CN105236224A - 立井提升钢丝绳横向摆动位移检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种立井提升钢丝绳横向摆动位移检测装置及方法,装置包括支撑架、纵向激光器、纵向摄像头、纵向遮光罩、横向激光器、横向摄像头、横向遮光罩、信号处理器，支撑架固定在立井提升井口井架上，在支撑架内壁上分横向和纵向设有横向激光器、纵向激光器，在两激光器背部沿激光器投射方向设有横向摄像头、纵向摄像头，两摄像头拍摄各自激光器照射到钢丝绳后在支撑架内壁上的投影图像，并传送给信号处理器。采用正交的两个激光器对钢丝绳进行照射，利用摄像头拍摄各自对应激光器照射到钢丝绳后的投影图像，即可实时检测钢丝绳沿自身横截面在X-Y二个方向上横向摆动位移量，其检测精度高，兼具可靠性和便捷性，具有广泛的实用性。

Description

立井提升钢丝绳横向摆动位移检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种检测装置及方法，尤其是一种适用于煤矿立井提升系统的钢丝绳横向摆动位移检测装置及方法。

背景技术

立井提升是我国煤矿生产的主导形式，而钢丝绳是立井提升系统的重要组成部分。钢丝绳是立井提升中提升容器(箕斗和罐笼)的承载和传动构件，其健康状态是煤矿安全生产的重中之重。在提升容器上提和下放过程中，提升容器的偏载、导轨缺陷以及主导轮的偏心等会造成钢丝绳的横向摆动，对提升容器和导轨产生了额外冲击，也降低了钢丝绳的使用寿命，威胁提升系统的安全运行。相应地，通过检测钢丝绳的横向摆动位移，可以对提升容器、主导轮、导轨、钢丝绳的健康状态进行辅助诊断，对于保障提升系统的安全性具有重要意义。

目前，钢丝绳的检测主要集中在张力、内部断丝、表面形态等，对钢丝绳的横向摆动位移检测研究较少。主要存在以下问题：第一，钢丝绳末端的横向摆动研究主要通过在提升容器上安装陀螺仪、加速度传感器等检测提升容器横向摆动来侧面反映，而由于钢丝绳与提升容器之间连接构件的安装误差和配合间隙等因素，导致依靠提升容器不能真实反映钢丝绳的真实横向摆动情况；第二，对于钢丝绳悬挂点的横向摆动，由于钢丝绳在工作过程中需要不断地卷绕，且悬挂点钢丝绳的横向摆动量较小，导致横向摆动位移检测较为困难，致使难以量化钢丝绳在悬挂点与末端之间的横向振动传递特性。

近年来，图像处理技术的发展为钢丝绳状态监测提供了新途径。专利号为CN200520040246.8的钢丝绳检测可视仪，采用多可视探头的中心线汇集相交于传感器导向体的导向孔中心线，用于在线检测钢丝绳的表面形态，精确提供缺陷实况，适用于各种起重装置的钢丝绳检测。有学者也研究了采用CCD图像传感器正面拍摄提升机钢丝绳，来检测钢丝绳的振动位移。而针对立井提升钢丝绳的横向振动位移检测研究尚存在如下问题：第一，在立井提升过程中，钢丝绳沿自身横截面在X-Y二个方向上横向摆动，且需要在主导轮上重复卷绕，而目前的钢丝绳图像处理技术主要采用正对钢丝绳成像的方式，难以实现对钢丝绳的横向摆动检测；第二，由于煤矿钢丝绳工作环境存在可见度低、粉尘多、湿度大等问题，且立井提升过程中钢丝绳的横向摆动，特别是悬挂点的横向摆动较小，采用钢丝绳直接成像的方式难以获得较高的精确度，因为需要考虑钢丝绳的成像方式和成像背景，以提高钢丝绳在图像中的区分度，而目前缺乏相应的研究。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构简单，兼具可靠性和便捷性的立井提升钢丝绳横向摆动位移检测装置及方法。

