CN1059790A - 大煤堆体积的自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是利用煤场上现有的门式堆取料机和装 在上面的小车作两维机械扫描运动，用装在小车上激 光器和线阵CCD摄像机组成的光电探测系统对煤 堆各点表面高度进行逐点光学测距。将在不同高度 煤表面上形成的激光点，成像在线阵CCD的不同象 元上，于是根据象点在CCD上的不同位置确定煤堆 表面各点高度，再进行积分计算，求得煤堆体积。上 述工作过程是通过机械扫描系统；光电探测系统；扫 描控制数据采集和处理系统来实现。

Description

本发明大煤堆体积的自动测量装置（以下简称：自动测量装置）按IPC国际专利分类法属于G物理技术仪器G01测量测试仪器类。

在热电厂大煤堆的场地中，要准确而迅速地测量出煤堆的体积是进行生产管理必须进行的例行工作。

由于煤场的范围大，堆放煤堆的形状极不规则，要迅速准确地测量出煤堆体积十分困难。目前国内外普遍采用的测量方法是先用推土机把煤堆整形、使煤堆的外形近似为梯形;再用经纬仪和米尺进行丈量然后进行计算煤堆的体积，这种方法是要耗费大量人力和工时的，而计算结果又不准确，因此对煤堆体积的测量问题一直是热电厂生产管理中的一大难题。

本发明的目的在于用激光器作光源CCD摄像机进行探测实现光学测距，用单片机扫描控制数据采集和处理的自动测量装置，迅速而准确地测量出大煤堆的体积;代替传统的人工测量方法;提高工作效率，增加经济效益。

本发明的技术解决方案是采用激光器发射激光照射在煤堆的表面上，以摄像机取得光电信号，在线阵CCD元件上的位置用来确定煤表面高度。整个煤堆体积可化分成若干个小体积元，各小体积元的底面积是通过采样步长确定的，只要高度测定后，各小体积元的体积就是确定的，若干个小体积元的总体积就是被测大煤堆的体积。其扫描控制数据采集及数据处理是采用单片机完成。

本发明是采用直角座标系，其数学模型为

$V=\underset{i=1}{\overset{m\·n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vi}=\mathrm{Rx}\·\mathrm{Ry}\·\underset{i=1}{\overset{m\·n}{\mathrm{\Σ}}}h$

式中m、n分别为场地中煤堆横向、纵向被扫描采样分割的份数。Rx、Ry分别为横向、纵向采样步长，hi为扫描采样高度。

为实现上述数学模型自动测量装置采用三个系统来完成。

一.机械扫描系统

该系统由门式堆取料机（1）（以下简称：大车），在大车横梁（2）上固定的单轨（3）和在单轨上边作往复运行的小车（4）组成。煤场为长方形，沿长方向（y方向）两侧铺设有铁轨（5），大车可沿铁轨作往复运行，小车可沿单轨方向（x方向）往复运行，在小车上装有光电探测系统（6），当大车沿场地的铁轨一端运行到另一端时，装在小车上的光电探测系统就对整个煤场进行了直角座标系中x、y两个方向上的扫描。大车运行时小车单程的扫描轨迹为（7）大车回程时小车扫描轨迹为（8），为提高测量精度大、小车可多次往返运行。

二.光电探测系统。该系统是由激光器（9）、CCD摄像机（10）和连杆（11）组成。为使激光束（12）不产生大的发散，在激光器的出口处装一聚束器（13），CCD摄像机主要由线阵CCD元件（14）和镜头（15）组成。为滤掉背景的阳光在镜头（15）上装有仅能透过激光波长的窄带滤光片（16）。激光器和CCD摄像机是通过连杆固定联接成一体的，连接时必须使摄像机光轴（17）与激光束（12）在一个平面内，以保证激光点（18）有效地成像在线阵CCD元件（14）上，为使煤堆表面高度范围内全部包含在由线阵CCD元件长度限定的有效视场内，光轴（17）与激光束（12）之间必须有一个确定的夹角W_o。

当该系统扫描煤堆表面时，因煤堆高度不同，激光点（18）将沿着激光束（12）上下移动，经过CCD摄像机摄像后，这些上下移动的光点，将在一条与光轴倾斜的直线上成像，因此在安装线阵CCD元件时，要与光轴成一个特定的α角，保证光点准确的成像在线阵CCD元件上。

连杆长度大小则决定了激光器与CCD摄像机的距离。该距离小，则结构紧凑，当被测量的煤堆高度变化范围确定之后，会使夹角W_o过小，则对低层煤堆测量精定降低。该距离大，则结构加大，机械变形加大，会带来较大测量误差。

