傳感器是提升我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化水平的關(guān)鍵技術(shù)之一.在整個(gè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期中，稱重 傳感器在其中每個(gè)環(huán)節(jié)都有潛在的應(yīng)用領(lǐng)域,文中從精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的4個(gè)不同階段：土地準(zhǔn)備、精 準(zhǔn)播種、作物管理、精準(zhǔn)收獲,對(duì)稱重傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)裝備中應(yīng)用和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié).在此基 礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析了當(dāng)前稱重傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)際應(yīng)用中亟待解決的3個(gè)主要關(guān)鍵問題：可靠 性、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)測(cè)量精度.最后,對(duì)解決這些問題背后所涉及的關(guān)鍵共性技術(shù),包括敏感機(jī)理、制 造工藝和計(jì)測(cè)技術(shù)等作了進(jìn)一步闡述.

傳感器是一種能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律 轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置m.稱重傳感器 就是其中一種測(cè)量物體質(zhì)量或受力狀況的傳感器. 其中，基于電阻應(yīng)變?cè)淼姆Q重傳感器由于具有結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和精度高等優(yōu)點(diǎn)占據(jù)了主導(dǎo)地位.電 阻應(yīng)變式稱重傳感器（簡(jiǎn)稱稱重傳感器）主要由彈 性元件,粘貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變計(jì)以及補(bǔ)償 電阻組成,其中電阻應(yīng)變計(jì)和各類補(bǔ)償電阻連接組 成惠斯頓電橋,將被測(cè)物理量的變化經(jīng)過電橋比例 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化0.

稱重傳感器作為電子稱重技術(shù)和電子衡器產(chǎn)品 的技術(shù)基礎(chǔ)和核心部件,在很多行業(yè)的生產(chǎn)與流通 中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用.近幾年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、智 慧物流、智慧農(nóng)業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,稱重傳感 器在一些新的領(lǐng)域也出現(xiàn)了相關(guān)應(yīng)用.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)就 是其中一個(gè)有著廣闊應(yīng)用前景的領(lǐng)域.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)又 稱精細(xì)農(nóng)業(yè)或精確農(nóng)業(yè)，是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新 潮流,是未來農(nóng)業(yè)的雛形.在整個(gè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)周期 中，稱重傳感器在其中每個(gè)環(huán)節(jié)都有其潛在的應(yīng)用 市場(chǎng)，比如拖拉機(jī)的牽引力測(cè)量、精準(zhǔn)播種、變量施 肥與噴藥、以及作物的產(chǎn)量監(jiān)測(cè)、草捆重量監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì) 等等,都出現(xiàn)了基于稱重傳感器的相關(guān)應(yīng)用研究.據(jù) 美國的霍尼韋爾公司在2013年的評(píng)估:未來10年， 僅在谷物收獲管理技術(shù)這一領(lǐng)域，開發(fā)無線農(nóng)業(yè)傳 感器系統(tǒng)就能夠帶動(dòng)大約860億美元的投資，由此 可見,稱重傳感器作為谷物產(chǎn)量監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵部件 之一,其市場(chǎng)前景一定會(huì)十分廣闊.

文中主要介紹了國內(nèi)外稱重傳感器技術(shù)在精準(zhǔn) 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，分析了當(dāng)前國內(nèi)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng) 域中稱重傳感器產(chǎn)業(yè)化存在的一些主要技術(shù)問題， 最后給出了解決這些問題的一些對(duì)策分析.

