CN111992514B - 宽体智能分选设备的双光源信号采集单元及信号采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽体智能分选设备的双光源信号采集单元及信号采集方法，其中双光源信号采集单元包括两个X光发射器、连接装置、两个X射线屏蔽板和信号接收单元；其中两个X光发射器安装在连接装置上，用于发射X光检测原始信号；两个X射线屏蔽板安装在连接装置上，用于遮挡X光检测原始信号，使得两个X光发射器覆盖范围的混叠区域中检测信号为有效的X光检测原始信号；信号接收单元用于接收X光检测信号。本发明采用双X光源技术，同时设计限束窗和光强矫正算法，不改变通用分选设备高度的前提下，有效加大X光的覆盖范围。同时使用光强矫正算法，有效消除X光照射混叠带来的误差。

Description

宽体智能分选设备的双光源信号采集单元及信号采集方法

技术领域

本发明涉及光电分选技术领域，特别涉及一种宽体智能分选设备的双光源信号采集单元及信号采集方法。

背景技术

矿石(本文中的矿石包括金属矿、非金属矿和煤矿)分选的目的是从开采的原矿(颗粒形态)中筛选出含矿量高的部分(后文称为精矿)，剔除掉含矿量低的部分(后文称为废石)，从而有效减少进入后续进行化学磨选环节的处理量，达到节省无效成本的目的。

现有的干式分选设备中，磁选设备由于要求分选对象要有磁性，对于没有磁性的分选对象并不适用，所以使得磁选设备不具有通用性。具备通用性的分选设备，其主体功能结构分为四个结构单元：

第一结构单元为布料结构，将待分选的矿石均匀地分布并以一定速度运送至第二结构单元。第二结构单元为信号采集单元，配合第三结构单元识别主机，对矿石进行分类识别，然后由第四结构单元分离执行单元进行分离执行。

目前用于矿石分选的信号采集单元主要分为基于可见光采集、基于X光采集和基于X荧光采集三大类，集中基于可见光和基于X荧光都只能采集矿石最表面浅表层，无法探知矿石内部结构，因而识别精度非常低。

现有的基于X光采集的矿石分选系统，采用一个X光源配以X光采集系统(探测器)。基于的原理为X光穿透被检测对象时，不同物质成分的被检测物对X光的吸收率不同，通过信号接收单元(探测器)采集被吸收的X光信号，配合主机软件进行物质构成分析，最终实现对矿石的识别并用分离结构对矿石进行有效分离。

通用性的分选设备的单位时间处理量受限制于布料结构，布料结构一般由运输带和传动控制系统构成，其中运输带的宽度和运转速度决定了该设备单位时间内的处理量。

运输带的速度的上限取决于设备的另三个结构单元，分别为信号采集单元的采样率、矿石识别主机的图像数据处理速度、分离执行机构的执行效率。运输的最高速度为此三个机构的最低速度。

运输带的宽度的上限取决于两大结构，分别为信号采集单元的最大处理宽度以及矿石识别主机的图像数据处理能力。为实现运输带的拓宽、加大设备产量，就必须打破目前数据采集模块最大处理宽度的限制以及匹配高速图像处理机制。

