CN107727540A - 一种机制砂在线检测装置及在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机制砂在线检测装置及在线检测方法，具体包括控制模块、取样模块、称重模块、干燥模块、分选模块、分散模块、图像采集分析模块和回收模块；控制模块与所述取样模块、称重模块、干燥模块和分选模块分别信号连接；取样模块获取机制砂样品后沿竖直方向向下依次通过称重模块、干燥模块、分散模块、图像采集分析模块和回收模块，并自动测量返回机制砂样品的粒形粒径等信息。本发明的一种机制砂在线检测装置及在线检测方法，可实现机制砂粒度和粒形的快速在线检测，能及时反映机制砂生产线的机制砂级配情况，避免机制砂粒径质量不合格造成的经济损失。

Description

一种机制砂在线检测装置及在线检测方法

技术领域

本发明涉及工业检测领域，特别是涉及一种机制砂在线检测装置及在线检测方法。

背景技术

机制砂(或称为骨料)作为沥青混合料与水泥混凝土的主要用料，占混凝土体积和质量的75％以上，其特性对混凝土流变性能、硬化混凝土的力学性能和耐久性都有重要影响。良好的骨料粒级级配使得混凝土堆积孔隙率减小，使得混凝土和易性较好，拥有好的稳定性和耐久性，且减少了水泥浆的用量降低了混凝土的成本。粒形特性对骨料特性也有很大影响，一般认为粗骨料的颗粒形状以圆球或立方体最优，随针片状粗骨料含量的增加，泥凝土的和易性变差，不利于泵送与施工。混凝土的扰压强度也随着针片状含量的增加而降低。对于细骨料，颗粒的形状对紧密堆积存在重要影响，实际应用中更加期望获得圆型的颗粒，它不仅有利于紧密堆积，更有利于混凝土工作性能的发挥。因此，骨料的粒度分布、粒形分布是评价骨料质量的重要指标。

粒径和粒形是机制砂质量管理的重要参数，破碎机生产的机制砂粒径、粒形质量参差不齐，对其进行监控是非常必要的：对机制砂级配和粒形进行检测，可以对破碎机的破碎效果进行评价，对破碎机的结构优化起到指导意义；在混凝土搅拌之前对细集料级配和粒形进行检测，可确保细集料的颗粒级配满足国家标准或行业标准。合理的集料级配和粒形在减小空隙率的同时，也减少了沥青等胶凝材料的消耗，间接减少了二氧化碳的排放，更加符合我国可持续发展的生产要求。

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，且通过图像处理模块计算砂石的细度模数。该判断方法主要通过细骨料粒径进行区分，仍然属于筛分检测方式，无法对细骨料的粒形进行检测，已经无法适应当前的生产管理需求。

目前，现有技术所采用的机制砂的粒度粒形检测方式，均需要先对机制砂进行采样，而后对样品进行逐粒检测分析，而且机制砂粒度、粒形不能同时检测。这种检测方式效率较低，不利于机制砂生产的自动化。仍缺少一种能够同时完成机制砂粒度、粒形检测的在线自动检测装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供了一种机制砂在线检测装置及在线检测方法，可实现机制砂粒度和粒形的快速在线检测，能及时反映机制砂生产线的机制砂级配情况，避免机制砂粒径质量不合格造成的经济损失。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种机制砂在线检测装置，包括控制模块、取样模块、称重模块、干燥模块、分选模块、分散模块、图像采集分析模块和回收模块；控制模块与所述称重模块、干燥模块和分选模块分别信号连接；

所述取样模块从机制砂生产线上获取机制砂样品，并将机制砂样品输送至所述称重模块，所述称重模块获得机制砂样品的初始重量后，通过所述干燥模块对机制砂样品进行脱水，并在脱水完成后再次测量脱水重量；脱水后的机制砂样品通过所述分散模块分散，并通过所述分选模块去除机制砂样品中的粉尘；测量完成的机制砂样品通过所述回收模块回收，并称量除粉重量；

其中，所述图像采集分析模块包括拍摄单元、二值化处理单元和长短径比较单元，所述拍摄单元拍摄机制砂样品的数字图像，所述二值化处理单元将前景背景进行分离，并提取出若干个连通区域；所述长短径比较单元对二值化处理单元所提取的连通区域的长短径进行比较，并得出粒度粒形信息。

作为一种优选，所述取样模块包括一用于获取样品的机械臂，该机械臂的端部设有用于获得机制砂样品的勺状前端。

作为一种优选，所述取样模块还包括可移动的机械平台，所述机械平台带动所述机械臂移动。所述机械臂在机械平台的控制下以恒定的周期对机制砂生产线进行取样。

作为一种优选，所述称重模块包括秤盘、秤柄和输送电机，所述秤柄和输送电机分设于所述秤柄的两侧，且所述输送电机通过所述秤柄带动所述秤盘翻转，并使机制砂样品输送至分散模块。

