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压电式谷物质量流量传感器仿真及试验研究

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第一章绪论

1.1引言

1.2论文研究的目的和意义

1.3国内外研究应用现状

1.3.1国外研究及发展现状

1.3.2国内研究及发展现状

1.4本论文的主要研究工作

1.5本章小结

第二章质量流量传感器压电力敏元件的冲击过程仿真

2.1接触碰撞的基本算法

2.1.1接触碰撞算法概述

2.1.2接触碰撞的数值计算方法

2.2谷粒冲击盘状力敏元件的数值模拟和实验

2.2.1谷粒冲力过程的数值模拟

2.2.2数值模拟结果分析

2.2.3实验基本原理

2.2.4物理样机试验

2.3谷粒冲击板状力敏元件的数值模拟和实验

2.3.1谷粒冲击板状力敏元件的数值模拟

2.3.2茎秆冲击板状力敏元件的数值模拟

2.3.3试验

2.3.4结论

2.4谷粒的二次碰撞

2.5本章小结

第三章压电式谷物质量流量传感器的结构设计

3.1基本原理分析

3.1.1 Cymbal振子的工作原理

3.1.2压电式谷物质量流量传感器的工作原理

3.2压电式谷物质量流量传感器的设计

3.3压电式传感器结构的模态分析

3.4排粮口的设计

3.5本章小结

第四章压电式谷物质量流量传感器试验结果和分析

4.1试验装置及试验方案

4.2试验结果和分析

4.3本章小结

第五章总结与展望

5.1主要工作及结论

5.2展望

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表的主要成果

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摘要

作物产量是精确农业中需要获取的重要信息,谷物质量流量传感器作为作物产量测试的关键核心部件,其性能直接影响产量图的精度。
   本文设计了一种压电式谷物质量流量传感器。首先对接受谷物冲击信号的传感器力敏元件的材料和结构进行了数值分析和试验。利用ANSYS和LS-DYNA有限元分析软件对谷粒冲击力敏元件进行数值模拟分析,其中力敏元件的形状采用了盘状和板状,力敏元件的材料选择了45#钢、铝合金、陶瓷和PVC,谷粒以不同的速度(0.5m/s、1.0 m/s、2.0 m/s、3.0 m/s)和同力敏元件不同的夹角(0°、30°、60°、90°)冲击力敏元件。仿真结果来看,力敏元件的形状选择板状;当力敏元件的材料选择陶瓷时,力敏元件的Z方向振幅较大、振动衰减时间最短。搭建了物理样机试验平台,试验结果证实了仿真结论。
   为了研究在收割过程中茎秆对传感器测产精度的影响,利用有限元分析软件,对水稻茎秆和小麦茎秆冲击板状陶瓷力敏元件分别进行了数值模拟分析。从仿真结果来看,20mm的小麦、水稻茎秆冲击力敏元件所产生压电信号仅为一颗谷粒冲击力敏元件所产生的压电信号的一半。
   为了尽量避免谷粒之间发生二次碰撞而影响谷物测产传感器精度,本文从理论上推导了谷物发生二次碰撞的公式,为压电式谷物质量流量传感器的结构设计提供参考依据。
   利用Pro/E软件建立了压电式谷物质量流量传感器的三维模型,进行了压电式谷物质量流量传感器的模态分析,避开了联合收割机的振动频率,防止了共振的发生。为了使传感器接收到绝大多数谷物冲击信号,防止谷物冲击补偿力敏元件,设计并且制造了排粮口,从而有效提高测产传感器的精度。
   对压电式谷物质量流量传感器进行了室内试验和田问试验,室内试验的误差为±3.19%,田间试验的误差为±3.5%。从实验结果来看,压电式谷物质量流量传感器完全符合设计的需求。

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