信号采集单元主要有两大模块构成，其一为产生X光的机构：X射线发生器；其二为信号接收单元。由X射线发生器产生的X光为具有一定扇角的X光束，对于布料运输带而言，矿石在运输带上的有效可分布范围的极限为在X光光束照射范围内。要加大运输带的有效运载宽度，必须提升X射线的照射范围。目前提升X射线照射范围的方案为：拉大X射线发射器到布料皮带的距离。此方案下，会导致两点不足：一是为了留出足够的安装距离，设备高度整体加大，会限制设备的应用场景，导致运输以及客户的安装困难从而限制设备的应用。二是X光发生器到X光接收器的距离拉大后会导致有效信号减弱，会极大影响信号的有效性。如果加大X光的发射强度，这又会带来X光防护难度的加大，影响设备应用的安全性评估(X光发生泄漏的话会带来工作人员的健康安全问题)。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽体智能分选设备的双光源信号采集单元及信号采集方法，在不改变通用分选设备高度的前提下，能解决现有技术中的X射线的照射范围不够宽的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供一种宽体智能分选设备的双光源信号采集单元，包括两个X光发射器、连接装置、两个X射线屏蔽板和信号接收单元；其中两个X光发射器安装在连接装置上并且并排摆放，用于发射X光检测原始信号；两个X射线屏蔽板安装在连接装置上，用于遮挡X光检测原始信号，使得两个X光发射器覆盖范围的混叠区域中检测信号为有效的X光检测原始信号；信号接收单元5用于接收X光检测信号。

第二方面，本发明提供一种宽体智能分选设备的双光源信号采集方法，包括以下步骤：

步骤S1、调整两个X光发射器的位置，使其发射的X光信号覆盖范围达到目标覆盖范围，并且X光信号覆盖范围边缘的光强达到目标有效信号强度；

步骤S2、调整两个X射线屏蔽板的位置，使得两个X光发射器覆盖范围的混叠区域的检测信号为有效的X光检测原始信号；

步骤S3、被识别物通过双光源信号采集单元时，信号接收单元接收X光检测信号并发送给后端的计算单元进行计算和识别。

进一步的，所述的步骤S1包括：

步骤S101、控制两个X光发射器运动到初步运动位置；

步骤S102、设置目标有效信号强度，找到目标有效信号强度的位置；

步骤S103、控制两个X光发射器移动，使目标覆盖范围边缘的信号强度为目标有效信号强度*(1±允许的误差)。

进一步的，所述的初步运动位置是根据两个X光发射器的射线角、目标覆盖范围宽度、两个X光发射器安装高度计算得出的。

进一步的，所述的允许的误差为3％。

进一步的，所述的步骤S2包括：

步骤S201、调整两个X射线屏蔽板的高度；

步骤S202、控制两个X射线屏蔽板水平运动到理论位置；

步骤S203、在目标覆盖范围中心位置放置检测块，获得其在X光照射下的实际信号覆盖投影；

步骤S204、控制两个X射线屏蔽板水平运动，得到合理混叠区域；

步骤S205，通过光强矫正算法对合理混叠区域的光强进行矫正，获得有效的X光检测原始信号。

进一步的，所述的控制两个X射线屏蔽板水平运动到理论位置包括：

步骤S2021、对两个X光检测原始信号进行滤波和拟合处理，得到两个原始的光信号曲线；

步骤S2022、计算两个X光发射器的理论混叠区域；

步骤S2023、计算两个X射线屏蔽板水平方向的理论位置，控制两个X射线屏蔽板运动到所述理论位置。

进一步的，所述的步骤S204中控制两个X射线屏蔽板水平运动具体为：如果检测块的实际信号覆盖投影大于预计的覆盖区域，则控制X射线屏蔽板往远端运动，反之，则控制X射线屏蔽板往近端运动。

进一步的，所述的光强矫正算法的公式为：

其中：I_初始光强为经两个X光发射器照射后，信号接收单元收到的初始光强信号，I_本底光强为两个X光发射器不发射X光时，信号接收单元收到的基础光强信号，B、A为矫正系数，为常量，根据信号采集系统的量程和精度设定A和B的具体数值，且B>A。

进一步的，所述的得到合理混叠区域的条件是以下二者之一，满足其中一个条件即认为得到了合理的混叠区域，停止移动X射线屏蔽板：

条件一：使得检测块的实际信号覆盖投影不大于预计的覆盖区域；

条件二：混叠区域的X光信号不小于目标有效信号强度H。

本发明的宽体智能分选设备的双光源信号采集单元，采用双X光源技术，同时设计限束窗和光强矫正算法，不改变通用分选设备高度的前提下，有效加大X光的覆盖范围。同时使用光强矫正算法，有效消除X光照射混叠带来的误差。