1.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1土地準(zhǔn)備

土地精整是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，主要 通過拖拉機(jī)牽引農(nóng)機(jī)具進(jìn)行作業(yè).農(nóng)具通過安裝在 拖拉機(jī)上的電液懸掛系統(tǒng)進(jìn)行控制，基本的控制方 法有力控制、位控制和力位綜合控制等.稱重傳感器 被用來對(duì)農(nóng)機(jī)懸掛的受力狀況進(jìn)行測(cè)量并反饋給控 制系統(tǒng)進(jìn)行決策,但農(nóng)具懸掛系統(tǒng)在作業(yè)中是一個(gè) 動(dòng)態(tài)的非線性慣性系統(tǒng),對(duì)它進(jìn)行綜合電子控制一 直未能取得滿意的效果，主要原因是控制方法和傳 感器性能的穩(wěn)定性不能適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境H -文 獻(xiàn)&]設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)寬度和高度尺寸的Dyna- mometer (即一種稱重傳感器或幾個(gè)稱重傳感器的組 合），以適應(yīng)不同的農(nóng)具安裝條件，節(jié)約了成本.文 獻(xiàn)H基于DEOR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種測(cè)量范圍達(dá)到 180 kN的Dynamometer,可以同時(shí)測(cè)量水平和垂直 力，兩者之間的互擾低且傳感器的線性指標(biāo)很好.為 了提高作業(yè)效率和降低能耗，文獻(xiàn)6]為約翰迪爾 公司的3140型拖拉機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)新型三點(diǎn)懸掛用 Dynamometer,相比其他同類Dynamometer,其測(cè)量精 度對(duì)懸掛點(diǎn)變化不敏感,且制造成本相對(duì)更低.隨著 數(shù)字化傳感器的不斷發(fā)展，文獻(xiàn)&]開發(fā)了一種嵌 入式的數(shù)字牽引力測(cè)量裝置，并于其他傳感器數(shù)據(jù) 結(jié)合一起對(duì)耕作過程中的狀況進(jìn)行分析.

除此之外，文獻(xiàn)8]設(shè)計(jì)了安裝在農(nóng)具上的稱 重傳感器,測(cè)量土壤阻力，進(jìn)而與其他傳感器一起用 于實(shí)時(shí)土壤堆積密度的測(cè)量.文獻(xiàn)9]研究了一個(gè) 包含稱重傳感器的多傳感器平臺(tái)來生成土壤密度分 布圖用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的耕作方案制定.

在國外,稱重傳感器在拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)中已經(jīng) 商業(yè)化應(yīng)用，其研究方向也開始轉(zhuǎn)向傳感器的數(shù)字 化和智能化，擴(kuò)展稱重傳感器的應(yīng)用范圍，以及結(jié)合 多傳感器數(shù)據(jù)融合來提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的效率和質(zhì)量.

在國內(nèi)，目前拖拉機(jī)仍然以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)性能 中低端為主,相關(guān)研究更多集中在拖拉機(jī)懸掛的控 制系統(tǒng)研究,針對(duì)稱重傳感器研究相對(duì)較少.如江蘇 大學(xué)的韓江義等M為測(cè)量大馬力拖拉機(jī)的牽引力， 開發(fā)了一種軸銷式感器，主要對(duì)傳感器的彈性體設(shè) 計(jì)進(jìn)行了仿真計(jì)算,而對(duì)稱重傳感器的封裝等其他 重要技術(shù)未做詳述.

1.2精準(zhǔn)播種

播種機(jī)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播種的主要手段，其性能好 壞直接影響播種質(zhì)量及農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量. 較為直觀的應(yīng)用，是在播種機(jī)的種子斗與機(jī)架之間 安裝稱重傳感器以隨時(shí)監(jiān)測(cè)種子斗內(nèi)部的狀況，配 合速度傳感器等可以實(shí)現(xiàn)單位播種率的統(tǒng)計(jì).如美 國專利 US9539927 B2 , WO2012/170548 A2 m 等都描述類似基于稱重傳感器的方案結(jié)構(gòu)與測(cè)量方 法,它們采用的都是類似Wmgh bar結(jié)構(gòu)的稱重傳 感器.在國內(nèi)，王素珍等&3等在條播機(jī)的排種器上 設(shè)計(jì)了一個(gè)稱重傳感器,牽引機(jī)裝有轉(zhuǎn)速傳感器,然 后采集稱重傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的讀數(shù)變化，計(jì)算 出單位播種量,并可以針對(duì)不同播種對(duì)象重新標(biāo)定， 適應(yīng)多種作物的條播精密播種，但是沒有說明所述 稱重傳感器的技術(shù)特征.

氣吸式振動(dòng)排種器通過振動(dòng)使種子處于“沸 騰”狀態(tài),依靠氣流將種子吸附,然后用正氣流進(jìn)行 播種，具有精度高，通用性好等優(yōu)點(diǎn)，是精密排種器 的一個(gè)重要發(fā)展方向.為了保證振動(dòng)盤內(nèi)的種子處 于較好的‘‘沸騰”狀態(tài)，需要控制種盤內(nèi)的種子數(shù) 量,近年來,相關(guān)人員14研究了通過一個(gè)雙孔平行 梁稱重傳感器來監(jiān)測(cè)振動(dòng)盤內(nèi)的種子分布情況，實(shí) 現(xiàn)定量加種，提高了播種質(zhì)量.

