CN109142141A - 一种三维激光实时探测固体材料密度系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维激光实时探测固体材料密度系统及方法，包括三维激光测试模块，质量识别模块，处理器模块，数据显示模块及通讯模块，通过本系统实现了固体材料密度实时探测，实现了对待测固体进行点云数据采集以及构建虚拟模型，此系统运用扇形激光截面扫描方式对固体进行轮廓扫描与体积计算，采用灰度距边缘检测算法，用以识别被测固体与背景之间的边缘结构，双面密度拼接算法。通过双面测量、拟合成为整体的方式，实现了物体的双面拼接测量，使得该方案具有更加广泛的适用性。本方法能够确切、可靠地完成物体的三维体积扫描可以随时现场、野外测试未知材料密度。满足野外找矿、珠宝鉴定、固废处理、海关检测等部门的需求。

Description

一种三维激光实时探测固体材料密度系统及方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，特别涉及一种三维激光实时探测固体材料密度系统及方法。

背景技术

固体材料的密度是固体材料的基本物性参数，该参数为固体材料的定性分析的基础。野外找矿，很多近似的岩石矿物密度不能快速识别，主要是靠工程师的主观判断；珠宝拍卖行业，对于颜色、光泽近似的珠宝玉石如何精确定性，相对密度是一个很有效的参数，比如人工仿制蜜蜡和天然蜜蜡。工业固体废弃物处理，密度测试固废的物性判断(比如：孔隙率)判断等提供了基本的技术参数。安检领域，固体材料的密度测试也为材料定性分析提供了基本参考依据。

目前固体密度测试，体积参数应用的是排水法得到，因此都需要液体，承装液体的容器。有时候液体为有机溶剂，比如三溴甲烷、四氯乙烯等，有毒有害；并且根本无法现场携带，在野外无法操作。测量粉体密度，但是需要分析测试器皿：比如漏斗、振动量杯等，也无法实现野外现场测试。

之前固体密度测试主要是分析工程师在室内实验室完成，对测试流程有较为苛刻的要求，这对现场测试人员的专业背景要求过高。目前缺乏快速简便、高效、无需任何测试培训技术专业背景的人员都可以操作。便捷的固体参数测试技术。

固体密度参数数据结果需要及时分析对比，是对固体材料定性的基本要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种三维激光实时探测固体材料密度系统及方法，本发明提供一种便捷式(无需任何液体、任何分析器皿组件)、环保(无毒无害)、自动分析测试结果、零专业背景人员均可操作、实现在线传输的自动测量固体密度测试系统。系统整体结构简单，使用方便，功能齐全，精度高，能够无线传输。

为实现上述目的，本发明提供一种三维激光实时探测固体材料密度的系统，所述系统包括处理器模块、与处理器模块相连的质量识别模块、与处理器模块相连的三维激光测试模块、与处理器模块相连的数据显示模块、以及与处理器模块相连的通讯模块；

所述质量识别模块由压力传感器电路与高精度数模转换电路连接组成，用于采集待测固体的质量并将采集质量数据转换传输至处理器模块；

所述三维激光测试模块由激光扫描仪与存储器连接组成，用于获取待测固体的数据，将获取的数据处理后传输至处理器模块；

所述处理器模块包括数据库模块，用于将获取的数据进行处理并与已有数据建立的固体参数数据库进行比对参考；

所述数据显示模块，用于显示处理器模块中处理后的数据；

所述通讯模块，用于连接移动互联网终端设备进行通讯。

在上述技术方案中，所述数据库模块中建立的固体参数数据库包括矿物密度参数数据库、宝石密度参数数据库、固体危险品密度参数数据库。

在上述技术方案中，所述通讯模块包括蓝牙通讯。

本发明还提供一种三维激光实时探测固体材料密度的方法，所述方法包括以下步骤：

S1、通过质量识别模块采集到待测固体的质量数据，将采集的数据进行数模转换后传输至处理器模块中；

S2、通过三维激光检测模块采集待测固体的数据，将采集的数据进行处理后传输至处理器模块中；

S3、处理器模块接收到待测固体质量数据和表面轮廓数据后进行处理，将处理后的数据与数据库模块中已有的数据进行比对参考；

S4、处理器模块将计算结果传输至数据显示模块显示；

S5、处理器模块通过通讯模块传输数据至移动互联网终端。

在上述技术方案中，所述步骤S1中所述待测固体的粒度与形貌无限制。

在上述技术方案中，所述步骤S2中所述采集的待测固体的数据包括以下步骤：

S21、运用三维激光检测模块截面扫描的方式获取固体单个截面的测距数据，横向采集的同时对目标进行纵向间隔采集；

S22、根据步骤S21中采集数据获取待测固体单侧表面的点云高度数据；

S23、通过双面测量、拟合成整体的方式，同时采用sobel算子进行边缘检测，实现固体的双面拼接测量。

本发明一种三维激光实时探测固体材料密度系统及方法，具有以下有益效果：本发明能实现在现场固体材料实时测试。对比传统技术，能实现便捷式(无需任何液体、任何分析器皿组件)、环保(无毒无害)；对现场条件无要求，对测试样品的粒度、形貌无限制；并且可以实现动态数据对比分析，现场可以提供定性结果；对操作人员无任何专业背景要求，便捷迅速，分析快速、精度较高。

