CN105699258A - 一种细骨料在线检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种细骨料在线检测装置及方法，所述的装置包括取样模块、进样模块、分散模块、图像采集分析模块、回收模块；取样模块设置于细骨料输送带上，以预设的频率进行取样，并送至进样模块，经分散模块到达图像采集分析模块的图像采集区，图像采集分析模块对采集的图像进行特征提取，获得细骨料的参数；回收模块将检测完成的细骨料进行回收。本发明采用了振动频率可调的斜振动限量进料和多层折流板缓冲均匀分散相结合的两级分散方式，能使细骨料在落入测量区域时具有较好的分散性，降低了图像分析的难度，仅采用经典的图像处理和分析算法即可，图像处理和分析算法简单可靠、装置的硬件实现容易。
Description
技术领域
本发明属于骨料质量检测技术领域，具体涉及一种细骨料在线检测装置及方法。
背景技术
混凝土作为基础设施和城市建设的重要材料，在我国新型城镇化建设中承担着重大责任。细骨料是混凝土的主要组分，约占混凝土体积总量的30％～40％。当前混凝土性能存在问题的原因在很大程度上是由于细骨料质量不合格，如骨料粒形差、级配差、孔隙率大、针片状颗粒多、石粉含量高等。细骨料质量不合格会影响混凝土用水量、胶凝材料用量、耐久性等。要保证混凝土的性能，不仅需要提高混凝土生产装备水平，还需要提高混凝土质量控制水平。
粒径及粒形是细骨料的两个重要质量控制参数。粒径的大小和分布会影响骨料的颗粒级配。根据国家标准《建设用砂》规定，小于4.75mm的骨料称作细骨料。传统的细骨料级配检测方法是人工离线筛分检测，该方法费时、耗能，不能及时反映细骨料的粒径大小和分布情况，且无法检测粒形，当包含片状、针片状骨料时，一方面会影响粒径检测精度，另一方面会影响混凝土拌合物强度质量。
中国发明专利CN104853168A公开了一种砂石骨料质量智能监控系统，该系统中的细骨料细度模数检测模块仍采用了筛分法，通过取样、烘干、筛网筛分，筛分出不同粒径骨料，然后测量重量，计算砂石的细度模数。这种细骨料粒径检测方法仍然属于筛分检测方式，且无法检测粒形。
中国发明专利CN104063866A公开了一种矿石传送过程中的粒度检测方法，该方法使用图像处理技术对采集到的传送带上的矿石图像进行分析，获得矿石的粒度分布信息。该方法获得的是堆积、重叠的矿石图像信息，图像处理和分析方法复杂。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种简单、快速的、可用于细骨料生产线或输送线上的细骨料粒径及粒形在线检测方法及装置，通过在线取样、振动进样、折流分散，获取细骨料分散下落状态下的高速图像数据，经数字图像分析得到细骨料的粒径及粒形信息。该检测方法简洁、装置的硬件实现容易、检测精度高。
本发明的另一个目的在于提供一种细骨料样品的两级分散方法，采用该分散方法的装置中包含了进样模块和分散模块。首先，使细骨料样品进入进样模块实现第一级分散，其方法是，一方面，根据细骨料粒径范围设置进料漏斗与振动料斗之间的高度，达到控制进料量的目的，另一方面，通过振动调节器设置振动料斗斜振动的频率，达到控制进料速度的目的。通过第一级分散，可保持单位时间内较小的进料量，从而能使待测的细骨料样品具有较好的分散性。然后，经第一级分散后的细骨料样品再进入分散模块实现第二级分散，其方法是，在分散模块中的分散管中设计若干斜向设计的折流板，细骨料从振动料斗落入该分散管时，经多层折流板的缓冲作用，达到使细骨料样品均匀分散的目的。经两级分散后的细骨料样品具有较好的分散性，通过高速相机易于采集到分散的细骨料图像，降低了图像处理和分析的难度。