另外,播種深度對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量也有顯著影響.文 獻(xiàn)15]對(duì)種子直播時(shí)的深度主動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了 研究,一個(gè)尺寸緊湊的圓柱形稱重傳感器被安裝在 播種機(jī)構(gòu)的彈簧上,測(cè)量播種機(jī)構(gòu)插入土壤的作用 力，并與位移傳感器數(shù)據(jù)一起反饋給播種控制系統(tǒng).

最后，鎮(zhèn)壓也是精密播種作業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié), 對(duì)種子的發(fā)芽、出苗和最終產(chǎn)量有很大影響.針對(duì)不 同土壤、含水和作物類型，鎮(zhèn)壓強(qiáng)度應(yīng)有不同.國外 對(duì)此研究較多，僅美國就有200余種M .在國內(nèi)，王 景立等M設(shè)計(jì)可變力苗帶鎮(zhèn)壓器，利用鎮(zhèn)壓輪、支 架的重力及液壓缸的壓力作用在鎮(zhèn)壓輪接觸的土地 上,在一個(gè)輪子內(nèi)安裝了一對(duì)稱重傳感器,測(cè)量輪子 與地面之間的壓力.改變液壓缸行程可改變作用在 輪軸上的力，進(jìn)而改變鎮(zhèn)壓輪對(duì)種床土壤的壓力.

1.3精準(zhǔn)作物管理

精準(zhǔn)作物管理是指從作物播種到收獲過程中為 作物生長(zhǎng)進(jìn)行的各種管理措施,包括水、肥、藥的管 理.傳統(tǒng)的化肥農(nóng)藥施用方法，利用率低，帶來了嚴(yán) 重的生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)污染問題a7].精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的變 量施肥與噴藥技術(shù)，能夠有效提高肥料和農(nóng)藥的利 用率,節(jié)約成本,提高產(chǎn)量.文獻(xiàn)18設(shè)計(jì)了一種動(dòng) 態(tài)稱重系統(tǒng),在施肥機(jī)的懸掛上設(shè)置3個(gè)稱重傳感 器,1個(gè)50 kN的剪切梁式傳感器作為主稱量用傳 感器，另2個(gè)平行梁式傳感器分別是20和500 N,作 為參考傳感器對(duì)振動(dòng)等信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償.該系統(tǒng)在田 間測(cè)試過程中，稱重系統(tǒng)在6 ~20 kN測(cè)量范圍內(nèi)， 標(biāo)準(zhǔn)差不超過20 N,響應(yīng)時(shí)間在1 s內(nèi).

測(cè)土配方施肥是聯(lián)合國在世界范圍內(nèi)推行的一 項(xiàng)先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù),也是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)重要技術(shù).文 獻(xiàn)采用稱重法反饋肥料流量信息，采用4個(gè) 400 kg的稱重傳感器支撐肥箱，監(jiān)測(cè)肥箱內(nèi)肥料質(zhì) 量變化情況，并按照當(dāng)前車速，實(shí)施調(diào)整配肥施肥 量,試驗(yàn)表明作業(yè)精度和施肥流量（由稱重傳感器 獲取）、車速檢測(cè)的準(zhǔn)確性有很大關(guān)系，有待進(jìn)一步 驗(yàn)證與完善.文獻(xiàn)&0]采用同樣的稱重方法，只是 每個(gè)肥箱采用3個(gè)稱重傳感器,降低了成本,并采用 模糊控制算法,獲取各原料箱稱重傳感器的有效傳 感器數(shù)據(jù),然后實(shí)現(xiàn)智能變量配肥.在試驗(yàn)階段，該 系統(tǒng)的最大稱重誤差為1.2%.

