CN112090783A - 一种基于红外调频光谱的煤岩检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于红外调频光谱的煤岩检测装置，检测装置设置于皮带运输机的框架上，检测装置包括：红外发射模块，向皮带运输机的皮带检测区域发射第一红外线；红外调频模块，接收皮带检测区域辐射的预设波长范围内的第二红外线，第二红外线为第一红外线经皮带检测区域后辐射得到；红外探测模块，接收红外调频模块输出的第二红外线，根据煤炭和矸石对预设波长范围内的红外线的不同辐射率，将第二红外线处理为能够反映煤炭和矸石信息的可见二维伪彩色信号；图像处理模块，接收红外探测模块输出的二维伪彩色信号后，将二维伪彩色信号处理为包括煤炭和矸石信息的煤矸石识别结果图像。本发明的上述方案，具有高效、可靠、安全的优点。

Description

一种基于红外调频光谱的煤岩检测装置

技术领域

本发明属于自动化检测技术领域，具体地，涉及一种基于红外调频光谱的煤岩检测装置。

背景技术

在煤炭开采的过程中，皮带运输机被广泛运用于长距离运输煤炭中。纵向撕裂是矿用皮带运输机的灾难性事故之一。由于煤炭的运输距离较长，如果发生纵向撕裂事故，很可能会造成整条皮带的损坏，在相当长一段时间内无法恢复煤矿正常的生产和运输，造成巨大的经济损失。造成胶带纵向撕裂的主要原因是煤炭中混有的片状煤矸石坚硬的棱角扎入皮带造成纵向撕裂，因此对可能造成皮带纵向撕裂的煤矸石进行智能化检测是十分必要的。

目前，在线检测引起皮带纵向撕裂的煤矸石方式主要有基于图像处理的检测方式和基于x射线扫描的检测方式：

第一种方式是根据煤与矸石图像纹理特征不同，将煤与矸石预处理后的图像转换为局部二值模式图像,再利用该图像生成灰度共生矩阵,以角二阶距、相关性、对比度和熵作为纹理特征进行均值和归一化处理，经过支持向量机训练后进行区分。但是这种方法对所采集的图像的清晰度要求比较高，生产现场经常会受到粉尘的影响，工业CCD在这种环境下不能很好的工作，况且煤炭和煤矸石在图像中的灰度分布差异并不明显，算法达不到高准确率的效果。

第二种检测方式是采用x射线扫描煤和矸石图像，经处理得到灰度信息，再结合普通工业CCD获取的厚度信息设置区分煤和矸石的阈值达到良好的效果。但是在矿井作业的人员易长时间受到x射线的照射，会对人体细胞造成伤害。

因此，需要对现有的煤岩检测方案进行改进。

发明内容

本发明实施例旨在提供一种基于红外调频光谱的煤岩检测装置，用于解决现有技术中的煤岩检测方案对人体造成危害，检测效果易受到环境影响和检测效率低等问题的技术问题。

本发明一些实施例提供一种基于红外调频光谱的煤岩检测装置，其特征在于，所述检测装置设置于皮带运输机的框架上，所述检测装置包括：

红外发射模块，向所述皮带运输机的皮带检测区域发射第一红外线；

红外调频模块，接收所述皮带检测区域辐射的预设波长范围内的第二红外线，所述第二红外线为所述第一红外线经所述皮带检测区域后辐射得到；

红外探测模块，接收所述红外调频模块输出的所述第二红外线，根据煤炭和矸石对预设波长范围内的红外线的不同辐射率，将所述第二红外线处理为能够反映煤炭和矸石信息的可见二维伪彩色信号；

图像采集模块，用于接收所述可见二维伪彩色信号并传输至图像处理模块；

所述图像处理模块，接收所述红外探测模块输出的所述二维伪彩色信号后，将所述二维伪彩色信号处理为包括煤炭和矸石信息的煤矸石识别结果图像。

可选地，上述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，所述图像处理模块，还用于根据所述煤矸石识别结果图像，得到包括煤炭和矸石信息的煤矸石识别视频信号。

