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绪论
传感器在水稻收割机上的应用及发展
摘要
随着传感器技术的快速发展，传感器目前已经广泛应用于农业领域，提高了农业机械化程度并为保障粮食安全起到重要作用。本文主要介绍了水稻收割机的国内外现状以及传感器在水稻收割机上的作用和地位，并分析了水稻收割机实现各功能所用传感器的类型、工作原理、对比了实现同一功能所选传感器的优缺点以及在其他领域的应用，最后总结了传感器今后在农业机械上的发展趋势。
关键词：传感器；农业；水稻收割机；趋势
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绪论
The application and development of sensors
in rice harvester
Abstract
As the rapidly development of sensor technology,sensor has been used in agriculture extensively .It improves the degree of agricultural mechanization and contributes greatly to the safety for food.In this paper,firstly introducing the presentation situation of sensor at home and abroad and its effects on rice harvester.In the text,the kinds of sensors used in the key parts of rice harvester ,their working principle, characteristics and applications in other fields mainly have been described,then comparing the merits and demerits of sensors played the same role in the rice harvester .Finally summarizing the development trend of sensors in the agricultural machines.
Key words: sensor; agriculture; rice harvester; trend
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绪论
1绪论
1.1国内水稻收割机的发展现状
我国水稻种植面积约占世界水稻总面积的四分之一，在全国粮食总播种面积中也占了很大比重，接近三分之一，占全国粮食总产量的百分之四十五[1]。可见它在全国粮食安全中的地位非同一般。随着近年来粮食产量的大幅增长，农村年轻劳动力的严重外流，因此，要求机械化的程度越来越高。实现对水稻的机械化生产是提高粮食产量的重要保障。在发达国家, 谷物收割已基本实现了机械化。美国70年代初机械收割面积已达95%，目前联合收割机已向大型化、高速化和自动化方向发展;日本70年代中期研制出适应本国小块水田的小型联合收割机并很快大量投入应用,基本上实现了收获过程机械化[2]。目前，我国对水稻的机械化生产水平还比较低，大部分依然靠人工收割，而美国、澳大利亚，日本已基本实现了全面的机械化生产。
建国初期，我国的水稻收割主要是靠人力和畜力机械为主，上个世纪五十年代末我国启动了水稻收割机械的研制工作。广东省农机所在1965年开始研究轴流式脱粒装置[1]，1966年开始，先后与惠阳县农机一厂、佛山农机厂和广东机引农具厂共同开发了“丰收-I型”(配丰收-35拖拉机)，“珠江-2号”(配东方红-54)，“工农-I型”(配工农-11手扶拖拉机)等全喂入轴流型水稻收割机[1-2]。另外，广东省农机所还开发了金属覆带行走装置以解决收割机在水田中的行走问题。这一阶段，我国的水稻收获机械设计工作已全面启动，水稻收获机械的发展开始繁荣起来。
九十年代是我国水稻收获机械发展的关键阶段。这一时期，3-5马力小动力底盘立式割台收割机和中小型半喂入收割机均被成功研制出来。主要机型有直接输送侧向条放“鄂100-3”型和“上海-90型”收割机，中间输入侧向条放的浙江“嘉兴100-3”型、江西“南丰100-4”型收割机、江西“万安跃进-150型”和福建“南靖-L40”型集束堆放圆盘式收割机[27]等。这些机型的割幅均在1米左右，作业速度适当，整机重量比较轻，并采用并列式双轮胎或超低压宽断面轮胎，提高了收割机的水田行走性能和对作物的适应性。这一时期，配合水稻收割机的国产动力和拖拉机的技术也有较大发展，为水稻收获机械的进一步发展提供了基础。另外，由中国农机院设计的带简易扶禾器的立式割台收割机在也被推广到一些地方使用，但这种收割机不能避免水田倒伏时的穗头沾水和分把困难，因此综合作业效率低，并且谷粒损失大，至今没有得到普遍使用。
