傳感器是提升我國精準農業產業化水平的關鍵技術之一.在整個精準農業生產周期中，稱重 傳感器在其中每個環節都有潛在的應用領域,文中從精準農業實施的4個不同階段：土地準備、精 準播種、作物管理、精準收獲,對稱重傳感器在精準農業裝備中應用和研究現狀進行了總結.在此基 礎上,進一步分析了當前稱重傳感器在精準農業實際應用中亟待解決的3個主要關鍵問題：可靠 性、穩定性和動態測量精度.最后,對解決這些問題背后所涉及的關鍵共性技術,包括敏感機理、制 造工藝和計測技術等作了進一步闡述.

傳感器是一種能感受被測量并按照一定的規律 轉換成可用輸出信號的器件或裝置m.稱重傳感器 就是其中一種測量物體質量或受力狀況的傳感器. 其中，基于電阻應變原理的稱重傳感器由于具有結 構簡單、成本低和精度高等優點占據了主導地位.電 阻應變式稱重傳感器（簡稱稱重傳感器）主要由彈 性元件,粘貼在彈性元件上的電阻應變計以及補償 電阻組成,其中電阻應變計和各類補償電阻連接組 成惠斯頓電橋,將被測物理量的變化經過電橋比例 轉換成電信號的變化0.

稱重傳感器作為電子稱重技術和電子衡器產品 的技術基礎和核心部件,在很多行業的生產與流通 中已經有了廣泛的應用.近幾年來，隨著物聯網、智 慧物流、智慧農業等新興產業的迅速發展,稱重傳感 器在一些新的領域也出現了相關應用.精準農業就 是其中一個有著廣闊應用前景的領域.精準農業又 稱精細農業或精確農業，是當今世界農業發展的新 潮流,是未來農業的雛形.在整個精準農業生產周期 中，稱重傳感器在其中每個環節都有其潛在的應用 市場，比如拖拉機的牽引力測量、精準播種、變量施 肥與噴藥、以及作物的產量監測、草捆重量監測統計 等等,都出現了基于稱重傳感器的相關應用研究.據 美國的霍尼韋爾公司在2013年的評估:未來10年， 僅在谷物收獲管理技術這一領域，開發無線農業傳 感器系統就能夠帶動大約860億美元的投資，由此 可見,稱重傳感器作為谷物產量監測中的關鍵部件 之一,其市場前景一定會十分廣闊.

文中主要介紹了國內外稱重傳感器技術在精準 農業領域的研究現狀，分析了當前國內精準農業領 域中稱重傳感器產業化存在的一些主要技術問題， 最后給出了解決這些問題的一些對策分析.

1.精準農業領域的應用

1.1土地準備

土地精整是精準農業中的一項重要內容，主要 通過拖拉機牽引農機具進行作業.農具通過安裝在 拖拉機上的電液懸掛系統進行控制，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 被用來對農機懸掛的受力狀況進行測量并反饋給控 制系統進行決策,但農具懸掛系統在作業中是一個 動態的非線性慣性系統,對它進行綜合電子控制一 直未能取得滿意的效果，主要原因是控制方法和傳 感器性能的穩定性不能適應復雜的作業環境H -文 獻&]設計了一種可調節寬度和高度尺寸的Dyna- mometer (即一種稱重傳感器或幾個稱重傳感器的組 合），以適應不同的農具安裝條件，節約了成本.文 獻H基于DEOR結構設計了一種測量范圍達到 180 kN的Dynamometer,可以同時測量水平和垂直 力，兩者之間的互擾低且傳感器的線性指標很好.為 了提高作業效率和降低能耗，文獻6]為約翰迪爾 公司的3140型拖拉機設計了一個新型三點懸掛用 Dynamometer,相比其他同類Dynamometer,其測量精 度對懸掛點變化不敏感,且制造成本相對更低.隨著 數字化傳感器的不斷發展，文獻&]開發了一種嵌 入式的數字牽引力測量裝置，并于其他傳感器數據 結合一起對耕作過程中的狀況進行分析.