本发明的技术方案如下：
一种细骨料在线检测装置，包括取样模块、进样模块、分散模块、图像采集分析模块、回收模块；取样模块设置于细骨料输送带上，以预设的频率进行取样，并送至进样模块，经分散模块到达图像采集分析模块的图像采集区，图像采集分析模块对采集的图像进行特征提取，获得细骨料的参数；回收模块将检测完成的细骨料进行回收。
作为优选，取样模块为摇摆式采样机，设置在细骨料输送带上方，以预设的频率摆动，将细骨料扫入进样模块。
作为优选，摇摆式采样机包括摆臂、扫动板，摆臂的上端转动设置在细骨料输送带上方的固定位置，扫动板设于摆臂的下端，扫动板朝进样模块的方向摆动。
作为优选，扫动板的两侧设有限位板，两个限位板相对设置，与扫动板形成一面开口的槽体，开口方向朝向进样模块。
作为优选，摆臂的下端与限位板的上沿连接，摆臂静止时，扫动板位于细骨料输送带外侧。
作为优选，进样模块包括进料漏斗、振动料斗，进料漏斗设置在振动料斗上方，振动料斗的开口朝向分散模块。
作为优选，进料漏斗通过高度调节机构设置进料漏斗与振动料斗的距离；振动料斗通过振动调节器设置振动频率。
作为优选，分散模块包括分散管、折流板，若干折流板在分散管内沿高度方向斜向设置，在上的折流板与在下的折流板斜向方向相反。
作为优选，图像采集分析模块包括遮光箱、背光源、图像采集区、成像设备、主机，背光源、图像采集区、成像设备设于遮光箱内，背光源与成像设备位于图像采集区的两侧，细骨料位于背光源与成像设备之间。
作为优选，回收模块包括吸尘器、连通管，连通管连通图像采集区与吸尘器。
作为优选，图像采集分析模块先对采集的单张图像进行预处理，再使用特征提取，得到单张图像中每个细骨料的连通区域，提取连通区域的最短径，以及最长和最短径的比，得到每个细骨料的粒径和粒形，统计单张图像中的细骨料的特征参数。
作为优选，采用几何标定法对细骨料的尺寸进行标定，具体为：在图像采集区设置已知尺寸的参照物，提取每个细骨料与参照物占采集的图像的像素个数，细骨料与参照物的像素比例，得到细骨料的尺寸。
作为优选，对n张图像进行m次统计，形成一个统计周期；统计每个统计周期内各细度模数区间的细骨料的百分含量。
一种细骨料在线检测方法，其特征在于，步骤如下：
A)采用取样模块，从细骨料输送带上取出一定数量的细骨料样品，在重力作用下，以下落方式进入分散模块；
B)细骨料样品经分散模块分散后，以下落方式通过图像采集分析模块；获取下落运动状态的细骨料样品数字图像，并将细骨料样品数字图像传送至主机；
C)对获得的细骨料样品数字图像进行处理，首先采用均值滤波法平滑图像，其次利用阈值分割中的最大类间方差法对图像进行二值化处理，然后使用形态学处理中的多次腐蚀和膨胀对粘连细骨料进行分离，最后对多个目标区域进行连通区域标记，提取每个连通区域的特征；
D)对获得的细骨料样品数字图像进行分析，根据步骤C)得到的每个连通区域的特征，得出连通区域的最短径，以及最长和最短径的比，得到每个细骨料的粒径和粒形，统计单张图像中的细骨料的特征参数。
作为优选，对图像采集分析模块进行标定，通过拍摄带有固定间距图案阵列的标定模板、经过标定算法的计算，得出几何模型，从而得到测量和重建结果。
作为优选，将步骤C)中图像处理后得到的连通区域的最小Feret径作为细骨料的粒径信息，将步骤C)中图像处理后得到的连通区域的最长Feret径与最短Feret径的比值作为细骨料的粒形参数。
作为优选，获得的粒径和粒形信息显示在人机界面上。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明采用了机器视觉结合数字图像分析技术，可实现细骨料粒径质量的快速在线检测，能及时反映细骨料生产线的细骨料级配情况，避免细骨料粒径质量不合格造成的经济损失。
