传感器是提升我国精准农业产业化水平的关键技术之一.在整个精准农业生产周期中，称重 传感器在其中每个环节都有潜在的应用领域,文中从精准农业实施的4个不同阶段：土地准备、精 准播种、作物管理、精准收获,对称重传感器在精准农业装备中应用和研究现状进行了总结.在此基 础上,进一步分析了当前称重传感器在精准农业实际应用中亟待解决的3个主要关键问题：可靠 性、稳定性和动态测量精度.最后,对解决这些问题背后所涉及的关键共性技术,包括敏感机理、制 造工艺和计测技术等作了进一步阐述.

传感器是一种能感受被测量并按照一定的规律 转换成可用输出信号的器件或装置m.称重传感器 就是其中一种测量物体质量或受力状况的传感器. 其中，基于电阻应变原理的称重传感器由于具有结 构简单、成本低和精度高等优点占据了主导地位.电 阻应变式称重传感器（简称称重传感器）主要由弹 性元件,粘贴在弹性元件上的电阻应变计以及补偿 电阻组成,其中电阻应变计和各类补偿电阻连接组 成惠斯顿电桥,将被测物理量的变化经过电桥比例 转换成电信号的变化0.

称重传感器作为电子称重技术和电子衡器产品 的技术基础和核心部件,在很多行业的生产与流通 中已经有了广泛的应用.近几年来，随着物联网、智 慧物流、智慧农业等新兴产业的迅速发展,称重传感 器在一些新的领域也出现了相关应用.精准农业就 是其中一个有着广阔应用前景的领域.精准农业又 称精细农业或精确农业，是当今世界农业发展的新 潮流,是未来农业的雏形.在整个精准农业生产周期 中，称重传感器在其中每个环节都有其潜在的应用 市场，比如拖拉机的牵引力测量、精准播种、变量施 肥与喷药、以及作物的产量监测、草捆重量监测统计 等等,都出现了基于称重传感器的相关应用研究.据 美国的霍尼韦尔公司在2013年的评估:未来10年， 仅在谷物收获管理技术这一领域，开发无线农业传 感器系统就能够带动大约860亿美元的投资，由此 可见,称重传感器作为谷物产量监测中的关键部件 之一,其市场前景一定会十分广阔.

文中主要介绍了国内外称重传感器技术在精准 农业领域的研究现状，分析了当前国内精准农业领 域中称重传感器产业化存在的一些主要技术问题， 最后给出了解决这些问题的一些对策分析.

1.精准农业领域的应用

1.1土地准备

土地精整是精准农业中的一项重要内容，主要 通过拖拉机牵引农机具进行作业.农具通过安装在 拖拉机上的电液悬挂系统进行控制，基本的控制方 法有力控制、位控制和力位综合控制等.称重传感器 被用来对农机悬挂的受力状况进行测量并反馈给控 制系统进行决策,但农具悬挂系统在作业中是一个 动态的非线性惯性系统,对它进行综合电子控制一 直未能取得满意的效果，主要原因是控制方法和传 感器性能的稳定性不能适应复杂的作业环境H -文 献&]设计了一种可调节宽度和高度尺寸的Dyna- mometer (即一种称重传感器或几个称重传感器的组 合），以适应不同的农具安装条件，节约了成本.文 献H基于DEOR结构设计了一种测量范围达到 180 kN的Dynamometer,可以同时测量水平和垂直 力，两者之间的互扰低且传感器的线性指标很好.为 了提高作业效率和降低能耗，文献6]为约翰迪尔 公司的3140型拖拉机设计了一个新型三点悬挂用 Dynamometer,相比其他同类Dynamometer,其测量精 度对悬挂点变化不敏感,且制造成本相对更低.随着 数字化传感器的不断发展，文献&]开发了一种嵌 入式的数字牵引力测量装置，并于其他传感器数据 结合一起对耕作过程中的状况进行分析.

除此之外，文献8]设计了安装在农具上的称 重传感器,测量土壤阻力，进而与其他传感器一起用 于实时土壤堆积密度的测量.文献9]研究了一个 包含称重传感器的多传感器平台来生成土壤密度分 布图用于精准农业的耕作方案制定.

