频率(14]。然而,制造商不提供技术数据使用的材料类型,信号处理算法,和真正的计算效率。

压电播种种子的原则计算系统是利用薄压电材料与电极两侧。铝箔放在播种机系统,气动驱动的种子与种子罐之间的路上相撞,库尔特。这导致压电极化材料,可以观察到的电压变化或传感器电极之间的电流。正确操作的关键因素是一个优化设计的传感器和信号处理算法的发展获取完整信息的碰撞。开发过程的第一步是获取电子信号的时间和频率特征所产生的碰撞和压电薄膜的不同类型的种子。本文提出的测量结果的电响应定制设计压电传感器应用计算multicoulter种子播种的种子数量的钻。测量使用实验室进行设置,模拟条播机的工作。分析了信号来自单一的冲击以及系列。提出了一种有效的信号处理算法对计算影响的数量和算法的效率评估。

2。材料和方法

2.1。播种过程实验装置

为了分析与压电薄膜碰撞的现象,一个实验性的安装设置。它提出了图的照片1。

气动驱动的种子在种子钻达到一定的速度取决于他们的重量,大小,符合空气动力学的形状。鼓风机的速度被选中的两倍常规演习,以提高检查现象(15,16];(17- - - - - -19]。测量气流速度约为50毫秒⁻¹,管直径28毫米。种子速度,测量使用高速摄影机,在8 - 12 ms的范围⁻¹,测量种子的残雪系数分别为0.37±0.14过冬大麦(提多)和0,4±0004黑小麦(Borwo) [20.]。开发的测量系统背后的想法是将压电传感器以这样一种方式,种子,从而产生一个电压信号。碰撞时间是在一系列单独的毫秒(21]。为了确定正确的测量系统的配置,有必要确定这些碰撞的特点,确定固有频率的压电薄膜和测量系统。几层连接的传感器开发建设包括一个灵活的乐队。在图2,给出了传感器的横截面。

谷物达到1毫米厚橡胶层,用于吸收冲击能量的谷物和延长时间的交互。它也减少了颗粒的影响角度旋转和不同的影响。能量转移到橡胶层变形压电薄膜和诱发电压信号。铝盘与弹簧的厚度5毫米和2毫米,分别作为绝缘体的外部振动和安装支架。不同成分的板从1毫米到5毫米厚度进行了分析。示波观测表明,这样的组合建立播种参数,信号质量是最好的。前面的传感器表面可以自由调整大小的根据粮食输送管;在实验装置1厘米3厘米。大约这个尺寸将应用程序所需的种子演习计划的第一个自定义为实际应用:AKPIL(500年钻,虎、Gepard、龙卷风)和Farnet(猎鹰和Monsun家庭)。提出传感器,箔制成的PVDF(聚偏二氟乙烯))使用,通常用于制造压电传感元素。 It was selected because of several advantages over the other materials [10,22]。PVDF薄膜弹性远高于其他晶体压电材料应用于微米薄层的形式,如压电陶瓷(铅、钛和氧化锆合金),(AluminumNitride)层或钛酸钡。由于它的广泛使用在高振动条件和强大的环境危害,PVDF膜预计将持续更长时间。此外,由于预期的工业规模生产建议的解决方案,一个重要因素是它的低成本。PVDF的电影,它来自于简单的传感器制造工艺。AlN相比,PVDF箔在传感器的应用程序通常是放置在一个分层的体系。两边是涂了一层金属电极由silver-doped耐墨水和保护层的聚合物,例如,聚酯薄膜(对苯二甲酸乙二醇酯乙烯)。最重要的参数的重要使用箔种子影响检测展示在表1。


参数	价值	单位

压电系数d_31日	23	10⁻¹²CN⁻¹
压电系数d₃₃	−33	10⁻¹²CN⁻¹
电容C_u	380年	pFcm⁻²1 kHz, 28μ米
杨氏模量E	2 - 4	平均绩点
电介质介电常数	12 - 13	- - - - - -
接触电阻	0.1	欧姆/□