镜头（15）焦距选择，焦距过小会降低测量精度，焦距过大，激光点像会占有过多象元，也会影响测量精度。

在给定的测量高度范围内，选择好连杆长度和镜头焦距后，就有了一个确定的几何光学关系即夹角W_o和α都是唯一确定的。

三.扫描控制与数据采集处理系统。

该系统由控制台（19）和装在小车（4）上的仪器箱（28）中装有的电源单元（26）、电路单元（27）、大车光电脉冲发生器（21）、小车光电脉冲发生器（22）、电缆线（29、30）、电源线（31）组成。

当大车运行时，装在大车上的光电脉冲发生器（21）产生光电脉冲，（该脉冲个数标示大车在y方向行驶距离），通过电缆（29）经比较器（32）进行比较之后，为控制台中的单片机（33）接收，进行累加计数，并立即通过接口电路（34）经串行线（35）接口电路（36）向单片机（37）发出：启动程序指令，单片机（37）按程序运行后，则发出通电讯号和确定小车运行方向的倒向信号，该信号通过小车运行的执行电路，接通电机（23）并使小车向指定方向运行。小车运行一开始装在小车上的光电脉冲发生器（22）产生光电脉冲，并经比较器（38）传送给单片机（37），（该光电脉冲个数来标示小车在x方向行驶距离）并进行累加计数，当脉冲数累加到相当于煤场横向（x方向）距离时，单片机（37）按程序立即发出断电信号和倒向信号，且通过控制运行的执行电路使电机（23）断电，制动闸（24）刹车，电机（23）换向，小车停止运行。通过执行电路中的延迟电路，使制动闸（24）自动解脱，准备返行。单片机（37）继续按程序运行，再发出通电信号，使小车返回运行，小车运行后，同样产生光电脉冲，并传给单片机（37）进行累加计数，当累加到相同数目的脉冲个数时，再发出断电、倒向信号，于是小车停在起始运行的位置上，完成一次往返运行。此时，小车处于等待状态。当大车光电脉冲累加到特定的值（标示大车在纵方向上即y方向行驶特定距离，该距离确定了在纵向分割煤场步长）时，再由控制台中单片机（33）按程序发出第二次启动单片机（37）程序信号，于是小车第二次开始运行，如此进行下去，直到大车走完煤场全程为止。小车每往返一次都和大车同步一次，于是大车和小车在扫描控制电路的控制下，准确地进行同步稳定的两维机械扫描。

数据采集和数据处理与机械扫描同时进行的，线阵CCD元件和它的驱动电路是装在CCD盒（25）中，与单片机（37）相连，小车运行后，不断发出光电脉冲信号，并经比较器（39）后送给单片机（37），当单片机（37）每接到一个光电脉冲信号，就立即发出一个采样脉冲即CCD外触发脉冲，而线阵CCD元件每接到一个外触发脉冲，便开始一个周期的信号传输过程。

当线阵CCD元件某个象元上有激光点的像时，那个象元上就形成一个电荷包，该电荷包是通过CCD时钟的连续作用传出来的，每个时钟周期对应一个CCD象元。当单片机（37）发出采样脉冲后开始对线阵CCD元件发出的时钟脉冲计数，同时不断通过比较器（39）对线阵CCD元件的信号进行比较，有电荷包处比较器（39）输出高电平，否则输出低电平，出现高电平的时刻，表示电荷包在线阵CCD元件上的位置，该位置是通过时钟脉冲计数获得的，并把它存在单片机（37）的内存中于是通过数据采样电路，把煤堆不同高度变成线阵CCD元件上不同位置的电荷包，电荷包在线阵CCD元件上的位置，为数据处理提供了依据，数据处理的任务就是将线阵CCD元件上象点位置或电荷包位置换算成为煤堆表面高度，将测得的一系列表面高度按数学模型进行计算求得煤堆体积，这项工作由固化在EPROM中的软件和控制台中单片机（33）完成的。数据处理电路把计算结果通过控制台上的数字表（40）显示，还可以在打印机（41）上打印输出。

附图说明：图1为大车和小车组成的机械扫描系统示意图。图2为直角座标系机械扫描轨迹示意图。图3为光电探测系统示意图。图4为CCD摄像机组成示意图。图5为扫描控制数据采集处理系统示意图。图6为自动测量装置方框图。图中：1门式堆取料机（简称：大车）、2大车横梁、3单轨、4小车、5钢轨、6光电探测系统、7大车单程运行小车运动轨迹、8大车返程运行小车运行轨迹、9激光器、10摄像机、11连杆、12激光束、13聚束器、14线阵CCD元件、15镜头、16窄带滤光片、17摄像机光轴、18激光点、19控制台、20控制台面板、21大车光电脉冲发生器（安装在大车上）、22小车光电脉冲发生器、23电机、24制动闸、25CCD盒、26电源单元、27电路单元、28仪器箱、29运行控制电缆、30串行线电缆、31电源线、32比较器、33单片机、34接口电路、35串行线、36接口电路、37单片机、38比较器、39比较器、40数字表、41打印机。

