CN103278225B - 基于图像技术检测的皮带称重装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像技术的皮带称重装置，该装置由皮带转速传感器、激光源、CCD成像系统、预装有软件的计算机及连接CCD成像系统和计算机的传输光缆组成；激光源含有多个激光器产生一组平行激光束将称重区域离散成连续小块；计算机控制CCD成像系统按图像采间隔连续获取称重区域光斑图像，每获取一幅图像对图像进行处理，提取光斑像点位置，根据光斑像点位置计算每个小块的重量相加成称重区域的重量，累加每次采样间隔内称重区域的重量即得到当前采样时刻皮带上总的物料量；该装置称重区域大小可灵活调整，依据每次存贮的称重区域物料重量，可查询任意时间段的运料量及生成运料量报表。

Description

基于图像技术检测的皮带称重装置

技术领域

本发明总体涉及传送带散装物料称重领域，尤其涉及利用图像技术检测皮带运送物料重量的皮带称重装置。

背景技术

在煤矿生产领域，皮带运输是煤矿原煤运输的重要方式之一，对皮带运输的原煤进行称重是遏制煤矿超能力生产，保障生产安全和加强税收管理等的有效措施。有多种皮带称重的装置，然而，目前没有已知皮带称重装置的设计是基于图像技术的。皮带运输原煤的称重装置有两种：即基于重力检测原理的电子皮带称和基于射线吸收原理检测的核子皮带称。

电子皮带称称重有一些内在的问题，电子皮带称称重时原煤在皮带之上，称重架在皮带之下，皮带夹在原煤与称重架之间，皮带上原煤的重量必须通过称重架和拉紧的皮带来称重，称重架受力状态和皮带张力直接影响着电子皮带称的测量精度，由于称重架受力状态和皮带张力随着皮带的运动在不断改变，电子皮带称要保持稳定的测量精度，必须经常性的维护使电子皮带称工作在皮带张力恒定、皮带不跑偏、称架不积灰、托辊校准好、称重传感器参数匹配等运行条件，因此，电子皮带称的维护工作很频繁，维护工作量很大。另外皮带在各处的张力并不相同，其变化也不同，电子皮带称往往要求在皮带张力小及张力变化小的地方安装，对安装位置有要求。精度稍高的电子皮带称称架都比较庞大和复杂，且称架多为钢结构件，因此电子皮带称往往比较笨重，安装不容易。

核子皮带称通过射线吸收原理进行称重，物料特性的变化，如品种、成分、含水量、在皮带上断面形状的变化等待都对测量精度有影响，如称重物料由煤改为矿石甚至煤矸石时，需要重新进行校准才能保证测量精度，而校准复杂，耗力大，耗时长，另外，放射源申办繁琐，需要配置辐射剂量专用测量设备，工作人员享受特殊保健并需要定期检查身体等。

两种称重装置价格都是比较昂贵，这些原因都导致了企业生产成本的增加，经济效益的缩小。

需要一种解决或至少改善现有技术中固有的一个或多个问题的皮带原煤称重装置。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种基于图像技术的皮带称重装置，该装置成本低，组件少，安装简单，维护工作量小，并且安装灵活，测量精度满足需求。

根据一种实例形式，提供一种基于图像技术的皮带称重装置，包括皮带转速传感器、激光源、CCD成像系统、预装有软件的计量管理计算机及连接CCD成像系统和所述计算机的传输线缆；皮带转速传感器提供皮带速度，激光源由至少2个以上在皮带上方沿皮带宽度线成直线排列的激光器组成，激光源向称重区域投射平行激光束，平行激光束与皮带面有大于0度且小于90度的夹角；称重区域大小为w×v×Δt，其中w为皮带宽度，v为皮带转动速度，Δt为图像采样间隔；优选地，称重区域位于皮带下方有托辊支撑处。CCD成像系统位于皮带中线位置的上方，光轴垂直于皮带面，CCD成像系统视场能覆盖大于或等于称重区域的范围，CCD成像系统为面阵成像系统，优选地，CCD成像系统为方阵CCD。计量管理计算机控制CCD成像系统按Δt间隔连续获取称重区域光斑图像，对图像进行处理，提取光斑像点位置，计算称重区域物料重量及皮带上总的物料重量。