附图说明

图1为现有技术中智能分选设备的信号采集单元的结构示意图；

图2为本发明的宽体智能分选设备的双光源信号采集单元的结构示意图；

图3和图4为本发明的没有使用X射线屏蔽板的双X光源沿宽度方向的X光强信号示意图；

图5为本发明的两个X光发射器运动逻辑示意图；

图6为本发明的两个X光发射器的理论混叠区域示意图；

图7为本发明的X射线屏蔽板理论水平位置示意图；

图8为本发明的有使用X射线屏蔽板对重叠区域的X光进行遮挡后沿宽度方向的X光强信号示意图；

图9为本发明的两个X射线屏蔽板运动逻辑示意图。

具体实施例

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本发明的宽体智能分选设备的双光源信号采集单元，包括，X光发射器1-1、X光发射器1-2、连接装置2、X射线屏蔽板3-1、X射线屏蔽板3-2和信号接收单元5。其中：X光发射器1-1和X光发射器1-2安装在连接装置2上并且并排摆放，用于发射X光检测原始信号。X射线屏蔽板3-1和X射线屏蔽板3-2安装在连接装置2上，用于遮挡X光检测原始信号，使得两个X光发射器覆盖范围的混叠区域中检测信号为有效的X光检测原始信号。信号接收单元5用于接收X光检测信号。X光检测信号是X光检测原始信号穿透被识别物后的X光衰减信号，也可以是直接照射到信号接收单元5上的X光检测原始信号。

工作原理为：调整好两个X光发射器的水平位置，使它们发射的X光信号覆盖范围达到目标覆盖范围，并且X光信号覆盖范围的边缘的光强达到目标有效信号强度。调整两个X射线屏蔽板的高低位置和水平位置，使得两个X光发射器发射的X光信号的混叠区域的检测信号为有效的X光检测原始信号。两个X光发射器用于发射X光检测原始信号到待识别物，X光检测原始信号穿透待识别物后光强会有所衰减，设置在运输带下方的信号接收单元5采集衰减后的X光衰减信号并发送给后台的计算单元。计算单元根据X光检测原始信号和X光衰减信号，计算出待识别物的类别。两个X射线屏蔽板3-1和3-2为具有一定厚度的内置铅的X射线屏蔽板，两个X射线屏蔽板形成限束窗，可以阻挡X光检测原始信号的通过。如图2所示，两个X光发射器调整到合适的位置后，为了保证目标覆盖范围边缘的X光强度达到符合要求H，两个X光发射器发射的X光信号必然会有混叠区域。没有X射线屏蔽板遮挡的情况下，在该混叠区域中会存在双重X光照射，存在光信号过强的情况，如图3中两条虚线之间的位置，为混叠区域的光强信号。从图中明显可以看出，混叠区域的光信号较强。因此，将射线屏蔽板3-1和3-2移动到虚线所示的位置，用X射线屏蔽板对X光进行遮挡，使得两个X光发射器发射的X光覆盖区域的边缘正好相交。图5就是使用X射线屏蔽板对X光进行遮挡后的光强信号示意图。从图中可以看出，原本混叠区域的光强减小了，混叠区域的最大光强值降低到接近于单个X光发射器发射的X光信号的光强最大值。在该混叠区域中，由于X射线屏蔽板的遮挡，从而获得有效的X光检测原始信号。

