CN101929943B - 用于集料级配检测的数字化成像采集系统及其采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于集料级配检测的数字化成像采集系统，由集料抽样装置、图像获取装置、光处理优化装置和通信及存储设备组成。集料抽样装置包括分料板、距离调节杆和角度调节杆；图像获取装置包括红外线激光器、线阵相机和图像采集卡；光处理优化装置包括滤光装置和漫反射涂料层；通信及存储设备包括数据线和计算机。用于集料级配检测的数字化成像的采集方法：设置集料抽样装置；设置图像获取装置；设置通信及存储设备；对抽样集料进行图像采集；图像的传输和保存。本发明通过设置分料板实现对集料流的采样采集，解决了以往必须对集料下落流进行全部图像采集的问题，克服了采集到的图像质量差、颗粒难分离、处理数据量大的缺陷。

Description

用于集料级配检测的数字化成像采集系统及其采集方法

技术领域

本发明为对沥青混合料生产过程实时检测技术的创新方法，具体涉及一种用于集料级配采样的数字化成像采集系统及其采集方法，该方法应用数字图像处理和图像识别技术在路面施工中的沥青混合料生产现场进行实时采样。

背景技术

目前高速公路路面以沥青路面为主。在沥青路面材料组成中，集料的用料量最大，所占成本也最多。在沥青混合料的生产现场，对集料的级配仅仅是从拌合楼单方面对各个冷料仓供料量进行控制，并没有对集料级配进行实时的检测。这样经常会导致实际的生产级配与设计级配偏离太大，从而使混合料的力学性能以及路用性能下降，不能满足设计要求。因此，亟需一种在混合料的生产过程中对集料级配进行实时在线检测，并依据设计级配对各料仓的供料进行精确控制的技术，从而避免生产级配与设计级配产生较大偏离的现象。而针对沥青混合料生产过程进行集料级配实时检测的图像采集系统则是检测系统性能优劣的关键所在。

现有技术中，针对集料级配检测的图像采集方法为：以成型后的沥青混合料路面取芯试件作为图像采集对象，并在实验室环境对试件材料进行数字化成像。该方式仅仅对成型后的沥青混合料路面取芯试件在实验室的环境进行图像采集，而非对沥青混合料生产现场的集料级配环节进行图像的采集，不能实时获取集料级配过程的图像数据。对路面钻心取样造成了路面的损坏，需要对路面进行二次修复，既加重了检测人员的劳动强度又不符合无损检测的宗旨。由于图像采集对象为路面取芯试件，试件运输的成本较高，同时其图像分析和处理的结果受检测对象影响较大。

针对上述问题，发明人探索了一种实时的基于图像处理和图像识别技术的无损集料级配检测方法。该方法通过采集混合料生产过程中传送带上下落集料的数字图像，经过图像处理和图像识别统计各集料颗粒的粒径大小，将分析所得的粒径分布的数据绘制成集料级配的实际曲线，与集料的设计曲线在同一坐标系内进行对比显示，得出实际级配曲线与设计曲线的误差数据。

由于在沥青混合料的生产现场，集料下落的速度很快，要采集到清晰的动态集料就要求相机的曝光时间很短，这就导致了相机所采集到的图像灰度值偏暗、对比度差。而不同时间的日光强度差异较大，图像采集系统往往得不到光强恒定的入射光，导致所采集到的图像无法保持灰度值的稳定性和图像背景的均匀性，不利于其后的图像处理和分析。

同时由于生产现场中很多情况下的下落集料流过于厚重，导致采集到的图像中各颗粒互相遮挡不利于图像颗粒的分离，同时颗粒的数目越多所要处理的数据量就越大，对计算机硬件性能以及软件运行效率的要求也就越高，相应的检测技术成本就会提高。

再者，由于拍摄的是实际运动中的集料颗粒，在拍摄高速运动物体时为了提高图像的清晰度要求相机的扫描速率要相当高，但是相机的线扫描速率是有限制的，而且扫描速率越高的相机价格越高。同时由于实际生产中集料颗粒类型的多样性，粒径越小的颗粒其下落拍摄过程中为减小误差所要求的拍摄频率越高。解决这一问题最为经济有效的方式便是设法降低集料的下落速度。因此，研究一种有效的用于集料级配检测的数字化成像采集系统及其采集方法有着重要的意义。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明提供了一种用于集料级配检测的数字化成像采集系统及其采集方法，本发明解决了现有集料级配检测技术对路面形成损坏、需要采集所有集料的图像数据、无法适应多档集料检测特点以及无法在沥青混合料生产现场的集料级配环节获取高质量、易处理的数字图像的难题。