结合附图对本发明实施例作进一步描述。本发明所采用的门式堆取料机（1），是目前热电厂的原有设备，使用电力拖动，可沿钢轨（5）作往复运行。单轨（3）、小车（4）探测系统的安装位置如图1所示。本实施例的煤场长（y方向）250米，宽（x方向）50米，钢轨（5）之间跨度为50米。门式堆取料机高度为15.7米。被测煤堆最高位置为10米。当大车沿y方向运行速度为8米/分，小车往返一次则在单轨（3）上运行速度为1.7米/秒，为了提高测量精度可采用加密扫描，于是当大车往返4次，就能在y方向上实现每米采样两次，为实现小车同步运行和等距离采样，在单轨（3）上每隔0.5米打一通孔，在小车上单轨两侧相对装有发光二极管和光电三极管，组成脉冲发生器，当小车沿单轨运行时，就有光电脉冲产生，因此光电脉冲传输给装在小车中的单片机系统，以实现扫描控制和等距离采样，如果每0.5米采样一次，那么小车往返一次共采样200次。采用同样方法，在大车电机上装有光电脉冲发生器用以实现同步扫描，其脉冲频率为6Hz。

在光电探测系统中的电源电压为交流220伏频率为50Hz，选用长75毫米的He-Ne激光器，输出功率为27毫瓦，波长为6328

，CCD摄像机的镜头（15）选用焦距为300毫米，线阵CCD元件（14）为2048位，每单元尺寸为18微米，总长为26毫米。在测量高度为10米的范围内，能保证高度分辨率为0.03米，连杆（11）长度选择为0.56米，摄像机的光轴与激光束夹角W。为3.83度，线阵CCD元件与光轴夹角α为61度，选择小车往返一次大车在y方向步长为8米，相当360个大车光电脉冲，耗时1分钟。为确保在1分钟内小车往返一次，考虑到小车在两端起始，停车等延误因素，选择小车实际运行速度为1.9米/秒。光电脉冲是0.5米产生1个，当小车光电脉冲数累加到100个时（相当于行驶50米），单片机（37）就发出断电信号，倒向信号，大车光电脉冲累加到360个（相当于行驶8米），再第二次启动小车运行，小车光电脉冲除作为小车运行距离控制信号外，也是发出触发线阵CCD元件脉冲信号的控制信号，单片机（37）每收到一个小车光电脉冲后，就向线阵CCD元件发出一个触发信号，并对其进行采样，所以小车每运行0.5米，就采样一次，往返一次采样200个数据。当大车行驶8米，小车往返一次，相当于把宽50米，长8米的煤堆分割成200个小体积元，测得200个高度值。250米全程运行，可分割为6250个小体积元，测量6250个高度值，耗时31分钟，当大车返回运行时，进行插行扫描，可实现y方向每4米采样2次，把煤场分割成12500个小体积元，测量12500个高度值。如此继续下去，当大车运行往返4次，可实现y方向大车行驶每米小车往返一次，把全煤场分割成250×200个小体积元，测量50000个高度值，耗时4.5小时，测量精度可达千分之八。

本发明将改变目前热电厂中用人工对煤堆整形后进行丈量的传统方法，而采用自动测量装置后，对大煤堆的体积将会迅速准确地自动进行测量。本发明巧妙的运用了目前热电厂中现有的门式堆取料机，光电探测系统中采用了先进的激光光源和CCD摄像机实现光学测距，扫描控制和数据采集处理系统采用了单片机、体积小、重量轻、可靠性高。本发明对目前热电厂煤量的管理将会提高到一个新水平，在节省人力和物力方面，也将会获得良好的经济效益。

Claims (5)

1、一个由门式堆取料机(1)、单轨(3)、小车(4)、钢轨(5)、控制台(19)、仪器箱(28)、运行控制电缆(29)、串行电缆(30)、电源线(31)组成的大煤堆体积的自动测量装置；其特征在于：光电探测系统(6)中连杆(11)的一端装有激光器(9)，另端装有摄像机(10)，连杆(11)装在小车(4)上。

2、如权利要求1所述的大煤堆体积的自动测量装置，其特征在于：激光器（9）的出口处装一聚束器（13）其光轴（12）与摄像机（10）的光轴（17）之间有一个确定的夹角W。

3、如权利要求1所述的大煤堆体积的自动测量装置，其特征在于：摄像机（10）装有镜头（15）、窄带滤光片（16）、其尾端装有CCD盒（25）。

4、如权利要求1～3所述的大煤堆体积的自动测量装置，其特征在于：摄像机（10）的光轴（17）与线阵CCD元件（14）之间有一个特定的α角。

5、如权利要求1～3所述大煤堆体积的自动测量装置，其特征在于：摄像机（10）的尾端CCD盒（25）内装有线阵CCD元件（14）。

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