作为一种优选，所述干燥模块为设置于所述称重模块秤盘的平板加热器。

作为一种优选，还包括进料漏斗，所述进样漏斗设置于所述分散模块的入口位置，并将机制砂样品收集进入搜索分散模块。

作为一种优选，所述进料漏斗设有用于调节与分散模块的间距的高度调节装置。

作为一种优选，所述分散模块包括分散管和若干折流板，所述若干折流板交错往复设置于所述分散管内，并构成供机制砂样品通过的往复通道。

作为一种优选，所述分选模块包括风机和吸尘器，所述风机和吸尘器设置于所述分散管下开口的二侧，风机和吸尘器协同工作将机制砂样品中的粉尘吸除。

作为一种优选，所述风机的出风口设有用于调整气流的整流罩，所述吸尘器的吸尘口设有过滤网。

作为一种优选，所述过滤网的网孔滤镜小于0.15mm。

作为一种优选，图像采集分析模块包括背光源、工业相机、主机和图像采集区；所述背光源、工业相机和图像采集区构成所述拍摄单元，所述背光源对所述图像采集区进行照明，所述工业相机在机制砂样品通过所述图像采集区时拍摄图片；所述二值化处理单元和长短径比较单元集成设置于所述主机。所述二值化处理单元和长短径比较单元通过现有的计算机软件模块或独立的图像处理芯片即可实现。

一种机制砂在线检测方法，通过上述一种机制砂在线检测装置实现，包括如下步骤：

步骤1，取样模块从机制砂生产线取机制砂样品，获得机制砂样品的初始重量m0；

步骤2，通过干燥模块对机制砂样品进行加热，获得机制砂样品的脱水重量m1；则机制砂样品的含水量为(m0-m1)/m0×100％；

步骤3，通过分散模块将机制砂样品打散，并通过分选模块除去颗粒过小的粉尘；

步骤4，通过图像采集分析模块获得机制砂样品的粒度粒形数据；

步骤5，通过回收模块回收机制砂样品，并获得机制砂样品的除粉重量m2；则机制砂样品的含灰率为(m1-m2)/m0×100％。

作为一种优选，所述步骤4具体包括如下步骤：

步骤41，将图像转换为灰度图像，并采用均值滤波法对图像进行平滑处理；

步骤42，采用最大间类方差法对图像进行二值化处理；

步骤43，对图像交替进行多次腐蚀运算和膨胀运算，获得多个连通区域，并对连通区域进行标记；

步骤44，对连通区域的最长径和最短径进行提取，并得到每一个连通区域所对应的粒形数据；

步骤45，通过小球法对连通区进行标定，获得每一个连通区对应的粒度信息。

作为一种优选，还包括步骤6，将测量获得的粒度粒形数据与预设的标准参数进行比较，并输出级配结果至人机交互界面。本申请中，人机交互界面通过图像分析模块的主机实现。

本发明的有益效果是：

(1)实现了机制砂的含水量、含灰量、粒度和粒形的在线检测。本发明采用了机器视觉结合数字图像处理技术，在检测可实现机制砂粒度和粒形的快速在线检测，既能及时反映机制砂生产线的机制砂级配情况，避免机制砂粒径质量不合格造成的经济损失，且不影响正常的机制砂生产，高效可靠。

(2)本发明装置在测量过程中滤除了水分和粉尘，检测机制砂的含水率和含粉量的同时，也提高了图像法检测粒度粒形的精度；另一方面，采用了风机分选装置，剔除0.15mm以下的机制砂对粒度和粒形检测的影响。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种机制砂在线检测装置及在线检测方法不局限于实施例。

附图说明

图1为本发明的结构示意图

图2为本发明的程序流程图

图3为本发明的图像处理与几何特征分析流程图

具体实施方式

实施例：

参见图1至图3所示，本发明的本发明为了实现即时反映当前机制砂生产线骨料级配、粒度、粒形，提供一种机制砂质量的在线检测装置，具体包括：机械臂1、输送电机2、秤柄3、秤盘4、进料漏斗5、分散管6、风机7、整流罩8、吸尘器9、过滤网10、PC机13、工业相机14、回收装置15、称重模块16、背光源17、PLC控制器18。