为了实现以上任务，本发明采用的如下技术解决方案：

一种用于集料级配检测的数字化成像采集系统，由以下模块组成：

集料抽样装置，包括分料板、距离调节杆和角度调节杆，所述分料板倾斜安装在一级传送带末端且与一级传送带末端不相接触；所述距离调节杆安装在分料板的上端且与第一传送带平行，该距离调节杆可伸缩从而带动分料板左右移动以调节分料板与一级传送带的水平距离；所述角度调节杆安装在分料板的下端，该角度调节杆可以伸缩从而带动分料板的下端左右移动以调节分料板的倾斜角度；

所述分料板与一级传送带间水平距离为10～40cm，垂直距离为15cm；分料板与地面间夹角为0°～90°；

图像获取装置，包括红外线激光器、线阵相机和图像采集卡，所述红外线激光器和线阵相机置于防尘机箱内；所述防尘机箱位于分料板上方，所述红外线激光器和线阵相机均正对分料板，且红外线激光器和线阵相机所成平面与分料板平行；所述线阵相机镜头覆盖的采集对象为各档冷料仓下方一级传送带上被分料板分流并沿分料板下滑的采样集料，线阵相机镜头的视场宽度为沥青混合料拌合楼传送带的宽度。

光处理优化装置，包括滤光装置和漫反射涂料层；所述滤光装置安装在线阵相机前面，所述漫反射涂料层涂在分料板的集料下滑面；

通信及存储设备，包括数据线和计算机，所述计算机通过数据线与图像获取装置中所述线阵相机相连。

所述图像获取装置中的图像采集卡安装在计算机上。

采用上述用于集料级配检测的数字化成像采集系统的采集方法，具体包括以下步骤：

步骤一，设置集料抽样装置：在集料的一级传送带1的末端处安置分料板8；在分料板8上、下两端分别安装距离控制杆9和角度控制杆10；调整分料板8的位置及倾斜角度；

步骤二，设置图像获取装置：将红外线激光器4和线阵相机2置于防尘机箱3内，将防尘机箱3固定于分料板8的上方；调节红外线激光器4和线阵相机2的角度，使得红外线激光器4与线阵相机2所成平面与分料板8平行，线阵相机2镜头覆盖的采集对象为各档冷料仓5下方一级传送带1上被分流到分料板8上沿分料板8下滑的采样集料，视场宽度为沥青混合料拌合楼传送带11的宽度；对线阵相机2进行滤除杂光处理，并对分料板8的集料下滑面的反射光进行均匀处理；

步骤三，设置通信及存储设备：将线阵相机2和计算机6用设有数据线中继装置7的数据线相连；设置线阵相机2的曝光时间和线扫描速率；

其中，设置线阵相机的曝光时间和线扫描速率包括如下步骤：计算机计算拍摄视场中入射至线阵相机的红外线光强和集料的最高下落速度；计算机设置线阵相机的曝光时间，使得线阵相机获得足够光强的红外线；计算机设置线阵相机的线扫描速率，使得线扫描速率远大于拍摄视场中集料的下落速度；

步骤四，对抽样集料进行图像采集：用红外线激光器4和线阵相机2拍摄被分料板8分流的沿分料板8下滑的采样集料，完成图像采集；

步骤五，图像的传输和保存

将采集到的处于下滑状态的集料图像压缩，并通过通信设备传输并保存到计算机6的磁盘中。

本发明的优点在于：

1、实现了在沥青混合料生产现场对集料级配数据的快速采集，克服了现有钻芯取样方法具有的劳动强度大、检测成本高、检测精度低、检测效率低、安全性低、受检测者人为因素影响严重等缺点。

2、无需对沥青混合料和沥青路面采集抽样试件，在集料级配过程中进行集料动态图像的采集，即避免了对路面在损坏，免除了修补成本和试件运输成本又不受检测样品的差异性和特殊性的影响。

3、可在各档集料级配过程中进行长期数字化成像，及时发现级配时集料动态的变化，作为实时生产控制提供参考，避免不合格沥青混合料的生产，节约时间并降低成本。

4、通过设置分料板实现对集料流的采样采集，解决了必须对集料下落流进行全部图像采集的问题，克服了采集到的图像质量差、颗粒难分离、处理数据量大的缺陷。

5、可针对不同的集料粒径及流量大小通过距离控制杆动态调节分料板与一级传送带间距离，从而控制采样集料流的大小适应动态检测的需求；可针对不同的集料特征和拍摄要求，通过控制分料板的倾斜角度来控制集料流的下滑速度，使下滑速度根据检测要求在可控范围之内调整；扩大了采集方法的适用范围和灵活性。