2002年以后，水稻联合收割机进入了更深层次的提高阶段。新的机型不断被研制成功，如“湖州100-12”和“龙江-120”[1]等机型。此外，江苏、上海和云南三省在“龙江一120”基础上研制鉴定了“江南-120”，湖北、江西等省研制的与12马力机耕船配套的半喂入联合收割机，分别于1980年前后鉴定定型。中国农机院和福建等单位为“闽江-150”型研究设计了三角皮带无级变速专用底盘率先应用于国产半喂入水稻联合收割
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机上，实现了作业过程的无级变速。同时，各省对刀片进行了技术攻关，对半喂入机型的主要零部件还进行了优化设计工作。
中国农机院、广东农机所和江西农机所针对脱粒部件结构进行了一系列的室内外台架分析试验以探讨最佳的运动参数的结构设计。同时，中国农机院对半喂入联合收割机的核心工作部件一脱粒和清洗部件进行了创新性的试验分析。这些试验工作为我国水稻半喂入联合收割机的发展和产品系列化打下了良好的基础。
1.2国外水稻收割机的现状
日本是世界上半喂入式水稻联合收割机技术最先进的国家。半喂入式联合收割机具有机器结构小巧、适应性强、工作可靠性高、效率高、脱粒损失小等特点，是各国大力发展的机型。日本开发的半喂入式联合收割机放弃了欧美全喂入式的传统结构,制造简单、拆装方便、操作舒适性强，并具备对各主要部件的电子自动监控功能，能够收割水稻、小麦等多种作物，在小田块、高湿烂田的作业性能也同样出色。经过几十年的研究和改进，日本半喂入联合收割机技术非常成熟。目前，日本国内的久保田、井关、洋马、三菱四个公司主要生产该类型的收割机，年产量超过10万台，市场保有量不下120万台[2]，全面实现了水稻收割的机械化。韩国的水稻收割机技术是在引进日本技术的基础上吸收再创新的，在日本机的基础上结合本国特点进行了国产化。韩国的国际、LG、大同、东洋四大公司从1975年开始就分别引进日本的久保田、洋马、井关、三菱的技术进行仿制、创新。到90年代,韩国联合机收割水稻面积达到85%[1]，
近年来，以日本为代表的半喂入联合收割机，具备了更加美观的整机造型。以人体工程学原理为基础，充分考虑了老年人、妇女操作的轻便性、安全性和舒适性。同时广泛采用了自动控制系统、零部件快速拆装机构、轻质材料、电动式喂入深度调节机构、整机润滑系统等。另外，发动机的配套动力得到了极大加强；主要零部件、机架、割台的强度和刚度得到强化。收割机的使用成本不断降低，使用寿命得到延长。在行走机构的设计上,液压无级变速机构被泛推广；悬挂式支承轮和履带中部可转动支重轮的研制成功大大加强了收割机的跨沟过埂和清除淤泥的能力。
要实现全面的机械化收割，传感器将起到举足轻重的作用，对提高水稻收割机的适应性和可靠性具有重要的作用。目前，不同品牌的收割机上用的传感器也有所不同。本文主要用对比的方法分析了水稻收割机上各重要部位可选用的传感器类型，并加以择优选择。为日后工程技术人员提供一定的参考。
2传感器概述
2.1传感器的组成
传感器[3]是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件以及相应的电子线路组成。它的输出信号通常是电压、电流、电阻和电容等便于传输、转换、输出，处理的电量。传感器的原理决定了输出信号的形式。其组成框图[6]如下:
图2.1 传感器组成框图
其中，敏感元件[4]是在传感器中能完成预变换和能直接感受或响应被测量的器件。转换元件又称为变换器，它能将敏感元件感受到或者响应的非电量转换成电量[3-5]。信号调理转换电路对传感器输出的微弱信号进行放大运算、调制等处理。
2.2传感器的分类及基本特性
目前，传感器种类繁多，很多时候一种被测量可以用不同的传感器来完成；而且传感器应用原理多种多样，同一原理的传感器又可测量不同的被测量。因此，对传感器的分类可谓是仁者见仁，智者见智，目前国内外尚无统一的分类方法，但通常采用以下方法对其进行分类[3,6,17]：（1）根据被测物理量划分，例如，温度传感器、压力传感器、速度传感器、加速度传感器、气敏传感器等；（2）是根据传感器的工作原理划分，例如，应变式传感器、电容式传感器、磁敏传感器等；（3）根据输出信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器；（4）根据能量转换原理分为有源传感器和无源传感器。其中有源传感器能将非电量转换成电能量，例如电动势传感器、压电式传感器、磁电式传感器等；无源传感器不能转换能量，只是把被测非电量转换成电参数的量，如电阻式传感器、电容式传感器等。在生产、科学实验中，传感器的基本特性决定了它能否感受被测非电量的变化并不失真地变换成相应的电量，以对各种参数进行检测和控制。通常传感器的基本特性可分为静态特性和动态特性。
2.2.1传感器的静态特性
当检测系统的输入信号不随时间变化时，系统输出与输入的关系称为传感器的静态特性[6]。通常用一个静态数学模型描述其静态特性：
n n 2210x a x a x a a y ++++= (2-1)
其中，0a 为零输入的输出，n 21,a ,,a a 表示非线性项系数。
