CN104138854A - 基于伪双能射线成像的矿石分选系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于伪双能射线成像的矿石分选系统，包括：用于为分选系统提供稳定X射线的高频恒压X射线机；用于将待选原矿颗粒输送至X射线检测装置的振动给料机；用于有效防护X射线辐射的铅房；X射线检测装置，包括伪双能X射线线阵探测器，伪双能X射线线阵探测器位于X射线源的对面固定不动，X射线源发射的X射线穿透待选原矿颗粒，伪双能X射线线阵探测器接收到包含待选原矿颗粒原子序数特征信息的X射线，经过A/D转换后将数字图像通过以太网传输至计算机分析处理；矿石分选装置，为与气源相连的阀岛，用于将待选原矿颗粒中的废石颗粒吹离。本发明同时还公开了利用该系统的方法。

Description

基于伪双能射线成像的矿石分选系统及方法

技术领域

本发明涉及一种矿石分选技术，具体涉及一种基于伪双能射线成像的矿石分选系统及方法，针对颗粒粒度在25mm以上的原矿颗粒(包含矿石颗粒和废石颗粒)进行分选，将其分为矿石颗粒和废石颗粒。

背景技术

目前，针对粒度在25mm以上的原矿颗粒的分选，主要有湿选和干选两种方法。湿选方法是以水、重悬浮液或其它液态流体作为分选介质的一类分选方法。湿选存在工艺复杂、设备较多、耗费大量水资源、环境污染较大、投资运行成本较高等问题，而且在严重缺水的地区也限制了湿选方法的应用。相比于湿选，干选方法具有投资少，工艺简单，运行成本低的优点。传统的干选方法是人工干选，靠人眼根据被选原矿颗粒中矿石颗粒和废石颗粒在颜色、纹理上的区别来进行识别，然后用手将废石颗粒捡出。人工干选或其它依靠光学成像的分选方法只能看到被选原矿颗粒中矿石颗粒和废石颗粒在颜色、纹理上的区别，但看不到它们在密度或内部物质组成上的区别，不能很好的对矿石颗粒和废石颗粒进行区分。人工干选方法还有生产效率较低的缺点。为了提高生产效率，现有的干选系统一般是利用风力摇床或空气重介质流化床来分选，需要使用大量的压缩空气使原矿颗粒床层呈悬浮状态或使原矿颗粒床层流化，这种方式能耗高且噪音和粉尘大，不符合节能环保要求。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于伪双能射线成像的矿石分选系统及方法。伪双能射线成像使用单一的X射线源产生连续的X射线能谱，采用能响应不同能谱的探测器进行物质扫描成像，探测器高能接收模块响应连续能谱的高能部分，探测器低能接收模块响应连续能谱的低能部分，得到近似的双能量值。X射线穿透被测原矿颗粒后，通过物质吸收和光子散射，X射线会发生不同程度的衰减。X射线的衰减能间接的反应物质的有效原子序数信息，从而可根据原子序数进行物质属性判别。基于伪双能射线成像的矿石分选系统及方法利用透过被测原矿颗粒后的X射线强度分布携带了被测原矿颗粒原子序数及材料密度的特点来对原矿颗粒进行分选，具有分选提质、保证分选精度和效率、环保且耗能低的优点。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于伪双能射线成像的矿石分选系统，包括：

振动给料机，用于将待选原矿颗粒输送至X射线检测装置。振动给料机包括料仓，料仓下端出口位于溜槽一端上方，溜槽一端安装于振动电机上，溜槽另一端的出料口与X射线检测装置相对应，振动电机中的偏心块旋转产生振动，使原矿颗粒在溜槽上作抛掷或滑行运动(具体取决于振动给料机的参数)，均匀有间隔地从出料口穿过铅房入料口抛落至射线检测装置中去；

X射线检测装置，包括铅房、设置于铅房中的高频恒压X射线机、伪双能X射线线阵成像探测器和矿石分选装置；其中，

铅房，能有效防护X射线，隔离X射线对人体的伤害，铅房上方设有与振动给料机的出料口相对应的物料入口，物料入口宽度与振动给料机出料口宽度一致；

高频恒压X射线机，为矿石分选系统提供稳定的X射线；

伪双能X射线线阵成像探测器，包括多组伪双能探测模块首尾依次串接组成的伪双能探测模块组、中央处理单元(FPGA)和电源模块，伪双能X射线线阵探测器位于高频恒压X射线机的对面固定不动，高频恒压X射线机发射的X射线穿透下落的待选原矿颗粒，伪双能X射线线阵探测器接收到包含待选原矿颗粒特征信息的X射线，经过A/D转换后将数字图像通过数据线传输至计算机分析处理；

矿石分选装置，为与气源相连的由一排高速气阀和喷嘴组成的阀岛，用于将待选原矿颗粒中的废石颗粒吹离。阀岛宽度与振动给料机出料口宽度一致；阀岛上的喷嘴间距根据入选原矿颗粒粒度范围选择，其值应小于入选原矿颗粒粒度范围的下限值。

物料传送带，将分选后的矿石颗粒和废石颗粒运出铅房。

所述料仓下端出口处设有水平插入其中能够调节开口大小的闸板，闸板与手轮相连。

所述伪双能X射线线阵成像探测器包括：

由多组伪双能探测模块首尾依次串接组成的伪双能探测模块组；

所述伪双能探测模块包括均用遮光薄膜覆盖的低能探测芯片和高能探测芯片，低能探测芯片和高能探测芯片之间设有滤波铜片；低能探测芯片和高能探测芯片分别与低能A/D模块和高能A/D模块相连；低能探测芯片包括上下设置的低能闪烁体和第一光敏单元，高能探测芯片包括上下设置的高能闪烁体和第二光敏单元；

