一种收割机清选损失多层感应差分传感器及检测系统

本发明涉及收割机谷物损失在线监测，尤其涉及一种收割机清选损失多层感应差分传感器及检测系统。

背景技术：

1、联合收割机是小麦、水稻等谷物机械化收获的核心装备，清选装置作为联合收割机的关键工作部件，其作业性能直接决定谷物的清洁度与损失率。

2、在实际收获作业中，清选装置尾部排出的杂余中夹带的籽粒损失是联合收割机总损失的主要来源之一，实时、准确地监测清选损失量，能够指导驾驶员动态调整风机风量、清选筛振幅与作业行进速度，对降低粮食损失率、提升收获作业质量、推进精准农业管理具有重要的工程应用价值。

3、然而，联合收割机作业环境复杂，发动机运转轰鸣、脱粒滚筒高速旋转、清选筛往复振动以及风机气流扰动会向传感器传递强度大、频谱宽的整机机械振动噪声，而谷物籽粒撞击感应板产生的信号相对微弱，如何从强背景振动噪声中精准提取微弱的谷物碰撞特征信号，始终是清选损失监测领域长期存在的技术瓶颈。

4、目前，国内外针对联合收割机清选损失监测的技术方案主要分为以下几类：

5、第一类为压电式脉冲计数方案，例如公开号为cn101743804a的中国发明公开了一种联合收割机谷粒清选损失检测方法及装置，以及公开号为cn121816941a的中国专利公开了一种联合收获机损失率检测系统与方法，均通过压电传感元件采集籽粒撞击产生的脉冲信号，依靠脉冲计数统计籽粒数量进而推算损失量；该类方案结构简单、易于实现，但在高喂入量作业工况下，籽粒连续撞击会造成信号混叠、峰值粘连，同时杂余颗粒的随机撞击会引发阈值漂移，极易导致计数误差增大；且该类方案对整机振动干扰的抑制能力弱，强振动环境下容易将振动脉冲误判为籽粒撞击，检测稳定性难以保障。

6、第二类为称重式损失检测方案，例如公开号为cn109566064b的中国专利公开了一种谷物收获机损失量检测装置及检测方法，通过抖动筛、风机、收集板与称重传感器相配合，采集局部区域内的谷物重量，再结合数学模型推算整机的总体损失量。该方案能够实现损失量的连续测量，但需要配置多级机械筛分机构与称重执行机构，整体结构复杂、体积庞大，显著增加了设备的制造与维护成本；同时其损失量估算结果高度依赖预先标定的区域分布模型，当作物品种、喂入量、风机风量等工况参数发生变化时，模型的适配性大幅下降，检测精度难以保证。

7、第三类为多传感器融合检测方案，例如公开号为cn118383151a的中国专利公开了一种谷物流量测量装置及联合收割机，通过布设多组传感单元提升信号获取维度，但其振动抑制手段仍主要依赖减震垫、减震基板或阻尼材料对振动进行被动削弱，缺少从多层感应结构设计、独立振动参考通道构建的角度对整机振动进行针对性的差分抑制，振动干扰消除效果有限，仍难以有效解决强振动工况下的信号提取难题。

8、因此，本技术提出了一种收割机清选损失多层感应差分传感器及检测系统。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提出一种收割机清选损失多层感应差分传感器及检测系统，本发明可以通过上下同构的多层感应结构构建物理差分通道，结合多级机械隔振设计与差分信号处理算法，从结构层面抑制共模振动干扰，提升谷物碰撞信号信噪比，实现清选损失率的准确、实时、稳定检测。

