CN104634281A - 滚筒机及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及到的测量滚筒内颗粒物质崩塌角的滚筒机及测量方法，具有滚筒装置、测量装置和计算装置，测量装置中的光采集单元能够采集滚筒内被激光照射的颗粒物质发出的散射光，并将散斑图像信息传送给计算装置，计算装置根据滚筒的转动角速度、激光波长和散斑图像的灰度值基于一定的规则得到崩塌角。此方法测量操作简单，误差较小，精度比较高，并且用此方法测得的崩塌角能够测量颗粒物质在0.5度以下的崩塌角，因此克服了已有休止角测量装置操作复杂，误差比较大的问题。

Description

滚筒机及测量方法

技术领域

本发明属于休止角测量领域，具体涉及一种测量滚筒内颗粒物质崩塌角的滚筒机及测量方法。

背景技术

颗粒态在自然界广泛存在，颗粒尺度在1×10^-6～1×10⁴m范围的物质都可称为颗粒物质，所以生活中沙石、浮冰、矿石、粮食以及药品都可称为颗粒物质。材料在外力作用和内部应力状况变化时会发生的类似于流体的运动状态。

滚筒用于对颗粒物进行加工，颗粒物质随滚筒转动而被抬升至一定高度，当达到一定高度时，表面颗粒的力学结构无法维持平衡而开始下滑，这种颗粒的下滑现象称为崩塌。滚筒内颗粒物质的崩塌角大小与颗粒物质的含水量、粒径、以及圆度等参数有关，因此通过在线测量滚筒内颗粒物质的崩塌角，就可以知道颗粒物质的加工情况。

已有的休止角测量装置采用图像法测量休止角，其一般流程为通过原始图像采集、区域分割、边缘提取、直线拟合等一系列处理，测量出休止角的大小。这种测量操作复杂，误差比较大，不能测量0.5度以下的角度变化。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种操作简单，误差较小的测量滚筒内颗粒物质崩塌角的滚筒机及测量方法。

本发明提供了一种滚筒机及测量方法，用于实时测量滚筒内颗粒物质崩塌角，其特征在于，包括：滚动装置，用于对颗粒物质进行加工，包含：用于盛放颗粒物质并且能够透过激光的滚筒以及控制滚筒匀速转动的控制部；测量装置，包含：用于发出原始激光的激光器、设置在原始激光光路上且对该原始激光进行发散形成发散激光的凹透镜、将发散激光反射到颗粒物质的平面镜以及用于采集发散激光经过颗粒物质后形成的散射光的照相机；以及计算装置，根据滚筒转动的速度、原始激光的波长和所述照相机根据散射光形成的散斑图像的灰度值、基于一定的规则得到颗粒物质的所述崩塌角。

本发明涉及的滚筒机还可以具有这样的特征：其中，照相机为线阵CCD相机，线阵CCD相机的镜头平面与颗粒物质在滚筒内形成的上表面平行，并且距上表面的距离为20～40cm。

本发明涉及的滚筒机还可以具有这样的特征：其中，照相机与计算装置连接，用于将记录的散斑图像信息传送给计算装置。

本发明涉及的滚筒机还可以具有这样的特征：其中，控制部包含：驱动滚筒匀速转动的驱动单元和控制驱动单元的控制单元，驱动单元包含：为滚筒提供稳定转速的皮带传动构件和为皮带传动构件提供动力的直流电机，直流电机与控制单元连接，采用闭环控制。

本发明还提供了一种滚筒内颗粒物质崩塌角的测量法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)开启权利要求1的滚筒机，使滚筒匀速转动；

(2)调节照相机的镜面与颗粒物质在滚筒内形成的颗粒床表面平行，并且距颗粒床表面的距离为20～40cm；

(3)设置照相机的曝光时间为T，照相机将记录的曝光时间为T的颗粒物质发出的散射光形成的散斑的图像信息传送给计算装置；

(4)计算装置根据滚筒转动的速度、原始激光的波长和照相机根据散射光形成的散斑图像的灰度值基于一定的规则得到颗粒物质在曝光时间T内的崩塌角Δθ；

(5)间隔时间t_m，重复步骤(3)和(4)，并绘制崩塌角-时间曲线图；

(6)当崩塌角Δθ减小到预定角度时，加工的颗粒物质达到要求，控制部即控制滚筒停止转动。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及到的滚筒机，由于具有滚筒装置、测量装置和计算装置，测量装置中的照相机能够采集滚筒内发散激光经过颗粒物质后形成的散射光，并将散射光形成的散斑图像信息传送给计算装置，计算装置根据滚筒的转动的速度、原始激光的波长和散斑图像的灰度值基于一定的规则得到崩塌角，此方法测量操作简单，误差较小，精确度比较高，并且用此方法测得的崩塌角能够测量颗粒物质在0.5度以下的崩塌角，因此克服了已有休止角测量装置操作复杂，误差比较大的问题。