6、通过分料板位置的设置轻松实现了采样集料紧贴拍摄背景板，即分料板的下落，从而最大程度地消除采集到的图像中集料阴影所带来的检测影响，降低了图像处理的难度，提高了采集精度。

7、不受生产现场日光和其他光线条件变化的影响进行全天候集料级配的数字化成像，降低了检测现场的环境要求，提高了采集的工作效率。

8、可实现计算机对图像采集设备的远程控制，不受线阵相机数据传输线有效距离的限制，为远程检测提供了可能，同时避免了检测人员置身灰尘多、空气差、环境恶劣的生产现场，改善了工作人员的工作环境。

9、通过引入防尘机箱，将激光器和线阵相机置于机箱内，降低了生产现场灰尘对采集结果的影响和图像采集设备的损坏。

10、为我国沥青混合料生产过程的集料级配动态检测方法开辟了一种全新的思路，有助于我国交通信息技术水平的迅速提升。

附图说明

图1是本发明的用于集料级配检测的数字化成像采集系统的结构示意图。

图2是本发明的采集系统在实际应用过程中的连接示意图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的解释说明。

具体实施方式

如图1所示，本发明的用于集料级配检测的数字化成像采集系统，由以下模块组成：

集料抽样装置，包括分料板8、距离调节杆9和角度调节杆10，所述分料板8倾斜安装在一级传送带1末端且与一级传送带1末端不相接触；集料一部分通过分料板8下滑到拌合楼传送带11，另一部分通过分料板8与一级传送带1之间下落到拌合楼传送带11；所述距离调节杆9安装在分料板8的上端且与第一传送带1平行，该距离调节杆9可伸缩从而带动分料板8左右移动以调节分料板8与一级传送带1的水平距离，从而控制集料的采样流量；所述角度调节杆10安装在分料板8的下端，该角度调节杆10可以伸缩从而带动分料板8的下端左右移动以调节分料板8的倾斜角度，从而控制采样集料流的下落速度；分料板8与一级传送带1间水平距离为10～40cm，垂直距离为15cm；分料板与地面间夹角为0°～90°。距离调节杆9和角度调节杆10的调节幅度根据集料流特征不同而变化；集料流特征包括集料粒径及流量大小。

图像获取装置，包括红外线激光器4、线阵相机2和图像采集卡，所述红外线激光器4和线阵相机2置于防尘机箱3内；所述防尘机箱3位于分料板8上方40～60cm处，防尘机箱3后部有散热风扇13用以散热；所述红外线激光器4和线阵相机2均正对分料板8，且红外线激光器4和线阵相机2所成平面与分料板8平行；所述线阵相机2镜头覆盖的采集对象为各档冷料仓5下方一级传送带1上被分料板8分流并沿分料板8下滑的采样集料，线阵相机2镜头的视场宽度为沥青混合料拌合楼传送带11的宽度。针对分料板8倾斜角度调节防尘机箱3的角度调节杆，使得红外线激光器2和线阵相机所成平面与分料板8平行；

光处理优化装置，包括滤光装置12和漫反射涂料层；所述滤光装置12安装在线阵相机2前面，所述漫反射涂料层涂在分料板8的集料下滑面；滤光装置12采用带通滤光片，该带通滤光片对波长800～2000nm的入射光通过率为95％，其余波段近似为0；滤光装置12用来消除可见光对图像质量的干扰，原因是滤光装置12可以阻挡可见光，仅使经过反光装置反射的红外线激光通过滤光装置12进入线阵相机2的镜头，在全天候的条件下使线阵相机2接收光强恒定、光谱范围恒定的红外线激光。

漫反射涂料层采用黑色塑胶；使得采集视场内的光强度均匀；漫反射涂料层使入射到分料板8上的红外线激光产生漫反射，且使经过漫反射的红外线激光保持强度均匀。

通信及存储设备，包括数据线和计算机6，所述计算机6通过数据线与图像获取装置中所述线阵相机2相连，所述图像获取装置中的图像采集卡安装在计算机6上；数据线上设置有数据线中继装置7，该数据线中继装置7采用camerlink信号光纤传输器，能够延长数据传输的距离，实现图像的远程采集和检测系统的远程控制。