其线性模型[3]可表示为，x a a y 10+= (2-2)
传感器的静态特性主要由灵敏度、迟滞、重复性、线性度、分辨力、稳定性、漂移、量程范围来描述。
2.2.2 传感器的动态特性
当输入量随时间变化时传感器的响应特性称为传感器的动态特性[5]。用传感器测试动态量时，我们希望它的输入信号和输出信号具有相同的时间函数，但实际上除了具有理想比例特性的环节外，由于传感器的惯性和滞后，当被测量随时间变化时，传感器的输出一般来不及达到平衡状态，而是处于过渡过程中，这样输出信号将不会和输入信号一致。
为了更好的分析传感器的动态特性，我们可以用以下微分方程[6]进行描述：
x b dt dx b dt x d b dt x d b y a dt dy a dt y d a dt y
d a 011m 1m 1m m m m
011n 1n 1n n n n ++++=++++------ (2-3) 其中，x 表示输入量，y 表示输出量，m 10n 10b ,b ,b ,a ,,a ,a 表示与传感器结构有关的常数。
3传感器在收割机中的地位及作用
在现代社会，科学技术高度发展。人类处在一个信息瞬息万变的时代，传感器是工业生产、科学实践和现代测控技术等的重要组成部分，主要依靠对信息资源的开发、获取、传输、处理，它是被测对象和检测系统的接口[4]，是感知和检测信息的窗口。一切科学实验和生产过程中的信息，特别是在自动检测和自动控制系统中获取的原始信息，都要经过传感器转换成易于传输和方便后期处理的电信号。
随着计算机技术、信息处理技术、测量技术、控制及自动化技术的发展，传感器技术已成为一个重要的科学技术，其作用也越来越重要，应用越来越广泛。要提高传统的农业机械的作业效率，势必将其发展成机电一体化产品，也是实现农业现代化和精准农
业的必由之路。因此，作为机电一体化三大关键技术之一的传感器技术必将在农业机械上广泛应用。
为了提高水稻收割机的服务质量以及自动化程度，目前一般的收割机上都运用了10到20只传感器[18]。下面列举传感器在水稻收割机上的一些应用。
(1)倾角传感器[7]通常用于水平的测量，用在收割机上可以实现对收割机机身的倾斜角度进行测量，操作人员可以从仪表盘直观地读出倾斜角度来调整机身，进而实现对收割残余秸秆长度更好控制和保证操作的安全性以及起到保护刀片的作用。如果秸秆过长影响耕种，秸秆过短则地里的石块会损害刀片；
(2)在应用中，我们可以选择霍尔传感器、光电传感器、光纤传感器、电动式速度传感器等作为测速传感器以实现对水稻收割机作业时的速度进行测量并转化成可输出的信号，通过与计算机连接，可对被测物进行自动化、智能化的测量控制，同时还可以间接测量出亩产[25]；
(3)为了保证一定的喂入量，防止喂入量过大而导致堵塞，可以采用红外传感器、激光传感器、超声波传感器等传感器对割茬的高度进行测量。
(4)磁传感器[8]可以判断谷物中混入的金属等杂质；分离和清选损失所用籽粒损失传感器多为压电陶瓷式，分别安装了逐稿器和清粮筛损失传感器[27]，将一片压电晶体膜片安装在一块长方形铁板的中心位置上，当下落谷粒撞击传感器铁板产生机械振动，经压电晶体膜片转变为相应的电脉冲信号，由仪表显示籽粒损失程度。在采用损失传感器测试分离和清选损失时，应实时测试收割机的喂入量和籽粒流量，然后推导出草谷比和脱粒、分离与清选负荷，即可控制分离和清选装置工作在最佳状态。
(5)通过氯化锂湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器、氧化铝湿度传感器、微波湿度传感器[7,17]等作为测量谷物湿度的传感器和磁弹性传感器、光栅式转矩传感器等测量滚筒转速的转速传感器配合可以控制脱粒的干净程度。
(6)目前在收割机上主要利用光电容积传感器、γ射线式流量传感器、冲量式流量传感器和刮板轮式容积流量传感器[20,22]来测量谷物的流量。
以上介绍的各传感器的具体作用及特点将在下文详细阐述。
4传感器在水稻收割机上的应用
4.1测量水稻收割机前进速度可选择传感器的种类
4.1.1霍尔传感器概述
霍尔传感器[3,4,6]是一种以霍尔效应为工作基础的磁传感器，它可以检测磁场及其变化。它是由霍尔元件及其附加电路组成的集成传感器，随着半导体技术的快速发展，
因其霍尔效应显著而得到广泛应用。目前的霍尔元件基本都是半导体材料制成。通常，根据被检测对象的性质可将霍尔传感器的应用分成两大类,即直接应用和间接应用。直接应用是直接检测出被检测对象的磁场特性，间接应用是通过人为给被检测对象施加磁场，再通过这个磁场将非电量、非磁的物理量转变成电量来检测和控制。例如将力、力矩、位移、速度、加速度等转变成电量来测量和控制。霍尔传感器因其结构简单，体积小，无触点，可靠性高，使用寿命长，易于集成电路化等特点而被广泛应用于自动控制、交通运输等领域。
4.1.2霍尔传感器的工作原理
(1)霍尔效应
霍尔效应[17]是美国物理学家霍尔1879年在金属材料中发现的一种物理效应。当放
图4.1 霍尔效应示意图
(2)霍尔元件