本发明的宽体智能分选设备的双光源信号采集方法，包括以下步骤：

步骤S1、调整两个X光发射器的位置，使其发射的X光信号覆盖范围达到目标覆盖范围，并且X光信号覆盖范围边缘的光强达到目标有效信号强度。

进一步的，在本申请的一个优选实施例中，步骤S1具体过程包括：

步骤S101、控制两个X光发射器运动到初步运动位置。

两个X光发射器可移动地安装在连接装置2上，可沿着连接装置2水平相向或反向运动。连接装置2为导轨或丝杠，通过电机控制两个X光发射器移动。连接装置2呈工字形，其横向沿运输带宽度方向布置。连接装置2包括第一连接杆2-1、第二连接杆2-2、第三连接杆2-3、第四连接杆2-4、第五连接杆2-5。第一连接杆2-1的一端、第二连接杆2-2的一端和第三连接杆2-3的一端相互连接。第一连接杆2-1与第二连接杆2-2连接后呈一直线，第三连接杆2-3与第一连接杆2-1垂直。第三连接杆2-3的另一端、第四连接杆2-4的一端、第五连接杆2-5的一端相互连接。第五连接杆2-5、第四连接杆2-4分别与第三连接杆2-3垂直，并可沿着第三连接杆2-3上下移动。

根据两个X光发射器的射线角和目标覆盖范围，预先计算初步运动位置C和C’。如图2所示，根据已知条件：目标覆盖范围宽度AA’、两个X光发射器的射线角α和θ，两个X光发射器安装高度h，即可计算出两个X光发射器相对于中心位置D(即目标覆盖范围AA’的中点)的距离CD和C’D。

从而可以确定X光发射器的位置C和C’。控制两个X光发射器移动到C点和C’点即可。

两个X光发射器运动到初步运动位置时，其发射的X光信号全部覆盖目标覆盖范围，如图2所示，其中AA’之间的范围为目标覆盖范围，其中A点和A’点为目标覆盖范围的两个边缘点。

步骤S102、设置目标有效信号强度H，对X光检测原始信号进行有效滤波拟合，寻找目标有效信号强度的位置。

目标有效信号强度H为设定值，信号强度为目标有效信号强度H的位置为光强覆盖的有效位置。如图3所示，目标有效信号强度的位置为B和B’。

对X光检测原始信号进行有效滤波拟合的目的是：X光检测原始信号是带有很多毛刺的不光滑的曲线，不光滑的曲线不利于信号的分析，因此对带有毛刺的不光滑信号进行滤波和拟合，使其变成光滑的曲线，如图3所示的信号曲线。对原始信号进行滤波和拟合的过程属于现有技术，在此不详细描述滤波和拟合的具体过程。

步骤S103、控制两个X光发射器移动，使目标覆盖范围边缘的信号强度为目标有效信号强度*(1±允许的误差)。

在本发明中，允许的误差设定为3％。也可以根据实际需要设定为其他数值，允许的误差的设定，不应作为对本发明的限制。

当两个X光发射器在初步运动位置C和C’时，光强覆盖的有效位置宽度仅为BB’。如果要使A点和A’点的信号强度达到H值，需要继续将两个X光信号发生器向远端移动。最终移动到图4所示的E和E’的位置，使得A和A’位置处的信号强度达到H*(1±允许的误差)。

对X光发射器的控制分为粗控制和细控制。以对X光发射器1-1的控制为例进行说明：

粗控制：寻找到当前光强覆盖的有效位置B，计算目标位置A和当前有效位置B的距离。通过电机控制X光发射器1-1大步进移动。

细控制：监控A点的信号强度，以H为目标强度，3％为误差范围，如果A点的信号强度小于H*(1-3％)，则以小步进控制X光发射器1-1往远端运动。如果A点的信号强度大于H*(1+3％)，则往近端运动。同时设置停止运动的条件为：当A点的信号强度值跨过H的两侧，则也认为X光发射器运动到了合适的位置，通过电机控制X光发射器停止运动。

