耕整地机械耕深电子监测装置的研制

耕整地机械耕深电子监测装置的研制
李向军;许春林;赵大勇;张晓东;吴家安
【摘要】In order to improve the quality of tillage operations, an electronic monitoring device on the tillage depth was developed. This article expounds on the overall structure and the working principle of the device, analyzes its advanced technology. The performance test proved that the device can real-time reflect the tillage and soil preparation depth, so that the operator can adjust tillage machine on the basis of depth changes at any time and ensure the working quality.%为提高耕整地作业质量，研制一种耕整地机械耕深电子监测装置。

介绍该装置的总体结构与工作原理，分析其技术先进性。

通过性能试验，证明该装置能够实时反映耕整地作业耕深，使操作人员根据耕深变化随时调整耕整地机械，确保作业质量。

【期刊名称】《农业科技与装备》
【年(卷),期】2013(000)008
【总页数】3页(P23-25)
【关键词】农用仪器;耕整地机械;耕深;电子监测装置;研制
【作者】李向军;许春林;赵大勇;张晓东;吴家安
【作者单位】哈尔滨市农业机械化研究所,哈尔滨,150070;哈尔滨市农业机械化研究所,哈尔滨,150070;哈尔滨市农业机械化研究所,哈尔滨,150070;哈尔滨市农业机械化研究所,哈尔滨,150070;哈尔滨市农业机械化研究所,哈尔滨,150070
【正文语种】中文
【中图分类】S237
近几年，我国耕整地机械保有量不断加大，相应的耕整地作业质量标准也已制定，对深松作业质量要求更加明确。

耕整地机械在田间作业时，由于土壤条件变化和人员操作的差异，造成同一地块耕整地深度不一致，直接影响作业质量。

而国内现有耕整地机械包括一些大型进口耕整地机械均没有耕深监测装置，测量耕深主要采取在田间抽样检测的方法。

因此，研究耕整地机械耕深电子监测装置是十分必要的。

耕深电子监测装置能够实时反映作业耕深，操作人员可根据耕深变化调整耕整地机械，保证同一地块耕深一致，提高耕整地的作业质量，从而为作物提供耕深均匀一致的种床，从基础上促进作物生长，保证增产增收。

1 耕深电子监测装置的结构与工作原理
1.1 整体结构
耕深电子监测装置的整体结构如图1所示。

该装置的工作过程为：位移传感器2和防护罩3通过连接架5铰接在拖拉机后面。

在田间作业时，机具1由最高点缓慢降落，传感器2随机具1整体下降直至深松
铲13刚刚接触地面时，连接架5也刚好接触到限位板9；当机具1继续下降时，滑杆4在弹簧作用下，在托板12上随机具整体升降，滑杆4的伸缩长度即是机具作业耕深。

1.2 工作原理
图1 耕深电子监测装置结构简图Figure 1 Schematic diagram of deep tillage electronic monitoring device
该装置采用间接测量的方案，以改变滑线变阻器电阻大小的方法间接得到耕深。

首
先拖拉机为滑线变阻器提供24 V额定电压，当机具作业到某一深度时，根据公式可以求得相应的电阻值；然后根据输入电压和电阻的关系得到输出电流；最后通过控制器将电流信号转化为数字信号得到耕深值。

其工作流程如图2所示。

该装置测量深度为0～40 cm，测量误差≤2 cm。

图2 耕深电子监测装置工作流程图Figure 2 Working flow chart of deep tillage electronic monitoring device
2 技术先进性分析
2.1 耕深精确一致
耕整地机械耕深电子监测装置能够实时反映作业耕深，操作人员可根据耕深变化调整耕整地机械，保证同一地块耕深一致，提高耕整地的作业质量，同时也减少了因过度深松而造成的不必要的燃油浪费。