根据霍尔效应，利用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它的结构很简单，由霍尔片、四根引线和外壳组成，其图形符号[6]如图4.2所示。1、1'称为激励电极；2、2'称为霍尔电极。
图4.2 霍尔元件的图形符号
霍尔元件具有对磁场敏感、结构简单、体积小、输出电压变化大和使用寿命长等特点，因此在测量、自动控制、信息技术等领域得到广泛应用。它的灵敏度与元件的材料的性质和几何尺寸有关，在实际应用中，一般都采用N型半导体材料[5]制作霍尔元件。
(3)霍尔测速传感器的原理
转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随着一起转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便在每一个小磁铁通过时输出一个相应的脉冲，从而可测出转数，再接入一个频率计便可测出转速[6]。
由于霍尔测速传感器耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀[8-9]。但是它易受分辨率和田间作业滑移的影响，测量的精度难以控制。此外，在作业过程中的加速和减速对测量会带来较大的误差以及传感器的安装固定不方便。在水稻收割机所处的泥水工作环境中，低成本的霍尔测速传感器一般能够满足要求。
4.1.3光电传感器概述
光电传感器[6,17]是把被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。图4.3为光电传感器的原理框图[6]。
图4.3 光电传感器原理框图
它的物理基础是光电效应，光电效应一般分为内光电效应和外光电效应两大类，其中内光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。
(1)外光电效应
外光电效应[3,6]，也称为光电发射，是指在光线作用下，被照射物体内的电子逸出物体表面的现象。这些向外逸出的电子叫做光电子。光电子具有能量，每个光电子具有的能量可由下式确定：
νh
E=（4-1）式中: h普朗克常数，34
.6-
?(J·s);
626
10
ν光的频率（1s-）
由上式可以看出，光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大;反之，光的波长越长，其光子的能量也越小[6]。
例如光电管、光电倍增管等都是基于外光电效应的光电器件。
(2)内光电效应
内光电效应[6]是指在光线作用下，物体电阻率发生变化或者产生光生电动势的效
应。内光电效应又可分为以下两类：
①光电导效应[5.6,17]在物体受到光照射后，材料吸收了入射光子的能量，其内部的电子由于吸收了能量而达到自由状态，引起材料电导率变化的现象。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。
②光生伏特效应[5.6,17]物体受到光照后，其内部的原子释放电子，但这些电子并没有逸出物体表面，而是仍留在物体内部，从而使物体产生一定方向的电动势的现象。例如，光电池就是基于这个效应制成的。
(3)光电转速传感器测速原理
在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间的条纹圆盘，由于它们具有不同的反射率，当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接受光的反射信号，再经过转换电路处理，将反射光脉冲转换成电脉冲信号。每分钟转速与脉冲频率f的关系为:
= (4-2)
f n?
60
N
N表示黑白条纹的数目。
光电转速传感器可以实现非接触式测量，克服了轮子的跳动、打滑以及振动给测量结果带来的影响。但是水稻收割机所处的泥水工作环境容易影响光源。
4.1.4光纤传感器
光纤的发明为人类信息高速公路奠定了重要的基础，随着它的出现研制出了光纤通信技术。光纤传感器是20世纪70年代的重要发明之一，它随着光纤和通信技术的发展逐渐发展并成熟起来。光纤传感器可以探测的物理量多达70多种[17]，例如，压力、温度、位移、速度、加速度、磁场、电压、电流、化学量等。近年来光纤传感技术发展迅速，它对航空航天、生命科学、有线通信等的发展做出了很大贡献，在这个多学科交叉的信息时代，它应用前景越来越广泛。
(1)光纤传感器的工作原理
光纤传感器[5,6,14]实际上就是利用光在光导纤维中传播引起光的特性发生变化而研制出的一种传感器。光在调制区内，外界信号与光相互作用，外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位等光学性质的变化，从而形成不同的调制。
光纤传感器由光源、敏感元件、光探测器、信号处理系统和光纤[17]等组成。由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经过接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换成电信号，最后经过信号处理即可得到所需要的被测量。