与伪双能探测模块组通信的中央处理单元；

与中央处理单元通过网络通信连接的上位机；

伪双能探测模块组采集到的信号经过中央处理单元处理后通过以太网传输给上位机进行显示和后续处理，实现快速远距离传输图像数据；

为伪双能探测模块组和中央处理单元供电的电源模块。

一种利用基于伪双能射线成像的矿石分选系统的分选方法，包括以下步骤：

1).射线机训机，射线机第一次使用或间隔24小时未用，再度使用前，X射线管必须按规定进行一次训机，才能正常使用。训机的目的是为了提高射线管真空度；如果真空度不良，会烧毁阳极或者击穿射线管，导致射线机出现故障，甚至报废；训机前先将电源钥匙从关断方向旋至高压关方向开机，开机后，人机界面将显示故障信息列表，确定无故障存在后，将电源钥匙开关旋至高压开方向，将训机的初始电压设置为30KV，训机开始后间隔固定时间周期提高管电压的数值，管电压的数值在100KV以下范围内每五分钟将其升高10KV，超过100KV后改为每十分钟将其升高5KV，每次训机不必训至额定值，只需训到高于工作电压10KV即可；工作电压与待选原矿颗粒的粒度范围有关，其选取原则是该工作电压下高频恒压X射线机发出的射线能穿透最大粒度的原矿颗粒并能清晰成像；

2).伪双能X射线线阵探测器参数配置及校准，训机完成后，用户通过设置射线机控制器进行伪双能X射线线阵探测器参数配置，射线机控制器配备触摸屏显示及辅助调节，用户可方便地设置射线机大小焦点工作状态、管电压、管电流、行频等参数；之后，用户在计算机上通过上位机采集软件设置IP地址以初始化探测器与计算机的网络通信连接；探测器在正常工作前需要进行校准，否则会引起探测器上的不同像元在同样X射线剂量辐射的情况下具有不同的输出信号；在关闭射线源的情况下，首先进行伪双能X射线线阵探测器位置校准，通过调节伪双能X射线线阵探测器的位置，使其中心在X射线源发出的射线束中心线上，并使其X射线探测模块排列呈水平方向且垂直于射线束中心线，同时还要使射线源的辐射角覆盖伪双能X射线线阵探测器的线阵成像范围。之后进行软件校准，当用户按下采集软件的校准选择项时，系统会自动提示用户进行关闭射线源和开启射线源的操作，用户只需按照提示操作，采集软件会自动完成校准操作。校准操作完成后，用户将振动给料机出料口到探测器检测平面的距离、溜槽与重力垂线方向的夹角、探测器的扫描行频等参数输入采集软件中，然后进行暗场图像和明场图像的采集操作。所谓暗场图像，是指在没有X射线辐射伪双能X射线线阵探测器的情况下采集的一幅图像；所谓明场图像，是指在能使探测器各像元和电子线接近饱和的均匀X射线照射探测器的情况下获取的一幅图像。以上所有操作均需要保证射线源和伪双能X射线线阵探测器之间无任何物体遮挡，完成上述准备工作，即可开始样本数据采集操作；

3).样本数据采集操作，分别进行矿石颗粒和废石颗粒的样本数据采集，进行样本数据采集的目的是绘制R_c-I_l曲线分布；在进行矿石颗粒样本数据采集时，矿石颗粒中不能掺杂任何废石，否则会影响R_c-I_l曲线分布，进而影响矿石分选的准确度。同理在进行废石颗粒样本数据采集时，废石颗粒样本中不能掺杂任何矿石；

4).待选原矿颗粒输送，待分选的原矿颗粒通过进料口被送到振动给料机的料仓里，振动给料机利用振动电机中的偏心块旋转产生振动，使原矿颗粒在溜槽上作抛掷或滑行运动且均匀地从出料口穿过铅房入料口抛落至射线检测装置中去；

5).图像数据采集，原矿颗粒的下落轨迹途经由X射线源和伪双能X射线线阵探测器组成的射线检测装置，伪双能X射线线阵探测器位于X射线源的对面固定不动，X射线源发射的X射线穿透待选原矿颗粒，伪双能X射线线阵探测器接收到包含待选原矿颗粒原子序数特征信息的X射线，经过A/D转换后将数字图像通过以太网传输至计算机分析处理；

6).原矿颗粒分选，计算机分析待选原矿颗粒的图像数据，通过对比矿石颗粒和废石颗粒在R_c-I_l曲线分布上的差异化特征，结合图像处理和模式识别理论，完成待选原矿颗粒中的废石颗粒的识别和定位，并将包含其位置坐标信息的高速气阀启动信号传送至阀岛上与该位置坐标信息相对应的高速气阀，废石颗粒下落至阀岛吹气平面的瞬间，高速气阀开启从而将待选原矿颗粒中的废石颗粒吹离；阀岛正常工作时需要的压缩空气由气源系统供应。

所述步骤4)中的振动给料机的振动主要是为了使原矿颗粒在溜槽上作抛掷或滑行运动(具体取决于振动给料机的参数)，并使原矿颗粒在溜槽上均匀分布；不同种类的待选原矿颗粒适宜的振动强度是不同的，振动强度由振幅和频率决定，调节振动电机偏心块的夹角即可改变振幅。通过调节料仓上的手轮可调节给料量。通过选择合适的振动强度和给料量可使原矿颗粒在溜槽上呈单层均匀散布。

所述步骤5)中的射线检测装置由单一的X射线源产生连续的X射线能谱，两组高低能探测器分别响应X射线透射后的高低能能谱。所述的伪双能探测模块包括低能探测芯片和高能探测芯片，在低能探测芯片和高能探测芯片之间设滤波铜片。X射线透射待测物体后先到达低能探测芯片，经过铜片滤波后到达高能探测芯片。低能探测芯片能最大程度的吸收低能X射线，获得低能探测数据。滤波铜片过滤未经吸收的低能X射线，过滤后的高能X射线被高能探测器吸收，获得高能探测数据，由此得到近似的高低能量值用于后期的物质属性值计算。