可选地，上述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，所述检测装置还包括：

预警模块，根据所述图像处理模块输出的煤矸石识别结果图像和/或煤矸石识别视频信号确定矸石体积和矸石形状；若所述矸石体积在体积阈值以下且矸石形状的边缘平滑，则生成低级别预警信号；否则生成高级别预警信号；

所述低级别预警信号表示矸石能够被后续分拣设备自动去除，所述高级别预警信号表示矸石无法通过后续分拣设备自动去除。

可选地，上述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，所述预警模块还用于在生成高级别预警信号时，向所述皮带运输机发送停止皮带运行的控制信号。

可选地，上述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，所述图像处理模块对所述二维伪彩色信号进行滤波和色彩校正的预处理，对预处理得到的信号与预置煤炭和矸石特征信息进行比较后得到煤矸石识别结果图像。

可选地，上述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，所述预设波长范围为8-11μm。

可选地，上述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，还包括：

数据通信模块，其用于实现图像处理模块与上位机、预警模块与上位机之间的通信连接。

可选地，上述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，还包括：

电源模块，其配置有电源接口，所述电源接口用于与外部电源连接；所述电源模块的输出端用于为红外发射模块、红外调频模块、红外探测模块、图像处理模块、预警模块和数据通信模块提供电能。

可选地，上述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，还包括机箱、可调支架和固定支架，其中：

所述机箱通过所述可调支架设置于所述固定支架上，所述固定支架设置于所述皮带运输机的框架上；红外发射模块和红外调频模块设置于所述机箱外部且朝向所述皮带检测区域；红外探测模块、图像处理模块、预警模块、电源模块和数据通信模块设置于所述机箱内部。

可选地，上述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，所述机箱的内壁底部成型有卡槽，红外探测模块、图像处理模块和预警模块均设置于所述卡槽内；

所述机箱的箱体上开设有与所述电源接口适配的电源接入孔以及与数据通信模块适配的通信接口。

本发明实施例提供的上述技术方案与现有技术相比，至少具有如下技术效果：

本发明实施例提供的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，利用煤炭与矸石在红外光谱上的辐射率差异，可以有效的将矸石与煤炭进行区分，具有高效性、可靠性。通过本发明的上述方案，在开采完成后进行长距离运输之前对掺杂在煤炭中的矸石进行实时的检测，防患于未然，极大程度上降低了矿用皮带因为煤矸石的划伤或者穿刺而导致的纵向撕裂的可能性。而且，本检测装置充分利用红外线具有无放射性和抗干扰的特点，可以在不影响井下作业人员健康状况的前提下工作，可以克服煤矿井下粉尘多、可视条件差和藏在煤流中的矸石不易被发现等缺陷，提高了检测的可靠性。

附图说明

图1为本发明一个实施例所述基于红外调频光谱的煤岩检测装置的结构框图；

图2为本发明一个实施例所述煤炭和矸石对预设波长范围内的红外线的辐射率的对应关系曲线；

图3为本发明另一个实施例所述基于红外调频光谱的煤岩检测装置的结构框图；

图4为本发明一个实施例所述基于红外调频光谱的煤岩检测装置的结构示意图。

图中的附图标记为：

1-机箱；2-图像采集模块；3-红外调频模块；4-红外发射模块；5-红外探测模块；6-可调支架；7-图像处理模块；8-预警模块；9-数据通信模块；10-处理器；11-通信接口；12-电源模块；13-固定支架。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明一个实施例提供一种基于红外调频光谱的煤岩检测装置，所述检测装置设置于皮带运输机的框架上，如图1所示，所述检测装置包括：红外发射模块4，向所述皮带运输机的皮带检测区域发射第一红外线；红外调频模块3，接收所述皮带检测区域辐射的预设波长范围内的第二红外线，所述第二红外线为所述第一红外线经所述皮带检测区域后辐射得到，在皮带检测区域包括皮带和置于皮带上的煤炭、矸石等；红外探测模块5，接收所述红外调频模块3输出的所述第二红外线，根据煤炭和矸石对预设波长范围内的红外线的不同辐射率，将所述第二红外线处理为能够反映煤炭和矸石信息的可见二维伪彩色信号；图像采集模块2，用于接收所述可见二维伪彩色信号并传输至图像处理模块7；所述图像处理模块7，接收所述红外探测模块5输出的所述二维伪彩色信号后，将所述二维伪彩色信号处理为包括煤炭和矸石信息的煤矸石识别结果图像。