在国外,称重传感器在拖拉机悬挂系统中已经 商业化应用，其研究方向也开始转向传感器的数字 化和智能化，扩展称重传感器的应用范围，以及结合 多传感器数据融合来提高农机作业的效率和质量.

在国内，目前拖拉机仍然以结构简单、技术性能 中低端为主,相关研究更多集中在拖拉机悬挂的控 制系统研究,针对称重传感器研究相对较少.如江苏 大学的韩江义等M为测量大马力拖拉机的牵引力， 开发了一种轴销式感器，主要对传感器的弹性体设 计进行了仿真计算,而对称重传感器的封装等其他 重要技术未做详述.

1.2精准播种

播种机是实现精准播种的主要手段，其性能好 坏直接影响播种质量及农作物的生长状况和产量. 较为直观的应用，是在播种机的种子斗与机架之间 安装称重传感器以随时监测种子斗内部的状况，配 合速度传感器等可以实现单位播种率的统计.如美 国专利 US9539927 B2 , WO2012/170548 A2 m 等都描述类似基于称重传感器的方案结构与测量方 法,它们采用的都是类似Wmgh bar结构的称重传 感器.在国内，王素珍等&3等在条播机的排种器上 设计了一个称重传感器,牵引机装有转速传感器,然 后采集称重传感器和转速传感器的读数变化，计算 出单位播种量,并可以针对不同播种对象重新标定， 适应多种作物的条播精密播种，但是没有说明所述 称重传感器的技术特征.

气吸式振动排种器通过振动使种子处于“沸 腾”状态,依靠气流将种子吸附,然后用正气流进行 播种，具有精度高，通用性好等优点，是精密排种器 的一个重要发展方向.为了保证振动盘内的种子处 于较好的‘‘沸腾”状态，需要控制种盘内的种子数 量,近年来,相关人员14研究了通过一个双孔平行 梁称重传感器来监测振动盘内的种子分布情况，实 现定量加种，提高了播种质量.

另外,播种深度对农作物产量也有显著影响.文 献15]对种子直播时的深度主动控制系统进行了 研究,一个尺寸紧凑的圆柱形称重传感器被安装在 播种机构的弹簧上,测量播种机构插入土壤的作用 力，并与位移传感器数据一起反馈给播种控制系统.

最后，镇压也是精密播种作业的一个重要环节, 对种子的发芽、出苗和最终产量有很大影响.针对不 同土壤、含水和作物类型，镇压强度应有不同.国外 对此研究较多，仅美国就有200余种M .在国内，王 景立等M设计可变力苗带镇压器，利用镇压轮、支 架的重力及液压缸的压力作用在镇压轮接触的土地 上,在一个轮子内安装了一对称重传感器,测量轮子 与地面之间的压力.改变液压缸行程可改变作用在 轮轴上的力，进而改变镇压轮对种床土壤的压力.

1.3精准作物管理

精准作物管理是指从作物播种到收获过程中为 作物生长进行的各种管理措施,包括水、肥、药的管 理.传统的化肥农药施用方法，利用率低，带来了严 重的生态环境和农业污染问题a7].精准农业中的变 量施肥与喷药技术，能够有效提高肥料和农药的利 用率,节约成本,提高产量.文献18设计了一种动 态称重系统,在施肥机的悬挂上设置3个称重传感 器,1个50 kN的剪切梁式传感器作为主称量用传 感器，另2个平行梁式传感器分别是20和500 N,作 为参考传感器对振动等信号进行补偿.该系统在田 间测试过程中，称重系统在6 ~20 kN测量范围内， 标准差不超过20 N,响应时间在1 s内.

测土配方施肥是联合国在世界范围内推行的一 项先进农业技术,也是精准农业的一项重要技术.文 献采用称重法反馈肥料流量信息，采用4个 400 kg的称重传感器支撑肥箱，监测肥箱内肥料质 量变化情况，并按照当前车速，实施调整配肥施肥 量,试验表明作业精度和施肥流量（由称重传感器 获取）、车速检测的准确性有很大关系，有待进一步 验证与完善.文献&0]采用同样的称重方法，只是 每个肥箱采用3个称重传感器,降低了成本,并采用 模糊控制算法,获取各原料箱称重传感器的有效传 感器数据,然后实现智能变量配肥.在试验阶段，该 系统的最大称重误差为1.2%.

