本發(fā)明涉及了一種顆粒碰撞傳感器，尤其是涉及了一種基于PVDF的雙層十字交叉結(jié)構(gòu)顆粒碰撞傳感器，可應用于農(nóng)業(yè)收獲機械中作為谷物損失傳感器。

背景技術(shù)：

農(nóng)業(yè)收獲機械比如聯(lián)合收割機等進行收獲作業(yè)時，需經(jīng)過割斷作物莖稈、分離谷粒與莖稈、莖稈粉碎拋出、谷物收集等步驟?，F(xiàn)代谷物聯(lián)合收割機一般在逐稿器尾部和清糧篩出口處安裝谷物損失傳感器來檢測谷物損失情況，谷物損失傳感器根據(jù)顆粒碰撞傳感器所產(chǎn)生電信號的幅值和頻率不同區(qū)分谷粒和其他雜質(zhì)。目前顆粒碰撞傳感器設計均為單層壓電材料結(jié)構(gòu)，只能依靠增加傳感器的個數(shù)提高檢測精度和獲得位置信息，典型代表如專利US20160025531A1。本發(fā)明為顆粒碰撞傳感器提出一種雙層十字交叉結(jié)構(gòu)，可以依靠多傳感器融合技術(shù)來獲得顆粒碰撞位置信息和提高檢測精度，為顆粒碰撞傳感器提供新的設計思路。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為獲得顆粒碰撞位置信息和提高檢測精度，提出了一種基于PVDF的雙層十字交叉結(jié)構(gòu)顆粒碰撞傳感器。

本發(fā)明為解決上述問題所采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明包括自上到下依次層疊疊放的x向傳感器層、絕緣片、y向傳感器層和支撐板，上述四層的相鄰兩層之間通過有機膠水連接，x向傳感器層包括多個平行并排并且相互絕緣的x向傳感器單元，y向傳感器層包括多個平行并排并且相互絕緣的y向傳感器單元，x向傳感器單元平行排列方向垂直于y向傳感器單元平行排列方向；x向傳感器單元均經(jīng)各自的x向電信號收集器并聯(lián)連接到x向電信號處理裝置，y向傳感器單元均經(jīng)各自的y向電信號收集器并聯(lián)連接到y(tǒng)向電信號處理裝置，從而形成同層間傳感器電學并聯(lián)且異層間傳感器力學串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的傳感器檢測精度根據(jù)x向傳感器單元和y向傳感器單元排布密度而定，數(shù)量越多排布越密則所能顆粒碰撞所能定位的位置精度越高。

所述的x向電信號處理裝置和y向電信號處理裝置連接到計算機，x向電信號收集器和y向電信號收集器分別采集x向傳感單元的電信號和y向傳感器單元的電信號，x向電信號處理裝置和y向電信號處理裝置分別接收x向電信號收集器和y向電信號收集器發(fā)送來的所采集電信號并使之形成方波信號輸出到計算機，計算機接收x向電信號處理裝置和y向電信號處理裝置中發(fā)送來的方波信號，根據(jù)方波信號的來源和數(shù)量進行統(tǒng)計處理獲得顆粒碰撞次數(shù)和位置的數(shù)據(jù)。

所述的x向傳感器單元包括x向PVDF壓電薄膜、兩層x向環(huán)氧樹脂層和x向PET薄膜，x向PVDF壓電薄膜的上下表面均粘接有x向環(huán)氧樹脂層，上表面的x向環(huán)氧樹脂層與x向PET薄膜底面粘接，兩層x向環(huán)氧樹脂層一側(cè)端面均連接有x向平紋導電膠布，x向平紋導電膠布經(jīng)x向?qū)Ь€與x向電信號收集器相連接。