所述步骤5)中的伪双能X射线线阵探测器，在计算机发出分选系统初始化命令后，中央处理单元(FPGA)进行系统参数配置，配置完成后启动伪双能探测芯片时序驱动模块、A/D采样时序控制模块和双口RAM时序控制模块，伪双能探测模块开始像素逐行扫描；A/D采样时序控制模块包含多个模拟信号处理通道，能同时对多组伪双能探测模块采样；高、低能A/D模块内部转换后的16位数字量以高8位、低8位的模式在双口RAM时序控制模块控制下分别输出到中央处理单元的内部不同地址的双口RAM暂存，网络模块通过数据总线读取双口RAM的数据发送给计算机实时显示，并对采集到的高低能图像数据进行算法处理以得到等效原子序数等信息。

所述步骤6)中的气源包括依次相连的压缩机、前置储气罐、前置过滤器、冷干机、后置过滤器和后置储气罐；压缩机产生的空气进入前置储气罐时撞击罐壁使罐内温度下降，掺杂其中的大量水蒸气液化，再经过前置过滤器，过滤掉部分液态水及一些微颗粒物；冷干机的主要作用是去除大部分水蒸气，使压缩空气中的含水量降到标准范围内，并将压缩空气中的油雾、油蒸气冷凝，然后通过冷干机中的气水分离器将其分离排出；从后置过滤器中出来的压缩空气已不含液态水及微颗粒物，可有效避免阀岛被异物堵塞；后置储气罐用来存储压缩空气同时作为缓冲来防止过滤器堵塞造成的气源系统气压不稳。

所述步骤6)中：从计算机采集到废石颗粒图像至输出高速气阀启动信号以吹离该废石颗粒的时间等于该废石颗粒从线阵探测器扫描面下落至阀岛吹气平面的下落时间τ。因原矿颗粒脱离溜槽后呈自由落体运动，原矿颗粒从线阵探测器扫描面下落至阀岛吹气平面的下落时间τ可根据原矿颗粒脱离溜槽时的平均初速、出料口距离线阵探测器扫描面的距离以及出料口距离阀岛吹气平面的距离而求出。当振动给料机的振动电机的振动频率、振动电机偏心块夹角和溜槽的斜度等参数固定后，原矿颗粒脱离溜槽时的平均初速是固定的，可根据振动给料机的振动电机的振动频率、振动电机偏心块夹角和溜槽的斜度等参数计算出。出料口距离线阵探测器扫描面的距离以及出料口距离阀岛吹气平面的距离可通过量具测量得到。当根据线阵探测器扫描到的原矿颗粒图像判断其为废石颗粒并求出其位置坐标后，延时τ后使该位置坐标对应的高速气阀开启，从而使与该高速气阀对应的喷嘴喷出高速气流，以使该废石颗粒落到废石槽，而矿石颗粒继续下落进入矿石槽，从而完成矿石的一次分选；为了提高分选精度，避免分选后废石中包含较多的误分选的矿石，可对落入废石槽的矿石进行二次分选。为保证原矿颗粒是单层下落，需要事先通过调节料仓上的手轮和调节振动电机偏心块的夹角来选择合适的振动强度和给料量以使原矿颗粒在溜槽上呈单层均匀散布。

所述步骤6)中：采用厚度校正的物质属性判别方法对原矿颗粒分选。

单色谱双能物质属性定义为R＝u_lm/u_hm＝ln(I_l0/I_l)/ln(I_h0/I_h)，其中u_hm和u_lm为双能系统高低能质量吸收系数，I_h0和I_l0为高低能X射线入射强度，I_h和I_l为出射强度，对于单色谱的X射线源来说物质属性值R＝u_lm/u_hm＝σ_l/σ_h，σ_h、σ_l为高低能物质原子的横截面积，仅与原子序数Z和光子能量E有关，因此物质厚度x不会对物质属性值产生影响。

在伪双能物质属性判别中，X射线为连续的能谱，为简化计算将连续能谱等效成某单色能谱，但是相应的厚度信息会对物质属性值产生影响。本研究中为使物质区分更明显，定义物质属性R_c＝u_hm/u_lm＝ln(I_h0/I_h)/ln(I_l0/I_l)。由于厚度对物质属性检测结果的影响，矿石颗粒和废石颗粒的R_c值出现了重叠现象不易区分，为解决此类问题引入了二维R_c-I_l平面对厚度进行校正。

伪双能探测系统得到的高低能数据计算后得到相应的R_c值为横轴，取对应的低能探测器灰度值为纵轴，矿石颗粒和废石颗粒数据点在R_c-I_l平面上的分布可以明显的区分开，并且矿石颗粒和废石颗粒各自的数据点分布比较集中，在R_c-I_l平面上区域划分明显，R_c和I_l有一定的指数关系，很大程度上优化了分类结果。在R_c-I_l平面上矿石颗粒和废石颗粒数据点聚集的边缘处分别划线大致标出矿石颗粒和废石颗粒各自聚集的区域，通过观察待选原矿颗粒的数据点落在矿石颗粒区域还是废石颗粒区域，就能将待选原矿颗粒的物质属性区分出来。对于落在矿石颗粒区域和废石颗粒区域以外的数据点，该方法不再适用，此时构建隶属度模型，计算落在盲区处的数据点分别隶属于矿石颗粒区域和废石颗粒区域的隶属度(即计算该数据点属于哪个区域的程度比较大)。计算得到的隶属度能反映物质属性信息，将该数据点划分到隶属度高的区域，便能对该原矿颗粒进行分类。