电力箔的等效模型如图3的测量系统,它使用一个测量高阻抗模拟输入卡(> 10 GΩ| | 100 pF)和高ADC动态(16位)。

可以分析压电薄膜电作为电压源串联连接有一定能力C₀,这取决于箔厚度(逆依赖),其表面(比例依赖)。一个电压源所产生的电压正比于箔上的力,导致电荷的电极之间的生成。终端的电压值是强烈影响的测量仪器连接到他们(23]。由于有限的输入阻抗值,创建一个分压器电容之间C₀的输入阻抗R_数据收集设备,导致被测信号值的变化取决于频率,创建一个高通滤波器时间常数t等于

在检查了配置,采集(数据采集)倪myDAQ卡是用于动态信号采集。输入阻抗的值在这个模型中高于10 GΩ,结果在一个高价值的时间常数和发电电压超过测量范围的可能性,从而创建的风险损害的ADC测量卡。为了这个目的,一个10 kΩ- 100 kΩ电阻器被连接在平行测量电路,以减少时间常数和限制输出电压。在这样一个电路,电压值的测量和分析是一个导数种子在碰撞接触力。使用此设置,可以精确观察的过程中碰撞和能量和动量传输的过程压电薄膜。

3所示。结果与讨论

3.1。单支安打

影响种子被记录在两个基本模式。最初,种子是美联储通过旋转给料器,确保种子被美联储退出机制在相等的时间间隔。旋转给料器是由两个轮子的形式放在彼此的顶部。下一个是静止的,上一个是由齿轮驱动电机(10秒/ rpm)。有23个洞钻在轮子和只有一个,大,底部的轮子。洞在两轮比赛中彼此的立场。谷物放在上面的洞洞重叠在旋转时,粮食是引力送入实验平台。每次服用一至三种子。大麦和黑小麦种子。模拟信号被记录的数据采集卡连接到电脑。 The data was recorded in the form of a voltage signal for later analysis with frequencies of 50 k–100 k samples per second. Figures4- - - - - -7显示所选记录影响所有类型的种子进行测试。

这是观察到,尽管不同的重量和形状的颗粒导致他们不同的飞行速度和获得动能,是不可能认识到种子的类型的基础上记录的电信号。

由于复杂的形状馈线电缆、传感器领域,信号记录从单一的打击可能相差很大。在数据4和7,可以看到大麦和黑小麦影响,使传感器区域产生共鸣。共振频率是4000 - 4500赫兹,振幅损耗系数α= 0.5。然而,损耗因子并不总是整个弛豫时间常数。可以观察到不同的响应下半年的第一期。的影响如图4可以观察到,减少初始信号的速度快得多,同样的总比图弛豫时间7。

数据的分析5和6显示了一个完全不同的课程的影响(大概谷物达到下一个不同的角度)。衰减系数是α= 1和主频率是1600 - 1800赫兹。振动传感器响应的影响诱导一个完全不同的模式。此外,可以观察到不同的传感器响应后第一期。在图中5,可以观察到一个连续的弛豫过程,在图中6非高斯噪声,信号明显变暗。

然而,冲击能量足以衡量压电传感器的响应,描述连接到系统,计算种子的数量。此外,高变异的最大的观察信号振幅。结果从系统中传感器的位置和变量的能量传播在每个影响。虽然标准化的种子大小和质量,因此一个统一的气流将导致类似的速度,实现种子的影响变量的角度由于供应管道的形状,从而导致信号幅度变化。此外,信号受到额外的形状工件的种子从墙上反射供应电缆再次罢工传感器。我们可以看到在上面的数据中,颗粒撞击产生非常不同的信号。他们可以用一个变量描述正弦波形衰减系数ß。测量信号的分析的基础上,据估计,传感器的响应的基本频率影响的范围是在1 - 2千赫。这是由于影响的持续时间,学的传感器和测量系统的电路设计。在现实条件下,种子为单个库尔特是20 - 250 Hz的速度。这些信息,连同测量单支安打,使开发有效的影响计算和喷嘴堵塞检测算法。

3.2。信号处理算法

为了计算数量的种子,作者开发和测试一个自定义的算法。其操作是基于信号变化的分析。它的参数选择的基础上记录单拍。该算法使用统计数据在两个相邻不同长度的时间窗。操作由一个确定的原则标准偏差信号的第一个窗口,然后比较标准差在下一个窗口中。Organigramme图的算法8。