如图2所示，在每一个冷料仓5下方的一级传送带1都配有一个本发明的用于集料级配检测的数字化成像采集系统，每个采集系统都通过数据线连接到计算机6上。

本发明的用于集料级配检测的数字化成像采集方法，包括以下步骤：

步骤一，设置集料抽样装置

在集料的一级传送带1的末端处安置分料板8，该分料板8能够对下落的大量集料流进行抽样，并能够减缓集料下落的速度，避免现有技术中对一级传送带1输送的的全部集料采集图像信息，从而使得采集图像效果更好；在分料板8上、下两端分别安装距离控制杆9和角度控制杆10；调整分料板8的位置及倾斜角度；

其中，调整分料板8的位置及倾斜角度包括以下步骤：调节分料板8到一级传送带1的垂直距离为15cm；调节距离控制杆9，使分料板8到一级传送带1的水平距离为10～40cm；调节角度控制杆10从而调整分料板8的倾斜角度，分料板与地面间夹角为0°～90°；

步骤二，设置图像获取装置

将红外线激光器4和线阵相机2置于防尘机箱3内，将防尘机箱3固定于分料板8的上方40～60cm处；具体实施时可采用一个固定支架将防尘机箱3固定，并在防尘机箱3内部采用支架将调节红外线激光器4和线阵相机2固定；调节红外线激光器4和线阵相机2的角度，使得红外线激光器4与线阵相机2所成平面与分料板8平行，红外线激光器4和线阵相机2距采样集料下滑面30～50cm；线阵相机2镜头覆盖的采集对象为各档冷料仓5下方一级传送带1上被分流到分料板8上沿分料板8下滑的采样集料，视场宽度为沥青混合料拌合楼传送带11的宽度；对线阵相机2进行滤除杂光处理，并对分料板8的集料下滑面的反射光进行均匀处理；

其中，对线阵相机2进行滤除杂光处理采用在线阵相机2的镜头前安装滤光装置12，所述滤光装置12采用带通滤光片，该带通滤光片的截止波长为685nm，对波长800nm至2000nm的入射光通过率为95％。

对分料板8的集料下滑面的反射光进行均匀处理采用在分料板8的集料下滑面加设一层漫反射涂料层。

步骤三，设置通信及存储设备：将线阵相机2和计算机6用设有数据线中继装置7的数据线相连；设置线阵相机2的曝光时间和线扫描速率；

其中，设置线阵相机2的曝光时间和线扫描速率包括如下步骤：计算机6计算拍摄视场中入射至线阵相机2的红外线光强和集料的最高下落速度；计算机6设置线阵相机2的曝光时间，使得线阵相机2获得足够光强的红外线；计算机6设置线阵相机2的线扫描速率，使得线扫描速率远大于拍摄视场中集料的下落速度。

步骤四，对抽样集料进行图像采集：用红外线激光器4和线阵相机2拍摄被分料板8分流的沿分料板8下滑的采样集料，完成图像采集；

步骤五，图像的传输和保存

将采集到的处于下滑状态的集料图像压缩，并通过通信设备传输并保存到计算机6的磁盘中。

图中箭头方向指集料运动的方向。

Claims (8)

1.一种用于集料级配检测的数字化成像采集系统，其特征在于，由以下模块组成：

集料抽样装置，包括分料板(8)、距离调节杆(9)和角度调节杆(10)，所述分料板(8)倾斜安装在一级传送带(1)末端且与一级传送带(1)末端不相接触；所述距离调节杆(9)安装在分料板(8)的上端且与第一传送带(1)平行，该距离调节杆(9)可伸缩从而带动分料板(8)左右移动以调节分料板(8)与一级传送带(1)的水平距离；所述角度调节杆(10)安装在分料板(8)的下端，该角度调节杆(10)可以伸缩从而带动分料板(8)的下端左右移动以调节分料板(8)的倾斜角度；

所述分料板(8)与一级传送带(1)间水平距离为10～40cm，垂直距离为15cm；分料板(8)与地面间夹角为0°～90°；

图像获取装置，包括红外线激光器(4)、线阵相机(2)和图像采集卡，所述红外线激光器(4)和线阵相机(2)置于防尘机箱(3)内；所述防尘机箱(3)位于分料板(8)上方，所述红外线激光器(4)和线阵相机(2)均正对分料板(8)，且红外线激光器(4)和线阵相机(2)所成平面与分料板(8)平行；所述线阵相机(2)镜头覆盖的采集对象为各档冷料仓(5)下方一级传送带(1)上被分料板(8)分流并沿分料板(8)下滑的采样集料，线阵相机(2)镜头的视场宽度为沥青混合料拌合楼传送带(11)的宽度；