本发明的原理是利用穿透待选原矿颗粒的X射线包含有矿石原子序数及材料密度等方面特征信息的特点，由伪双能X射线线阵探测器接收透射X射线后完成光电转化输出为数字图像信号，通过计算机对数字图像信号进行识别处理，输出高速气阀控制信号，控制阀岛喷嘴吹气从而将废石颗粒从待选原矿颗粒中吹离。用户可以通过计算机提供的人机界面对整个分选系统的参数进行调整，包括设置X射线源的参数，X射线伪双能成像采集的参数，待选原矿颗粒的种类，振动给料机的供料速度等。同时，人机界面给出分选系统运行的实时状况以及各部分的工作状态并提供故障报警和自诊断处理，提高了分选系统的自动化程度。

本发明所提的矿石分选采用振动给料配合伪双能射线成像的方法，结合光、机、电一体化技术。本发明针对不同种类的待选原矿颗粒，采用成像识别进行检测，能更好的检测出废石颗粒，降低误判率，提高整个系统的运行效率。经实验验证，本发明所涉及的方法，可有效改善被选矿石的质量品级，提高分选技术的自动化程度。

附图说明

图1为分选系统结构示意图；

图2为伪双能探测系统内部结构示意图；

图3为气源系统结构示意图；

图4为伪双能探测系统整体硬件框图；

图5为X射线伪双能探测示意图；

图6为W5300发送数据流程图；

图7为W5300读取数据流程图；

其中1.料仓，2.手轮，3.闸板，4.溜槽，5.出料口，6.振动电机，7.铅房，8.铅房入料口，9.X射线源，10.伪双能X射线线阵探测器，11.阀岛(由一排高速气阀和喷嘴组成)，12.计算机，13.高速气流，14.气源，15.矿石，16.废石，17.物料传送带，18.线阵探测电路板，19.电源板，20.线阵探测器主控板，21.压缩机，22.前置储气罐，23.前置过滤器，24.冷干机，25.后置过滤器，26.后置储气罐。27.低能闪烁体，28.第一光敏单元，29滤波铜片，30.高能闪烁体，31.第二光敏单元，32.遮光薄膜，33.数据采集系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-3所示，基于伪双能射线成像的矿石分选系统，包括：

振动给料机，用于将待选原矿颗粒输送至X射线检测装置；

如图1所示，振动给料机包括料仓1，料仓下端出口位于溜槽4一端上方，溜槽4一端安装于振动电机6上，溜槽4另一端的出料口5与X射线检测装置相对应，料仓1下端出口处设有水平插入其中能够调节开口大小的闸板3，闸板3与手轮2相连。调整闸板3的位置，可改变振动给料机的给料量。

由振动给料机进行待选原矿颗粒的输送，振动给料机的可靠工作为X射线检测装置的检测和分选装置的分选提供了前期保障。将待选原矿颗粒通过进料口送到振动给料机的料仓1里，振动给料机利用振动电机6中的偏心块旋转产生振动，使原矿颗粒在溜槽4上作抛掷或滑行运动(具体取决于振动给料机的参数)，均匀有间隔地从出料口5通过铅房入料口8抛落至X射线检测装置中去。针对不同的待选原矿颗粒，通过调节振动电机偏心块夹角的方法，振动电机可以提供不同的振动强度。

X射线检测装置，包括伪双能X射线线阵探测器10，X射线检测装置位于铅房7中，铅房7能有效防护X射线，隔离X射线对人体的伤害。伪双能X射线线阵探测器10位于X射线源9的对面固定不动，X射线源9发射的射线穿透待选原矿颗粒，伪双能X射线线阵探测器10接收到包含待选原矿颗粒特征信息的X射线，经过A/D转换后将数字图像通过数据线传输至计算机12分析处理。

伪双能X射线线阵成像探测器包括：

由多组伪双能探测模块首尾依次串接组成的伪双能探测模块组；

所述伪双能探测模块包括均用遮光薄膜覆盖的低能探测芯片和高能探测芯片，低能探测芯片和高能探测芯片之间设有滤波铜片；低能探测芯片和高能探测芯片分别与低能A/D模块和高能A/D模块相连；低能探测芯片包括上下设置的低能闪烁体和第一光敏单元，高能探测芯片包括上下设置的高能闪烁体和第二光敏单元；

与伪双能探测模块组通信的中央处理单元；

与中央处理单元通过网络通信连接的上位机；

伪双能探测模块组采集到的信号经过中央处理单元处理后通过以太网传输给上位机进行显示和后续处理，实现快速远距离传输图像数据；

为伪双能探测模块组和中央处理单元供电的电源模块。

如图2所示，伪双能X射线线阵探测器10的功能由线阵探测电路板18，电源板19和线阵探测器主控板20相互配合实现。电源板19为伪双能线阵探测模块和线阵探测器主控板20提供所需的电压。线阵探测电路板18主要包含伪双能探测模块和A/D采样模块，实现信号采集和A/D转换。探测器主控板20主要由FPGA最小系统、网络传输模块和数据存储模块组成，实现网络传输和数据存储功能。

矿石分选装置，为与气源14相连的阀岛11，将待选原矿颗粒中的废石颗粒吹离。

用户在分选工作前，通过计算机12设定待选原矿颗粒的种类，X射线伪双能成像采集的参数，振动给料机的供料速度等各项参数。

计算机12对待选原矿颗粒的图像数据进行分析，通过提取矿石15颗粒和废石16颗粒在R_c-I_l曲线分布方面的差异化特征，结合图像处理和模式识别理论，完成待选原矿颗粒中的废石16颗粒的识别和定位，并将包含其位置坐标信息的高速气阀启动信号传送至阀岛11上与该位置坐标信息相对应的高速气阀。从计算机采集到废石颗粒图像至输出高速气阀启动信号以吹离该废石颗粒的时间等于该废石颗粒从伪双能X射线线阵探测器扫描面下落至阀岛吹气平面的下落时间。当废石16颗粒到达阀岛11的吹气平面处时，阀岛11上的高速气阀开启并使与其对应的喷嘴喷出高速气流13将其吹离原下落轨迹，落到废石槽，而矿石15颗粒继续下落进入矿石槽，从而完成矿石的一次分选。分选后的矿石颗粒和废石颗粒通过物料传送带17运离出铅房7。为了提高分选精度，避免分选后废石中包含较多的误分选的矿石，可对落入废石槽的矿石进行二次分选。