2.2 结构简单，制造成本低
传统测量耕整地耕深主要采取在田间抽样检测的方法，且不同地块都得进行测量，方法繁琐且存在测量滞后问题。

而耕深电子监测装置具有显示功能，能够使驾驶员随时了解农机具耕深变化情况，通过拖拉机旋钮输入来减轻驾驶员的劳动强度，实现一人化操作。

20世纪90年代，国内开始探索电子技术、计算机控制技术等新技术在拖拉机液压悬挂中的应用，实现了电液式悬挂全自动控制系统。

但是该系统制造成本较高，价格昂贵，普通用户难以接受。

而耕深监测装置虽实现了半人工操作，但制造成本较低、价格适中，可为广大用户所接受。

2.3 传感器选择合理
目前测量农机具距地面高度的传感器可分为接触式和非接触式。

非接触式的传感器有超声波传感器和红外传感器两种。

超声波传感器在草地里不会受到影响，但是在有些植物根茬地里，植物茬表面能够直接对超声波进行反射，因此在数据收集方面
还需要确定植物茬顶部距地面的高度；同时，周围环境的湿度和地面的不平整都会对超声波传感器产生影响。

红外光传感器容易受水分的影响，因为水表面能够对红外光进行反射和折射，从而影响传感器的测量精度。

接触式传感器由于自身质量和土壤的平整度、坚实度等情况，存在下陷问题，同样会影响耕深的测量精度。

根据以上分析，最终选择间接式接触传感器，即使传感器与机具接触，从而避免传感器与土壤直接接触。

3 性能试验
3.1 试验方案
在试验条件完全相同的情况下，对新装置和传统方法进行耕整地作业深度监测对比试验。

选择具有代表性的不同区域的试验田地3处，每处试验田面积0.67 hm2。

每处试验田分为两块，一块为新装置的试验田，另一块为传统方法的对比田。

试验时，用耕深仪或耕深尺测量沟底到原地表的距离，并沿样机前进方向每隔2 m测
定1点，共测10点。

将实际测定值和装置显示值结果分别填入表1和表2，并按下列公式计算，将计算结果填入表2。

1）行程的耕深平均值：
式中：Aj为第j个行程的耕深平均值，cm；Aji为第j个行程中第i个点的耕深值，cm；Nj为第j个行程中的测定点数。

2）工况的耕深平均值：
式中：A为工况的耕深平均值；N为同工况中的行程数。

3）行程的耕深稳定性：
稳定性系数Uj=1-Vj
式中：Sj为第j个行程的耕深标准差，cm；Vj为第j个行程的耕深变异系数；Uj 为第j个行程的耕深稳定性系数，%。

4）工况的耕深稳定性：
稳定性系数U=1-V
式中：S为工况的耕深标准差，cm；V为工况的耕深变异系数，%；U为工况的耕深稳定性系数，%。

3.2 性能分析
在试验过程中，耕深电子监测装置始终保持显示器的耕深值为25 cm。

通过对表1中数据进行分析可知，该监测装置的显示值与实际测量值间的误差小于2 cm，完全符合设计要求。

通过对表2数据进行分析可知，机具在同一工况作业条件下，配备监测装置的机具耕深稳定性明显增强，且提高幅度超过2%。

4 结论
实践证明，耕整地机械耕深电子监测装置适用于各种耕整地机械，可减轻驾驶员的工作强度，使操作人员实时监测并精确控制耕作深度，实现高标准的耕整地作业质量，促进耕整地机械化水平的提高，为农业增产、农民增收打下坚实的基础。

表1 显示值与实际测量值对照表Table 1 Comparison of the displayed value and the actually measured value测点 1 2 3 4 5实测数值/cm 25.7 24.1 24.5 25.7 25.7显示数值/cm 24.8 25.2 25.1 24.9 25.0误差/cm 0.9 1.1 0.6 0.8 0.7 表2 同一工况有无监测装置耕深稳定性对照表Table 2 Comparison of stability of the tilling depth under the same conditions with and without monitoring device测点无装置耕深/cm 有装置耕深/cm 1 2 1 2 26.5 26.4 25.8 24.4 2 27.2 27.3 24.5 25.9 3 22.7 23.7 23.0 26.4 4 22.6 22.4 26.5 22.9 5 27.5
27.3 22.5 27.2 6 22.5 22.3 27.0 22.4 7 23.2 26.8 26.5 25.7 8 27.7 22.4 25.8 26.6 9 22.8 22.6 22.5 23.0 10 27.5 23.0 23.1 23.8 1行程工况平均值/cm 25.0 24.4 24.7 24.9标准差/cm 2.4 2.3 1.8 1.8变异系数/% 9.6 9.4 7.3 7.2稳定性系
数/% 90.4 90.6 92.7 92.8平均值/cm 24.9 24.8标准差/cm 2.3 1.8变异系数/% 9.5 7.2稳定性系数/% 90.5 92.8
参考文献
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