在进一步特定的但非限制性的形式中，激光源在一个带有透明视窗的长形箱体内，长形箱体内有两条平行滑轨，其中一侧滑轨带有刻度标尺，以提供激光器间的间距，激光器可在平行滑轨上任意滑动并在任意位置固定，激光器的滑动范围至少在皮带宽度范围内，平行滑轨可旋转并带动所有激光器一起旋转而激光器自身保持相对静止。

在进一步特定的但非限制性的形式中，若装置应用于煤矿井下，传输线缆是防爆型的，CCD成像系统是防爆型的，激光源是防爆型的。

在进一步特定的但非限制性的形式中，装置称重方法包括如下步骤：

A.测量装置安装完毕后，首先对测量系统光斑像点位置与光斑相对于皮带面来说的高度之间的等量关系进行拟合；

B.计量开始后，计算机控制CCD成像系统每隔Δt时间摄取一幅称重区域光斑的图像，并将图像信号传送给计算机；

C.计算机对光斑图像进行处理，得到光斑像点位置，依据步骤A拟合的等量关系计算光斑处物料的高度；

D.计算由光斑将称重区域离散成的每个小区块的物料高度h_i；

E.由下式计算称重区域物料的重量ΔG，并将其存贮；

$\mathrm{\ΔG}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\·w_i\·v\·\mathrm{\Δt}\·\mathrm{\ρ}$

其中：其中w_i为小区块的宽度，v为皮带转动速度，Δt为CCD成像系统摄取图像间隔，ρ为物料的体密度；

F.累加每次E的结果，即为从计量开始到当前采样时刻皮带上总的重量G_t，G_t＝G_t-1+ΔG，G_t-1为t-1时刻皮带上物料的总重量。

在进一步特定的但非限制性的形式中，步骤A等量关系由下式描述：

$h=\frac{\mathrm{ad}}{d+b}$

其中，h为光斑所在处的物料相对于皮带面的高度，a，b为测量系统参数，d为光斑像点相对于参考像点的像素偏移量，其中，参考像点为光斑位于皮带面时的像点。

有利的是，测量系统参数a＝H₀，其中，f为镜头焦距，L为光斑与光轴与皮带面交点连线的距离，H₀为镜头光心到皮带面的垂直距离，θ为激光束与皮带面夹角。

优选地，测量系统参数a，b由最小二乘法拟合得到。

在进一步特定的但非限制性的形式中，步骤D小区块的物料高度为该区块相邻两光斑物料高度的平均值；步骤D小区块的物料高度为该区块相邻光斑在前一采样时刻和当前采样时刻物料高度的平均值，其中前一采样时刻为t-1时刻，当前时刻为t时刻，时间差为Δt即采样间隔。