煤炭和矸石对红外线的辐射率不同，而且二者之间的辐射率差异与红外线的波段也有关系。如图2所示，当红外线波长在8-13μm时，煤炭和矸石的辐射率均有所不同，但是从8-11μm的区间内其差异更加明显，因此可以选择预设波长范围为8-11μm。由此可见，当检测到第二红外线后，对第二红外线中波长范围8-11μm的辐射率进行确定，从而能够推断出皮带检测区域内的煤炭和矸石成分。

以上方案，利用煤炭与矸石在红外光谱上的辐射率差异，可以有效的将矸石与煤炭进行区分，具有高效性、可靠性。通过本发明的上述方案，在开采完成后进行长距离运输之前对掺杂在煤炭中的矸石进行实时的检测，防患于未然，极大程度上降低了矿用皮带因为煤矸石的划伤或者穿刺而导致的纵向撕裂的可能性。而且，本检测装置充分利用红外线具有无放射性和抗干扰的特点，可以在不影响井下作业人员健康状况的前提下工作，可以克服煤矿井下粉尘多、可视条件差和藏在煤流中的矸石不易被发现等缺陷，提高了检测的可靠性。

以上方案中，所述图像处理模块7还用于根据所述煤矸石识别结果图像，得到包括煤炭和矸石信息的煤矸石识别视频信号。检测装置在获取图像时，可以根据一定的采样时刻进行图像数据的采集，将多帧图像数据按照采集的时间顺序进行排列融合即可得到视频信号。其中，所述图像处理模块7对所述二维伪彩色信号进行滤波和色彩校正的预处理，滤除图像噪声，对预处理得到的信号与预置煤炭和矸石特征信息进行比较后得到煤矸石识别结果图像。

进一步地，如图3所示，所述检测装置还包括预警模块8，根据所述图像处理模块7输出的煤矸石识别结果图像和/或煤矸石识别视频信号确定矸石体积和矸石形状；若所述矸石体积在体积阈值以下且矸石形状的边缘平滑，则生成低级别预警信号；否则生成高级别预警信号；所述低级别预警信号表示矸石能够被后续分拣设备自动去除，所述高级别预警信号表示矸石无法通过后续分拣设备自动去除。因此，该检测装置的决策预警机制分为两个级别，第一对于体积较小、边缘不锋利的煤矸石进行跟踪并反馈给安全平台低级预警的信号，装置可以控制后续的其它分拣系统将煤矸石去除，第二对于体积较大比较锋利的煤矸石，在无法利用现有设备分拣时，装置会在识别其特征给安全平台高级预警信号。同时，做出停止皮带的运行，避免皮带纵向撕裂。具体实现时，预警模块在接收到煤矸石的特征数据后会自动与已有的决策机制进行运算匹配输出危险级别，也即已经预先将预警级别对应的矸石形状和矸石体积存储在起来，在具体识别时仅需要将检测结果与预存结果进行比对即可。

以上方案中，还包括数据通信模块9，其用于实现图像处理模块7与上位机、预警模块8与上位机之间的通信连接。数据通信模块9可以通过RS485总线或者无线网络将生产现场煤矸石被标记后的实时视频画面和传感器的决策指令传输到煤矿安全指挥中心的上位机，工作人员可以默认检测装置的决策，也可以通过数据通信模块9对现场检测装置进行干预，控制屏蔽掉它的决策。检测装置还可以包括电源模块12，其配置有电源接口，所述电源接口用于与外部电源连接；所述电源模块的输出端用于为红外发射模块4、红外调频模块3、红外探测模块5、图像处理模块7、预警模块8和数据通信模块9提供电能。以上方案中，如图所示，还可以包括处理器10，可以通过处理器10对检测装置中的各个模块进行统一的控制，以使各个模块执行其对应的功能。

进一步地，以上方案中的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，如图4所示，还包括机箱1、可调支架6和固定支架13，其中：