2、根据本发明实施例的一种收割机清选损失多层感应差分传感器，安装于联合收割机的清选装置尾部。

3、所述清选装置内设置有清选风机、清选筛、尾筛、净粮搅龙和杂余搅龙，所述清选筛包括上筛和下筛，所述尾筛位于清选筛的出料端。

4、所述传感器本体通过支撑件、第一安装件与第二安装件固定连接于收割机机身安装座，位于尾筛的出口侧物料抛撒路径上，其感应工作面朝向尾筛的出料方向，用于承接尾筛抛出的谷物籽粒与杂余颗粒；所述传感器本体的上方设置有滤网，所述滤网与机身固定连接且与传感器本体保持非接触状态，所述机身对应传感器本体的旁侧设置有信号采集与处理装置盒。

5、所述传感器本体包括多层感应组件以及多组压电传感单元。所述多层感应组件自上而下依次叠置有顶板、上层pvc感应工作板、下层pvc参考感应板和底板，所述上层pvc感应工作板与下层pvc参考感应板采用相同材料、相同尺寸构成上下同构的对应布置。所述多组压电传感单元与检测区域一一对应，每组压电传感单元均包括工作压电传感元件和参考压电传感元件，所述工作压电传感元件贴设于上层pvc感应工作板的背面，用于承接谷物颗粒冲击并采集碰撞振动信号；所述参考压电传感元件贴设于下层pvc参考感应板的背面，受上层结构遮挡以隔绝谷物直接撞击，仅采集联合收割机的整机背景振动信号。所述支撑件与多层感应组件之间设置有隔振构件，用于阻断收割机机身安装座振动向多层感应组件的传递路径。

6、进一步地，所述多层感应组件还包括中间框架板，所述中间框架板围设于上层pvc感应工作板、下层pvc参考感应板的外周，所述顶板与底板通过螺栓与中间框架板预紧装配。所述顶板与上层pvc感应工作板之间、上层pvc感应工作板与下层pvc参考感应板之间、下层pvc参考感应板与底板之间均设置有回字形结构的橡胶隔振圈。所述底板下方设置有带橡胶衬套的安装座，用于与支撑件连接并隔断低频振动传导。所述多层感应组件划分为四个独立检测区域，每个检测区域对应设置一组上层pvc感应工作板、下层pvc参考感应板及压电传感单元，各区域独立采集振动信号。

7、进一步地，所述中间框架板开设有与各检测区域一一对应的容纳方孔，中间框架板表面设置有走线槽，各压电传感元件的引线经走线槽从壳体侧部出线孔引出；相邻检测区域之间的中间框架板上设置有隔离凹槽，中间框架板表面还设置有减重凹槽。

8、进一步地，所述橡胶隔振圈的邵氏硬度为30a-40a，装配状态下橡胶隔振圈的压缩量为20%，形成预压缩隔振结构，用于衰减低频共模振动并传递谷物冲击高频信号。

9、进一步地，所述第二安装件垂直安装于收割机机身安装座上方，所述第一安装件固定安装于第二安装件内侧，所述第二安装件为两根对称设置的立柱，所述第一安装件为两块角度调节板，第二安装件的两根立柱间隔固定于收割机机身安装座，且沿高度方向排布有多组安装孔，所述第一安装件的两块角度调节板分别对应安装于两根立柱上，且角度调节板上开设有弧形调节槽；

10、所述第二安装件立柱内侧设置有螺纹柱，螺纹柱插入第一安装件对应侧角度调节板的弧形调节槽内，通过切换第二安装件立柱安装孔位置与弧形调节槽内的滑动位置，实现传感器本体安装高度与倾斜角度的调节；

11、所述多层感应组件上方设置有防护滤网，所述防护滤网与清选装置固定连接且与多层感应组件非接触，用于拦截大尺寸茎秆杂余；

12、多层感应组件的层间定位连接采用m5螺栓，多层感应组件与支撑框架、支撑框架与收割机机架的承载连接采用m8螺栓。

13、另一方面，本发明提供一种收割机清选损失多层感应差分传感器的检测系统，包括上述的收割机清选损失多层感应差分传感器，还包括容置于信号采集与处理装置盒内的信号采集单元和嵌入式数据处理系统。所述信号采集单元分别与各工作压电传感元件、参考压电传感元件电连接，用于将压电传感元件输出的电荷信号进行放大、滤波处理后转换为数字信号输出。所述嵌入式数据处理系统与信号采集单元通信连接，用于对同一检测区域对应的工作通道数字信号与参考通道数字信号执行实时差分运算，提取振动特征后通过多元回归模型输出谷物损失率检测结果。