在变量喷药方面，针对喷杆式喷雾机药箱药液 晃动造成的操控稳定性差问题，张安东等M设计了 一种专用的三向力传感器用于监测喷雾机药液箱晃 动产生的附加力.传感器是由上板、侧板和下板组成 的整体对称结构，由4块侧板作为应变梁测量晃动 产生的附加力，采用Q235作为传感器弹性元件的 材料,其强度和耐腐蚀性都较差.

在节水灌溉管理方面，文献&2]利用平行梁称 重传感器开发一种方便且低成本的耗水量测量方 法,试验表明在1.94 ~7. 78 dm3 ? s'1测量范围内的 不确定度为5.7%.文献&3]建立了一个多传感器 监测平台，用于指导节水灌溉，其中一个9 t的剪切 梁称重传感器主要用于监测深耕的深度，与文献 9]类似.

1.4精准收获

通过谷物测产生成小区产量图和处方农作，是 精确农业的应用基础.基于传统称重测力传感器衍 生而来的冲量式谷物流量传感器，由于具有结构简 单、成本低、便于安装等特点，在联合收割机测产系 统中已经得到广泛的应用.国外商业化的农机装备， 如 Micro Track 公司、CASE IH 公司和 Ag Leader 公 司的联合收割机产量监测系统中的流量传感器均采 用基于冲量的流量传感器M.

目前，国外的应用研究已经从粮食作物转向果 蔬以及经济作物方面.文献&5 -26]研究了柑橘的 产量监测系统,他们使用2个完全焊接密封的称重 传感器安装在振动输送系统的末端.为了减小振动 的影响,研究了这种焊接密封结构的称重传感器安 装位置与传感器响应特性的关系.在低速流量下, 与实际重量相比，平均误差3. 56% ,高速流量误差 9.16%.文献的]设计了用于花生产量监测的冲量 板产量传感器,并与光电式产量传感器进行对比试 验,发现冲量板产量传感器的误差大约在10% ,而 光电式的误差只有1.54%,他们认为冲量式产量传 感器的误差主要来源于试验中使用的旧式的行走式 稻草收割机.文献&8]利用有限元法分析了不同称 重条件下葡萄收获机械中称重系统的动态特性,并 给出了提高称重精度的建议.

另外，由于在实际使用中传感器存在零点飘移,文献抄]研究了小型八角型称重传感器的零飘补 偿算法,对零飘进行补偿后,测量的相对误差从补偿前19%,减小到补偿后的1.5%.

国内在谷物测产方面已经开展了不少研 究B°_34 ,并取得了一定成果.中国农业大学在国内 较早开发了冲击式谷物流量传感监测系统，测量误 差在2.07% ~5.44% ;华南农业大学开发了双板差 分冲量式谷物流量传感监测系统，能减小机身振动 对测产精度的影响,谷物流量在0.5 ~2.0 kg ? s-1 的测量相对误差不超过3 % ;江苏大学开发了承载 板式谷物流量传感监测系统，谷物流量小于2. 0 kg ? s-1时的测量相对误差不超过2% ,谷物流量超 过2.5 kg ? s"1时的测量相对误差约为5% ;中国农 业机械化科学研究院开发了称量式谷物流量监测系 统,在室内和田间的测量误差分别不超过2%和 3%.在传感器优化设计研究方面，文献35-36]对 传感器的弹性元件的结构优化进行了研究，而文献 37 -38]对传感器的噪声消除及动态补偿进行了 研究,取得了一定的成果.