除此之外，文獻8]設計了安裝在農具上的稱 重傳感器,測量土壤阻力，進而與其他傳感器一起用 于實時土壤堆積密度的測量.文獻9]研究了一個 包含稱重傳感器的多傳感器平臺來生成土壤密度分 布圖用于精準農業的耕作方案制定.

在國外,稱重傳感器在拖拉機懸掛系統中已經 商業化應用，其研究方向也開始轉向傳感器的數字 化和智能化，擴展稱重傳感器的應用范圍，以及結合 多傳感器數據融合來提高農機作業的效率和質量.

在國內，目前拖拉機仍然以結構簡單、技術性能 中低端為主,相關研究更多集中在拖拉機懸掛的控 制系統研究,針對稱重傳感器研究相對較少.如江蘇 大學的韓江義等M為測量大馬力拖拉機的牽引力， 開發了一種軸銷式感器，主要對傳感器的彈性體設 計進行了仿真計算,而對稱重傳感器的封裝等其他 重要技術未做詳述.

1.2精準播種

播種機是實現精準播種的主要手段，其性能好 壞直接影響播種質量及農作物的生長狀況和產量. 較為直觀的應用，是在播種機的種子斗與機架之間 安裝稱重傳感器以隨時監測種子斗內部的狀況，配 合速度傳感器等可以實現單位播種率的統計.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構與測量方 法,它們采用的都是類似Wmgh bar結構的稱重傳 感器.在國內，王素珍等&3等在條播機的排種器上 設計了一個稱重傳感器,牽引機裝有轉速傳感器,然 后采集稱重傳感器和轉速傳感器的讀數變化，計算 出單位播種量,并可以針對不同播種對象重新標定， 適應多種作物的條播精密播種，但是沒有說明所述 稱重傳感器的技術特征.

氣吸式振動排種器通過振動使種子處于“沸 騰”狀態,依靠氣流將種子吸附,然后用正氣流進行 播種，具有精度高，通用性好等優點，是精密排種器 的一個重要發展方向.為了保證振動盤內的種子處 于較好的‘‘沸騰”狀態，需要控制種盤內的種子數 量,近年來,相關人員14研究了通過一個雙孔平行 梁稱重傳感器來監測振動盤內的種子分布情況，實 現定量加種，提高了播種質量.

另外,播種深度對農作物產量也有顯著影響.文 獻15]對種子直播時的深度主動控制系統進行了 研究,一個尺寸緊湊的圓柱形稱重傳感器被安裝在 播種機構的彈簧上,測量播種機構插入土壤的作用 力，并與位移傳感器數據一起反饋給播種控制系統.

最后，鎮壓也是精密播種作業的一個重要環節, 對種子的發芽、出苗和最終產量有很大影響.針對不 同土壤、含水和作物類型，鎮壓強度應有不同.國外 對此研究較多，僅美國就有200余種M .在國內，王 景立等M設計可變力苗帶鎮壓器，利用鎮壓輪、支 架的重力及液壓缸的壓力作用在鎮壓輪接觸的土地 上,在一個輪子內安裝了一對稱重傳感器,測量輪子 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，進而改變鎮壓輪對種床土壤的壓力.

1.3精準作物管理

精準作物管理是指從作物播種到收獲過程中為 作物生長進行的各種管理措施,包括水、肥、藥的管 理.傳統的化肥農藥施用方法，利用率低，帶來了嚴 重的生態環境和農業污染問題a7].精準農業中的變 量施肥與噴藥技術，能夠有效提高肥料和農藥的利 用率,節約成本,提高產量.文獻18設計了一種動 態稱重系統,在施肥機的懸掛上設置3個稱重傳感 器,1個50 kN的剪切梁式傳感器作為主稱量用傳 感器，另2個平行梁式傳感器分別是20和500 N,作 為參考傳感器對振動等信號進行補償.該系統在田 間測試過程中，稱重系統在6 ~20 kN測量范圍內， 標準差不超過20 N,響應時間在1 s內.