技术方案：本发明的立井提升钢丝绳横向摆动位移检测装置，包括支撑架、纵向激光器、纵向摄像头、纵向遮光罩、横向激光器、横向摄像头、横向遮光罩、信号处理器；所述的支撑架固定在立井提升井口井架上，支撑架的纵横向两个面上分别设有纵向激光器和横向激光器，并设有分别包裹纵向激光器和横向激光器所发光幕的横向遮光罩和纵向遮光罩，纵横向两个激光器位于各自遮光罩内的中间位置，激光器的激光发射方向与摄像头的拍摄方向一致，纵横两个激光器的激光发射方向相互垂直；纵向激光器和横向激光器的后部分别设有纵向摄像头和横向摄像头，所述支撑架内部顶壁上设有信号处理器，所述横向激光器、横向摄像头、纵向激光器、纵向摄像头分别经信号线与信号处理器相连接，信号处理器控制纵横向两个激光器的开闭，同时控制纵横向两个摄像头分别对钢丝绳纵横两个面拍摄激光器照射到后在支撑架内壁上的投影图像，并将信号传送给信号处理器；所述的支撑架、横向遮光罩、纵向遮光罩的顶部和底部分别设有通过钢丝绳的圆孔，圆孔的直径超过钢丝绳的横向摆动范围。

所述横向激光器的激光发射口距离横向摄像头镜头的轴向距离小于2cm；所述纵向激光器的激光发射口距离纵向摄像头镜头的轴线距离小于2cm。

所述的横向激光器与纵向激光器之间的垂直间距为10cm～15cm。

所述的横向遮光罩和纵向遮光罩的高度为5cm～10cm，具体取决于各自激光器产生的光幕大小，横向遮光罩的上顶板与纵向遮光罩的下底板的距离大于5cm，取决于纵横向两个激光器产生光幕交叉影响的最近距离。

上述装置的立井提升钢丝绳横向摆动位移检测方法，包括如下步骤：

a、将支撑架固定在立井提升井口井架上，在支撑架内壁分横向和纵向设置横向激光器、纵向激光器，在纵横向两个激光器背部沿激光器投射方向设置横向摄像头、纵向摄像头，在支撑架内壁侧面设置横向遮光罩和纵向遮光罩,两激光器位于各自遮光罩沿垂直方向的中间位置，在支撑架内部顶壁上安装信号处理器，将横向激光器、横向摄像头、纵向激光器、纵向摄像头经信号线与信号处理器相连接；

b、工作时，由信号处理器同时打开横向激光器、横向摄像头、纵向激光器、纵向摄像头，纵横向两个激光器沿纵横两个方向产生光幕照射在支撑架的内壁上，纵横向两个摄像头分别拍摄各自对应激光器照射到钢丝绳后在支撑架内壁上的投影图像，将信号时实传送给信号处理器；

c、信号处理器根据钢丝绳在支撑架内壁形成的投影图像信息，由公式(1)计算钢丝绳中轴线O₁与支撑架中轴线O之间的横向距离X、纵向距离Y：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{r}{\sin \left(\frac{\arctan \left(\frac{d}{h}\right)-\arctan \left(\frac{c}{h}\right)}{2}\right)}\×\sin \left(\frac{\arctan \left(\frac{d}{h}\right)+\arctan \left(\frac{c}{h}\right)}{2}\right)\\ Y=\frac{r}{\sin \left(\frac{\arctan \left(\frac{b}{l}\right)-\arctan \left(\frac{a}{l}\right)}{2}\right)}\×\sin \left(\frac{\arctan \left(\frac{d}{l}\right)+\arctan \left(\frac{a}{l}\right)}{2}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，r为提升钢丝绳直径，a为横向摄像头拍摄的钢丝绳的内侧投影边界距离支撑架纵向中心线的距离，b为横向摄像头拍摄的钢丝绳的外侧投影边界距离支撑架纵向中心线的距离，c为纵向摄像头拍摄的钢丝绳的内侧投影边界距离支撑架横向中心线的距离，d为纵向摄像头拍摄的钢丝绳的外侧投影边界距离支撑架横向中心线的距离，l为横向激光器发射点距离支撑架成像内壁的距离，h为纵向激光器发射点距离支撑架成像内壁的距离；

d、当钢丝绳发生横向摆动时，信号处理器通过公式(1)进行处理，不断获得发生变化的钢丝绳中轴线O₁′与支撑架中轴线O之间的横向距离X′、纵向距离Y′，由公式(2)获得钢丝绳两个方向的横向摆动位移ΔX、ΔY为：