在變量噴藥方面，針對(duì)噴桿式噴霧機(jī)藥箱藥液 晃動(dòng)造成的操控穩(wěn)定性差問題，張安東等M設(shè)計(jì)了 一種專用的三向力傳感器用于監(jiān)測(cè)噴霧機(jī)藥液箱晃 動(dòng)產(chǎn)生的附加力.傳感器是由上板、側(cè)板和下板組成 的整體對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由4塊側(cè)板作為應(yīng)變梁測(cè)量晃動(dòng) 產(chǎn)生的附加力，采用Q235作為傳感器彈性元件的 材料,其強(qiáng)度和耐腐蝕性都較差.

在節(jié)水灌溉管理方面，文獻(xiàn)&2]利用平行梁稱 重傳感器開發(fā)一種方便且低成本的耗水量測(cè)量方 法,試驗(yàn)表明在1.94 ~7. 78 dm3 ? s'1測(cè)量范圍內(nèi)的 不確定度為5.7%.文獻(xiàn)&3]建立了一個(gè)多傳感器 監(jiān)測(cè)平臺(tái)，用于指導(dǎo)節(jié)水灌溉，其中一個(gè)9 t的剪切 梁稱重傳感器主要用于監(jiān)測(cè)深耕的深度，與文獻(xiàn) 9]類似.

1.4精準(zhǔn)收獲

通過谷物測(cè)產(chǎn)生成小區(qū)產(chǎn)量圖和處方農(nóng)作，是 精確農(nóng)業(yè)的應(yīng)用基礎(chǔ).基于傳統(tǒng)稱重測(cè)力傳感器衍 生而來的沖量式谷物流量傳感器，由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單、成本低、便于安裝等特點(diǎn)，在聯(lián)合收割機(jī)測(cè)產(chǎn)系 統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用.國外商業(yè)化的農(nóng)機(jī)裝備， 如 Micro Track 公司、CASE IH 公司和 Ag Leader 公 司的聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的流量傳感器均采 用基于沖量的流量傳感器M.

目前，國外的應(yīng)用研究已經(jīng)從糧食作物轉(zhuǎn)向果 蔬以及經(jīng)濟(jì)作物方面.文獻(xiàn)&5 -26]研究了柑橘的 產(chǎn)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng),他們使用2個(gè)完全焊接密封的稱重 傳感器安裝在振動(dòng)輸送系統(tǒng)的末端.為了減小振動(dòng) 的影響,研究了這種焊接密封結(jié)構(gòu)的稱重傳感器安 裝位置與傳感器響應(yīng)特性的關(guān)系.在低速流量下, 與實(shí)際重量相比，平均誤差3. 56% ,高速流量誤差 9.16%.文獻(xiàn)的]設(shè)計(jì)了用于花生產(chǎn)量監(jiān)測(cè)的沖量 板產(chǎn)量傳感器,并與光電式產(chǎn)量傳感器進(jìn)行對(duì)比試 驗(yàn),發(fā)現(xiàn)沖量板產(chǎn)量傳感器的誤差大約在10% ,而 光電式的誤差只有1.54%,他們認(rèn)為沖量式產(chǎn)量傳 感器的誤差主要來源于試驗(yàn)中使用的舊式的行走式 稻草收割機(jī).文獻(xiàn)&8]利用有限元法分析了不同稱 重條件下葡萄收獲機(jī)械中稱重系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,并 給出了提高稱重精度的建議.

另外，由于在實(shí)際使用中傳感器存在零點(diǎn)飄移,文獻(xiàn)抄]研究了小型八角型稱重傳感器的零飄補(bǔ) 償算法,對(duì)零飄進(jìn)行補(bǔ)償后,測(cè)量的相對(duì)誤差從補(bǔ)償前19%,減小到補(bǔ)償后的1.5%.

國內(nèi)在谷物測(cè)產(chǎn)方面已經(jīng)開展了不少研 究B°_34 ,并取得了一定成果.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)在國內(nèi) 較早開發(fā)了沖擊式谷物流量傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量誤 差在2.07% ~5.44% ;華南農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)了雙板差 分沖量式谷物流量傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能減小機(jī)身振動(dòng) 對(duì)測(cè)產(chǎn)精度的影響,谷物流量在0.5 ~2.0 kg ? s-1 的測(cè)量相對(duì)誤差不超過3 % ;江蘇大學(xué)開發(fā)了承載 板式谷物流量傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，谷物流量小于2. 0 kg ? s-1時(shí)的測(cè)量相對(duì)誤差不超過2% ,谷物流量超 過2.5 kg ? s"1時(shí)的測(cè)量相對(duì)誤差約為5% ;中國農(nóng) 業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院開發(fā)了稱量式谷物流量監(jiān)測(cè)系 統(tǒng),在室內(nèi)和田間的測(cè)量誤差分別不超過2%和 3%.在傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方面，文獻(xiàn)35-36]對(duì) 傳感器的彈性元件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了研究，而文獻(xiàn) 37 -38]對(duì)傳感器的噪聲消除及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償進(jìn)行了 研究,取得了一定的成果.

