[0001] 本发明涉及智慧农业技术领域，尤其涉及一种颗粒肥料流量检测装置及施肥机。

[0002] 化肥减施增效是保障农业生产可持续发展的重要措施。精准施肥技术是实现化肥减施增效的技术手段之一。目前在生产过程中进行精准施肥作业大都使用精准变量施肥作业机具，精准变量施肥作业机具集成应用卫星定位、电机/电液控制、传感器等技术，通过机具的精准变量施肥控制系统对化肥实施精准定位、变量施用，可提高肥料利用率、减少施肥量、提高施肥作业效率。

[0003] 现有技术中，颗粒肥的流量监控方案中，肥料经过涡轮导流机构被离散均匀，激光发射模组发射光线穿过化肥，通过对遮挡后的光量进行采集，光电感应电路输出处理后的电压信号，再经数字信号处理（DSP）模块进行滤波得到流量数据。

[0004] 但是，现有技术中利用涡轮导流装置将大流量的颗粒肥进行打散再进行流量检测的技术，涡轮叶片容易粘化肥，难以依靠肥料下落的冲击力而转动，同时一字线激光发射器发热严重，长时间工作会影响其性能，这些情况都导致了颗粒肥料流量检测结果不准确。

[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0025] 图1是本发明提供的气流辅助颗粒肥料流量光电监测系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的气流辅助颗粒肥料流量光电监测系统，包括风机1、排肥器单体2、气流辅助装置3、光电式颗粒肥料流量检测传感器4、信号处理模块5、数据采集模块6和智能终端7，其中风机产生稳定的正压气流，从风机的出风口通过聚氨酯（PU）气流软管进入气流辅助装置的进气口，排肥器单体则根据预设参数将肥箱内的肥料以一定流量排出，光电式颗粒肥料流量检测传感器安装在气流辅助装置气流稳定区域，当肥料经过检测区域，颗粒肥料流量传感器会根据颗粒的数量产生相应的电信号，这些电信号被信号处理模块接收，经过放大和滤波等处理，形成可以由数据采集模块接收的电压信号，数据采集模块则负责对采集的电压信号进行数字化处理，并通过CAN通信的方式将处理后的数据传输给智能终端，由智能终端显示排肥料流量以及排肥状况等关键信息。

[0026] 图2是本发明提供的排肥单体的结构示意图，如图2所示，整个排肥单体主要由肥箱1、排肥挡板2、外槽轮3、排肥器外壳4、外槽轮挡板5、气流辅助装置6和光电式颗粒肥料流量检测传感器7组成。在电机或液压马达的驱动下，颗粒化肥从肥箱通过外槽轮排肥器排出，其中排肥挡板的开度大小以及外槽轮的转速可以调节排肥量，颗粒肥料进入气流辅助装置，在这个过程中，原本散乱无序的肥料在环隙气流的作用下，在肥管的中心区域形成一股形似圆柱状肥料流，确保了肥料在输送过程中的均匀性。接下来，肥料流进入光电式颗粒肥料流量检测传感器的检测区域，化肥会对光线产生遮挡效果，导致光强发生变化，颗粒肥料流量越大，被遮挡的光量也就越多，这意味着接收端接收的光通量也就越小，产生的光电流也就越小。光电式颗粒肥料流量检测传感器通过这种方式能够准确测量颗粒肥的流量。

[0027] 图3是本发明提供的颗粒肥料流量检测传感器的结构示意图，如图3所示，主要包括光电发射端外壳1、光电发射端2、保护罩3和6、传感器外壳4、透明窗口5、光电接收端7和光电接收端外壳8。

[0028] 在一些实施例中，光电发射端由6个红外发光二极管并联连接，每个发光二极管串联一个限流电阻，保证红外发射器的电流保持一致，光电接收端由6个光电接收二极管并联连接，以提高接收端的灵敏度。

[0029] 在一些实施例中，光电发射端也可以为激光发射端，对应的光电接收端为激光接收端。

[0030] 光电发射端和接收端由保护罩和外壳包裹固定，内部使用环氧树脂黑色AB胶进行灌封，整个传感器的发射端和接收端内嵌入传感器外壳两端，红外光线由发射端通过透明窗口和颗粒肥料流，其中透明窗口使用高透明PVC板（厚度0.5mm）制成，贴合在传感器内壁上，最终红外光线被光电接收端接收，产生光电信号。

[0031] 图4是本发明提供的气流辅助装置的工作原理示意图，如图4所示，气流辅助装置安装在排肥器下肥口与肥管上（其中，进肥口1与排肥器下肥口连接，出肥口8与肥管连接），导流段由进气口2、外壳、变径管4、导气口5（环隙气缝或者环状设置的多个微孔）。变径管的上端与进肥口连接，变径管的下端与汇聚段的上端连接，变径管的上端直径大于变径管的下端直径。导气口设置在变径管的下端与汇聚段的上端的连接处。