光纤传感器在测量速度时，以激光器作为发射光源，光源发出的光在光纤中传播并
从另一端传出经反射镜反射后，由导出光纤传输到敏感元件[14-15]。由于反射镜随转动转盘的变化周期即转动周期，由此便可测得速度。
光纤传感器具有优良的传光性能、传光损害很小、频带宽、可进行超高速测量、灵敏度和线性度好，而且它的体积小、重量轻，能在恶劣的环境下进行非接触式测量。
4.1.5电动式速度传感器
电动式传感器[17]是指利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电动势输出，又称感应式传感器。这种传感器的工作不需要外加电源，而是直接吸取被测物体的机械能并转换成电信号输出，它是一种典型的发电型传感器。电动式速度传感器由轭铁、永久磁铁、线圈、支撑弹簧等组成。根据电磁感应定律可知，当穿过线圈的磁通量随着时间变化时，回路中会产生感应电动势，感应电动势可以表示为磁通量随时间变化速率的相反数。可以表示为如下：
当线圈沿着垂直于磁场的方向运动时，线圈中就会产生与线圈运动速度成正比的感应电压，通过测量电路便可测得感应电压的大小，从而测出速度的大小。
由于电动式传感器是一种发电型传感器，工作时不需要外加电源，对收割机在野外工作提供了很大便利。
4.1.6以上传感器的特点及在其方面的应用
(1)霍尔测速传感器耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。因此在水稻收割机所处的这样的工作环境中，霍尔测速传感器能很好地满足要求。因霍尔元件结构简单、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、耐高温而被广泛用于测量磁感应强度、电功率、电能、微气隙中的磁场等。经过再次转换可以用于非电量的测量，比如测量微位移、流量、压力、转速、加速度等。目前，霍尔测速传感器在机车测速中占有重要的地位[9]，但是实际应用时，霍尔元件的测量精度受到多种因素的影响，其中最主要的就是半导体的固有特性和半导体的制造工艺缺陷。
(2)光电传感器具有频谱宽、不易受电磁干扰、响应快、分辨率高、可靠性高、可以实现非接触式测量[11]等优点而被广泛应用于自动控制中。光电测速传感器一般有透光式测速传感器和反射式测速传感器两种形式，其中透光式不宜在强震动环境中使用，这样会使光源寿命降低，反射式不存在这个问题，所以在水稻收割机上应用反射式光电测速传感器更加方便可靠。目前，生活中我们最切实感受到光电传感器的应用就是手机的自动调节亮度、条形码扫描、复印机、打印机[12-13]等。由于其应用领域极其广泛，所以
世界上对它的研究高度重视。
(3)光纤传感器是利用光波传输信息，而且光纤是电绝缘传输介质，因此与传统的传感器相比它可以抗电磁干扰、也不影响外界的电磁场，安全性好。此外，光纤传感器还具有灵敏度高、重量轻、体积小、对被测介质影响小等特点。可以进行连续分布测量，便于复用和联网，有利于与现有的光通信技术组成遥测网和光纤传感网络[14]。目前在机床行业、三坐标测量、机精密转台、电子设备制造、水利等领域开始广泛应用，例如光栅式应变传感器用于对桥梁的温度检测、车辆载荷检测[15]。光纤光栅位移传感器、光纤光栅加速度传感器、光纤光栅压力传感器等在国内都已经有商品化的产品了。
(4)电动式传感器是一种典型的发电型传感器，它在工作过程中不需要外加电源，而是直接吸取被测物体的机械能并转换成电信号输出。电动式传感器主要用于测量物体的振动速度，配以积分电路或微分电路还可测量振动位移或加速度。它的灵敏度高、输出阻抗低、输出功率大、性能稳定，还可制成多种结构形式以适应不同的测量场合。输出阻抗低可以降低对绝缘和输出电路的要求并减小了连接电缆的噪声干扰。但是电动式传感器易磨损，工作温度不高，频响范围有限。电动式传感器广泛应用于航空、兵器工业和民用工业。在飞机的设计制造中常采用电动式传感器对一些重要部件进行振动测试。在火炮炮筒振动对射弹散布影响的研究中，相对式电动传感器是测量炮口振动速度的重要元件。在民用工业方面，对于各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水管道、气管道、桥梁楼房等的振动监测或振动研究都广泛使用电动式传感器。
4.2 测量割台高度可选择的传感器
在收割过程中，要根据收割对象的生长状况进行合适的调节割台高度。如果工作过程中割台高度调节的不合适，可能会使机器堵塞，从而出现故障和降低作业效率，如果割茬过高也会影响下次的耕种或者降低产量。因此，割台的控制对机械化作业的高效率、高质量具有重要意义。以下几种传感器目前都很好地用在收割机上来对割台进行控制。
4.2.1红外传感器
红外技术[5]已经发展成为一种新兴的技术，目前被广泛应用在工农业、医学方面、军事、航天等领域。在军事上的应用有红外成像、搜索跟踪系统、红外制导火箭、警戒系统等；如医疗上的红外诊断和辅助治疗；工农业方面的温度探测、红外烘干以及红外测距；日常生活中的红外取暖、自动门、自动水龙头等。
(1) 红外辐射
红外辐射[3,17]就是平时所说的红外线，它是一种辐射波长大约在0.76~1000μm的不可见光。工程上把红外线所占据的波段分为近红外、中红外、远红外和极红外四部分。