(2)本发明的检测方法中，增加了对细骨料粒形的检测，细骨料粒形的快速检测非常重要。细骨料粒形可及时反映破碎机运行性能，一方面，细骨料粒形检测可作为及时调整破碎机运行参数的理论参考，另一方面，细骨料粒形检测还可为破碎机设备的生产优化提供理论参考；另外，细骨料粒形质量还会影响混凝土性能，及时检测细骨料粒形质量，对于提高混凝土和易性、强度质量等具有重要作用。
(3)本发明的装置中采用了振动频率可调的斜振动限量进料和多层折流板缓冲均匀分散相结合的两级分散方式，能使细骨料在落入测量区域时具有较好的分散性，降低了图像分析的难度，仅采用经典的图像处理和分析算法即可，图像处理和分析算法简单可靠、装置的硬件实现容易。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是取样模块的结构示意图；
图3是进样模块的结构示意图；
图4是分散模块的内部结构示意图；
图5是图像采集区的结构示意图；
图6是图像处理人机交互界面；
图7是统计结果显示界面；
图中，10是细骨料输送带，20是取样模块，21是摆臂，22是扫动板，23是限位板，30是进样模块，31是进料漏斗，32是振动料斗，40是分散模块，41是分散管，42是折流板，50是图像采集分析模块，51是遮光箱，52是背光源，53是成像装置，54是图像采集区，55是主机，60是回收模块，61是连通管，62是吸尘器。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
本发明为了实现即时反映当前细骨料生产线的细骨料级配、粒形，提供一种细骨料在线检测装置，如图1所示，包括取样模块20、进样模块30、分散模块40、图像采集分析模块50、回收模块60；取样模块20设置于细骨料输送带10上，以预设的频率进行取样，并送至进样模块30，经分散模块40到达图像采集分析模块50的图像采集区54，图像采集分析模块50对采集的图像进行特征提取，获得细骨料的参数；回收模块60将检测完成的细骨料进行回收。
本发明的取样模块20可以采集出具有代表性的细骨料，排除离析现象对检测结果的影响。本发明的取样模块20为摇摆式采样机，设置在细骨料输送带10上方，以预设的频率摆动，将细骨料扫入进样模块30，将细骨料输送带10上所有宽度的细骨料推入进样模块30，保证样本具有充分代表性。
具体地，如图2所示，摇摆式采样机包括摆臂21、扫动板22，摆臂21的上端转动设置在细骨料输送带10上方的固定位置，扫动板22设于摆臂21的下端，扫动板22朝进样模块30的方向摆动。为了使扫动板22摆动的过程中，扫到的细骨料不会向扫动板22的两侧散开，影响取样的效率，本发明中，扫动板22的两侧设有限位板23，两个限位板23相对设置，与扫动板22形成一面开口的槽体，开口方向朝向进样模块30。摆臂21的下端与限位板23的上沿连接，摆臂21静止时，扫动板22位于细骨料输送带10外侧。摇臂式采样机将细骨料输送带10上的细骨料在摇臂摆动时装入槽体内，当摇臂摆动到细骨料输送带10边缘时将细骨料推入进样模块30。
如图3所示，进样模块30包括进料漏斗31、振动料斗32，进料漏斗31设置在振动料斗32上方，振动料斗32的开口朝向分散模块40。进料漏斗31通过高度调节机构设置进料漏斗31与振动料斗32的距离；振动料斗32通过振动调节器设置振动频率。使用带有振动进样的振动料斗32将采样的细骨料送入分散模块40，保证产生均匀流畅的进样流，通过调节进料漏斗31和振动料斗32之间的距离，以及振动料斗32的振动频率分别调节进样厚度以及进料速度。