2.存在的問題

通過對(duì)以上不同子領(lǐng)域的研究和應(yīng)用概述，稱 重傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用狀況可以總結(jié)如 下:首先，與其他國家相比，歐美國家特別是以美國 等為代表的國家在稱重傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng) 用已經(jīng)取得了一定的產(chǎn)業(yè)化成果.在亞洲國家中，日 本和韓國也在產(chǎn)業(yè)化研究道路上處于領(lǐng)先的地位. 我國還沒有出現(xiàn)明顯的產(chǎn)業(yè)化案例.其次,從研究應(yīng) 用領(lǐng)域來看，目前我國稱重傳感器技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè) 的精確收獲階段的應(yīng)用研究比較多，并取得了一定 成果,而在土地準(zhǔn)備、精準(zhǔn)播種和精準(zhǔn)作物管理階段 的研究相對(duì)較少.第三，從發(fā)展階段來看，目前我國 實(shí)際上還處在‘‘工業(yè)傳感器的農(nóng)業(yè)應(yīng)用”這一階段， 在很多研究試驗(yàn)中，采用的都是傳統(tǒng)的工業(yè)稱重傳 感器，這些傳感器的功能、靈敏度、精度等方面的水 平在農(nóng)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合下還有很大的提升空間.但是,在 我國農(nóng)業(yè)傳感器研究過程中，產(chǎn)品意識(shí)較為淡薄,使 得研究結(jié)果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐還存在諸多問題，限制 了其在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)裝備中的產(chǎn)業(yè)化.最后，結(jié)合上述文 獻(xiàn)的研究結(jié)果，文中將稱重傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中面 臨的不利因素歸結(jié)以下3點(diǎn)：

第一,動(dòng)態(tài)測(cè)量精度.動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)一直是國內(nèi) 外傳感器公司和研究機(jī)構(gòu)關(guān)注的研究領(lǐng)域,也是當(dāng) 前稱重傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中主要考慮的問題. 除了傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)稱重領(lǐng)域中需要考慮的一些干擾因素 外,還需要考慮由于農(nóng)機(jī)在工作運(yùn)動(dòng)時(shí),不可避免地 會(huì)受到來自各個(gè)方向的沖力，這會(huì)導(dǎo)致安裝在車輛 上的稱重傳感器感受到除重力之外的其他干擾力， 導(dǎo)致測(cè)量精度降低；同時(shí)，地面的不平整，也會(huì)使得 稱重傳感器在測(cè)量時(shí)不一定保持在理想的水平位置 狀態(tài),也會(huì)影響到測(cè)量精度,所以農(nóng)機(jī)工作狀態(tài)下的 動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù),需要考慮的干擾因素更多,也更為復(fù) 雜,有必要深入進(jìn)行研究.

第二,穩(wěn)定性.這是目前研究中一個(gè)容易忽略的 關(guān)鍵問題.文獻(xiàn)的]對(duì)這此做了簡(jiǎn)單的補(bǔ)償研究, 但對(duì)輸出漂移的內(nèi)在機(jī)理未作深入分析.對(duì)傳統(tǒng)的 稱重傳感器應(yīng)用場(chǎng)合來說,傳感器輸出數(shù)據(jù)不易察 覺的緩慢漂移在以往多數(shù)稱重的場(chǎng)合并不會(huì)對(duì)計(jì)量 精度造成顯著影響，因?yàn)榭梢栽诿看畏Q重前通過儀 表端清零消除漂移誤差.但是,在農(nóng)業(yè)裝備中的稱重 場(chǎng)合下,更多時(shí)候傳感器需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)稱重 計(jì)量,這樣就無法采用傳統(tǒng)的儀表清零方法來消除 漂移誤差.另外一個(gè)不可忽視的情況就是，車輛在使 用時(shí)總是會(huì)產(chǎn)生顛簸振動(dòng)，相當(dāng)于對(duì)稱重傳感器的 加速老化,從而導(dǎo)致測(cè)量誤差會(huì)加速地累積,這就需 要稱重傳感器具有更高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性.