$\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}X=X^{\′}-X\\ \mathrm{\Δ}Y=Y^{\′}-Y\end{array}---\left(2\right)$

实现对立井提升钢丝绳的横向摆动位移检测。

有益效果：本发明采用正交的两个激光器对钢丝绳进行照射，利用摄像头拍摄各自对应激光器照射到钢丝绳后的投影图像，即可以实时检测钢丝绳沿自身横截面在X-Y二个方向上横向摆动位移量，适用于立井提升钢丝绳的横向摆动位移检测。同时，利用激光亮度高、方向性好、单色性好等优点，提高了钢丝绳在图像中的区分度，且利用投影成像原理，放大了钢丝绳的实际直径，以获得更高的钢丝绳横向摆动位移检测精度，其结构简单，可靠性强，使用方便，经济效益明显，在本技术领域内具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的检测原理图。

图中：1-立井提升井口井架，2-支撑架，3-纵向激光器，4-纵向摄像头，5-纵向遮光罩，6-横向遮光罩，7-横向摄像头，8-横向激光器，9-钢丝绳，10-信号处理器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的立井提升钢丝绳横向摆动位移检测装置，主要由支撑架2、纵向激光器3、纵向摄像头4、纵向遮光罩5、横向激光器8、横向摄像头7、横向遮光罩6、信号处理器10构成；所述的支撑架2固定在立井提升井口井架1上，在支撑架2内壁上分横向和纵向，纵横向两个面上分别设有纵向激光器3和横向激光器8，并设有分别包裹纵向激光器3和横向激光器8所发光幕的横向遮光罩6和纵向遮光罩5，纵横向两个激光器位于各自遮光罩内的中间位置，激光器的激光发射方向与摄像头的拍摄方向一致，纵横两个激光器的激光发射方向相互垂直；纵向激光器3和横向激光器8的后部沿激光器投射方向分别设有纵向摄像头4和横向摄像头7，在支撑架2内壁侧面设有可以包裹激光器所发光幕的横向遮光罩6和纵向遮光罩5，两激光器位于各自遮光罩沿垂直方向的中间位置，所述支撑架2内部顶壁上设有信号处理器10，所述横向激光器8、横向摄像头7、纵向激光器3、纵向摄像头4分别经信号线与信号处理器10相连接，信号处理器10控制纵横向两个激光器的开闭，同时控制纵横向两个摄像头分别对钢丝绳9纵横两个面拍摄激光器照射到后在支撑架2内壁上的投影图像，并将信号传送给信号处理器10；横向激光器8与横向摄像头7、纵向激光器3与纵向摄像头4贴近布置，所述横向激光器8的激光发射口距离横向摄像头7镜头的轴向距离小于2cm；所述纵向激光器3的激光发射口距离纵向摄像头4镜头的轴线距离小于2cm。激光器的激光发射方向与摄像头的拍摄方向一致，两激光器的激光发射方向相互垂直。横向激光器8与纵向激光器3之间的垂直间距在15cm以内，一般为10cm～15cm；横向遮光罩6和纵向遮光罩5的高度为5cm～10cm，具体取决于各自激光器产生的光幕大小，横向遮光罩6的上顶板与纵向遮光罩5的下底板的距离超过5cm，具体取决于两激光器产生光幕交叉影响的最近距离。所述的支撑架2、横向遮光罩6、纵向遮光罩5的顶部和底部分别设有通过钢丝绳9的圆孔，圆孔的直径超过钢丝绳9的横向摆动范围。