2.存在的问题

通过对以上不同子领域的研究和应用概述，称 重传感器在精准农业的研究和应用状况可以总结如 下:首先，与其他国家相比，欧美国家特别是以美国 等为代表的国家在称重传感器在精准农业领域的应 用已经取得了一定的产业化成果.在亚洲国家中，日 本和韩国也在产业化研究道路上处于领先的地位. 我国还没有出现明显的产业化案例.其次,从研究应 用领域来看，目前我国称重传感器技术在精准农业 的精确收获阶段的应用研究比较多，并取得了一定 成果,而在土地准备、精准播种和精准作物管理阶段 的研究相对较少.第三，从发展阶段来看，目前我国 实际上还处在‘‘工业传感器的农业应用”这一阶段， 在很多研究试验中，采用的都是传统的工业称重传 感器，这些传感器的功能、灵敏度、精度等方面的水 平在农业应用场合下还有很大的提升空间.但是,在 我国农业传感器研究过程中，产品意识较为淡薄,使 得研究结果应用到生产实践还存在诸多问题，限制 了其在精准农业装备中的产业化.最后，结合上述文 献的研究结果，文中将称重传感器在精准农业中面 临的不利因素归结以下3点：

第一,动态测量精度.动态称重技术一直是国内 外传感器公司和研究机构关注的研究领域,也是当 前称重传感器在精准农业应用中主要考虑的问题. 除了传统动态称重领域中需要考虑的一些干扰因素 外,还需要考虑由于农机在工作运动时,不可避免地 会受到来自各个方向的冲力，这会导致安装在车辆 上的称重传感器感受到除重力之外的其他干扰力， 导致测量精度降低；同时，地面的不平整，也会使得 称重传感器在测量时不一定保持在理想的水平位置 状态,也会影响到测量精度,所以农机工作状态下的 动态测量技术,需要考虑的干扰因素更多,也更为复 杂,有必要深入进行研究.

第二,稳定性.这是目前研究中一个容易忽略的 关键问题.文献的]对这此做了简单的补偿研究, 但对输出漂移的内在机理未作深入分析.对传统的 称重传感器应用场合来说,传感器输出数据不易察 觉的缓慢漂移在以往多数称重的场合并不会对计量 精度造成显著影响，因为可以在每次称重前通过仪 表端清零消除漂移误差.但是,在农业装备中的称重 场合下,更多时候传感器需要长时间进行实时称重 计量,这样就无法采用传统的仪表清零方法来消除 漂移误差.另外一个不可忽视的情况就是，车辆在使 用时总是会产生颠簸振动，相当于对称重传感器的 加速老化,从而导致测量误差会加速地累积,这就需 要称重传感器具有更高的长期稳定性.

第三，可靠性.可靠性是一项新技术或产品在产 业化时所必须解决的关键问题.农业装备中的车载 称重传感器在实际工作中不可避免的会遇到路面不 平带来的颠簸冲击、装卸物料过程中的冲击、车辆碰 撞冲击以及野外风吹雨淋等等情况.这就要求称重 传感器应具有较好的抗冲击性能、防水防潮能力和 一定的工作寿命.在车辆行业,一般要求零部件达到 10年的预期工作寿命，比一般电子衡器对工作寿命 的要求要高得多.虽然，国内一些相关研究涉及到了 称重传感器设计,但此类传感器在农机工作环境下 的使用寿命并未得到有效验证，传感器可靠性相关 的封装设计等技术并未深入考虑.

3.应对策略

通过上述分析，认为称重传感器应用于精准农 业的关键在于解决称重传感器的可靠性、稳定性和 动态测量精度问题.为了寻找解决问题的方案,有必 要在传感器技术层面对这3个问题背后涉及的关键 技术做进一步分析.

可以将传感器的技术领域分为四大关键基础 点:敏感机理、功能材料、制造工艺和计测技术39 . 涉及解决称重传感器可靠性的关键技术包括称重传感器的敏感机理（如弹性元件设计等技术）、功能材 料、制作工艺（如密封工艺）等；涉及稳定性的关键 技术包括称重传感器的功能材料、制造工艺（如老 化工艺）等；而动态测量精度的关键技术则与称重 传感器的敏感机理、计测技术（如动态补偿算法等） 等相关.可见,传感器的可靠性、稳定性以及动态测 量精度这3个问题并不是孤立的，它们都涉及到称 重传感器技术领域中一些共性关键技术.