所述的y向傳感器單元包括y向PVDF壓電薄膜、兩層y向環(huán)氧樹脂層和y向PET薄膜，y向PVDF壓電薄膜的上下表面均粘接有y向環(huán)氧樹脂層，下表面的y向環(huán)氧樹脂層與y向PET薄膜頂面粘接，兩層y向環(huán)氧樹脂層一側(cè)端面均連接有y向平紋導電膠布，y向平紋導電膠布經(jīng)y向?qū)Ь€與y向電信號收集器相連接。

所述的x向電信號處理裝置和y向電信號處理裝置結(jié)構(gòu)相同，均包括依次連接的電荷放大器、帶通濾波器、包絡檢波器和電壓比較器，電壓比較器輸出方波信號。

所述的計算機包括用于處理帶有傳感器單元信息的方波信號的方波計數(shù)器和用于數(shù)據(jù)融合處理的多傳感器融合計數(shù)器，方波計數(shù)器將多個傳感器的單元信息和個數(shù)信息合成為多組坐標數(shù)據(jù)，多組坐標數(shù)據(jù)傳遞給多傳感器融合計數(shù)器，多傳感器融合計數(shù)器將所有坐標數(shù)據(jù)經(jīng)過分析、疊加、去重、計數(shù)之后獲得實際顆粒碰撞數(shù)目和每次碰撞發(fā)生的位置坐標。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明通過x向、y向信號分別獲取、處理之后，形成x向、y向顆粒碰撞位置橫、縱坐標，再運用多傳感器融合技術(shù)將橫、縱坐標轉(zhuǎn)化為顆粒碰撞傳感器的位置信息，可以形成顆粒碰撞的位置信息，為碰撞顆粒增加一組位置信息，可以減小傳感器的漏判、誤判，提高傳感器檢測精度，在用于農(nóng)業(yè)谷粒損失檢測，提高了準確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明外觀結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明x向傳感器單元及x向電信號收集器的連接方式示意圖；

圖3為本發(fā)明y向傳感器單元及y向電信號收集器的連接方式示意圖；

圖4為x向電信號處理裝置50處理多個x向電信號收集器30傳輸?shù)碾娦盘栠^程示意圖；

圖5為計算機90處理方波信號過程示意圖；

圖6為單粒顆粒碰撞本發(fā)明響應狀態(tài)簡化圖；

圖7為兩粒顆粒同時碰撞本發(fā)明，并且碰撞位置坐標有其一相同的狀況響應狀態(tài)簡圖。

圖中：x向傳感器單元10、x向PVDF壓電薄膜11、x向環(huán)氧樹脂層12、x向平紋導電膠布13、x向?qū)Ь€14、x向PET薄膜15；y向傳感器單元20、y向PVDF壓電薄膜21、y向環(huán)氧樹脂層22、y向平紋導電膠布23、y向?qū)Ь€24、y向PET薄膜25；x向電信號收集器30、y向電信號收集器40、x向電信號處理裝置50、y向電信號處理裝置60；電荷放大器51、帶通濾波器52、包絡檢波器53、電壓比較器54；絕緣片70；支撐板80；計算機90、方波計數(shù)器91、多傳感器融合計數(shù)器92。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明包括自上到下依次層疊疊放的x向傳感器層、絕緣片70、y向傳感器層和支撐板80，上述四層的相鄰兩層之間通過有機膠水連接，x向傳感器層包括多個平行并排并且相互絕緣的x向傳感器單元10，y向傳感器層包括多個平行并排并且相互絕緣的y向傳感器單元20，x向傳感器單元10平行排列方向垂直于y向傳感器單元20平行排列方向；x向傳感器單元10均經(jīng)各自的x向電信號收集器30并聯(lián)連接到x向電信號處理裝置50，x向傳感器層的所有x向傳感器單元10相并聯(lián)，y向傳感器單元20均經(jīng)各自的y向電信號收集器40并聯(lián)連接到y(tǒng)向電信號處理裝置60，y向傳感器層的所有y向傳感器單元20相并聯(lián)，從而形成同層間傳感器電學并聯(lián)且異層間傳感器力學串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