在检测之前，调整进料漏斗31和振动料斗32的距离，距离设置为细骨料粒径上限的0.5倍。通过设置进料漏斗31和振动料斗32的距离控制入料厚度，达到分散细骨料的目的。本实施例中，振动料斗32振幅为1.5mm，振动频率是0～3000r/min，调整振动料斗32的振动频率，使得细骨料以均匀缓慢的速度在进样器上移动。采集到的细骨料进入进料漏斗31，振动料斗32开始工作，振动料斗32以设定好的频率开始传送细骨料，进样漏斗31中的细骨料不断下落进入振动料斗32，细骨料以设定好的厚度和速度掉落进入分散模块40。
如图4所示，分散模块40包括分散管41、折流板42，若干折流板42在分散管41内沿高度方向斜向设置，在上的折流板42与在下的折流板42斜向方向相反。分散模块40可以对细骨料作出很好的分散，从而可以提高图像处理时对细骨料粒径的识别精度。分散管41的折流板42让细骨料在重力的作用下的加速运动，通过细骨料与分散管41的管壁之间的碰撞、细骨料与细骨料之间的相互碰撞，以及细骨料和分散管41中的折流板42之间的作用来实现分散，最终掉出分散管41的细骨料以非常分散的状态落入图像采集分析模块50的图像采集区54。
如图5所示，图像采集分析模块50包括遮光箱51、背光源52、图像采集区54、成像设备53、主机55，背光源52、图像采集区54、成像设备53设于遮光箱51内，背光源52与成像设备53位于图像采集区54的两侧，细骨料位于背光源52与成像设备53之间。本实施例中，背光源52采用LED背光灯，成像设备53为使用USB3.0接口的CCD工业摄像机，将采集到的细骨料图像使用usb3.0的接口传输数据到主机55进行图像处理。四周密封的遮光箱51用于抵挡自然光对拍摄效果的影响。
回收模块60包括吸尘器62、连通管61，连通管61连通图像采集区54与吸尘器62，可以有效减少细粉漂浮在图像采集区54影响检测结果，还可以减小粉尘对设备的损害。
图像采集分析模块50先对采集的单张图像进行预处理，本发明的图像处理考虑到使用了背光源52以及在线处理所需要的即时性，因此图像预处理主要使用了均值滤波和大律法阈值分割；再使用特征提取，得到单张图像中每个细骨料的连通区域，提取连通区域的最短径，以及最长和最短径的比，得到每个细骨料的粒径和粒形，统计单张图像中的细骨料的特征参数，这种统计方法可以减少偶然误差。
采用几何标定法对细骨料的尺寸进行标定，所述的标定，是为校正镜头畸变，确定物理尺寸和像素间换算关系的数学方法，包括几何相似法、世界坐标法等。通过相机拍摄带有固定间距图案阵列的标定模板、经过标定算法的计算，可以得出相机的几何模型，从而得到高精度的测量和重建结果。
标定可以采用单目视觉几何相似法，通过测得标定尺长度所对应的像素个数来计算实际长度与实际像素个数的比值，从而得到标尺系数。被测几何量占据的像素个数越多，测量分辨率越高，测量精度也越高。具体为：在图像采集区54设置已知尺寸的参照物，提取每个细骨料与参照物占采集的图像的像素个数，细骨料与参照物的像素比例，得到细骨料的尺寸。
由于细骨料粒径小于4.75mm，故选定3mm作为细骨料精度选择基础。精度设定0.01mm，将0.01mm当作像素值，因此成像设备53的CCD分辨率＝3/0.01＝300，即CCD至少要有300×300像素的分辨率。因此确定了720×480像素的分辨率的CCD，需要提高放大倍数，减小视野，使得被测范围内的实际长度只有3mm，则每个像素代表3/480＝0.006mm，满足所需要的精度条件。
对n张图像进行m次统计，形成一个统计周期；统计每个统计周期内各细度模数区间的细骨料的百分含量。
基于所述的细骨料在线检测装置，本发明还提供一种细骨料在线检测方法，该检测方法的步骤包括：
A.采用摇摆式采样机，从细骨料输送带10上取出一定数量的细骨料样品。