14、其中差分运算满足如下公式组：

15、

16、式中，为上层工作压电陶瓷采集到的时域信号，为下层参考压电陶瓷采集到的时域信号，为纯净的谷物高频碰撞信号，为联合收获机整机低频机械振动噪声信号，为差分后的净信号，为上下层同构结构的机械耦合传递系数，且因为上下两层pvc板结构完全相同，所以传递函数一致，趋近于1；

17、多元回归模型满足如下公式：

18、

19、式中，为计算得到的清选损失率，为提取得到的振动特征参数，为预先训练得到的多元回归映射函数

20、进一步地，所述信号采集单元包括前置放大电路、滤波电路和a/d转换模块；所述压电传感元件输出的微弱电荷信号经前置放大电路完成阻抗匹配与电压放大，再经滤波电路滤除低频机械振动噪声与高频电磁干扰，最终由a/d转换模块转换为数字信号并传输至嵌入式数据处理系统。

21、进一步地，所述嵌入式数据处理系统以stm32主控芯片为核心，还包括电源模块、存储模块和通信模块；所述电源模块为全系统各单元供电，所述存储模块用于存储采集数据与模型参数，所述通信模块用于向外传输损失率检测结果与原始信号数据。

22、进一步地，所述嵌入式数据处理系统提取的振动特征参数包括均方根值、峰峰值、标准差、信号能量、有效撞击峰值数、主频、频谱重心、高频段能量、差分均方根值以及差分能量。

23、进一步地，所述上下层同构结构的机械耦合传递系数趋近于1，差分运算可直接抵消共模整机振动噪声；所述嵌入式数据处理系统对四个独立检测区域的信号进行并行差分处理与损失率计算，输出清选装置全幅面的谷物损失分布结果。

24、本发明的有益效果是：

25、本发明中采用上下同构的工作板与参考板分层设计，构建独立的振动参考通道，通过物理结构层面的差分运算直接抵消整机共模振动噪声，突破了单纯依赖软件滤波的技术瓶颈，有效解决了振动高次谐波与谷物信号频域混叠难以剥离的难题，大幅提升了谷物碰撞信号的信噪比，降低了复杂工况下的误检与漏检概率；

26、且通过层间橡胶隔振圈、vd型橡胶隔振器、带橡胶衬套的安装座形成三级隔振结构，从振动传递路径上逐级削弱收割机机身安装座振动向感应组件的传导；配合预压缩橡胶层的机械低通滤波特性，在完整保留谷物高频冲击信号的同时有效衰减低频振动干扰，从结构层面提升了传感器的抗干扰性能；

27、而通过摒弃传统脉冲计数的检测方式，通过提取振动信号的时域、频域多维度宏观特征，结合预训练的多元回归模型计算损失率，避免了高喂入量下信号混叠、峰值粘连、阈值漂移导致的计数误差，在连续撞击、杂余干扰等复杂工况下检测稳定性更强，结果准确性更高；

28、多层感应组件划分为四个独立检测区域，可实现清选装置全幅面的损失分布检测，能够反映清选筛不同位置的损失情况，同时配合可调安装支架实现安装高度、倾角与出口距离的多维调节，能够适配不同型号的联合收割机，适用范围广泛；

29、其次，整体结构紧凑集成度高，非接触式防护滤网可避免大尺寸杂余对感应板的冲击损伤，中间框架板的走线槽、隔离凹槽与减重凹槽设计，既提升了信号采集的稳定性，又保证了结构刚度与动态响应性能，配合防护外壳可适应田间潮湿、多尘的恶劣作业环境，使用寿命长。