附图说明

图1是本发明的实施例中滚筒机的结构示意图；

图2是本发明的实施例中颗粒物质在滚筒内的倾角变化示意图；

图3是本发明的实施例中颗粒物质运动速度-时间曲线图；以及

图4是本发明的实施例中测量得到的崩塌角-时间曲线图。

具体实施案例

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的滚筒机作具体阐述。

图1是本发明的实施例中滚筒机的结构示意图。

如图1所示，在本实施例中，测量滚筒内颗粒物质崩塌角的滚筒机100用于实时测量滚筒内颗粒物质崩塌角。测量滚筒内颗粒物质崩塌角的滚筒机100包括：滚筒装置110、测量装置120和计算装置(图中未显示)。

滚筒装置110用于对颗粒物质进行加工，包含：用于盛放颗粒物质的水平滚筒111，滚筒111为透明的，能够透过激光；控制滚筒111匀速转动的控制部(图中未显示)，控制部包含：驱动滚筒111匀速转动的驱动单元(图中未显示)和控制所述驱动单元的控制单元，本实施例中控制单元为计算机(图中未显示)。

驱动单元包含：为滚筒111提供稳定转速的皮带传动构件和为皮带传动构件提供动力的直流电机，直流电机与计算机连接，采用闭环控制，通过计算机实时监控电机的转速。

测量装置120包含：用于发出原始激光的激光器121、将原始激光发散形成发散激光的凹透镜122、将发散激光反射到样品颗粒的平面镜123和采集发散激光经过颗粒物质后形成的散射光的线阵CCD相机124。其中，凹透镜122、平面镜123和线阵CCD相机124设置在激光的光路上，线阵CCD相124的镜头平面与颗粒物质在滚筒111内形成的上表面平行，并且距上表面的距离为20～40cm。

发散激光被平面镜123反射到滚筒111并透过滚筒111照射到颗粒物质，照射到颗粒物质的发散激光被颗粒物质散射，线阵CCD相机124采集向线阵CCD相机124方向散射的散射光，并将采集到的散射光形成散斑图像。

另外，线阵CCD相机124与计算装置连接，能够将采集到的散射光形成的散斑图像信息传入计算装置。

图2是本发明的实施例中颗粒物质在滚筒内的倾角变化示意图。

如图2所示，滚筒机100未启动前，样品颗粒在滚筒111内堆积形成的颗粒床表面的位置为图2中EF所示的位置。当滚筒111以稳定角速度ω转动时，样品颗粒随滚筒111转动，当样品颗粒转动到一定角度α，α为颗粒床表面临界崩塌的角度，如图2中AB所示的位置时，样品颗粒无法维持平衡因而开始下滑，样品颗粒在下滑到一定位置，样品颗粒床表面与水平面形成的角度为β，β为临界静止的角度，如图2中CD所示的位置。崩塌角Δθ即为颗粒床表面临界崩塌的角度α与临界静止的角度β的差值。在崩塌状态下，崩塌角呈周期性变化。

当样品颗粒位置移动时，颗粒物质产生的散射光不同，线阵CCD相机124接收到的散射光形成的散斑图像会发生变化，散斑灰度会发生变化。样品颗粒运动速度越大则散斑灰度变化越快，即对比度越弱。计算装置用于根据滚筒111转动的角速度ω、激光波长λ和线阵CCD相机124采集的散斑图像的灰度值I_T基于一定的规则得到颗粒物质的崩塌角Δθ。

本实施例中样品颗粒选用直径为1mm、含水量为1％的玻璃珠，样品颗粒在滚筒111内的填充率为50％，通过测量崩塌角Δθ得知样品颗粒含水量的情况。当滚筒机100启动后，对滚筒111内的样品颗粒进行加热。测量前，先打开激光器121预热一段时间。