步骤S2、调整两个X射线屏蔽板的位置，使得两个X光发射器发射的X光信号的混叠区域的检测信号为有效的X光检测原始信号。

进一步的，在本申请的优选实施例中，步骤S2具体包括：

步骤S201、调整两个X射线屏蔽板的高度。

两个X射线屏蔽板的高度由设备使用时需要通过的物料高度加上安全距离决定。两个X射线屏蔽板分别安装在第四连接杆2-4和第五连接杆2-5上，随着第四连接杆2-4和第五连接杆2-5上下运动而上下移动。同时两个X射线屏蔽板也可以沿着第四连接杆2-4和第五连接杆2-5水平相向移动或反向移动。

步骤S202、控制两个X射线屏蔽板水平运动到理论位置。

进一步的，在本申请的优选实施例中，控制两个X射线屏蔽板水平运动到理论位置包括：

步骤S2021、对两个X光检测原始信号进行滤波和基于最小二乘的拟合处理，得到两个原始的光信号曲线。

对X光检测原始信号进行滤波和基于最小二乘的拟合处理的目的是：X光检测原始信号是带有很多毛刺的不光滑的曲线，不光滑的曲线不利于信号的分析，因此对带有毛刺的不光滑信号进行滤波和拟合，使其变成光滑的曲线。

步骤S2022、计算两个X光发射器的理论混叠区域。

结合图6对计算两个X光发射器的理论混叠区域说明如下：

图6中F点和F’点之间的区域为两个X光发射器的理论混叠区域。该步骤的目的就是要计算出F点和F’点相对于中心位置D的位置。两个X光发射器的位置E点和E’点经过步骤S103后即可确定，所以两个X光发射器相对与中心位置D的距离ED和E’D为已知条件。两个X光发生器的安装高度h也是已知条件，即可得出：

步骤S2023、计算两个X射线屏蔽板水平方向的理论位置，通过电机控制两个X射线屏蔽板运动到该理论位置。

两个X射线屏蔽板水平方向的理论位置与中心位置D的距离d1和d2的计算公式为：

其中：ED和E’D为两个X光发射器与中心位置D的距离；

DG和DG’为理论可接受混叠区域初始位置与中心位置D的距离；

h1为两个X射线屏蔽板的安装高度。

步骤S203、在目标覆盖范围中心位置处(图7中的D位置)放置检测块，获得其在X光照射下的实际信号覆盖投影。

检测块设计为特定高度和宽度。

步骤S204、通过电机控制两个X射线屏蔽板小步进运动，得到合理混叠区域。

得到合理混叠区域的条件是以下二者之一，满足其中一个条件即认为得到了合理的混叠区域，停止移动X射线屏蔽板：

条件一：使得检测块的实际信号覆盖投影不大于预计的覆盖区域；

条件二：混叠区域的X光信号不小于目标有效信号强度H。

以X射线屏蔽板3-1为例进行说明，如果检测块右侧的实际信号覆盖投影大于预计的覆盖区域，则控制X射线屏蔽板3-1往远端运动，反之，往近端运动。此时得到的混叠区域即为合理混叠区域。如果混叠区的X光信号小于目标有效信号强度H，则控制X射线屏蔽板3-1向近端运动，反之，则控制X射线屏蔽板3-1向远端运动。

步骤S205，通过光强矫正算法对合理混叠区域的光强进行矫正，获得有效的X光检测原始信号。

光强矫正算法的公式为：

其中：I_初始光强为经两个X光发射器照射后，信号接收单元收到的初始光强信号，I_本底光强为两个X光发射器不发射X光时，信号接收单元收到的基础光强信号，B、A为矫正系数，为常量，在本系统中，B设为262143，A设为0；B和A可以根据信号采集系统的量程和精度任意更改，只需要满足B>A即可。

所谓有效的X光检测原始信号，为利用光强矫正算法完成原始光强矫正的信号，使得在整个探测区域(运输带宽度方向上)的光强是均匀的。

本发明的X射线屏蔽板，兼顾了混叠区域的信号强度，并不是要完全消除混叠区域的X光信号。完全消除混叠会带来中心信号强度不足，进而影响信号有效性和矿石识别精度。故而得到合理的混叠区域是至关重要的。