红外辐射的物理本质就是热辐射，凡是温度高于绝对零度的所有物体都在不停地向周围空间以热辐射或电磁辐射发出能量。物体温度越高，辐射出来的红外线就越多，辐射的能量也就越高。红外线的本质和可见光和电磁波的性质一样，具有反射、折射、干涉、吸收等特性，它在真空中以光速传播，并具有明显的波粒二象性。红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间中直线传播的。大气是红外辐射的主要传播介质，当红外线在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带。
(2) 红外传感器组成
红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路和显示单元等组成[6]。红外传感器的核心是红外探测器，是利用红外辐射与物质相互作用所表现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，根据探测机理的不同分为热探测器和光子探测器。
(3) 红外辐射传感器测量割幅的原理
红外辐射传感器是利用仪器发出一束光（通常是近红外光）照射到作物的表面，仪器同时接受被测作物反射回的能量，根据接收到的反射光的能量来判断作物的距离。
4.2.2超声波传感器
超声波通常是指频率在20000HZ以上的高频声波[17]。在其强度较低时，超声波可以作为探测负载信息的载体与媒介，称为检测超声。而当其强度超过一定值时，则与传声媒介相互作用，可以改变以致破坏传声媒介的状态、性质及结构，称为高能超声或功率超声。
超声技术是一门以物理、电子、机械以及材料学为基础的通用技术。它是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成的。超声波广泛应用于冶金、机械、医疗等行业。
超声波传感器是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置，通常也称为超声波换能器、探测器。超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中压电式控头最常用。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。它是根据压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接受探头。
(1)超声波物位传感器
超声波物位传感器是根据超声波在两种介质的分界面上的反射特性来制成的。如果从发射超声脉冲开始到接收换能器接收到反射波为止的时间间隔已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法对物位进行测量。
4.2.3激光传感器
激光技术和激光器是二十世纪六十年代出现的最重大的科学技术之一。激光技术与
应用的迅猛发展，已与多个学科相结合，形成新兴的交叉学科，如光电子学、信息光学、激光光谱学、非线性光学、超快激光学、量子光学、光纤光学、导波光学、激光医学、激光生物学、激光化学等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展，使得激光器的应用范围扩展到几乎国民经济的所有领域。
激光传感器[3,5,17]是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。常见的是激光测距传感器，它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离[16]。激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。
4.2.4各传感器的优缺点及在其他领域的应用
(1)红外传感器红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，并且灵敏度高，响应快等。红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。例如红外线遥控鼠标、红外线夜视摄影功能都给我们的生活带来了很大的便利。
(2)超声波传感器可以实现非接触测量、安装方便、不受被测介质影响，可以在较高温度下测量、精度高、功能强等特点。对于测距来说，超声波传感器具有频率高、波长短、定向性好、振幅小、加速度大、能量集中等显著特点。目前，为了提高焊接质量和效率，改善人工劳动条件，焊接技术正在向半自动化方向发展，目前超声波传感器在汽车领域用于焊接生产已经很广泛了。超声波流量传感器具有不阻碍流体流动等特点而用于对自来水、工业用水、农业用水等进行测量。超声波测距传感器测量从换能器发出的超声波经目标反射后沿原路返回接收换能器所需的时间，再由渡越时间和介质中的声速即可求得目标与传感器的距离。