1)弹性元件设计.称重传感器中感受被测物理 量的弹性元件是影响传感器性能和质量的关键部 分⑽.弹性元件的结构设计多样，旨在提高感受被 测物理量的灵敏性和稳定性.通过合理的结构设计, 可以提高传感器在农机工作环境下的响应速度和抗 干扰能力，在这方面，文献35-36]都对提高传感 器的动态特性做了一定的研究，不过没有考虑过载 和冲击的保护问题.

2)密封工艺、老化工艺.密封工艺是保证传感 器可靠性和稳定性的关键技术.称重传感器的密封 主要有2种方式:采用涂覆材料密封和采用金属焊 接密封.其中,后者将金属膜片通过焊接工艺将弹性 元件的应变区完全密封,从而达到了完全保护传感 器内部应变片和变换电路的目的，具有很高的可靠 性.所以,基于焊接密封的称重传感器非常适合农业 领域的应用场合.不过,焊接密封技术也存在一些问 题.由于是在弹性元件的上进行焊接，即使采用激光 脉冲焊接等工艺也不可避免的会产生焊接残余应力 和变形.在后续使用过程中，残余应力的释放和结构 的变形将会影响到弹性元件上的应变片，最终导致 称重传感器的输出信号随时间在缓慢变化，所以焊 接工艺对传感器输出的长期稳定性有着显著影响. 同时,传感器增加密封膜片后对传感器的精度也有 影响,所以密封膜片一般会选择很薄的金属，以减小 其对传感器弹性元件的附加影响,但是膜片太薄,在 焊接时又容易产生焊接不良和变形.尤其是小量程 的称重传感器,在增加密封膜片后,性能精度和稳定 性往往就远不如焊接前的测试结果，特别难以设计 与制造.

传感器的老化处理可以减少残余应力，提高传 感器的稳定性，相关公司和学者已做了不少研 究M .对于焊接密封的称重传感器，一般在传感器 完成焊接密封后安排老化处理工艺，此时还需要考 虑不能影响到传感器的其他部分,如应变片和惠斯 顿电桥电路等，这就限制了所能选择工艺的范围.常 见的老化处理工艺有：超载静压法，振动时效法，冷 热循环法等等.但是，这些方法或是效果有限，不能 彻底消除残余应力，或是成本太高，难以大规模使 用，总之，目前为止还没有一个简单有效的方法.

3)动态补偿算法.数字补偿算法是提高动态测 量精度的关键.不过,数字补偿算法的有效性依赖于 传感器数学模型的正确建立.以前的研究往往忽略 了传感器的可靠性设计和稳定性设计对传感器数学 模型正确建立带来的附加影响.譬如，采用焊接密封 型传感器时,需要考虑到焊接密封工艺对传感器响 应特性的影响，文献42]研究了大气压力对焊接密 封型传感器特性的影响，并对此进行了误差补偿研 究;而在国内，还未见涉及焊接密封称重传感器性能 方面的深入研究.另外,除了需要考虑传统动态称重 领域中传感器的响应时间要快以外,对于农机的车 载称重测力场合，还需要考虑到实际应用环境中的 复杂性,如农机的前进速度,道路崎岖以及机械工作 振动等多种因素对传感器测试精度的影响，因而有 必要对传感器的动态数字补偿算法继续深入研究.

4.结束语

随着现代农业装备不断向自动化和智能化发 展,称重传感器必将越来越多地应用到农业生产中. 由于农业生产作业的复杂性，对称重传感器及技术 也提出了更高的要求.研发出响应速度快、抗干扰能 力强、高可靠性和高精确度的车载称重传感器已成 为发展方向之一.基于焊接密封设计的动态数字称 重传感器的研发是其中一条有效的途径.目前，由于 缺少相关基础制造工艺和计测技术的研究,导致此 类传感器的稳定性和精度都较差，国内还没有相应 的成熟产品出现.因此,从事这方面的研究具有实际 应用价值,也有助于国内传感器公司产品达到或超 过国际先进水平.