測土配方施肥是聯合國在世界范圍內推行的一 項先進農業技術,也是精準農業的一項重要技術.文 獻采用稱重法反饋肥料流量信息，采用4個 400 kg的稱重傳感器支撐肥箱，監測肥箱內肥料質 量變化情況，并按照當前車速，實施調整配肥施肥 量,試驗表明作業精度和施肥流量（由稱重傳感器 獲?。④囁贆z測的準確性有很大關系，有待進一步 驗證與完善.文獻&0]采用同樣的稱重方法，只是 每個肥箱采用3個稱重傳感器,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 感器數據,然后實現智能變量配肥.在試驗階段，該 系統的最大稱重誤差為1.2%.

在變量噴藥方面，針對噴桿式噴霧機藥箱藥液 晃動造成的操控穩定性差問題，張安東等M設計了 一種專用的三向力傳感器用于監測噴霧機藥液箱晃 動產生的附加力.傳感器是由上板、側板和下板組成 的整體對稱結構，由4塊側板作為應變梁測量晃動 產生的附加力，采用Q235作為傳感器彈性元件的 材料,其強度和耐腐蝕性都較差.

在節水灌溉管理方面，文獻&2]利用平行梁稱 重傳感器開發一種方便且低成本的耗水量測量方 法,試驗表明在1.94 ~7. 78 dm3 ? s'1測量范圍內的 不確定度為5.7%.文獻&3]建立了一個多傳感器 監測平臺，用于指導節水灌溉，其中一個9 t的剪切 梁稱重傳感器主要用于監測深耕的深度，與文獻 9]類似.

1.4精準收獲

通過谷物測產生成小區產量圖和處方農作，是 精確農業的應用基礎.基于傳統稱重測力傳感器衍 生而來的沖量式谷物流量傳感器，由于具有結構簡 單、成本低、便于安裝等特點，在聯合收割機測產系 統中已經得到廣泛的應用.國外商業化的農機裝備， 如 Micro Track 公司、CASE IH 公司和 Ag Leader 公 司的聯合收割機產量監測系統中的流量傳感器均采 用基于沖量的流量傳感器M.

目前，國外的應用研究已經從糧食作物轉向果 蔬以及經濟作物方面.文獻&5 -26]研究了柑橘的 產量監測系統,他們使用2個完全焊接密封的稱重 傳感器安裝在振動輸送系統的末端.為了減小振動 的影響,研究了這種焊接密封結構的稱重傳感器安 裝位置與傳感器響應特性的關系.在低速流量下, 與實際重量相比，平均誤差3. 56% ,高速流量誤差 9.16%.文獻的]設計了用于花生產量監測的沖量 板產量傳感器,并與光電式產量傳感器進行對比試 驗,發現沖量板產量傳感器的誤差大約在10% ,而 光電式的誤差只有1.54%,他們認為沖量式產量傳 感器的誤差主要來源于試驗中使用的舊式的行走式 稻草收割機.文獻&8]利用有限元法分析了不同稱 重條件下葡萄收獲機械中稱重系統的動態特性,并 給出了提高稱重精度的建議.

另外，由于在實際使用中傳感器存在零點飄移,文獻抄]研究了小型八角型稱重傳感器的零飄補 償算法,對零飄進行補償后,測量的相對誤差從補償前19%,減小到補償后的1.5%.

國內在谷物測產方面已經開展了不少研 究B°_34 ,并取得了一定成果.中國農業大學在國內 較早開發了沖擊式谷物流量傳感監測系統，測量誤 差在2.07% ~5.44% ;華南農業大學開發了雙板差 分沖量式谷物流量傳感監測系統，能減小機身振動 對測產精度的影響,谷物流量在0.5 ~2.0 kg ? s-1 的測量相對誤差不超過3 % ;江蘇大學開發了承載 板式谷物流量傳感監測系統，谷物流量小于2. 0 kg ? s-1時的測量相對誤差不超過2% ,谷物流量超 過2.5 kg ? s"1時的測量相對誤差約為5% ;中國農 業機械化科學研究院開發了稱量式谷物流量監測系 統,在室內和田間的測量誤差分別不超過2%和 3%.在傳感器優化設計研究方面，文獻35-36]對 傳感器的彈性元件的結構優化進行了研究，而文獻 37 -38]對傳感器的噪聲消除及動態補償進行了 研究,取得了一定的成果.