光处理优化装置，包括滤光装置(12)和漫反射涂料层；所述滤光装置(12)安装在线阵相机(2)前面，所述漫反射涂料层涂在分料板(8)的集料下滑面；

通信及存储设备，包括数据线和计算机(6)，所述计算机(6)通过数据线与图像获取装置中所述线阵相机(2)相连；

所述图像获取装置中的图像采集卡安装在计算机(6)上。

2.如权利要求1所述的用于集料级配检测的数字化成像采集系统，其特征在于，所述的滤光装置(12)采用带通滤光片，该带通滤光片对波长800～2000nm的入射光通过率为95％，其余波段近似为0。

3.如权利要求1所述的用于集料级配检测的数字化成像采集系统，其特征在于，所述数据线上设置有数据线中继装置(7)，所述数据线中继装置(7)能够实现图像的远程采集和检测系统的远程控制。

4.如权利要求3所述的用于集料级配检测的数字化成像采集系统，其特征在于，所述数据线中继装置(7)采用camerlink信号光纤传输器。

5.利用权利要求3所述的用于集料级配检测的数字化成像采集系统的采集方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一，设置集料抽样装置：在集料的一级传送带(1)的末端处安置分料板(8)；在分料板(8)上、下两端分别安装距离控制杆(9)和角度控制杆(10)；调整分料板(8)的位置及倾斜角度；

步骤二，设置图像获取装置：将红外线激光器(4)和线阵相机(2)置于防尘机箱(3)内，将防尘机箱(3)固定于分料板(8)的上方；调节红外线激光器(4)和线阵相机(2)的角度，使得红外线激光器(4)与线阵相机(2)所成平面与分料板(8)平行，线阵相机(2)镜头覆盖的采集对象为各档冷料仓(5)下方一级传送带(1)上被分流到分料板(8)上沿分料板(8)下滑的采样集料，视场宽度为沥青混合料拌合楼传送带(11)的宽度；对线阵相机(2)进行滤除杂光处理，并对分料板(8)的集料下滑面的反射光进行均匀处理；

步骤三，设置通信及存储设备：将线阵相机(2)和计算机(6)用设有数据线中继装置(7)的数据线相连；设置线阵相机(2)的曝光时间和线扫描速率；

其中，设置线阵相机(2)的曝光时间和线扫描速率包括如下步骤：计算机(6)计算拍摄视场中入射至线阵相机(2)的红外线光强和集料的最高下落速度；计算机(6)设置线阵相机(2)的曝光时间，使得线阵相机(2)获得足够光强的红外线；计算机(6)设置线阵相机(2)的线扫描速率，使得线扫描速率远大于拍摄视场中集料的下落速度；

步骤四，对抽样集料进行图像采集：用红外线激光器(4)和线阵相机(2)拍摄被分料板(8)分流的沿分料板(8)下滑的采样集料，完成图像采集；

步骤五，图像的传输和保存：

将采集到的处于下滑状态的集料图像压缩，并通过通信设备传输并保存到计算机(6)的磁盘中。

6.如权利要求5所述的用于集料级配检测的数字化成像采集系统的采集方法，其特征在于，所述步骤一的调整分料板(8)的位置及倾斜角度包括以下步骤：调节分料板(8)到一级传送带(1)的垂直距离为15cm；调节距离控制杆(9)，使分料板(8)到一级传送带(1)的水平距离为10～40cm；调节角度控制杆(10)从而调整分料板(8)的倾斜角度，分料板与地面间夹角为0°～90°。

7.如权利要求5所述的用于集料级配检测的数字化成像采集系统的采集方法，其特征在于，所述步骤二的对线阵相机(2)进行滤除杂光处理采用在线阵相机(2)的镜头前安装滤光装置(12)，所述滤光装置(12)采用带通滤光片，该带通滤光片的截止波长为685nm，对波长800nm至2000nm的入射光通过率为95％。

8.如权利要求5所述的用于集料级配检测的数字化成像采集系统的采集方法，其特征在于，所述步骤二的对分料板(8)的集料下滑面的反射光进行均匀处理采用在分料板(8)的集料下滑面加设一层漫反射涂料层。

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