具體實施中如圖1所示，多個x向傳感器單元10沿x向并列排列，各個x向傳感器單元10之間相互絕緣，多個y向傳感器單元20沿y向并列排列，各個y向傳感器20之間相互絕緣。

x向電信號處理裝置50和y向電信號處理裝置60連接到計算機90，x向電信號收集器30和y向電信號收集器40分別采集x向傳感單元10的電信號和y向傳感器單元20的電信號，再分別發(fā)送到x向電信號處理裝置50和y向電信號處理裝置60，x向電信號處理裝置50和y向電信號處理裝置60分別接收x向電信號收集器30和y向電信號收集器40發(fā)送來的所采集電信號并使之形成方波信號輸出到計算機90，計算機90接收x向電信號處理裝置50和y向電信號處理裝置60中發(fā)送來的方波信號，根據(jù)方波信號的來源和數(shù)量進行統(tǒng)計處理獲得顆粒碰撞次數(shù)和位置的數(shù)據(jù)。

如圖2所示，x向傳感器單元10包括x向PVDF壓電薄膜11、兩層x向環(huán)氧樹脂層12和x向PET薄膜15，x向PVDF壓電薄膜11的上下表面均粘接有x向環(huán)氧樹脂層12，上表面的x向環(huán)氧樹脂層12與x向PET薄膜15底面粘接，上表面的x向環(huán)氧樹脂層12將x向PET薄膜15與x向PVDF壓電薄膜11相粘接，兩層x向環(huán)氧樹脂層12一側(cè)端面均連接有x向平紋導電膠布13，通過x向環(huán)氧樹脂層12將x向平紋導電膠布13與x向PVDF壓電薄膜11相連，x向平紋導電膠布13經(jīng)x向?qū)Ь€14與x向電信號收集器30相連接。

如圖3所示，y向傳感器單元20包括y向PVDF壓電薄膜21、兩層y向環(huán)氧樹脂層22和y向PET薄膜25，y向PVDF壓電薄膜21的上下表面均粘接有y向環(huán)氧樹脂層22，下表面的y向環(huán)氧樹脂層22與y向PET薄膜25頂面粘接，下表面的y向環(huán)氧樹脂層22將y向PET薄膜25與y向PVDF壓電薄膜21相粘接，兩層y向環(huán)氧樹脂層22一側(cè)端面均連接有y向平紋導電膠布23，通過y向環(huán)氧樹脂層22將y向平紋導電膠布23與y向PVDF壓電薄膜21相連，y向平紋導電膠布23經(jīng)y向?qū)Ь€24與y向電信號收集器40相連接。

x向電信號處理裝置50和y向電信號處理裝置60結(jié)構(gòu)相同，均包括依次連接的電荷放大器51、帶通濾波器52、包絡檢波器53和電壓比較器54，電壓比較器54輸出方波信號。

具體實施如圖4所示，x向電信號處理裝置(50)輸出的方波信號中含有碰撞所對應的x向傳感器單元的序號信息，分別標記為x1、x2、x3、x4、x5。類似地，y向電信號處理裝置(60)輸出的方波信號中含有碰撞所對應的y向傳感器單元的序號信息，分別標記為y1、y2、y3、y4、y5。

如圖5所示，合成后的坐標數(shù)據(jù)分別標記為x方向的(x1，n1)、(x2，n2)…(x5，n5)以及y方向的(y1，m1)、(y2，m2)…(y5，m5)，n1、n2…n5表示五個x向傳感器單元各自采集到的碰撞次數(shù)，m1、m2…m5表示五個y向傳感器單元各自采集到的碰撞次數(shù)，