所述的机械臂1，设置于机制砂输送带的上方，以预设的频率取样，将待检测的机制砂放入秤盘4。

所述的秤盘4，设置于秤柄的一端，用于盛放机械臂的取样。上面设有加热干燥装置，用于把待检测机制砂干燥去除水分，得到待检测机制砂的含水率。

所述的称柄3，用于精准的测量取样的质量。

所述的输送电机2，设置于秤柄的另一端，使勺子秤旋转一定的角度，送料到进料漏斗。

所述的进料漏斗5，位于分散模块的上方，通过高度调节机构设置进料漏斗与分散模块的距离。用于将待检测机制砂均匀的传输给分散模块。

所述的分散管6，可以对机制砂作出很好的分散，从而可以提高图像处理时对机制砂粒径的识别精度。分散管6中的折流板让机制砂在重力作用下加速运动，通过机制砂与分散管壁之间的撞、机制砂与机制砂之间的相互碰撞，以及机制砂和分散管中折流板之间的作用实现分散，最终掉出的机制砂以非常分散的状态落入图像采集模块。

所述的风机7，位于分散管的下方，通过风速调节器控制风机的风速，用于将0.15mm以下的粉与0.15mm以上的机制砂分离开。

所述的整流罩8，设置于风机7之上，用于将从风机7中出来的风变成匀速横向风。

所述的吸尘器9，位于分散管6的下方，与风机7分别分布在左右两侧，用于吸取空气中的细小颗粒。本实施例取的过滤孔径为0.15mm，具体可根据实际需求进行选值。

所述的过滤网10，位于吸尘器上，用于过滤掉小于0.15mm的机制砂，大于0.15mm的机制砂被挡在过滤网10之外。

所述的背光源17，位于分散管6下方，采用面状光源，用于在一定的背光源17照射下，可以调节光源的亮度，便于得到能获取更好边界的骨料图像。

所述的工业相机14，安装在分散管的下方与背光源对侧，用于对被测的机制砂进行图像采集。安装位置要使得相机的视野范围能够覆盖整个分散输送带的宽度范围，以使得分散输送带上的每个颗粒都被拍摄。所选工业相机的帧率应满足图像采集速度要求，相机通过USB3.0数据线与上位机相连，传输数据到主机进行图像处理。

所述的PC机13，与工业相机相连接，得到相机采集图像信息，通过图像处理与几何分析模块对采集的图像信息进行分析处理，然后再通过图像实时显示模块对机制砂粒度和粒形分布结果进行显示。

所述的回收模块15，位于图像采集分析模块下方，用于回收待检测机制砂。

所述的称重模块16，位于回收模块15的下方可以通过测量粒度0.15mm以上的机制砂质量，然后计算出机制砂的含粉量。

所述的PLC控制器18，与输送电机2相连接，控制输送电机的开启、关闭、转速；与风机相连接，控制风机的开启、关闭、风速。

图像采集分析模块先对采集的单张图像进行预处理，预处理包括灰度化和图像滤波，灰度化可以降低图像的复杂度，提高后续图像处理过程的速度；图像滤波对颗粒边界进行平滑处理，避免颗粒轮廓上微小的毛刺影响颗粒轮廓的还原。再使用阈值分割分离粘连颗粒，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。对n张图像进行m次统计，形成一个统计周期，统计每个周期内各细度模数区间的机制砂的百分含量。

对图像特征提取后的图像采用标准小球法标定骨料的尺寸，具体为：

在相同的图像采集环境下，对若干个直径已知的标准小球进行采集图像；

小球图像经过图像处理处理后，计算获取图像中每个小球的像素面积值；

将每个小球的真实面积值与图像中的像素面积值进行比较，比值的平均值作为系统的标定系数。

由于细骨料机制砂粒径小于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。

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)采用取样模块，从机制砂输送带上取出一定量的机制砂样品，经过称重模块，秤取样品质量m₀；通过干燥模块干燥完之后再秤取样品质量m₁，得到样品的含水率。

B)机制砂样品经过进样模块，在重力作用下，以下落的方式进入分散模块。

C)进入分散模块后的机制砂，一部分进入图像采集分析模块，另一部分直接进入回收模块，然后通过称重模块秤取进入回收模块那部分的质量m₂，得到机制砂的含粉量。

D)进入图像采集分析模块的机制砂，通过工业相机获取下落运动状态的机制砂样品数字图像，并将机制砂样品数字图像传送至计算机。

E)对获得的机制砂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。

F)对获得的机制砂样品数字图像进行分析，根据步骤E)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度和粒形，统计单张图像中的细骨料的特征参数。

本实施例中，工业相机每秒采集帧数30张，在LabVIEW软件平台中，将30张图像处理过后识别的细骨料数目进行累加，统计n张图像中细骨料的粒径区间在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，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。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种机制砂在线检测装置及在线检测方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (15)

1.一种机制砂在线检测装置，其特征在于：包括控制模块、取样模块、称重模块、干燥模块、分选模块、分散模块、图像采集分析模块和回收模块；控制模块与所述称重模块、干燥模块和分选模块分别信号连接；