2.存在的問題

通過對以上不同子領域的研究和應用概述，稱 重傳感器在精準農業的研究和應用狀況可以總結如 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農業領域的應 用已經取得了一定的產業化成果.在亞洲國家中，日 本和韓國也在產業化研究道路上處于領先的地位. 我國還沒有出現明顯的產業化案例.其次,從研究應 用領域來看，目前我國稱重傳感器技術在精準農業 的精確收獲階段的應用研究比較多，并取得了一定 成果,而在土地準備、精準播種和精準作物管理階段 的研究相對較少.第三，從發展階段來看，目前我國 實際上還處在‘‘工業傳感器的農業應用”這一階段， 在很多研究試驗中，采用的都是傳統的工業稱重傳 感器，這些傳感器的功能、靈敏度、精度等方面的水 平在農業應用場合下還有很大的提升空間.但是,在 我國農業傳感器研究過程中，產品意識較為淡薄,使 得研究結果應用到生產實踐還存在諸多問題，限制 了其在精準農業裝備中的產業化.最后，結合上述文 獻的研究結果，文中將稱重傳感器在精準農業中面 臨的不利因素歸結以下3點：

第一,動態測量精度.動態稱重技術一直是國內 外傳感器公司和研究機構關注的研究領域,也是當 前稱重傳感器在精準農業應用中主要考慮的問題. 除了傳統動態稱重領域中需要考慮的一些干擾因素 外,還需要考慮由于農機在工作運動時,不可避免地 會受到來自各個方向的沖力，這會導致安裝在車輛 上的稱重傳感器感受到除重力之外的其他干擾力， 導致測量精度降低；同時，地面的不平整，也會使得 稱重傳感器在測量時不一定保持在理想的水平位置 狀態,也會影響到測量精度,所以農機工作狀態下的 動態測量技術,需要考慮的干擾因素更多,也更為復 雜,有必要深入進行研究.

第二,穩定性.這是目前研究中一個容易忽略的 關鍵問題.文獻的]對這此做了簡單的補償研究, 但對輸出漂移的內在機理未作深入分析.對傳統的 稱重傳感器應用場合來說,傳感器輸出數據不易察 覺的緩慢漂移在以往多數稱重的場合并不會對計量 精度造成顯著影響，因為可以在每次稱重前通過儀 表端清零消除漂移誤差.但是,在農業裝備中的稱重 場合下,更多時候傳感器需要長時間進行實時稱重 計量,這樣就無法采用傳統的儀表清零方法來消除 漂移誤差.另外一個不可忽視的情況就是，車輛在使 用時總是會產生顛簸振動，相當于對稱重傳感器的 加速老化,從而導致測量誤差會加速地累積,這就需 要稱重傳感器具有更高的長期穩定性.

第三，可靠性.可靠性是一項新技術或產品在產 業化時所必須解決的關鍵問題.農業裝備中的車載 稱重傳感器在實際工作中不可避免的會遇到路面不 平帶來的顛簸沖擊、裝卸物料過程中的沖擊、車輛碰 撞沖擊以及野外風吹雨淋等等情況.這就要求稱重 傳感器應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,一般要求零部件達到 10年的預期工作壽命，比一般電子衡器對工作壽命 的要求要高得多.雖然，國內一些相關研究涉及到了 稱重傳感器設計,但此類傳感器在農機工作環境下 的使用壽命并未得到有效驗證，傳感器可靠性相關 的封裝設計等技術并未深入考慮.

3.應對策略

通過上述分析，認為稱重傳感器應用于精準農 業的關鍵在于解決稱重傳感器的可靠性、穩定性和 動態測量精度問題.為了尋找解決問題的方案,有必 要在傳感器技術層面對這3個問題背后涉及的關鍵 技術做進一步分析.