(3)激光传感器因具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性而广泛应用于测量和加工。它可以实现无触点远距离测量、速度高、精度高、测量范围广、抗电磁干扰能力强。目前军事上用于对地形的测量，比如战场前沿测距，测云层、飞机、导弹等的高度；激光雷达用于火炮控制、跟踪系统识别等；激光制导武器具有命中率高、抗电磁干扰能力强而成为未来武器发展的新趋势。还有日常生活用的鼠标，激光打印机，验钞器等都用到了激光技术。
4.3测量谷物流量可选用传感器
面对我国庞大的人口，耕地资源的不断减少，粮食安全问题已经不能小觑，提高粮食产量对保障粮食安全具有重要战略意义。目前，所提出的精细农业的一个重要指标就是对粮食产量的精准测量，粮食产量可以反映出田间影响产量的因素，例如，墒情、病虫害、肥料的利用率等，为此，我们可以根据实际情况采取相应的措施来保证粮食产量。在对粮食产量测量过程中，谷物流量传感器是这个测量系统的核心，目前我们采用的谷物流量传感器有光电容积传感器、γ射线式流量传感器、冲量式流量传感器和刮板轮式容积流量传感器等几种。
4.3.1光电式容积传感器
光电式容积传感器是由对射式光电开关、电缆、稳压电路、信号采集电路、信号处理电路等组成。光电式容积传感器的结构原理图如图4-4所示，在使用过程中，把它安装在收割机谷物升运器两侧，当升运器刮板运送谷物上升时，上升的谷物经过光电开光之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，光电敏感元件间断地接收光的反射信号，再经过转换电路处理，将反射光脉冲转换成电脉冲信号。再由阻断时间间隔就可以计算出谷物的流量。
图4-4 光电容积传感器
4.3.2 γ射线式流量传感器
γ射线式流量传感器也称为核辐射监测装置，它是根据被测物质对放射线的吸收、穿透能力、反射、散射或被测物质的电离激发作用而工作的。它可以用来测量物质的密度、厚度、分析气体成分、探测物体内部结构等。当原子核发生α、β衰变时，往往衰变到核的激发态，处于激发态的原子核是不稳定的，他会向低激发态或者基态跃迁，同
时释放出γ光子，产生γ射线。放射线源多使用Co 60或Cs 137等放射性同位素发出的γ射线源[5-6]。
γ射线式流量传感器的一个重要组成部分就是核辐射接收器，它将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强弱变化。在工作过程中，射线源对准传感器，当升运器运送的谷物被抛出后，辐射源的放射线经谷物的反向散射，将导致传感器测出的辐射强度发生变化。它的结构原理图[28]如图4-5所示，
图4-5 γ射线式流量传感器
射到探测器上的透射射线强度J 和谷物质量m 的关系为
m 0e J J μ-= （4-4） 式中：
J 射到探测器的投射射线强度
μ 被测谷物对所用射线的质量吸收系数
0J 没有谷物时射到探测器处的射线强度 m
谷物的厚度 由上面的衰减规律公式可知，辐射强度越弱表明辐射源与传感器之间的谷物质量越大，将谷物的质量数据和谷物流经传感器的数据结合，便可转换成谷物的质量流速度。
4.3.3冲量式流量传感器
冲量式流量传感器与电阻应变式传感器的工作原理基本相同，即当被测物理量（如位移、压力）在弹性元件上产生弹性形变，贴在弹性元件表面的电阻应变片将弹性形变转变成其电阻值的变化，从而电阻应变式传感器可将被测物理量的变化转换成电信号的变化。
图4-6 冲量式流量传感器
1.升运器
2.导流板
3.力传感器
4.冲击板
在应用中，冲量式传感器安装在收割机的升运器出口，当升运器运送的谷物到达粮仓顶部，谷物因为具有动量被抛出后而击打到冲量式传感器的弹性元件上[20]，贴在弹性元件上的电阻应变片的阻值因弹性元件的形变而发生变化，通过转换电路转变成电压或电流的变化。再通过标定将电压或电流信号转换成谷物的质量流量值。
4.3.4刮板轮式容积流量传感器
上文所介绍的用于测量谷物流量的传感器都是通过谷物对弹性元件的冲击而引起的形变、对射线的吸收和反射以及升运器上谷物的高度等参数来间接测量出谷物的体积或重量。通过把测得的参数转换成电信号，再经过放大处理便可得到谷物的流量。
刮板轮式容积流量传感器[20,26]可以直接将谷物的体积或重量转换成电信号，可以更加方便地测出谷物的流量。刮板轮式容积流量传感器的原理图[20]如图4-7所示，
图4-7 刮板轮式容积流量传感器
当升运器运送抛出的谷物达到一定的高度时，料位传感器检测到信号后，位于升运器和谷仓之间的刮板轮开始转动。其中，两刮板轮之间的空间容积V是已知的，因此只要测出刮板轮的瞬时转速便可根据下式计算出谷物的容积流量。
F （4-5）
nVR
其中F表示谷物的容积流量，n表示刮板的个数，V表示两刮板轮之间的空间容积，R表示刮板轮的转速。
4.3.5以上四种传感器优缺点的比较
(1)光电式容量传感器在测量过程中容易受含水量、谷物的质量密度、机器的振动和倾斜程度、探头易受污染等因素影响，从而在工作中性能不稳定。
(2)冲量式流量传感器是目前应用最为广泛的，它的测量范围也很广，可以对绝大多数谷物进行测量，其次它的结构比较简单，与其他的几类传感器相比它可以适应相对恶劣的环境。但是，它的测量结果会因升运器的转速、谷物含水率受到影响。