B.细骨料样品经过斜振动，在重力作用以下落方式进入分散模块40。
C.细骨料样品经分散模块40分散后，以下落方式通过图像采集分析模块50。
D.对图像采集分析模块50进行标定。
E.通过图像处理，对获得的原始细骨料数字图像进行处理；所述的图像处理包括图像灰度化、图像二值化、图像增强、图像分割、图像轮廓的提取等。本实施例中，图像处理过程包括，首先采用均值滤波法平滑图像，其次利用阈值分割中的最大类间方差法对图像进行二值化处理，然后使用形态学处理中的多次腐蚀和膨胀对粘连细骨料进行分离，最后对多个目标区域进行连通区域标记，提取每个连通区域的特征。本实施例中，将步骤E中图像处理后得到的连通区域的最小Feret径作为细骨料的粒径信息，将骤E中图像处理后得到的连通区域的最长Feret径与最短Feret径的比值作为细骨料的粒形参数。
F.通过图像分析，获得细骨料样品的粒径及粒形信息。所述的图像分析，包括对图像处理后的细骨料颗粒图像，数出该颗粒图像封闭轮廓界线内的有关像素数目，并按标定时得到的标尺系数将之换算成实际面积、长度、宽度等信息，从而进一步获得细骨料粒径及粒形参数。
G.获得的细骨料粒径及粒形信息显示在人机界面上。所述的人机界面可由LabVIEW、HALCON、VC等软件开发。本发明的图像处理使用的人机交互界面进行操作与显示如采用LabVIEW系统设计的界面，可以实时显示细骨料的实况以及即时处理的粒级级配曲线和粒形。主机55使用LabVIEW平台对采集到的图像进行在线处理以及特征提取。LabVIEW平台对采集到的单张图像作灰度变换、均值滤波、大律法图像分割；然后使用特征提取，得到单张图像中每个细骨料的连通区域，提取连通区域的最短径，以及最长和最短径的比，得到每个细骨料的粒径和粒形，统计单张图像中的细骨料的特征参数。
H.采用吸尘器回收模块60，将分析后的细骨料样品回收。
如图6所示，在主机55的人机交互界面设置统计以及采集参数。统计参数包括统计间隔n，即采集n张得到一次统计结果。循环采集次数m，即一共在线采集n×m张图像。在相机选择列表，选择CCD的相机。标定系数的输入，标定系统的确定使用几何标定法，在图像采集区54设置已知尺寸的参照物，提取每个细骨料与参照物占采集的图像的像素个数，细骨料与参照物的像素比例，将该比例输入人机交互界面，用于后续计算。
本实施例中，成像设备53每秒采集帧数60张，在LabVIEW软件平台中，将60张图像处理过后识别的细骨料数目进行累加，统计60张图像中细骨料的粒径区间在0～0.075mm，0.075～0.15mm，0.15～0.3mm，0.3～0.6mm，0.6～1.18mm，1.18～2.36mm，2.36～4.75mm的细骨料数目，统计每个细度模数区间的细骨料的百分含量，显示其统计曲线，如图7所示。利用这种方法得到的统计结果相比如单张统计，进一步剔除偶然误差。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。
Claims (17)
1.一种细骨料在线检测装置，其特征在于，包括取样模块、进样模块、分散模块、图像采集分析模块、回收模块；取样模块设置于细骨料输送带上，以预设的频率进行取样，并送至进样模块，经分散模块到达图像采集分析模块的图像采集区，图像采集分析模块对采集的图像进行特征提取，获得细骨料的参数；回收模块将检测完成的细骨料进行回收。
2.根据权利要求1所述的细骨料在线检测装置，其特征在于，取样模块为摇摆式采样机，设置在细骨料输送带上方，以预设的频率摆动，将细骨料扫入进样模块。
3.根据权利要求2所述的细骨料在线检测装置，其特征在于，摇摆式采样机包括摆臂、扫动板，摆臂的上端转动设置在细骨料输送带上方的固定位置，扫动板设于摆臂的下端，扫动板朝进样模块的方向摆动。