滚筒内颗粒物质崩塌角的测量方法的具体测量步骤为:

(1)开启滚筒机100，使滚筒111以一定的角速度ω匀速转动；

(2)调节线阵CCD相机124的镜头平面与样品颗粒床表面平行，并且距样品颗粒表面的距离为30cm；

(3)设置线阵CCD相机24的曝光时间为T，相机124将记录的曝光时间为T的样品颗粒发出的散射光形成的散斑图像信息传送给计算装置；

(4)计算装置根据线阵CCD相机124采集的散射光形成的散斑图像的灰度值得到散斑对比度V_T(t)与时间t的关系如下式所示：

$V_T\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\δ}}_{I_T}^2}{{\stackrel{\‾}{I_T}}^2}-1$

其中，I_T为曝光时间为T时，散斑图像的灰度值，为散斑图像灰度值的方差，为散斑图像灰度值的平均值。

散斑对比度V_T(t)与颗粒运动速度δ_V(t)的关系如下式所示：

$V_T\left(t\right)=\mathrm{\γ}\frac{\exp (-8\mathrm{\π}{\mathrm{T\δ}}_V\left(t\right)/\mathrm{\λ})-1+8\mathrm{\π}{\mathrm{T\δ}}_V\left(t\right)/\mathrm{\λ}}{32{[{\mathrm{\πT\δ}}_V\left(t\right)/\mathrm{\λ}]}^2}$

其中，γ为测量系统的相干系数，λ为激光波长。

为了消除系统的相干系数γ对测量结果的影响，将散斑图像中每两行像素的灰度值相加，即第1行像素的灰度值与第2行像素的灰度值相加，第3行像素的灰度值与第4行像素的灰度值相加……得到曝光时间为2T的新的散斑图像，曝光时间为2T的散斑图像的对比度V_2T(t)与时间的关系如下式所示：

$V_{2T}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\δ}}_{I_{2T}}^2}{{\stackrel{\‾}{I_{2T}}}^2}-1$

散斑对比度V_2T(t)与颗粒运动速度δ_V(t)的关系如下式所示：

$V_{2T}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\δ}}_{I_{2T}}^2}{{\stackrel{\‾}{I_{2T}}}^2}-1=\mathrm{\γ}\frac{\exp (-16\mathrm{\π}{\mathrm{T\δ}}_V\left(t\right)/\mathrm{\λ})-1+16\mathrm{\π}{\mathrm{T\δ}}_V\left(t\right)/\mathrm{\λ}}{128{[{\mathrm{\πT\δ}}_V\left(t\right)/\mathrm{\λ}]}^2}$

将曝光时间为2T的散斑图像的对比度V_2T(t)除以曝光时间为T的散斑图像的对比度V_T(t)即可得到散斑对比度系数R(t)与颗粒的运动速度δ_V(t)的关系如下式所示：

$R\left(t\right)=\frac{V_{2T}\left(t\right)-1}{V_T\left(t\right)-1}=\frac{1}{4}\·\frac{\exp [-16\mathrm{\π}{\mathrm{T\δ}}_V\left(t\right)/\mathrm{\λ}]-1+16\mathrm{\π}{\mathrm{T\δ}}_V\left(t\right)/\mathrm{\λ}}{\exp [-8\mathrm{\π}{\mathrm{T\δ}}_V\left(t\right)/\mathrm{\λ}]-1+8\mathrm{\π}{\mathrm{T\δ}}_V\left(t\right)/\mathrm{\λ}}$

将上式用最小二乘法拟合即可得到δ_V(t)与时间的关系。

图3是本发明的实施例中颗粒物质运动速度-时间曲线图。

如图3所示，横坐标表示时间，纵坐标表示样品颗粒的运动速度δ_V，曲线表示样品颗粒的运动速度δ_V与时间的关系，利用阀值法测得样品颗粒在两次崩塌之间的静止时间，即图3中不同曲线之间的时间间隔t_r，统计得到在测量时间内所有相邻两次崩塌之间的平均静止时间

则崩塌角Δθ可由下式计算得到：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{\mathrm{\ω}\·\stackrel{\‾}{t_r}\·180}{\mathrm{\π}}$

