电容法化肥余量检测装置设计与试验范文

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摘要：为了提高我国农业机械化的完善程度，实现中耕机械化肥箱化肥余量的在线监测，本文根据肥料与空气介电常数的差异性，设计了一种基于电容法的化肥箱化肥余量在线监测系统。采用电容转换芯片和单片机构成电容检测电路，并搭载CAN总线将实时采集的数据进行处理、传输。建立了氮肥（尿素）与电容输出的关系模型，并对模型进行了验证。试验结果表明：化肥余量监测系统，对于化肥余量的监测最大误差率为1.4%，系统能够精准的对肥料的余量情况进行在线检测，电容式化肥箱余量检测装置为化肥箱的余量在线获取提供了有效途径，对于完善我国农业机械化水平有具重大意义。

关键词：机械化；电容；设计；施肥机

引言

夜上海论坛中耕施肥是农作物在生长过程中一项重要的田间管理环节。中耕机械的排肥作业质量直接影响中耕作业质量，当肥箱出现肥料排空时会导致漏播现象的发生，容易造成农业生产的损失。对化肥箱化肥余量的在线检测是目前国内外相关学者的研究重点之一。人工检测法是目前生产中普遍的检测方法，由于人工在进行检测时存在检测不及时等弊端，会出现肥箱排空的现象。本文设计一种基于电容传感器的化肥余量检测装置，提高检测精度[1]。本文设计的这种电容信号获取与实时传输的中耕施肥作业机械化肥箱化肥余量检测装置，由电容传感器获取化肥箱中化肥余量的信息，以实现对施肥作业情况的实时监测。

1化肥余量检测原理

夜上海论坛中耕施肥机械在正常作业过程中，化肥在封闭的肥料箱中，由于肥料的介电常数与空气的介电常数存在明显差异，经由排肥器下落的化肥会导致化肥箱中料位的变化，会使极板内物质的介电常数发生变化，从而导致输出电容发生变化，此时传感器输出电容变化量为：式中：△C为肥料通过传感器时电容的变化量；F。ξ1为化肥介电常数；F/m。ξ2为空气介电常数；F/m。S为电容极板的面积；m2。K为静电力常量；D为极板间距离；m。由式（1）可知，传感器所输出的电容的变化量与中耕机械化肥箱中化肥余量的料位呈线性关系，因此通过实时获取电容信号的变化可以实现对中耕机化肥箱中化肥料位的在线检测。除此之外，当肥料剩余量不足时，及时提醒驾驶人员需停车，并对化肥箱中的化肥进行添加，将进行中耕施肥作业所使用的人员数量减少，最大限度的减少安全事故的发生率，消除安全隐患。

2系统硬件设计

2.1装置总体设计中耕机械化肥箱余量检测系统主要由微电容测量电路模块、单片机处理模块、供电模块以及车载终端组成[2]，图1为中耕作业机械化肥箱化肥余量检测系统结构示意图。检测所使用的电容式传感器安装在化肥箱体与底部垂直的箱体壁上，主要检测化肥箱中化肥的剩余量，车载终端位于驾驶室内对处理后的信息进行显示，在化肥箱中化肥余量不足时通过报警指示显示报警状态。 

2.2化肥余量检测传感器结构设计化肥箱化肥余量检测传感器是测量系统中的最关键的部件，安装位置简图如图2所示，其性能的稳定性直接影响测量的效果，电容式肥料余量检测传感器主要组成部件有化肥箱、电容极板、信号调节电路、屏蔽外壳以及外围电路组成，结构如图3所示。化肥箱主要由金属材料构成，主要起到对电容极板支撑的作用；电容极板194mm*278mm*0.5mm，用树脂材料将电容极板充分与化肥箱体隔离。

3试验结果与分析

3.1试验材料与试验装置试验选用的肥料为农业常用的颗粒状肥料：尿素（氮肥）。肥料颗粒均匀，无结块、变质等现象[3-4]。为了验证电容式化肥箱余量检测系统的可靠性，在中耕施肥试验台上进行化肥箱化肥余量检测试验，试验台主要由化肥箱、排肥轴、液压系统、排肥管以及整机的中控系统组成。该实验装置由液压系统驱动中耕机械的排肥轴转动，模拟生产作业过程中转动的地轮所提供的动力；通过整机的中控系统可以改变排肥轴的转速以及作业时间的监测，可以实现排肥轴连续工作，达到化肥箱化肥余量的在线监测。

3.2数据分析先检测化肥箱空箱状态时的电容值P1，再将化肥箱中填满化肥，化肥填装量超过电容极板的边缘，测量出此时化肥箱的电容值P2，那么P2/P1就是化肥箱中所添加的化肥种类的介电常数；利用不同作业时间化肥箱中如表1所示，化肥余量所占据电容极板的百分比利用公式p2/p1计算此时的电容量；然后利用电容表测量此时的化肥箱中的电容量，与所计算出的电容进行误差分析。通过分析化肥剩余含量的百分比与电容值的变化趋势，得到实际作业中化肥余量的变化与电容值的变化的线性关系，并对变化趋势进行验证性试验，同时评价检测系统对化肥余量检测的稳定性。随着作业面积的增加，化肥箱中化肥余量逐渐减少，利用电容传感器检测化肥箱中化肥的电容变化值，利用电容值的计算方法可得数据如表2所示（单位pF）。4结论中耕施肥作业机械的余量检测装置的作业检测情况较为精准，对于化肥余量的监测最大误差率为1.4%，监测系统能够精准的对肥料进行检测以及传输，对国内农业机械的在线检测提供了有效途径。

参考文献：

夜上海论坛[1]王新岚.浅谈传感器在农业机械中的重要性[J].农业技术与装备，2016(4)：21-22.

夜上海论坛[2]梁硕.电子信息技术在农业机械中的结合[J].消费电子，2014(6)：175.

夜上海论坛[3]赵一鸣，赵睿，朱建峰.电子信息技术在农业机械领域的应用[J].南方农机，2017，48(1)：17.

夜上海论坛[4]王潇，李志玉.农业机械与电子信息技术的结合研究[J].南方农机，2016，47(12)：15.

作者：赵明岩 王熙 单位：黑龙江八一农垦大学工程学院