可以將傳感器的技術領域分為四大關鍵基礎 點:敏感機理、功能材料、制造工藝和計測技術39 . 涉及解決稱重傳感器可靠性的關鍵技術包括稱重傳感器的敏感機理（如彈性元件設計等技術）、功能材 料、制作工藝（如密封工藝）等；涉及穩定性的關鍵 技術包括稱重傳感器的功能材料、制造工藝（如老 化工藝）等；而動態測量精度的關鍵技術則與稱重 傳感器的敏感機理、計測技術（如動態補償算法等） 等相關.可見,傳感器的可靠性、穩定性以及動態測 量精度這3個問題并不是孤立的，它們都涉及到稱 重傳感器技術領域中一些共性關鍵技術.

1)彈性元件設計.稱重傳感器中感受被測物理 量的彈性元件是影響傳感器性能和質量的關鍵部 分⑽.彈性元件的結構設計多樣，旨在提高感受被 測物理量的靈敏性和穩定性.通過合理的結構設計, 可以提高傳感器在農機工作環境下的響應速度和抗 干擾能力，在這方面，文獻35-36]都對提高傳感 器的動態特性做了一定的研究，不過沒有考慮過載 和沖擊的保護問題.

2)密封工藝、老化工藝.密封工藝是保證傳感 器可靠性和穩定性的關鍵技術.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 元件的應變區完全密封,從而達到了完全保護傳感 器內部應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業 領域的應用場合.不過,焊接密封技術也存在一些問 題.由于是在彈性元件的上進行焊接，即使采用激光 脈沖焊接等工藝也不可避免的會產生焊接殘余應力 和變形.在后續使用過程中，殘余應力的釋放和結構 的變形將會影響到彈性元件上的應變片，最終導致 稱重傳感器的輸出信號隨時間在緩慢變化，所以焊 接工藝對傳感器輸出的長期穩定性有著顯著影響. 同時,傳感器增加密封膜片后對傳感器的精度也有 影響,所以密封膜片一般會選擇很薄的金屬，以減小 其對傳感器彈性元件的附加影響,但是膜片太薄,在 焊接時又容易產生焊接不良和變形.尤其是小量程 的稱重傳感器,在增加密封膜片后,性能精度和穩定 性往往就遠不如焊接前的測試結果，特別難以設計 與制造.

傳感器的老化處理可以減少殘余應力，提高傳 感器的穩定性，相關公司和學者已做了不少研 究M .對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，此時還需要考 慮不能影響到傳感器的其他部分,如應變片和惠斯 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，振動時效法，冷 熱循環法等等.但是，這些方法或是效果有限，不能 徹底消除殘余應力，或是成本太高，難以大規模使 用，總之，目前為止還沒有一個簡單有效的方法.

3)動態補償算法.數字補償算法是提高動態測 量精度的關鍵.不過,數字補償算法的有效性依賴于 傳感器數學模型的正確建立.以前的研究往往忽略 了傳感器的可靠性設計和穩定性設計對傳感器數學 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,需要考慮到焊接密封工藝對傳感器響 應特性的影響，文獻42]研究了大氣壓力對焊接密 封型傳感器特性的影響，并對此進行了誤差補償研 究;而在國內，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,除了需要考慮傳統動態稱重 領域中傳感器的響應時間要快以外,對于農機的車 載稱重測力場合，還需要考慮到實際應用環境中的 復雜性,如農機的前進速度,道路崎嶇以及機械工作 振動等多種因素對傳感器測試精度的影響，因而有 必要對傳感器的動態數字補償算法繼續深入研究.

4.結束語

隨著現代農業裝備不斷向自動化和智能化發 展,稱重傳感器必將越來越多地應用到農業生產中. 由于農業生產作業的復雜性，對稱重傳感器及技術 也提出了更高的要求.研發出響應速度快、抗干擾能 力強、高可靠性和高精確度的車載稱重傳感器已成 為發展方向之一.基于焊接密封設計的動態數字稱 重傳感器的研發是其中一條有效的途徑.目前，由于 缺少相關基礎制造工藝和計測技術的研究,導致此 類傳感器的穩定性和精度都較差，國內還沒有相應 的成熟產品出現.因此,從事這方面的研究具有實際 應用價值,也有助于國內傳感器公司產品達到或超 過國際先進水平.