其中，ω为滚筒111旋转的角速度，单位(rad/s)。

(5)间隔5分钟，重复步骤(3)和(4)，并绘制崩塌角-时间曲线图。

图4是本发明的实施例中测量得到的崩塌角-时间曲线图。

如图4所示，横坐标表示时间，纵坐标表示崩塌角，随着样品颗粒在滚筒111内加工时间的增长，崩塌角Δθ逐渐减小，样品颗粒的含水量也逐渐降低。

(6)当崩塌角Δθ减小到预定角度时，则样品颗粒的含水量已经已达到要求，控制部即控制滚筒机100停止工作。

其中，步骤(2)中线阵CCD相机124的镜头平面与样品颗粒床表面的距离为20～40cm，30cm仅为本实施例中优选的方案。

其中，步骤(5)中间隔时间也可以为其它时间，5分钟仅为本实施例中优选的时间。

因为崩塌角Δθ还与颗粒物质的粒径和圆度等参数有关，也可以根据崩塌角Δθ的变化得知颗粒粒径或圆度的加工情况。

实施例的作用与效果

根据本实施例中的滚筒机及测量方法，由于具有滚筒装置、测量装置和计算装置，测量装置中的照相机能够采集滚筒内发散激光经过颗粒物质后形成的散射光，并将散射光形成的散斑图像信息传送给计算装置，计算装置根据滚筒的转动的速度、原始激光的波长和散斑图像的灰度值基于一定的规则得到崩塌角。此方法测量操作简单，误差较小，精度比较高，并且用此方法测得的崩塌角能够测量颗粒物质在0.5度以下的崩塌角，因此克服了已有休止角测量装置操作复杂，误差比较大的问题。

在本实施例中，直流电机与控制单元连接，采用闭环控制，并对直流电机进行实时监控，以确保滚筒匀速转动。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种滚筒机，用于测量滚筒内颗粒物质的崩塌角，其特征在于，包括：

滚动装置，用于对所述颗粒物质进行加工，包含：用于盛放所述颗粒物质并且能够透过激光的滚筒以及控制所述滚筒匀速转动的控制部；

测量装置，包含：用于发出原始激光的激光器、设置在所述原始激光光路上且对该原始激光进行发散形成发散激光的凹透镜、将所述发散激光反射到所述颗粒物质的平面镜以及用于采集所述发散激光经过所述颗粒物质后形成的散射光的照相机；以及

计算装置，根据所述滚筒转动的速度、所述原始激光的波长和所述照相机根据所述散射光形成的散斑图像的灰度值、基于一定的规则得到颗粒物质的所述崩塌角。

2.根据权利要求1所述的滚筒机，其特征在于：

其中，所述照相机为线阵CCD相机，所述线阵CCD相机的镜头平面与所述颗粒物质在所述滚筒内形成的上表面平行，并且距所述上表面的距离为20～40cm。

3.根据权利要求1所述的滚筒机，其特征在于：

其中，所述照相机与计算装置连接，用于将记录的散斑图像信息传送给所述计算装置。

4.根据权利要求1所述的滚筒机，其特征在于：

其中，所述控制部包含：驱动所述滚筒匀速转动的驱动单元和控制所述驱动单元的控制单元，

所述驱动单元包含：为所述滚筒提供稳定转速的皮带传动构件和为所述皮带传动构件提供动力的直流电机，所述直流电机与所述控制单元连接，采用闭环控制。

5.一种滚筒内颗粒物质崩塌角的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)开启权利要求1所述的滚筒机，使滚筒匀速转动；

(2)调节照相机的镜面与颗粒物质在所述滚筒内形成的颗粒床表面平行，并且距所述颗粒床表面的距离为20～40cm；

(3)设置所述照相机的曝光时间为T，所述照相机将记录的曝光时间为T的所述颗粒物质发出的散射光形成的散斑的图像信息传送给计算装置；

(4)计算装置根据所述滚筒转动的速度、原始激光的波长和所述照相机根据所述散射光形成的散斑图像的灰度值基于一定的规则得到颗粒物质在曝光时间T内的崩塌角Δθ；

(5)间隔时间t_m，重复步骤(3)和(4)，并绘制崩塌角-时间曲线图；

(6)当崩塌角Δθ减小到预定角度时，加工的颗粒物质达到要求，所述控制部即控制所述滚筒停止转动。