(3)核辐射式流量传感器可以精确、迅速、自动、非接触、无损检测，但是它的价格比较高以及核辐射对人体的伤害而使其应用受到限制。
(4)刮板式流量传感器与上面三种流量传感器相比可以实现对流量的直接测量，而且它的精度高、实时性好，但是需要较大的空间，所以在实用性上存在局限性。
综上对四种流量传感器比较可得，冲量式流量传感器具有最高的性价比，并且目前在收割机上其应用的最广泛。
4.4测量谷物湿度可选用的传感器
湿度[17]是指空气中水蒸气的含量的物理量，通常采用相对湿度、绝对湿度、露点等来表示。水分子有较大的偶极矩，因而易于附着并渗入固体表面内。利用这种现象制成的湿敏元件称为水分子亲和力型元件；另一类湿敏元件与水分子亲和力无关，称为非水分子亲和力型元件。水分子附着或侵入湿敏材料后，会引起材料阻抗或介质常数的变化。
湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过湿敏器件的物理或化学性质变化,将湿度转换成有用信号的器件。由于空气中水蒸气的含量比空气少得多、湿敏元件易被腐蚀和老化等原因使得湿度检测比其他物理量的检测更加困难。通常，要求湿敏元件在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染以及受温度影响小等。
4.4.1氯化锂湿度传感器
氯化锂湿度传感器是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的阻抗式湿敏元件。它由引线、基片、感湿层和电极组成，如图4-8所示，
图4-8 氯化锂湿度传感器
氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂溶液中，
Li 和Cl 均以离子形式存在， Li 对水分的吸引能力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。
当溶液置于一定的温湿场中，若环境相对湿度比较高，溶液将吸收水分，使浓度降低，
因此，溶液电阻率变大，反之亦然。从而实现对湿度的测量。
4.4.2半导体陶瓷湿度传感器
半导体陶瓷湿度传感器是由传感器、加热器、底座三部分组成的一种阻抗式湿度传
感器。它是利用附着在金属氧化物陶瓷毛细孔的水分变化而使电阻值变化来工作的。其
结构如图4-9所示，
图4-9 陶瓷湿度传感器结构示意图
陶瓷湿度传感器的敏感材料是由镁尖晶石（42O MgCr ）和金红石（2TiO ）构成
的金属氧化物陶瓷。将这种陶瓷烧制成表面多孔的薄平板，然后在其两面配制与陶瓷热
膨胀系数大致相等，且粘结强度大的氧化钌（2RuO ）电极。同时，将铂-铱线用氧化
钌糊质烧结，作为电极导线并与电极相连接，从而构成湿度传感器。
4.4.3氧化铝湿度传感器
氧化铝湿度传感器是一种电容式微量水分检测传感器，它是利用氧化铝对水分吸附
能力极强制成的，工作时被测气体中的水分子通过金属层上的网孔被氧化铝的细孔壁吸
附或释放，并与周围的水蒸气压很快达到平衡。由于水分的介电常数大，细孔壁吸附水
分子后等效电容变大，即电容量随湿度变化：湿度越大，电容量越大，反之亦然。其变
化规律可以表示为：
d
A C s 0εε= （4-6） 式中，C 表示电容量；A 为平板电容的面积；d 为两极板之间的距离；0ε
表示真空
电容率；s ε为比电容率（随温度变化)。 4.4.4微波湿度传感器
微波是介于红外线与无线电波之间的电磁辐射，其频率通常在1000MHz 以上，具有
电磁波的性质，但是它又不同于普通无线电波和光波，是指一种波长相对较长的电磁波。
目前，微波传感器在微波通信、卫星发送、雷达、遥感等方面得到了应用。在工业中，
微波传感器对材料无损检测及物位检测具有重要作用。微波传感器在工业、农业、地质
勘探、能源、材料、国防等方面具有广泛的应用前景。
微波在含水蒸气的空气中传播时会因为水蒸气的吸收而产生一定的损失，损失的程
度会因波长的不同而不同。利用这一特性我们研制成微波湿度传感器。
在微波频段，水的介电常数远远大于一般材料。高频电场中，电介质存在弛豫损耗，
其介电常数可以用复数表示：
'''j εεε+= （4-7）
其中，'ε表示介质的储能特性；''ε表示介质的耗能特性。 介电常数'ε、''ε与电场的频率、材料的性质有关。一般干燥材料的介电常数比较小，如木材、纸张、皮革等的介电常数都在1~5之间，而水的一般则很高。由于水的
这种微波特性，使被测材料中的水分成为决定其介电常数的主要因素，因此湿度的变化
可以很大程度影响材料的介电特性，通过测量与介电常数相关的物理量就能判断材料的
含水率。
微波湿度传感器[5]在测量谷物颗粒的湿度是基于放在发射和接受喇叭天线之间的
谷物对微波信号的衰减。由于谷物的介电特性取决于谷物的湿度和疏密度，所以当测量
微波衰减或用别的介电传感器确定湿度时，疏密度的变化就会产生误差，为了克服其对
测量结果的影响，研制出一种使用微波带线状传感器代替喇叭天线的微波湿度传感器，
微波带线状传感器安装在谷物干燥器上，可提供连续的湿度记录，并用低通滤波器来消
除谷物疏密度引起的电信号变化。
4.4.5各湿度传感器的优缺点对比及在其它领域的应用