附图说明

图1为本发明一种三维激光实时探测固体材料密度的系统模块图；

图2为本发明质量识别模块中压力传感电路及高精度数模转换电路示意图；

图3为本发明三维激光扫描Y-Z轴方向扫描截面示意图；

图4为本发明待测固件密度双面测量分解图；

图5为本发明通讯模块实现通讯流程图；

图6为本发明一种三维激光实时探测固体材料密度的方法流程图；

图7为本发明Matlab三维重建示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，本发明提供一种三维激光实时探测固体材料密度的系统，所述系统包括处理器模块、与处理器模块相连的质量识别模块、与处理器模块相连的三维激光测试模块、与处理器模块相连的数据显示模块、以及与处理器模块相连的通讯模块，如图1所示；

所述质量识别模块由压力传感器电路与高精度数模转换电路连接组成，用于采集待测固体的质量并将采集质量数据转换传输至处理器模块；

具体的，如图2所示，压力传感器电路与高精度数模转换电路由压力传感器、信号放大部分以及模数转换部分连接组成，模数转换部分的核心部分为模数转换芯片HX711，当电路中4个桥臂电阻R8、R9、R12、R13达到设定的比例关系时，电桥输出为零，有电压输出，根据此电路得到待测固件的质量参数为M。

所述三维激光测试模块由激光扫描仪与存储器连接组成，用于获取待测固体的数据，将获取的数据处理后传输至处理器模块；

具体的，激光扫描测量获得待测固体轮廓高度信息，同时主要提取每个待测点在初始垂直方向上的距离信息,将激光头到地面的距离与激光头与物体在水平方向上的投影距离作差，结果即为物体表面轮廓的高度信息，从而得到体积参数V，进而进行离散体积计算。

具体的，选择扇形截面激光测距仪,该扫描仪在待测固体的垂直截面上对固体进行列扫描，扇形扫描范围最大270°(±135°)，以角分辨率0.5进行间隔角度采样，扫描范围内共可获取540个离散点的测距信息。单次扇形扫描完成后数据通过网络接口成组发送。

单次截面扫描(Y-Z轴方向)如图3所示，截面扫描仪对截面上方轮廓进行激光测距采样，扫描仪返回激光头到各采样点的距离Li以及与中心线的夹角值，由三角函数关系可以获得采样点的三维坐标Mi(zi，yi)其中以M1点为例：

对物体进行整体扫描之后，以每个采样点为中心进行如图所示的体积分割，由于已知每个模拟小柱体的高H1为：

H1＝y1＝L-L1cosα

长△z为:

Δz＝|M1-M2|＝|L1sinα-L2sinβ|

宽度△x由扫描仪前进的速度v与列采样间隔t决定：

Δx＝v·t

根据每个小柱体体积就和即可得到测试固体材料的体积：

扇形截面扫描仪在单一方向上匀速进行列扫描，获取整个物体单侧表面的点云高度信息。但当物体单侧表面对背侧表面形成遮挡时，仅获取单侧表面的数据，无法准确地计算出被测物体实际体积，因此设计了改进型的双面拼接测量方式。如图4在双面拼接采集的情况下,摄像头将从P1\P2左右两个位置对被测物体分别进行数据采集,由于每次采集时,背面的情况摄像头无法获取，因此每次采集只计算当前可见部分的二维高度点云数据，通过边缘检测获取临界面S的高度信息。将物体可视表面与临界面的二维高度点云数据进行作差处理,再进行体积计算,即可获得两部分分别的体积信息，两者叠加即为待测物体最终体积。

为了提高测量精度，采用sobel算子边缘检测在使用双面拼接采集方式时，激光头到临界面的距离随测量实际情况而确定，需要使用边缘检测技术来确定临界面的位置。由于所采集、整理后的点云数据以二维矩阵的形式存储，边缘点存在数值上的跳跃，与灰度图像边缘分析模型类似，可以使用sobel算子进行边缘检测。使用sobel算子与阶跃阈值结合分析的方法，确定出图4中双面测量时的临界面，获边缘位置的距离信息。从而确定精确的体积参数V。