在进一步特定的但非限制性的形式中，装置的称重区域大小是可调整的，当皮带速度改变时，可调整采样间隔时间来保持称重区域的不变，也可根据精度要求调整称重区域大小。

在进一步特定的但非限制性的形式中，存贮每次得到的称重区域物料的重量，可查询任意时间段的运料量及生成运料报表。

附图说明

通过以下说明，附图实施例变得显而已见，其仅以结合附图描述的至少一种优选但非限制性实施例的示例方式给出。

图1示出了一种基于图像技术的皮带称重装置结构示意图；

图2示出了一种基于图像技术的皮带称重装置光斑处物料高度测量原理示意图；

图3示出了一种基于图像技术的皮带称重装置小区块物料高度计算示意图；

图4示出了一种基于图像技术的皮带称重装置小区块物料高度计算示意图；

附图符号：

1-激光源2-摄像系统3-光缆4-计算机5-激光器6-透明窗7-箱体8-旋转装置9-平行滑轨10-激光束11-转速传感器12-皮带13-托辊

具体实施方式

图1为基于图像技术的皮带称重装置示意图。该装置由皮带传动传感器11、激光源1、CCD成像系统2、传输线缆3和预装有处理软件的计量管理计算机4组成。其中，考虑到CCD成像系统与计量管理计算机间的距离、信号的传输质量及信息量大小，传输线缆3优选光缆。激光源1至少含有2个激光器5产生两束相互平行的激光束10，激光器5在一个一面带有透明视窗6的长形箱体7内，长形箱体7位于皮带12上方，透明视窗6面朝向皮带，长形箱体7的长边与皮带宽度线平行，长形箱体7内有两条平行滑轨9，其中一侧滑轨带有刻度标尺，激光器5可在平行滑轨9上任意滑动并在任意位置固定，激光器5的滑动范围至少在皮带宽度范围内，平行滑轨9可旋转并带动激光器5旋转，激光器5采用红色点光源，圆型光斑模式。固定好激光器并记录下激光器间的间距，调节激光器光路相对于水平面的出射角使平行激光光线照射在称重区域，由于称重区域皮带在物料重力作用下会下沉，为减小皮带下沉给称重带来的误差，称重区域优选在下方有托辊13支撑的皮带面处，称重区域大小为w×v×Δt，其中w为皮带宽度，v为皮带转动速度，Δt为图像采样间隔。

CCD成像系统2在皮带上方位于皮带中线位置，其光轴垂直于皮带面，CCD视场能覆盖大于或等于称重区域，CCD成像系统优选方阵CCD成像系统。

若装置用在煤矿井下，传输线缆应是矿用防爆型的，激光源可是矿用本安型或矿用隔爆型，CCD成像系统可是矿用本安型或矿用隔爆型。

当皮带上物料高度不同时，物料上的光斑离CCD镜头中心的距离也不同，光斑在CCD上的成像点位置也不同，通过光斑在CCD上成像点位置可以确定光斑点处物料的高度。

图2示出了一种基于图像技术的皮带称重装置光斑点处物料高度测量原理示意图。如图2所示，当皮带为空时，激光器103发射的激光束在皮带面202形成光斑201，在CCD面阵上的像点为204，当皮带上有物料时，激光束发射单元103发射的激光束则在物料面上形成激光光斑207，在CCD面阵上的像点为205，由激光光斑位置和CCD成像系统的几何位置关系，根据成像原理，光斑点207处的物料高度h为：

$h=\frac{\mathrm{ad}}{d+b},$ a＝H₀， $b=\mathrm{fctg\θ}+\frac{\mathrm{fL}}{H_0}$

其中，d为像点204与像点205的距离，f为镜头焦距，L为光斑201到光轴与皮带面交点206的连线距离，H₀为镜头光心203到皮带面的垂直距离，即203与206之间连线距离。

将每个激光器发射的激光束在空皮带时形成的光斑距光轴与皮带面交点206的连线距离代入式中即得该激光器所发射的激光束形成的光斑所在处的物料高度测量模型。

当摄像机以Δt时间间隔采样光斑图像时，采样间隔时间Δt内对应皮带上大小为w×v×Δt区域，此即为称重区域，此时光斑像点位置反映了称重区域物料高度信息，通过光斑图像计算出称重区域物料的高度即可计算出采样间隔Δt时间内称重区域物料重量，由于称重区域物料表面是起伏的，意味着物料表面高度是变化的，因此用平行光束将称重区域离散成多个小块来计算，每个小块的大小为Δt×v×w_i，其中w_i为相邻两激光器间的间距，连续采样并累加每个采样间隔时间Δt内物料的重量，即可得到从计时开始到当前时刻皮带上的物料总重量。

为提高计量精度并且避免精确定位光斑在空皮上的位置和CCD光轴的位置以及CCD镜头精确聚焦，测量装置安装后对每个激光器所产生的光斑的物料高度测量模型中的参数a和b用实际的物理位置进行拟合，拟合步骤如下：

A1.对于每个光斑，先摄像取光斑位于皮带面上时的光斑图像，再获取位于测量范围内至少3个不同高度位置处的光斑图像，优选地，为5个高度位置；

A2.基于步骤A1获取的图像，确定不同高度位置处光斑像点位置；

A3.以位于皮带面上的光斑像点位置为参考点，计算其它光斑像点与之的像素偏移量；

A4.用最小二乘法求解得到参数a和b；

测量装置标定后，即可进行称重。

具体称重过程包括如下步骤：

A.首先用最小二乘法拟合光斑像点位置与光斑相对于皮带面来说的高度之间的等量关系；

B.计量开始后，计算机控制CCD成像系统每隔Δt时间摄取一幅称重区域光斑的图像，并将图像信号传送给计算机；

C.计算机对光斑图像进行处理，得到光斑像点位置，依据步骤A拟合的等量关系计算光斑处物料的高度；

D.计算由光斑将称重区域离散成的每小区块的物料高度h_i；

E.由下式计算称重区域物料的重量ΔG，并将其加以存贮，

$\mathrm{\ΔG}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i\·w_i\·v\·\mathrm{\Δt}\·\mathrm{\ρ}$