该算法允许检测影响他们的区别噪声的基础知识。该算法适合连续操作。窗户的统计数据是被某种固定的移动向量。发达的参数算法的阈值触发(信号的标准差比windows)和个人窗口的长度。图9发现显示了一个示例的影响通过发达算法一起标记窗口进行了测量。

检测机制有一个内置的饱和度机制,使中风的避免重复计算源自佝偻病种子。关键的问题是要选择合适的窗口时间的长度。实验,第一个窗口的长度被选为10毫秒,反映的客观平均信号之间的平衡能力和干扰的价值。第二个窗口的宽度是2女士基于个人记录的分析。此外,为了避免干扰噪声组件的时期与窗口的宽度,信号通过过滤是一个椭圆高通滤波器。过滤器的顺序是4,参数选择提供衰减比30 db在通频带损失低于3 db。直通和阻塞乐队之间的过渡是在200和250赫兹之间。图10介绍了滤波器的特性。

过滤器转角频率对应窗口的长度检测用于影响,从而消除周期性噪声的影响窗口的宽度,人为地抬高两倍标准差计算在第一个窗口。

3.3。性能测试

的质量测试计数算法进行两种类型的样本。在第一种样品种子给通过旋转给料器的23个隔间。的旋转给料机持续了约10秒。通过将种子在单个分区,可以控制其喂养(单个或一组两个或三个种子),大约每450毫秒。第二种类型的记录信号是信号产生的种子扔在少数50种子变成一个漏斗。知识的种子扔进料斗允许精确的基准种子计数算法。图11是一个检测到的信号段打标记的例子。

可以看出,该算法允许精确计数的谷物中风。图12显示了不同的谷物类型的结果取决于不同的触发阈值。

上面的图的分析表明,最优的触发阈值范围在2.5 - 3。如果值较低,有一个不正确的噪声计算的影响。大值忽略了节拍,发出微弱的信号,导致种子不被正确计算。

4所示。结论

上述工作提供了一个系统计数种子在种子条播开沟器。它由硬件部分(测量卡、调节系统、压电传感器)和一种有效的信号处理算法。算法的操作及其参数选择。最优触发阈值是2.5为windows的长度5和2 ms。

等参数,系统能够识别37%至113%的大麦和黑小麦谷物,以80%的测量范围在78%和113%之间。这表明该系统可用于实践,以及进一步研究的必要性。在随后的迭代改善信号质量,它计划增加电荷放大器压电传感器产生的信号。添加这种放大器将允许更精确的检测和改善系统的频率特性影响(24]。系统的正确操作的关键是选择一个触发器阈值,这在未来可能需要校准的条播机系统。开发方法方面的承诺实现进入市场实践和允许显著增加播种的质量和提高收益率的播种过程。它有许多优点超过条播机种子数的经典方法,主要基于光学方法。第一个优势是潜在的粮食计算精度提高更好的光从实际颗粒污染物的分离。分数都有类似的大小,因此光学系统会错误计数污染。相反,使用压电传感器系统,描述,重量和速度之间的差异敏感污染物和谷物。光学系统的额外的限制是需要频繁维修由于镜片上的灰尘的积累。提出的传感器,因为谷物柔和的元素,包括压电传感器,传感器的尘污环境和污染会改变其运行在较小程度上的特点。的研究的有前景的结果允许初步谈判的开始与播种机制造商为了应用系统为工业测试。

数据可用性

被测信号和算法数据用于支持这项研究的结果已经存入OSF库(Paszkiewicz, b .(2019年11月6日),PVDF压电传感器对种子数。从osf.io检索/ 7 dkmv)。

的利益冲突

没有利益冲突的相关研究提出了。

确认

这项工作是由国家研究和发展中心共同投资在资助:盖八世项目没有。盖/ 24/0137 / L-8/16 / NCBIR / 2017和TECHMATSTRATEG没有。1/346922/4 NCBR / 20177年,波兰国家学术交流机构根据合同PPN /基本脉冲电平/ 2018/1/00137,弗罗茨瓦夫大学科技补贴。这些工作都是由于产品完成的指标和结果指标达到项目内共同投资由欧盟在欧洲区域发展基金,通过创新经济的资助(没有。POIG.01.01.02-00-008/08-05)和由国家通过应用研究和发展研究中心项目批准号178782年,格兰特盖子。027/533 / L-5/13 / NCBR / 2014。

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