本发明的立井提升钢丝绳横向摆动位移检测方法，具体步骤如下：

a、首先，将支撑架2固定在立井提升井口井架1上，在支撑架2内壁分横向和纵向设置横向激光器8、纵向激光器3，在纵横向两个激光器背部沿激光器投射方向设置横向摄像头7、纵向摄像头4，在支撑架2内壁侧面设置横向遮光罩6和纵向遮光罩5,两激光器位于各自遮光罩沿垂直方向的中间位置，在支撑架2内部顶壁上安装信号处理器10，将横向激光器8、横向摄像头7、纵向激光器3、纵向摄像头4经信号线与信号处理器10相连接；

b、工作时，由信号处理器10同时打开横向激光器8、横向摄像头7、纵向激光器3、纵向摄像头4，纵横向两个激光器沿纵横两个方向产生光幕照射在支撑架2的内壁上，纵横向两个摄像头分别拍摄各自对应激光器照射到钢丝绳9后在支撑架2内壁上的投影图像，将信号时实传送给信号处理器10；

c、信号处理器10根据钢丝绳9在支撑架2内壁形成的投影图像信息，由公式(1)计算钢丝绳9中轴线O₁与支撑架2中轴线O之间的横向距离X、纵向距离Y：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{r}{\sin \left(\frac{\arctan \left(\frac{d}{h}\right)-\arctan \left(\frac{c}{h}\right)}{2}\right)}\×\sin \left(\frac{\arctan \left(\frac{d}{h}\right)+\arctan \left(\frac{c}{h}\right)}{2}\right)\\ Y=\frac{r}{\sin \left(\frac{\arctan \left(\frac{b}{l}\right)-\arctan \left(\frac{a}{l}\right)}{2}\right)}\×\sin \left(\frac{\arctan \left(\frac{d}{l}\right)+\arctan \left(\frac{a}{l}\right)}{2}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，r为提升钢丝绳直径，a为横向摄像头7拍摄的钢丝绳9的内侧投影边界距离支撑架2纵向中心线的距离，b为横向摄像头7拍摄的钢丝绳9的外侧投影边界距离支撑架2纵向中心线的距离，c为纵向摄像头4拍摄的钢丝绳9的内侧投影边界距离支撑架2横向中心线的距离，d为纵向摄像头4拍摄的钢丝绳9的外侧投影边界距离支撑架2横向中心线的距离，l为横向激光器8发射点距离支撑架2成像内壁的距离，h为纵向激光器3发射点距离支撑架2成像内壁的距离；

d、当钢丝绳9发生横向摆动时，信号处理器10通过公式(1)进行处理，不断获得发生变化的钢丝绳9中轴线O₁′与支撑架2中轴线O之间的横向距离X′、纵向距离Y′，由公式2获得钢丝绳两个方向的横向摆动位移ΔX、ΔY为：

$\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}X=X^{\′}-X\\ \mathrm{\Δ}Y=Y^{\′}-Y\end{array}---\left(2\right)$

最终实现对立井提升钢丝绳9的横向摆动位移检测。

Claims (5)

1.立井提升钢丝绳横向摆动位移检测装置，其特征在于：它包括支撑架(2)、纵向激光器(3)、纵向摄像头(4)、纵向遮光罩(5)、横向激光器(8)、横向摄像头(7)、横向遮光罩(6)、信号处理器(10)；所述的支撑架(2)固定在立井提升井口井架(1)上，支撑架(2)的纵横向两个面上分别设有纵向激光器(3)和横向激光器(8)，并设有分别包裹纵向激光器(3)和横向激光器(8)所发光幕的横向遮光罩(6)和纵向遮光罩(5)，纵横向两个激光器位于各自遮光罩内的中间位置，激光器的激光发射方向与摄像头的拍摄方向一致，纵横两个激光器的激光发射方向相互垂直；纵向激光器(3)和横向激光器(8)的后部分别设有纵向摄像头(4)和横向摄像头(7)，所述支撑架(2)内部顶壁上设有信号处理器(10)，所述横向激光器(8)、横向摄像头(7)、纵向激光器(3)、纵向摄像头(4)分别经信号线与信号处理器(10)相连接，信号处理器(10)控制纵横向两个激光器的开闭，同时控制纵横向两个摄像头分别对钢丝绳(9)纵横两个面拍摄激光器照射到后在支撑架(2)内壁上的投影图像，并将信号传送给信号处理器(10)；所述的支撑架(2)、横向遮光罩(6)、纵向遮光罩(5)的顶部和底部分别设有通过钢丝绳(9)的圆孔，圆孔的直径超过钢丝绳(9)的横向摆动范围。