阀岛11正常工作所需的压缩空气由气源14提供。气源14中的压缩机21产生压缩空气后，经由前置储气罐22、前置过滤器23、冷干机24、后置过滤器25几个部分的处理后，最后进入后置储气罐26的压缩空气就成为无水蒸气无杂质颗粒的纯净压缩空气，以供阀岛11使用以形成高速气流13。用户通过计算机的人机界面可以观察到分选系统运行的实时状况及各部分工作状态。同时，计算机12会对发生的故障进行自诊断处理，并进行故障报警以提醒用户检修。

气源结构示意图如图3所示，由压缩机21、前置储气罐22、前置过滤器23、冷干机24、后置过滤器25和后置储气罐26构成。压缩机21产生的空气进入前置储气罐22时撞击罐壁使罐内温度下降，掺杂其中的大量水蒸气液化，再经过前置过滤器23，过滤掉部分液态水及一些微颗粒物。冷干机24的主要作用是去除大部分水蒸气，使压缩空气中的含水量降到标准范围内，并将压缩空气中的油雾、油蒸气冷凝，然后通过冷干机24中的气水分离器将其分离排出。从后置过滤器25中出来的压缩空气已不含液态水及微颗粒物，可有效避免阀岛11被异物堵塞。后置储气罐26用来存储压缩空气同时作为缓冲来防止过滤器堵塞等造成的气源系统气压不稳。

采用厚度校正的物质属性判别方法对原矿颗粒分选。单色谱双能物质属性定义为R＝u_lm/u_hm＝ln(I_l0/I_l)/ln(I_h0/I_h)，其中u_hm和u_lm为双能系统高低能质量吸收系数，I_h0和I_l0为高低能X射线入射强度，I_h和I_l为出射强度，对于单色谱的X射线源来说物质属性值R＝u_lm/u_hm＝σ_l/σ_h，σ为物质原子的横截面积，仅与原子序数Z和光子能量E有关，因此物质厚度x不会对物质属性值产生影响。

在伪双能物质属性判别中，X射线为连续的能谱，为简化计算将连续能谱等效成某单色能谱，但是相应的厚度信息会对物质属性值产生影响。本研究中为使物质区分更明显，定义物质属性R_c＝u_hm/u_lm＝ln(I_h0/I_h)/ln(I_l0/I_l)。由于厚度对物质属性检测结果的影响，矿石颗粒和废石颗粒的R_c值出现了重叠现象不易区分，为解决此类问题引入了二维R_c-I_l平面对厚度进行校正。

伪双能探测系统得到的高低能数据计算后得到相应的R_c值为横轴，取对应的低能探测器灰度值为纵轴，矿石颗粒和废石颗粒数据点在R_c-I_l平面上的分布可以明显的区分开，并且矿石颗粒和废石颗粒各自的数据点分布比较集中，在R_c-I_l平面上区域划分明显，R_c和I_l有一定的指数关系，很大程度上优化了分类结果。在R_c-I_l平面上矿石颗粒和废石颗粒数据点聚集的边缘处分别划线大致标出矿石颗粒和废石颗粒各自聚集的区域，通过观察待选原矿颗粒的数据点落在矿石颗粒区域还是废石颗粒区域，就能将待选原矿颗粒的物质属性区分出来。对于落在矿石颗粒区域和废石颗粒区域以外的数据点，该方法不再适用，此时构建隶属度模型，计算落在盲区处的数据点分别隶属于矿石颗粒区域和废石颗粒区域的隶属度(即计算该数据点属于哪个区域的程度比较大)。计算得到的隶属度能反映物质属性信息，将该数据点划分到隶属度高的区域，便能对该原矿颗粒进行分类。

本发明中的伪双能X射线线阵成像探测器具体内容如下：

1.伪双能探测模块设计

选用低能X射线线阵探测芯片和高能X射线线阵探测芯片，并在低能X射线线阵探测芯片和高能X射线线阵探测芯片之间加滤波铜片29以构成伪双能探测模块，伪双能探测模块示意图如图5所示。多个伪双能探测模块首尾依次串接可构成更大长度的伪双能探测模块组。X射线高能和低能线阵探测芯片均用遮光薄膜32包裹，以抑制散射光线干扰，提高伪双能图像采集的清晰度。

伪双能探测模块包括均用遮光薄膜32覆盖的低能探测芯片和高能探测芯片，低能探测芯片和高能探测芯片之间设有滤波铜片29；低能探测芯片和高能探测芯片分别与低能A/D模块和高能A/D模块相连；低能探测芯片包括上下设置的低能闪烁体27和第一光敏单元28，高能探测芯片包括上下设置的高能闪烁体30和第二光敏单元31。第一光敏单元28和第二光敏单元31采集的模拟信号均传输于数据采集系统33。

2.伪双能探测模块的信号采集与数据存储

如附图2所示，该伪双能成像系统由电源板19，探测器主控板20和伪双能线阵探测电路板18相互配合实现。电源板19主要供给探测器主控板20和伪双能线阵探测电路板18所需的电压。伪双能线阵探测电路板主要包含伪双能探测模块和A/D采样模块，实现信号采集和A/D转换。探测器主控板20主要是FPGA最小系统、网络传输模块和数据存储模块，实现网络传输和数据存储功能。