計算機90包括用于處理帶有傳感器單元信息的方波信號的方波計數(shù)器91、用于將傳感器單元信息與個數(shù)信息合成為坐標數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)合成器和用于處理坐標數(shù)據(jù)的多傳感器融合計數(shù)器92，多傳感器融合計數(shù)器92將所有坐標數(shù)據(jù)經(jīng)過分析、疊加、去重、計數(shù)之后獲得實際顆粒碰撞數(shù)目和每次碰撞發(fā)生的位置坐標。

以單粒顆粒碰撞本發(fā)明為例，單粒顆粒碰撞本發(fā)明時，本發(fā)明的響應狀態(tài)簡圖如圖6所示，顆粒100擊本發(fā)明時，在x向傳感器單元10的落點為101，由于傳感器間上下層為力學串聯(lián)關(guān)系，所以顆粒100的力傳遞至y向傳感器單元20，落點為102。顆粒100在x向傳感器單元10上碰撞形成電學信號，電學信號傳遞給x向電信號收集器30，x向電信號收集器30中的電學信號經(jīng)過x向電信號處理裝置50后形成攜帶x向傳感器單元10信息的方波信號x2₁₀₁，同理，y向傳感器單元20上的落點102形成的電學信號，經(jīng)過y向電信號收集器40和y向電信號處理裝置60后形成方波信號y2₁₀₂，x向電信號處理裝置50的方波信號x2₁₀₁傳輸至計算機90中經(jīng)過方波計數(shù)器91形成(x2₁₀₁，1)的攜帶傳感器位置信息和個數(shù)信息的坐標，此坐標表示在x2傳感器單元上有1次碰撞，同理也會形成(y2₁₀₂，1)的坐標，表示在y2傳感器單元上有1次碰撞，這與x2傳感器單元上的碰撞向吻合，說明在本發(fā)明上有1次碰撞，并且碰撞的坐標為(x2，y2)。

多個顆粒同時間碰撞并且碰撞位置橫縱坐標都不同的情況，可按照單粒顆粒碰撞的方法計算。

若多個顆粒不同時間碰撞，并且碰撞位置橫縱坐標相同，可根據(jù)x向電信號收集器30和y向電信號收集器40收集到的電學信號的個數(shù)，經(jīng)過x向電信號處理裝置或y向電信號處理裝置60后形成的方波數(shù)目，在方波計數(shù)器91處計數(shù)出來，計算出有幾次碰撞。

兩粒顆粒同時碰撞本發(fā)明，并且碰撞位置坐標有其一相同的狀況響應狀態(tài)簡圖如圖7所示，顆粒110與顆粒120同時碰撞本發(fā)明，顆粒110在x向傳感器單元10和y向傳感器單元20的力學落點分別為111和112，顆粒120在x向傳感器單元10和y向傳感器單元20的力學落點分別為121和122，假設落點111和落點121在相同的x向傳感器單元上，又因為碰撞落點111和121同時形成，所以在x向電信號收集器30處只能收集到一個電信號，而因為力學落點112和122分別在不同的y向傳感器單元20上，所以在兩個y向電信號收集器40上，分別可以收集到一個電學信號，經(jīng)過x向電信號處理裝置50和y向電信號處理裝置60后，可以得到方波信號x2_1n1，y2₁₁₂和y4₁₂₂，這些方波信號傳輸至計算機90后，經(jīng)過方波計數(shù)器91形成(x2_1n1，1)，(y2₁₁₂，1)和(y4₁₂₂，1)坐標，表示在x2傳感器單元上有1次碰撞，在y2傳感器單元上有1次碰撞，y4傳感器單元上也有1次碰撞，這說明在本發(fā)明上發(fā)生了2次碰撞，碰撞坐標分別為(x2，y2)和(x2，y4)。

本發(fā)明的雙層十字交叉結(jié)構(gòu)傳感器的技術(shù)方案，在每個x向傳感器單元10和y向傳感器單元20尺寸縮小，數(shù)目變多時，排列密度增加后，傳感器對顆粒碰撞的計數(shù)和定位精度提高。