所述处理器模块包括数据库模块，用于将获取的数据进行处理并与已有数据建立的固体参数数据库进行比对参考；

具体的，所述待测物体密度参数用SG表示，质量为质量识别模块得到M。密度SG数学关系可表示为：

通过获取的数据与数据库中参数对比，提供符合该项参数矿物的名称。

具体的，所述数据库模块中建立的固体参数数据库包括矿物密度参数数据库、宝石密度参数数据库、固体危险品密度参数数据库以及相关应用领域材料密度参数数据库。

所述数据显示模块，用于显示处理器模块中处理后的数据；

所述通讯模块，用于连接移动互联网终端设备进行通讯。具体的，所述通讯模块包括蓝牙通讯。

具体的，如图5所示，蓝牙通讯模块，主要是通过移动手机与处理器模块连接后进行参数读取，实时监控，操作控制等功能，本系统基于Android蓝牙设备服务系统定位于工业生产环境中使用，因此系统后台已经在进行数据的发送与接收，如果得到成功得到反馈数据并校验无误，将在主界面的每条参数空白处填入获取到的数据，其中进入异常机制的参数将在参数值处填入异常标志。

本发明还提供一种三维激光实时探测固体材料密度的方法，所述方法包括以下步骤，如图6所示：

S1、通过质量识别模块采集到待测固体的质量数据，将采集的数据进行数模转换后传输至处理器模块中；

具体的，所述步骤S1中所述待测固体的粒度与形貌无限制。

S2、通过三维激光检测模块采集待测固体的数据，将采集的数据进行处理后传输至处理器模块中；

所述步骤S2中所述采集的待测固体的数据包括以下步骤：

S21、运用三维激光检测模块截面扫描的方式获取固体单个截面的测距数据，横向采集的同时对目标进行纵向间隔采集；

S22、根据步骤S21中采集数据获取待测固体单侧表面的点云高度数据；

S23、通过双面测量、拟合成整体的方式，同时采用sobel算子进行边缘检测，实现固体的双面拼接测量。

S3、处理器模块接收到待测固体质量数据和表面轮廓数据后进行处理，将处理后的数据与数据库模块中已有的数据进行比对参考；

S4、处理器模块将计算结果传输至数据显示模块显示；

S5、处理器模块通过通讯模块传输数据至移动互联网终端。

为了验该方法的可靠性，采用实地测量法、基于点云的手动测量法和此方法分别提取不规则固体的测量比较分析。使用单次扫描方式，获得堆体货物的高度点云信息，将数据以EXCEL格式进行保存，再导入MATLAB中进行三维显示，可获得被测物体的三维重建模型。所使用的堆体重建后如图7所示。

说明书中未阐述的部分均为现有技术或公知常识。本实施方式仅用于说明该发明，而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对于本发明所做的等价置换等修改均认为是落入该发明权利要求书所保护范围内。

Claims (6)

1.一种三维激光实时探测固体材料密度的系统，其特征在于，所述系统包括处理器模块、与处理器模块相连的质量识别模块、与处理器模块相连的三维激光测试模块、与处理器模块相连的数据显示模块、以及与处理器模块相连的通讯模块；

所述质量识别模块由压力传感器电路与高精度数模转换电路连接组成，用于采集待测固体的质量并将采集质量数据转换传输至处理器模块；

所述三维激光测试模块由激光扫描仪与存储器连接组成，用于获取待测固体的数据，将获取的数据处理后传输至处理器模块；

所述处理器模块包括数据库模块，用于将获取的数据进行处理并与已有数据建立的固体参数数据库进行比对参考；

所述数据显示模块，用于显示处理器模块中处理后的数据；

所述通讯模块，用于连接移动互联网终端设备进行通讯。

2.根据权利要求1所述一种三维激光实时探测固体材料密度的系统，其特征在于，所述数据库模块中建立的固体参数数据库包括矿物密度参数数据库、宝石密度参数数据库、固体危险品密度参数数据库。

3.根据权利要求1所述一种三维激光实时探测固体材料密度的系统，其特征在于，所述通讯模块包括蓝牙通讯。

4.一种三维激光实时探测固体材料密度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、通过质量识别模块采集到待测固体的质量数据，将采集的数据进行数模转换后传输至处理器模块中；

S2、通过三维激光检测模块采集待测固体的数据，将采集的数据进行处理后传输至处理器模块中；

S3、处理器模块接收到待测固体质量数据和表面轮廓数据后进行处理，将处理后的数据与数据库模块中已有的数据进行比对参考；

S4、处理器模块将计算结果传输至数据显示模块显示；

S5、处理器模块通过通讯模块传输数据至移动互联网终端。

5.根据权利要求4所述一种三维激光实时探测固体材料密度的方法，其特征在于，所述步骤S1中所述待测固体的粒度与形貌无限制。

6.根据权利要求4所述一种三维激光实时探测固体材料密度的方法，其特征在于，所述步骤S2中所述采集的待测固体的数据包括以下步骤：

S21、运用三维激光检测模块截面扫描的方式获取固体单个截面的测距数据，横向采集的同时对目标进行纵向间隔采集；

S22、根据步骤S21中采集数据获取待测固体单侧表面的点云高度数据；

S23、通过双面测量、拟合成整体的方式，同时采用sobel算子进行边缘检测，实现固体的双面拼接测量。