结合附图5对伪双能探测模块的信号采集与存储作详细说明。伪双能探测模块的信号采集与数据存储主要由X射线线阵芯片时序驱动模块，X射线线阵探测采集模块，高速A/D转换模块和外部数据存储模块组成。

计算机12发送采样命令后，FPGA内部A/D寄存器配置驱动模块和W5300时序驱动模块工作，在驱动模块控制下完成A/D模块内部寄存器的基本配置和W5300模块的复位操作。FPGA检测到配置完成后启动X射线线阵探测芯片的时序驱动模块，A/D采样时序控制模块和双口RAM时序控制模块，伪双能探测模块开始像素逐行扫描。伪双能探测模块内部靠近X射线源9的低能探测芯片响应连续能谱的低能部分，铜片后面的高能探测芯片响应高能部分，X射线线阵探测芯片内部可以实现光电转换和信号放大调整，直接输出A/D采样模块所需的高低能模拟信号。A/D采样模块包含多个模拟信号处理通道，可以同时对多组伪双能探测模块采样。每个伪双能探测模块由高能X射线线阵探测芯片、低能X射线线阵探测芯片、高能A/D模块和低能A/D模块组成。高低能A/D模块内部转换后的16位数字量以高8位，低8位的模式在双口RAM时序模块控制下分别输出到FPGA内部不同地址的双口RAM暂存，网络模块通过数据总线读取双口RAM的数据发送给上位机实时显示，同时外部SD卡可以读取双口RAM数据存储备份，便于后期图像处理。对采集到的高低能图像数据进行算法处理，根据算法处理后得到原子序数及材料密度等信息进行物质识别。

3.伪双能图像采集控制与图像数据传输

伪双能图像采集控制与图像数据传输主要由网络传输模块和上位机图像显示模块组成。伪双能探测模块组采集到的信号经过中央处理单元处理后通过以太网传输给计算机12进行显示和后续处理，实现快速远距离传输图像数据。

如图6、7所示，本发明利用FPGA控制硬件协议栈芯片W5300设计实现以太网网络传输模块，W5300芯片内部集成10Base/100Base TX以太网物理层和TCP/IP协议栈，可以通过简单的配置和外部线路连接实现以太网数据传输功能。

W5300网络模块的软件设计主要任务是在ISE编译环境下用Verilog实现对W5300的状态机设计，主要是W5300的复位操作，W5300初始化，SOCKET0初始化，及发送数据和接收数据5个过程。下面对软件流程作详细说明。由步骤2所述，上位机软件发送采样命令后FPGA上电，首先要进行W5300的上电复位操作，且复位信号至少保持2us低电平，然后等待至少10ms高电平使得W5300内部锁相环稳定。软件设计时用25M时钟计数来实现复位操作，2us*25MHZ＝50,计数值到50后复位信号拉高，12ms*25MHZ＝300000,计数值到300000复位信号保持高电平，W5300复位操作完成。

W5300模块的初始化主要是主机接口设置、网络信息设置和内部TX/RX存储器分配。根据W5300写操作时序，配置W5300的硬件地址寄存器、网关、子网掩码和本机IP地址寄存器，配置W5300工作在16位数据总线直接寻址模式，存储单元寄存器采用默认设置即前8个8K字节存储单元分配给TX寄存器，后8个8K字节分配给RX寄存器。

在本发明中W5300工作在TCP模式下，通过SOCKET0发送并接收数据，只需要对SOCKET0初始化。SOCKET0初始化主要是设置通信协议、本机端口号、目标端口号、目的硬件地址和目的IP。设置完成后执行OPEN命令打开SOCKET0端口，若SOCKET0状态寄存器变为SOCK_INIT,则SOCKET0初始化设置完成。运行LISTEN命令设置W5300为服务器模式，读取SOCKET0状态寄存器变为SOCK_LISTEN，则W5300服务器模式设置成功。读SOCKET0状态寄存器变为SOCK_ESTIBLISH，则W5300和上位机成功建立连接。为测试网络模块连通性，将系统通过网线与计算机连接，系统上电后将软件编译下载至硬件平台。在DOS命令环境下输入ping202.194.201.55命令，计算机发送4个ICMP回显请求给网络模块，本系统与计算机网络层连接成功。此时再输入arp-a命令，DOS环境显示了W5300模块的源IP地址和源MAC地址的映射关系，此时确定了网络层的连通性，网络模块和上位机便可以进行通讯了。具体的发送和接收数据设计流程图分别见图4和图5。

W5300网络模块最高速率可达50Mbps，可以实现远距离数据传输，工作人员远离现场操作，能避免X射线辐射。W5300网络模块操作简单，可靠性强，传输速率快，有很高的实用价值。

计算机12主要完成伪双能图像采集的控制与传输。计算机12实现SOCKET通讯和灰度图像的实时显示功能。上位机设置为TCP客户端模式，与服务器端W5300进行网络通讯。上位机将采样、行频、采样速率等命令下达给下位机同时接收下位机的双能图像数据，并以灰度图像显示。下位机接收上位机的控制命令并执行相应的操作，同时将采集的图像数据由网络模块高速传输给上位机。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于伪双能射线成像的矿石分选系统，其特征是，包括： 

振动给料机，用于将待选原矿颗粒输送至X射线检测装置； 

振动给料机包括料仓，料仓下端出口位于溜槽一端上方，溜槽一端安装于振动电机上，溜槽另一端的出料口与X射线检测装置相对应，振动电机中的偏心块旋转产生振动，使原矿颗粒在溜槽上作抛掷或滑行运动，均匀有间隔地从出料口穿过铅房入料口抛落至射线检测装置中去； 