2.根据权利要求1所述的立井提升钢丝绳横向摆动位移检测装置，其特征在于：所述横向激光器(8)的激光发射口距离横向摄像头(7)镜头的轴向距离小于2cm；所述纵向激光器(3)的激光发射口距离纵向摄像头(4)镜头的轴线距离小于2cm。

3.根据权利要求1所述的立井提升钢丝绳横向摆动位移检测装置，其特征在于：所述的横向激光器(8)与纵向激光器(3)之间的垂直间距为10cm～15cm。

4.根据权利要求1所述的立井提升钢丝绳横向摆动位移检测装置，其特征在于：所述的横向遮光罩(6)和纵向遮光罩(5)的高度为5cm～10cm，具体取决于各自激光器产生的光幕大小，横向遮光罩(6)的上顶板与纵向遮光罩(5)的下底板的距离大于5cm，取决于纵横向两个激光器产生光幕交叉影响的最近距离。

5.一种根据权利要求1所述装置的立井提升钢丝绳横向摆动位移检测方法，其特征在于包括如下步骤：

a、将支撑架(2)固定在立井提升井口井架(1)上，在支撑架(2)内壁分横向和纵向设置横向激光器(8)、纵向激光器(3)，在纵横向两个激光器背部沿激光器投射方向设置横向摄像头(7)、纵向摄像头(4)，在支撑架(2)内壁侧面设置横向遮光罩(6)和纵向遮光罩(5),两激光器位于各自遮光罩沿垂直方向的中间位置，在支撑架(2)内部顶壁上安装信号处理器(10)，将横向激光器(8)、横向摄像头(7)、纵向激光器(3)、纵向摄像头(4)经信号线与信号处理器(10)相连接；

b、工作时，由信号处理器(10)同时打开横向激光器(8)、横向摄像头(7)、纵向激光器(3)、纵向摄像头(4)，纵横向两个激光器沿纵横两个方向产生光幕照射在支撑架(2)的内壁上，纵横向两个摄像头分别拍摄各自对应激光器照射到钢丝绳(9)后在支撑架(2)内壁上的投影图像，将信号时实传送给信号处理器(10)；

c、信号处理器(10)根据钢丝绳(9)在支撑架(2)内壁形成的投影图像信息，由公式(1)计算钢丝绳(9)中轴线O₁与支撑架(2)中轴线O之间的横向距离X、纵向距离Y：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{r}{\sin \left(\frac{\arctan \left(\frac{d}{h}\right)-\arctan \left(\frac{c}{h}\right)}{2}\right)}\×\sin \left(\frac{\arctan \left(\frac{d}{h}\right)+\arctan \left(\frac{c}{h}\right)}{2}\right)\\ Y=\frac{r}{\sin \left(\frac{\arctan \left(\frac{b}{l}\right)-\arctan \left(\frac{a}{l}\right)}{2}\right)}\×\sin \left(\frac{\arctan \left(\frac{b}{l}\right)+\arctan \left(\frac{a}{l}\right)}{2}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，r为提升钢丝绳直径，a为横向摄像头(7)拍摄的钢丝绳(9)的内侧投影边界距离支撑架(2)纵向中心线的距离，b为横向摄像头(7)拍摄的钢丝绳(9)的外侧投影边界距离支撑架(2)纵向中心线的距离，c为纵向摄像头(4)拍摄的钢丝绳(9)的内侧投影边界距离支撑架(2)横向中心线的距离，d为纵向摄像头(4)拍摄的钢丝绳(9)的外侧投影边界距离支撑架(2)横向中心线的距离，l为横向激光器(8)发射点距离支撑架(2)成像内壁的距离，h为纵向激光器(3)发射点距离支撑架(2)成像内壁的距离；

d、当钢丝绳(9)发生横向摆动时，信号处理器(10)通过公式(1)进行处理，不断获得发生变化的钢丝绳(9)中轴线O₁′与支撑架(2)中轴线O之间的横向距离X′、纵向距离Y′，由公式(2)获得钢丝绳两个方向的横向摆动位移ΔX、ΔY为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}X=X^{\′}-X\\ \mathrm{\Δ}Y=Y^{\′}-Y\end{array}\right.---\left(2\right)$

实现对立井提升钢丝绳(9)的横向摆动位移检测。