[0032] 进气口2接入配套风机，风机以一定风压持续提供稳定气流，气流从进气口进入上层气腔3后会先充满整个气腔3，最终通过导气口进入肥管。从排肥器排出的颗粒肥料7在通过变径管4时使肥料沿中心区域下落，同时从导气口5出来的气流作用在颗粒肥料，使颗粒肥料在汇聚段/区（I）进一步向中心区域聚拢，最终在气流稳定段/区（II）形成一股形似圆柱状肥料流，光电式颗粒肥料流量检测传感器则在此处进行检测，随着颗粒肥料流量的变化，形成的圆柱状肥料流的等效直径也相应发生变化，导致对光电传感器的遮挡程度不同，进而影响光电传感器接收的光通量，产生不同的电信号。最终肥料流离开稳定区域，进入逸散段/区（III），此时气流速度减小，颗粒肥料开始分散。另外，在变径管4下端（末端）还可以设置导流板6对颗粒肥进行导流。

[0033] 图5是本发明提供的光通量检测原理示意图，如图5所示，本发明运用光电检测法内光电效应原理，红外光发射器1发射红外光线2，光线照射到颗粒肥料3，部分光线7被颗粒肥料阻挡，而未被遮挡的光线6照射到光电传感器，光电接收器5会产生光电流，光电流大小与接收端接收光的强度成正比。光电检测传感器对气流辅助装置重构后的肥料流进行检测，在一个固定单位采样时间内，可将肥料流视为一个高度为h，等效直径4为D的圆柱体。肥料流量的增加会导致颗粒料流的等效直径D增大。通过下列公式，对一个单位采用时间内的施肥量进行计算，得出相应时间的颗粒肥质量：其中， 为单位采样时间内流出的颗粒肥的质量，为颗粒肥的密度， 为圆柱状肥料流的直径，为单位采样时间内颗粒肥料流动的距离，为圆柱状肥料流的空隙率。

[0034] 图6是本发明提供的信号处理流程示意图，如图6所示，颗粒肥流量检测传感器的接收端由多个光电二极管并联组成，各个光电二极管均处于反向偏置状态，当光电二极管接收到光的能量时，会形成光电流。该光电流通过前级电流电压（I‑V）转换电路，将反向电流转换为正向电压信号，再由后级电压放大器对电压进行放大，另外电压跟随器集成到数据采集电路，以提高电路驱动负载的能力。经过处理的电压信号通过模数转换（AD）数据采集电路进行数字化，并传输给数据处理模块（单片机）进行进一步的数据处理。最终通过CAN通信方式，将施肥量信息发送给终端设备进行显示。

[0035] 本发明设计了一种气流辅助装置，该装置通过正压气流，将颗粒肥料重构为一条位于肥管中心的圆柱状料流，从而显著改善了肥料分布的均匀性。这一改进不仅提高光电检测传感器测量精度，还有效减少了肥料与肥管内壁的接触，降低了堵塞的风险。

[0036] 另外，基于光通量原理的光电式颗粒肥流量检测方法，通过监测光电传感器产生的光电流变化来实时反映颗粒肥流量的变化。通过试验构建光电信号与颗粒肥流量数据转换模型，从而实现了对颗粒肥流量的精确检测。

[0037] 与现有方案相比，现有方案往往依赖于机械振动或重力输送，容易导致肥料颗粒运动无序，在检测区域分布不均，从而影响检测精度，环隙气流辅助装置能够更好地控制颗粒肥料运动，使肥料流形成更加稳定的圆柱状，不仅有助于提高光电传感器的检测精度，同时降低了肥料堵塞的风险。

[0038] 本发明提供的基于光通量原理的颗粒肥流量检测方法不同于光电脉冲计数的方法，本发明通过气流辅助装置将肥料流进行料流重构，利用光通量原理，通过试验，确定光电传感器响应电压与颗粒肥料流的等效直径间的线性关系，建立光电信号与颗粒肥流量数据转换模型。本发明适用于大流量颗粒肥施用情况，解决了传统方法在处理大流量颗粒肥流量实时检测的难题。

[0039] 通过建立的多种肥料的检测模型，本发明可适用于多种颗粒肥料的流量检测，这意味着在施肥前无需进行复杂的肥料标定过程，只需在监测系统中输入相应的肥料种类和肥料密度等信息，就可以实现快速而准确的检测，大大简化了操作流程，提高作业效率。

[0040] 本发明还提供一种施肥机，包括上述任一实施例中所述的颗粒肥料流量检测装置。

[0041] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。