X射线检测装置，包括铅房、设置于铅房中的高频恒压X射线机、伪双能X射线线阵成像探测器、矿石分选装置、物料传送带；其中， 

铅房，能有效防护X射线，隔离X射线对人体的伤害，铅房上方设有与振动给料机的出料口相对应的物料入口，物料入口宽度与振动给料机出料口宽度一致； 

高频恒压X射线机，为矿石分选系统提供稳定的X射线； 

伪双能X射线线阵成像探测器，包括多组伪双能探测模块首尾依次串接组成的伪双能探测模块组、中央处理单元和电源模块，伪双能X射线线阵探测器位于高频恒压X射线机的对面固定不动，高频恒压X射线机发射的X射线穿透下落的待选原矿颗粒，伪双能X射线线阵探测器接收到包含待选原矿颗粒特征信息的X射线，经过A/D转换后将数字图像通过数据线传输至计算机分析处理； 

矿石分选装置，为与气源相连的由一排高速气阀和喷嘴组成的阀岛，用于将待选原矿颗粒中的废石颗粒吹离，阀岛宽度与振动给料机出料口宽度一致；阀岛上的喷嘴间距根据入选原矿颗粒粒度范围选择，其值应小于入选原矿颗粒粒度范围的下限值； 

物料传送带，将分选后的矿石颗粒和废石颗粒运出铅房。 

2.如权利要求1所述的基于伪双能射线成像的矿石分选系统，其特征是，所述料仓下端出口处设有水平插入其中能够调节开口大小的闸板，闸板与手轮相连。 

3.如权利要求1所述的基于伪双能射线成像的矿石分选系统，其特征是，所述伪双能X射线线阵成像探测器包括： 

由多组伪双能探测模块首尾依次串接组成的伪双能探测模块组； 

所述伪双能探测模块包括均用遮光薄膜覆盖的低能探测芯片和高能探测芯片，低能探测芯片和高能探测芯片之间设有滤波铜片；低能探测芯片和高能探测芯片分别与低能A/D模块和高能A/D模块相连；低能探测芯片包括上下设置的低能闪烁体和第一光敏单元，高能探测芯片包括上下设置的高能闪烁体和第二光敏单元； 

与伪双能探测模块组通信的中央处理单元； 

与中央处理单元通过网络通信连接的上位机； 

伪双能探测模块组采集到的信号经过中央处理单元处理后通过以太网传输给上位机进行显示和后续处理，实现快速远距离传输图像数据； 

为伪双能探测模块组和中央处理单元供电的电源模块。 

4.一种利用如权利要求1所述基于伪双能射线成像的矿石分选系统的分选方法，其特征是，包括以下步骤： 

1).高频恒压X射线机训机，高频恒压X射线机第一次使用或间隔24小时未用，再度使用前，X射线管必须按规定进行一次训机，才能正常使用； 

2).训机完成后，用户通过设置射线机控制器进行伪双能X射线线阵探测器参数配置，完成上述准备工作，即开始样本数据采集操作； 

3).样本数据采集操作，分别进行矿石颗粒和废石颗粒的样本数据采集，进行样本数据采集的目的是绘制R_c-I_l曲线分布；在进行矿石颗粒样本数据采集时，矿石颗粒样本中不能掺杂任何废石颗粒，否则会影响R_c-I_l曲线分布，进而影响矿石分选的准确度；同理在进行废石颗粒样本数据采集时，废石颗粒样本中不能掺杂任何矿石颗粒； 

4).待选原矿颗粒输送，待分选的原矿颗粒通过进料口被送到振动给料机的料仓里，振动给料机利用振动电机中的偏心块旋转产生振动，使原矿颗粒在溜槽上作抛掷或滑行运动且均匀地从出料口穿过铅房入料口抛落至射线检测装置中去； 

5).图像数据采集，原矿颗粒的下落轨迹途经由高频恒压X射线机和伪双能X射线线阵探测器组成的X射线检测装置，伪双能X射线线阵探测器位于高频恒压X射线机的对面固定不动，高频恒压X射线机发射的X射线穿透待选原矿颗粒，伪双能X射线线阵探测器接收到包含待选原矿颗粒原子序数特征信息的X射线，经过A/D转换后将数字图像通过以太网传输至计算机分析处理； 

6).矿石颗粒分选，计算机分析待选原矿颗粒的图像数据，通过提取矿石颗粒和废石颗粒在R_c-I_l曲线分布的差异化特征，结合图像处理和模式识别理论，完成待选原矿颗粒中的废石颗粒的识别和定位，并将包含其位置坐标信息的高速气阀启动信号传送至阀岛上与位置坐标信息相对应的高速气阀，废石颗粒下落至阀岛吹气平面的瞬间，高速气阀开启从而将待选原矿颗粒中的废石颗粒吹离；阀岛正常工作时需要的压缩空气由气源系统供应。 

5.如权利要求4所述的方法，其特征是，步骤1)中的训机前先将电源钥匙从关断方向旋至高压关方向开机，开机后，人机界面将显示故障信息列表，确定无故障存在后，将电源钥匙开关旋至高压开方向，将训机的初始电压设置为30KV，训机开始后间隔固定时间周期提高管电压的数值，管电压的数值在100KV以下范围内每五分钟将其升高10KV，超过100KV后改为每十分钟将其升高5KV，每次训机不必训至额定值，只需训到高于工作电压 10KV即可；工作电压与待选原矿颗粒的粒度范围有关，其选取原则是该工作电压下高频恒压X射线机发出的射线能穿透最大粒度的原矿颗粒并能清晰成像； 

射线机控制器配备触摸屏显示及辅助调节，用户能方便地设置射线机大小焦点工作状态、管电压、管电流、行频参数；之后，用户在计算机上通过上位机采集软件设置IP地址初始化探测器与计算机的网络通信连接； 