所述取样模块从机制砂生产线上获取机制砂样品，并将机制砂样品输送至所述称重模块，所述称重模块获得机制砂样品的初始重量后，通过所述干燥模块对机制砂样品进行脱水，并在脱水完成后再次测量脱水重量；脱水后的机制砂样品通过所述分散模块分散，并通过所述分选模块去除机制砂样品中的粉尘；测量完成的机制砂样品通过所述回收模块回收，并称量除粉重量；

其中，所述图像采集分析模块包括拍摄单元、二值化处理单元和长短径比较单元，所述拍摄单元拍摄机制砂样品的数字图像，所述二值化处理单元将前景背景进行分离，并提取出若干个连通区域；所述长短径比较单元对二值化处理单元所提取的连通区域的长短径进行比较，并得出粒度粒形信息。

2.根据权利要求1所述的一种机制砂在线检测装置，其特征在于：所述取样模块包括一用于获取样品的机械臂，该机械臂的端部设有用于获得机制砂样品的勺状前端。

3.根据权利要求2所述的一种机制砂在线检测装置，其特征在于：所述取样模块还包括可移动的机械平台，所述机械平台带动所述机械臂移动。

4.根据权利要求1所述的一种机制砂在线检测装置，其特征在于：所述称重模块包括秤盘、秤柄和输送电机，所述秤柄和输送电机分设于所述秤柄的两侧，且所述输送电机通过所述秤柄带动所述秤盘翻转，并使机制砂样品输送至分散模块。

5.根据权利要求4所述的一种机制砂在线检测装置，其特征在于：所述干燥模块为设置于所述称重模块秤盘的平板加热器。

6.根据权利要求1所述的一种机制砂在线检测装置，其特征在于：还包括进料漏斗，所述进样漏斗设置于所述分散模块的入口位置，并将机制砂样品收集进入搜索分散模块。

7.根据权利要求6所述的一种机制砂在线检测装置，其特征在于：所述进料漏斗设有用于调节与分散模块的间距的高度调节装置。

8.根据权利要求1所述的一种机制砂在线检测装置，其特征在于：所述分散模块包括分散管和若干折流板，所述若干折流板交错往复设置于所述分散管内，并构成供机制砂样品通过的往复通道。

9.根据权利要求1所述的一种机制砂在线检测装置，其特征在于：所述分选模块包括风机和吸尘器，所述风机和吸尘器设置于所述分散管下开口的二侧，风机和吸尘器协同工作将机制砂样品中的粉尘吸除。

10.根据权利要求9所述的一种机制砂在线检测装置，其特征在于：所述风机的出风口设有用于调整气流的整流罩，所述吸尘器的吸尘口设有过滤网。

11.根据权利要求9所述的一种机制砂在线检测装置，其特征在于：所述过滤网的网孔滤镜小于0.15mm。

12.根据权利要求1所述的一种机制砂在线检测装置，其特征在于：图像采集分析模块包括背光源、工业相机、主机和图像采集区；所述背光源、工业相机和图像采集区构成所述拍摄单元，所述背光源对所述图像采集区进行照明，所述工业相机在机制砂样品通过所述图像采集区时拍摄图片；所述二值化处理单元和长短径比较单元集成设置于所述主机。

13.一种机制砂在线检测方法，其特征在于，通过权利要求1至12中任一项的机制砂在线检测装置实现，包括如下步骤：

步骤1，取样模块从机制砂生产线取机制砂样品，获得机制砂样品的初始重量m0；

步骤2，通过干燥模块对机制砂样品进行加热，获得机制砂样品的脱水重量m1；

步骤3，通过分散模块将机制砂样品打散，并通过分选模块除去颗粒过小的粉尘；

步骤4，通过图像采集分析模块获得机制砂样品的粒度粒形数据；

步骤5，通过回收模块回收机制砂样品，并获得机制砂样品的除粉重量m2。

14.根据权利要求13所述的一种机制砂在线检测方法，其特征在于，所述步骤4具体包括如下步骤：

步骤41，将图像转换为灰度图像，并采用均值滤波法对图像进行平滑处理；

步骤42，采用最大间类方差法对图像进行二值化处理；

步骤43，对图像交替进行多次腐蚀运算和膨胀运算，获得多个连通区域，并对连通区域进行标记；

步骤44，对连通区域的最长径和最短径进行提取，并得到每一个连通区域所对应的粒形数据；

步骤45，通过小球法对连通区进行标定，获得每一个连通区对应的粒度信息。

15.根据权利要求13所述的一种机制砂在线检测方法，其特征在于，还包括步骤6，将测量获得的粒度粒形数据与预设的标准参数进行比较，并输出级配结果至人机交互界面。