其中：ρ为物料的体密度；

F.累加每次E的结果，即为从计量开始到当前采样时刻皮带上总的运料量G_t，G_t＝G_t-1+ΔG，G_t-1为t-1时刻时皮带上物料的总重量。

采样间隔Δt大小可根据测量精度来选取，在满足测量精度的前提下，应尽可能选大，以避免系统处理数据量过大，另外，当皮带速度改变时，可通过调整Δt来维持称重区域恒定。

步骤E数据保存的好处在于，可以利用其查询任一时间段内的物料重量并形成运送量报表等。

小区块的物料高度可为该区块当前采样时刻相邻两光斑处物料高度的平均值，图3示出了这种计算示意图。小区块1的煤位高度为光斑301的煤位高度和光斑302的煤位高度的平均，小区块2的煤位高度为光斑302的煤位高度和光斑303的煤位高度的平均，依此类推。

为进一步提高测量精度，小区块的物料高度可为该区块相邻光斑在前一采样时刻和当前采样时刻物料高度的平均值；其中前一采样时刻为t-1时刻，当前时刻为t时刻，时间差为Δt即采样间隔。图4示出了这种计算示意图。小区块1的煤位高度为光斑302、光斑304、光斑301和光斑3034个点的煤位高度的平均值，依此类推其后小区块的煤位高度。

Claims (4)

1.一种基于图像检测技术的皮带称重装置，包括激光源、CCD成像系统、预装有软件的计算机、连接CCD成像系统和所述计算机的传输线缆及提供皮带速度的转速传感器，其特征在于：

激光源由至少2个以上在皮带上方沿皮带宽度成直线排列的激光器组成，所述激光源在一个带有透明视窗的长形箱体内，长形箱体内有两条平行滑轨，其中一侧滑轨带有刻度标尺，以提供所述激光器间的间距，所述激光器可在平行滑轨上任意滑动并在任意位置固定，所述激光器的滑动范围至少在皮带宽度范围内，平行滑轨可旋转并带动所有所述激光器一起旋转而所述激光器自身保持相对静止；所述激光源向称重区域投射平行激光束，平行激光束与皮带面有大于0度且小于90度的夹角；所述CCD成像系统位于所述皮带中线位置的上方，光轴垂直于皮带面，视场能覆盖大于或等于称重区域的范围，通过光缆连接到计算机；所述计算机控制CCD成像系统按Δt间隔连续获取称重区域光斑图像，对图像进行处理，提取光斑像点位置，计算称重区域物料重量及至当前时刻皮带上总的物料重量；所述装置的测量系统存在如下等量关系：h为光斑所在处的物料相对于皮带面的高度，a，b为系统参数，用最小二乘法拟合得到；d为光斑像点相对于参考像点的像素偏移量，所述参考像点为该光斑位于皮带面时所成的像点。

2.根据权利要求1所述的基于图像检测技术的皮带称重装置，其特征在于所述装置通过关系式计算称重区域物料重量，其中w_i为平行激光束将称重区域离散成的小区块的宽度，υ为皮带转动速度，Δt为CCD成像系统摄取图像间隔，ρ为物料的体密度，N为小区块数，h_i为小区块内的物料高度；

由G_t＝G_t-1+ΔG计算直至当前时刻皮带上总的物料重量，其中G_t-1为t-1时刻皮带上物料的总重量。

3.根据权利要求2所述的基于图像检测技术的皮带称重装置，其特征在于所述装置计算所述小区块的物料高度时取相邻两光斑处物料高度的平均值为所述小区块的物料高度。

4.根据权利要求2所述的基于图像检测技术的皮带称重装置，其特征在于所述装置计算所述小区块的物料高度时取相邻两光斑在前一采样时刻和当前采样时刻物料高度的平均值为所述小区块的物料高度。