探测器在正常工作前需要进行校准，否则会引起探测器上的不同像元在同样X射线剂量辐射的情况下具有不同的输出信号；在关闭射线源的情况下，首先进行伪双能X射线线阵探测器位置校准，通过调节伪双能X射线线阵探测器的位置，使其中心在X射线源发出的射线束中心线上，并使其X射线探测模块排列呈水平方向且垂直于射线束中心线，同时还要使射线源的辐射角覆盖伪双能X射线线阵探测器的线阵成像范围；之后进行软件校准，当用户按下采集软件的校准选择项时，系统会自动提示用户进行关闭射线源和开启射线源的操作，用户只需按照提示操作，采集软件会自动完成校准操作；校准操作完成后，用户将振动给料机出料口到探测器检测平面的距离、溜槽与重力垂线方向的夹角、探测器的扫描行频参数输入采集软件中，然后进行暗场图像和明场图像的采集操作；所谓暗场图像，是指在没有X射线辐射伪双能X射线线阵探测器的情况下采集的一幅图像；所谓明场图像，是指在能使探测器各像元和电子线接近饱和的均匀X射线照射探测器的情况下获取的一幅图像；以上所有操作均需要保证射线源和伪双能X射线线阵探测器之间无任何物体遮挡。 

6.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤4)中的振动给料机的振动主要是为了使原矿颗粒在溜槽上作抛掷或滑行运动，并使原矿颗粒均匀分布；不同种类的待选原矿颗粒适宜的振动强度是不同的，振动强度由振幅和频率决定，调节振动电机偏心块的夹角即能改变振幅；通过调节料仓上的手轮调节给料量；通过选择合适的振动强度和给料量能使原矿颗粒在溜槽上呈单层均匀散布。 

7.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤5)中的伪双能X射线线阵探测器，在计算机发出分选系统初始化命令后，中央处理单元进行系统参数配置，配置完成后启动伪双能探测芯片时序驱动模块、A/D采样时序控制模块和双口RAM时序控制模块，伪双能探测模块开始像素逐行扫描；A/D采样时序控制模块包含多个模拟信号处理通道，能同时对多组伪双能探测模块采样；高、低能A/D模块内部转换后的16位数字量以高8位、低8位的模式在双口RAM时序控制模块控制下分别输出到中央处理单元的内部不同地址的双口RAM暂存，网络模块通过数据总线读取双口RAM的数据发送给计算机实时显示，并对采集到的高低能图像数据进行算法处理以得到等效原子序数信息。 

8.如权利要求7所述的方法，其特征是，步骤5)中的X射线检测装置由单一的X射 线源产生连续的X射线能谱，两组高低能探测器分别响应X射线透射后的高低能能谱。所述的伪双能探测模块包括低能探测芯片和高能探测芯片，在低能探测芯片和高能探测芯片之间设滤波铜片；X射线透射待测物体后先到达低能探测芯片，经过铜片滤波后到达高能探测芯片；低能探测芯片能最大程度的吸收低能X射线，获得低能探测数据；滤波铜片过滤未经吸收的低能X射线，过滤后的高能X射线被高能探测器吸收，获得高能探测数据，由此得到高低能量值。 

9.如权利要求4所述的基于伪双能射线成像的矿石分选系统的分选方法，其特征是，所述步骤6)中的气源包括依次相连的压缩机、前置储气罐、前置过滤器、冷干机、后置过滤器和后置储气罐；压缩机产生的空气进入前置储气罐时撞击罐壁使罐内温度下降，掺杂其中的大量水蒸气液化，再经过前置过滤器，过滤掉部分液态水及一些微颗粒物；冷干机的主要作用是去除大部分水蒸气，使压缩空气中的含水量降到标准范围内，并将压缩空气中的油雾、油蒸气冷凝，然后通过冷干机中的气水分离器将其分离排出；从后置过滤器中出来的压缩空气已不含液态水及微颗粒物，可有效避免阀岛被异物堵塞；后置储气罐用来存储压缩空气同时作为缓冲来防止过滤器堵塞造成的气源系统气压不稳。 

10.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤6)中：从计算机采集到废石颗粒图像至输出高速气阀启动信号以吹离该废石颗粒的时间等于该废石颗粒从线阵探测器扫描面下落至阀岛吹气平面的下落时间τ；因原矿颗粒脱离溜槽后呈自由落体运动，原矿颗粒从线阵探测器扫描面下落至阀岛吹气平面的下落时间τ能够根据原矿颗粒脱离溜槽时的平均初速、出料口距离线阵探测器扫描面的距离以及出料口距离阀岛吹气平面的距离而求出；当振动给料机的振动电机的振动频率、振动电机偏心块夹角和溜槽的斜度等参数固定后，原矿颗粒脱离溜槽时的平均初速是固定的，根据振动给料机的振动电机的振动频率、振动电机偏心块夹角和溜槽的斜度参数计算出；出料口距离线阵探测器扫描面的距离以及出料口距离阀岛吹气平面的距离通过量具测量得到当根据线阵探测器扫描到的原矿颗粒图像判断其为废石颗粒并求出其位置坐标后，延时τ后使该位置坐标对应的高速气阀开启，从而使与该高速气阀对应的喷嘴喷出高速气流，以使该废石颗粒落到废石槽，而矿石颗粒继续下落进入矿石槽，从而完成矿石的一次分选；为了提高分选精度，避免分选后废石中包含误分选的矿石，对落入废石槽的矿石进行二次分选； 

为保证原矿颗粒是单层下落，需要事先通过调节料仓上的手轮和调节振动电机偏心块的夹角来选择合适的振动强度和给料量以使原矿颗粒在溜槽上呈单层均匀散布。