第三，可靠性.可靠性是一項(xiàng)新技術(shù)或產(chǎn)品在產(chǎn) 業(yè)化時(shí)所必須解決的關(guān)鍵問題.農(nóng)業(yè)裝備中的車載 稱重傳感器在實(shí)際工作中不可避免的會(huì)遇到路面不 平帶來的顛簸沖擊、裝卸物料過程中的沖擊、車輛碰 撞沖擊以及野外風(fēng)吹雨淋等等情況.這就要求稱重 傳感器應(yīng)具有較好的抗沖擊性能、防水防潮能力和 一定的工作壽命.在車輛行業(yè),一般要求零部件達(dá)到 10年的預(yù)期工作壽命，比一般電子衡器對(duì)工作壽命 的要求要高得多.雖然，國內(nèi)一些相關(guān)研究涉及到了 稱重傳感器設(shè)計(jì),但此類傳感器在農(nóng)機(jī)工作環(huán)境下 的使用壽命并未得到有效驗(yàn)證，傳感器可靠性相關(guān) 的封裝設(shè)計(jì)等技術(shù)并未深入考慮.

3.應(yīng)對(duì)策略

通過上述分析，認(rèn)為稱重傳感器應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng) 業(yè)的關(guān)鍵在于解決稱重傳感器的可靠性、穩(wěn)定性和 動(dòng)態(tài)測(cè)量精度問題.為了尋找解決問題的方案,有必 要在傳感器技術(shù)層面對(duì)這3個(gè)問題背后涉及的關(guān)鍵 技術(shù)做進(jìn)一步分析.

可以將傳感器的技術(shù)領(lǐng)域分為四大關(guān)鍵基礎(chǔ) 點(diǎn):敏感機(jī)理、功能材料、制造工藝和計(jì)測(cè)技術(shù)39 . 涉及解決稱重傳感器可靠性的關(guān)鍵技術(shù)包括稱重傳感器的敏感機(jī)理（如彈性元件設(shè)計(jì)等技術(shù)）、功能材 料、制作工藝（如密封工藝）等；涉及穩(wěn)定性的關(guān)鍵 技術(shù)包括稱重傳感器的功能材料、制造工藝（如老 化工藝）等；而動(dòng)態(tài)測(cè)量精度的關(guān)鍵技術(shù)則與稱重 傳感器的敏感機(jī)理、計(jì)測(cè)技術(shù)（如動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法等） 等相關(guān).可見,傳感器的可靠性、穩(wěn)定性以及動(dòng)態(tài)測(cè) 量精度這3個(gè)問題并不是孤立的，它們都涉及到稱 重傳感器技術(shù)領(lǐng)域中一些共性關(guān)鍵技術(shù).

1)彈性元件設(shè)計(jì).稱重傳感器中感受被測(cè)物理 量的彈性元件是影響傳感器性能和質(zhì)量的關(guān)鍵部 分⑽.彈性元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多樣，旨在提高感受被 測(cè)物理量的靈敏性和穩(wěn)定性.通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 可以提高傳感器在農(nóng)機(jī)工作環(huán)境下的響應(yīng)速度和抗 干擾能力，在這方面，文獻(xiàn)35-36]都對(duì)提高傳感 器的動(dòng)態(tài)特性做了一定的研究，不過沒有考慮過載 和沖擊的保護(hù)問題.