4.根据权利要求3所述的细骨料在线检测装置，其特征在于，扫动板的两侧设有限位板，两个限位板相对设置，与扫动板形成一面开口的槽体，开口方向朝向进样模块。
5.根据权利要求4所述的细骨料在线检测装置，其特征在于，摆臂的下端与限位板的上沿连接，摆臂静止时，扫动板位于细骨料输送带外侧。
6.根据权利要求1所述的细骨料在线检测装置，其特征在于，进样模块包括进料漏斗、振动料斗，进料漏斗设置在振动料斗上方，振动料斗的开口朝向分散模块。
7.根据权利要求6所述的细骨料在线检测装置，其特征在于，进料漏斗通过高度调节机构设置进料漏斗与振动料斗的距离；振动料斗通过振动调节器设置振动频率。
8.根据权利要求1所述的细骨料在线检测装置，其特征在于，分散模块包括分散管、折流板，若干折流板在分散管内沿高度方向斜向设置，在上的折流板与在下的折流板斜向方向相反。
9.根据权利要求1所述的细骨料在线检测装置，其特征在于，图像采集分析模块包括遮光箱、背光源、图像采集区、成像设备、主机，背光源、图像采集区、成像设备设于遮光箱内，背光源与成像设备位于图像采集区的两侧，细骨料位于背光源与成像设备之间。
10.根据权利要求1所述的细骨料在线检测装置，其特征在于，回收模块包括吸尘器、连通管，连通管连通图像采集区与吸尘器。
11.根据权利要求1所述的细骨料在线检测装置，其特征在于，图像采集分析模块先对采集的单张图像进行预处理，再使用特征提取，得到单张图像中每个细骨料的连通区域，提取连通区域的最短径，以及最长和最短径的比，得到每个细骨料的粒径和粒形，统计单张图像中的细骨料的特征参数。
12.根据权利要求11所述的细骨料在线检测装置，其特征在于，采用几何标定法对细骨料的尺寸进行标定，具体为：在图像采集区设置已知尺寸的参照物，提取每个细骨料与参照物占采集的图像的像素个数，细骨料与参照物的像素比例，得到细骨料的尺寸。
13.根据权利要求12所述的细骨料在线检测装置，其特征在于，对n张图像进行m次统计，形成一个统计周期；统计每个统计周期内各细度模数区间的细骨料的百分含量。
14.一种细骨料在线检测方法，其特征在于，步骤如下：
A)采用取样模块，从细骨料输送带上取出一定数量的细骨料样品，在重力作用下，以下落方式进入分散模块；
B)细骨料样品经分散模块分散后，以下落方式通过图像采集分析模块；获取下落运动状态的细骨料样品数字图像，并将细骨料样品数字图像传送至计算机；
C)对获得的细骨料样品数字图像进行处理，首先采用均值滤波法平滑图像，其次利用阈值分割中的最大类间方差法对图像进行二值化处理，然后使用形态学处理中的多次腐蚀和膨胀对粘连细骨料进行分离，最后对多个目标区域进行连通区域标记，提取每个连通区域的特征；
D)对获得的细骨料样品数字图像进行分析，根据步骤C)得到的每个连通区域的特征，得出连通区域的最短径，以及最长和最短径的比，得到每个细骨料的粒径和粒形，统计单张图像中的细骨料的特征参数。
15.根据权利要求14所述的细骨料在线检测方法，其特征在于，对图像采集分析模块进行标定，通过拍摄带有固定间距图案阵列的标定模板、经过标定算法的计算，得出几何模型，从而得到测量和重建结果。
16.根据权利要求14所述的细骨料在线检测方法，其特征在于，将步骤C)中图像处理后得到的连通区域的最小Feret径作为细骨料的粒径信息，将步骤C)中图像处理后得到的连通区域的最长Feret径与最短Feret径的比值作为细骨料的粒形参数。
17.根据权利要求14所述的细骨料在线检测方法，其特征在于，获得的粒径和粒形信息显示在人机界面上。
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