农机装备中信息采集元器件的研究与应用

泰山智能制造产业研究院 孙燕敏

长期以来，农业机械一直是以低端和落后的形象出现在田间地头，其实随着电子信息技术的快速发展，农业机械早已进入一个飞速发展的阶段，尤其是多种类传感器的应用，检测到相关数据后，通过信号采集，放大比对传输，直观地显示在用户面前，特别是随着5G 的发展，更是可以通过无线传输实现远距离操控。

电子技术的一个重要发展方向就是传感器的使用，传感器就是利用内置的各种芯片，通过力学原理、电磁感应，甚至是化学反应把想要测量的数据检测出来的元器件，传感器就相当于一把尺子，把物体往上放，各种数值就出来了。只是传感器的构造比“尺子”要复杂得多。

发动机是机械设备的心脏，发动机的参数更是决定机械设备正常运转的关键，其中转速是直接反映发动机工作状态的标志，机油压力是保证发动机正常长期工作的重要参数，本文以通用的转速检测、机油压力检测与显示为例，介绍了电子技术在农机上的应用。

1 转速传感器

1.1 磁电式传感器

磁电式转速传感器的结构如图1 所示。它的构造大同小异，基本上都是由永久磁铁、线圈和磁盘，再安装在相应尺寸（需要检测转速的发动机齿轮附近的位置）的固定盘上。在磁盘上有齿形凸起，装在被测转轴上，与转轴一起旋转。当转轴旋转时，磁盘的齿会随之转动，切割永久磁铁的磁感线，产生相应的电流变化。通过内部元件的转化，形成一定幅度的脉冲电动势，其频率为:

图1 磁电式转速传感器

Z 为磁轮的齿数；n 为磁轮的转数，单位rad/min

转换电路是利用LM2907 的频压转换功能实现，它的芯片中有比较器、高增益运算放大器等，可以直接把频率信号转换为可测的直流电压信号。如图2 所示。

图2 LM2907 测速原理图

2 光电式转速传感器

光电式转速传感器根据接收方式分为直射式和反射式。直射式的输入轴与待测轴连接,光通过开孔和缝隙板直射在光敏元件上（如图3 所示）。这样盘转一周，光敏元件接受光的次数就等于盘上的开孔数，直接可以算出来。若开孔数为m，记录过程时间为t 秒，总脉冲数为N，则转速为:

图3 光电直射式转速传感器

反射型内部如图4 所示。由于传感器内自带光源、感光元器件(光电晶体管)以及放大器之类电子元器件等，所以使用起来非常方便。而且光源是经过频率调制的，所以抗干扰性强。振荡回路可以用来产生一个调制频率用来点亮光源的发光二极管，采用不稳定多谐振荡的方式，振荡频率约为7kHz，脉宽约25μs。

图4 光电反射式转速传感器

光电传感器检测原理图

对于农业机械来说，由于土地流转等原因，农业机械化在农业上应用前景广阔，但相较于其他行业，农业利润低，这是需要考虑的首要情况，农机要想推广，首先在抗干扰、容错率上考虑，所以本文选择了性价比和适用性更强的磁电式转速传感器，其内部电路电路图如图5 所示。

图5 转速传感器内部线路图

3 机油压力传感器

机油压力传感器一般安装在发动机的主油输送管道外壁上，外形图如图6 所示，金属壳（8）直接拧到输送管道外壁相应位置，电流方向（9）是触点闭合时的流向，当发动机运行时，压力测量装置可以检测机油的压力，将检测到的压力信号转变为电信号送至信号处理电路，然后经过电压和电流放大，通过信号线将放大后的压力信号输送至单片机，经过校正或者检测后，输出数值或者简单的输出开关量从而转化为报警指示。

图6 机油压力传感器

4 信号采集和数据显示

转速通过传感器进行检测，能够感受发动机的转速并输出。当转子旋转时，定子所在空间会形成相应的旋转磁场，磁场中德定子绕组切割磁力线产生感应电动势，交流电流就产生了。交流点的输出频率与转子的转速成正比。也就是说与发动机转速成正比。我们通过由89C51 单片机组成的组合电路，对频率信号进行采集和计算就能够得出发动机转速的数值。

对于传感器送来的信号，经过放大和整形，送入89C51 单片机进行数据处理转换，经89C51 编程处理后由P1 口输出通过数码管显示出转速。如图7 所示。

图7 信号采集和显示电路

通过对转速的采集和显示，可以直观地对发动机的工作状态做出判断，如果添加电控油门以及远程控制接收模块，还可以实现远程无级变速控制。

电子信息技术通过传感器应用在农机的各个部位，机油压力传感器可以检测发动机机油，有效避免爆缸事故，更好的保护发动机；燃油传感器可以准确测量燃油量（图8），为长时间不间断工作提供保障；转向角度传感器（图9）可以通过电磁液压阀接收指令直接作用在转向油路上，使农业机械实现转向控制。

图8 燃油量传感器

图9 转向角度传感器

农业机械的智能化控制领域中用传感器，相当于给农机安装了“五官”，可以准确地将设备的信息反映出来。