2)密封工藝、老化工藝.密封工藝是保證傳感 器可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù).稱重傳感器的密封 主要有2種方式:采用涂覆材料密封和采用金屬焊 接密封.其中,后者將金屬膜片通過焊接工藝將彈性 元件的應(yīng)變區(qū)完全密封,從而達(dá)到了完全保護(hù)傳感 器內(nèi)部應(yīng)變片和變換電路的目的，具有很高的可靠 性.所以,基于焊接密封的稱重傳感器非常適合農(nóng)業(yè) 領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)合.不過,焊接密封技術(shù)也存在一些問 題.由于是在彈性元件的上進(jìn)行焊接，即使采用激光 脈沖焊接等工藝也不可避免的會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力 和變形.在后續(xù)使用過程中，殘余應(yīng)力的釋放和結(jié)構(gòu) 的變形將會(huì)影響到彈性元件上的應(yīng)變片，最終導(dǎo)致 稱重傳感器的輸出信號(hào)隨時(shí)間在緩慢變化，所以焊 接工藝對(duì)傳感器輸出的長(zhǎng)期穩(wěn)定性有著顯著影響. 同時(shí),傳感器增加密封膜片后對(duì)傳感器的精度也有 影響,所以密封膜片一般會(huì)選擇很薄的金屬，以減小 其對(duì)傳感器彈性元件的附加影響,但是膜片太薄,在 焊接時(shí)又容易產(chǎn)生焊接不良和變形.尤其是小量程 的稱重傳感器,在增加密封膜片后,性能精度和穩(wěn)定 性往往就遠(yuǎn)不如焊接前的測(cè)試結(jié)果，特別難以設(shè)計(jì) 與制造.

傳感器的老化處理可以減少殘余應(yīng)力，提高傳 感器的穩(wěn)定性，相關(guān)公司和學(xué)者已做了不少研 究M .對(duì)于焊接密封的稱重傳感器，一般在傳感器 完成焊接密封后安排老化處理工藝，此時(shí)還需要考 慮不能影響到傳感器的其他部分,如應(yīng)變片和惠斯 頓電橋電路等，這就限制了所能選擇工藝的范圍.常 見的老化處理工藝有：超載靜壓法，振動(dòng)時(shí)效法，冷 熱循環(huán)法等等.但是，這些方法或是效果有限，不能 徹底消除殘余應(yīng)力，或是成本太高，難以大規(guī)模使 用，總之，目前為止還沒有一個(gè)簡(jiǎn)單有效的方法.

3)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法.數(shù)字補(bǔ)償算法是提高動(dòng)態(tài)測(cè) 量精度的關(guān)鍵.不過,數(shù)字補(bǔ)償算法的有效性依賴于 傳感器數(shù)學(xué)模型的正確建立.以前的研究往往忽略 了傳感器的可靠性設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)對(duì)傳感器數(shù)學(xué) 模型正確建立帶來的附加影響.譬如，采用焊接密封 型傳感器時(shí),需要考慮到焊接密封工藝對(duì)傳感器響 應(yīng)特性的影響，文獻(xiàn)42]研究了大氣壓力對(duì)焊接密 封型傳感器特性的影響，并對(duì)此進(jìn)行了誤差補(bǔ)償研 究;而在國內(nèi)，還未見涉及焊接密封稱重傳感器性能 方面的深入研究.另外,除了需要考慮傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)稱重 領(lǐng)域中傳感器的響應(yīng)時(shí)間要快以外,對(duì)于農(nóng)機(jī)的車 載稱重測(cè)力場(chǎng)合，還需要考慮到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的 復(fù)雜性,如農(nóng)機(jī)的前進(jìn)速度,道路崎嶇以及機(jī)械工作 振動(dòng)等多種因素對(duì)傳感器測(cè)試精度的影響，因而有 必要對(duì)傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)字補(bǔ)償算法繼續(xù)深入研究.

4.結(jié)束語

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備不斷向自動(dòng)化和智能化發(fā) 展,稱重傳感器必將越來越多地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中. 由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的復(fù)雜性，對(duì)稱重傳感器及技術(shù) 也提出了更高的要求.研發(fā)出響應(yīng)速度快、抗干擾能 力強(qiáng)、高可靠性和高精確度的車載稱重傳感器已成 為發(fā)展方向之一.基于焊接密封設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)數(shù)字稱 重傳感器的研發(fā)是其中一條有效的途徑.目前，由于 缺少相關(guān)基礎(chǔ)制造工藝和計(jì)測(cè)技術(shù)的研究,導(dǎo)致此 類傳感器的穩(wěn)定性和精度都較差，國內(nèi)還沒有相應(yīng) 的成熟產(chǎn)品出現(xiàn).因此,從事這方面的研究具有實(shí)際 應(yīng)用價(jià)值,也有助于國內(nèi)傳感器公司產(chǎn)品達(dá)到或超 過國際先進(jìn)水平.