步骤S3、被识别物通过双光源信号采集单元时，信号接收单元接收X光检测信号并发送给后端的计算单元进行计算和识别。

后端的计算单元会根据X光检测原始信号及信号接收单元发送的X光检测信号，计算被识别物的相关数据，并根据计算得到的数据对被识别物进行分类。步骤S3的过程属于现有技术，不是本发明的重点，在此不详细说明。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.宽体智能分选设备的双光源信号采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、调整两个X光发射器的位置，使其发射的X光信号覆盖范围达到目标覆盖范围，并且X光信号覆盖范围边缘的光强达到目标有效信号强度；

步骤S2、在两个X光发射器之间安装两个X射线屏蔽板，调整两个X射线屏蔽板的位置，使得两个X光发射器覆盖范围的混叠区域的检测信号为有效的X光检测原始信号；

步骤S3、被识别物通过双光源信号采集单元时，信号接收单元接收X光检测信号并发送给后端的计算单元进行计算和识别；

所述的步骤S2包括：

步骤S201、调整两个X射线屏蔽板的高度；

步骤S202、控制两个X射线屏蔽板水平运动到理论位置；

步骤S203、在目标覆盖范围中心位置放置检测块，获得其在X光照射下的实际信号覆盖投影；

步骤S204、控制两个X射线屏蔽板水平运动，得到合理混叠区域；

步骤S205，通过光强矫正算法对合理混叠区域的光强进行矫正，获得有效的X光检测原始信号；

所述的光强矫正算法的公式为：

其中：I_初始光强为经两个X光发射器照射后，信号接收单元收到的初始光强信号，I_本底光强为两个X光发射器不发射X光时，信号接收单元收到的基础光强信号，B、A为矫正系数，为常量，根据信号采集系统的量程和精度设定A和B的具体数值，且B>A。

2.根据权利要求1所述的宽体智能分选设备的双光源信号采集方法，其特征在于，所述的步骤S1包括：

步骤S101、控制两个X光发射器运动到初步运动位置；

步骤S102、设置目标有效信号强度，找到目标有效信号强度的位置；

步骤S103、控制两个X光发射器移动，使目标覆盖范围边缘的信号强度为目标有效信号强度*(1±允许的误差)。

3.根据权利要求2所述的宽体智能分选设备的双光源信号采集方法，其特征在于，所述的初步运动位置是根据两个X光发射器的射线角、目标覆盖范围宽度、两个X光发射器安装高度计算得出的。

4.根据权利要求2所述的宽体智能分选设备的双光源信号采集方法，其特征在于，所述的允许的误差为3％。

5.根据权利要求1所述的宽体智能分选设备的双光源信号采集方法，其特征在于，所述的控制两个X射线屏蔽板水平运动到理论位置包括：

步骤S2021、对两个X光检测原始信号进行滤波和拟合处理，得到两个原始的光信号曲线；

步骤S2022、计算两个X光发射器的理论混叠区域；

步骤S2023、计算两个X射线屏蔽板水平方向的理论位置，控制两个X射线屏蔽板运动到所述理论位置。

6.根据权利要求1所述的宽体智能分选设备的双光源信号采集方法，其特征在于，所述的步骤S204中控制两个X射线屏蔽板水平运动具体为：如果检测块的实际信号覆盖投影大于预计的覆盖区域，则控制X射线屏蔽板往远端运动，反之，则控制X射线屏蔽板往近端运动。

7.根据权利要求1所述的宽体智能分选设备的双光源信号采集方法，其特征在于，所述的得到合理混叠区域的条件是以下二者之一，满足其中一个条件即认为得到了合理的混叠区域，停止移动X射线屏蔽板：

条件一：使得检测块的实际信号覆盖投影不大于预计的覆盖区域；

条件二：混叠区域的X光信号不小于目标有效信号强度H。

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