所述机箱1通过所述可调支架6设置于所述固定支架13上，所述固定支架13设置于所述皮带运输机的框架上；红外发射模块4和红外调频模块3设置于所述机箱1外部且朝向所述皮带检测区域；红外探测模块5、图像处理模块7、预警模块8、电源模块12和数据通信模块9设置于所述机箱1内部。所述机箱1的内壁底部成型有卡槽，红外探测模块5、图像处理模块7和预警模块8均设置于所述卡槽内；所述机箱1的箱体上开设有与所述电源接口适配的电源接入孔以及与数据通信模块适配的通信接口11。

其中，可调支架6具有通孔，固定支架13具有凹槽，且凹槽上也成型有通孔，可以直接将可调支架6插入到凹槽内，可调支架6上的通孔和固定支架13上的通孔相对应，能够通过外部固定销等固定件对其进行固定。而且可调支架6在凹槽内能够旋转，所以可以对检测装置的角度进行调整。

以上方案中，机箱1为金属机箱，机箱1外壳为180～200mm×80～100mm×80～100mm，加有紫铜网，机箱1采用防电磁干扰的镍铬合金的长方体金属外壳。红外调频模块3、红外发射模块4、位于机箱1的左壁外侧。机箱1底部设有60～80mm长的卡槽，红外探测模块5、图像采集模块2、图像处理模块7、预警模块8、数据通信模块9、处理器10通过卡槽固定在机箱1底部内侧。电源模块12固定在机箱1顶部内侧。外接电源与通信接口11固定在机箱1的右壁外侧。该检测装置内部的器件由排线依次连接，红外探测模块5由滤光器和红外敏感器件组成。

上述检测装置检测的皮胶带宽度为800mm，皮带运行速度为4.0m/s，本检测装置安装在皮带运输机的大架上，距离皮带上表面1000mm处，调整红外探测模块5的焦距为19mm。固定在机箱1上的红外发射模块4在工作时向皮带检测区域发射红外线，此时固定在机箱1上的红外调频模块3依次接收8-11um所对应频率的红外线，同时红外探测模块5感应矿石吸收红外线后发射出的红外线。红外探测模块5根据煤和矸石在波段8-11um的红外线辐射率不同，通过预先设置好的各个波段的权重值，将接收的红外线信号转换为可见二维伪彩色信号，可见二维伪彩色信号经图像处理模块7进行滤波和色彩校正。图像采集模块2得到煤炭和矸石灰度信息的二维红外数字图像，图像处理模块7首先对二维红外数字图像进行预处理，滤除图像噪声。然后经过比较运算，利用煤和矸石红外光谱中的发射率差异将矸石锁定标记，识别出矸石的大小和运动状态等信息，进行实时的跟踪。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于红外调频光谱的煤岩检测装置，其特征在于，所述检测装置设置于皮带运输机的框架上，所述检测装置包括：

红外发射模块，向所述皮带运输机的皮带检测区域发射第一红外线；

红外调频模块，接收所述皮带检测区域辐射的预设波长范围内的第二红外线，所述第二红外线为所述第一红外线经所述皮带检测区域后辐射得到；

红外探测模块，接收所述红外调频模块输出的所述第二红外线，根据煤炭和矸石对预设波长范围内的红外线的不同辐射率，将所述第二红外线处理为能够反映煤炭和矸石信息的可见二维伪彩色信号；

图像采集模块，用于接收所述可见二维伪彩色信号并传输至图像处理模块；

所述图像处理模块接收所述红外探测模块输出的所述二维伪彩色信号后，将所述二维伪彩色信号处理为包括煤炭和矸石信息的煤矸石识别结果图像。

2.根据权利要求1所述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，其特征在于：

所述图像处理模块，还用于根据所述煤矸石识别结果图像，得到包括煤炭和矸石信息的煤矸石识别视频信号。

3.根据权利要求2所述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括：

预警模块，根据所述图像处理模块输出的煤矸石识别结果图像和/或煤矸石识别视频信号确定矸石体积和矸石形状；若所述矸石体积在体积阈值以下且矸石形状的边缘平滑，则生成低级别预警信号；否则生成高级别预警信号；

所述低级别预警信号表示矸石能够被后续分拣设备自动去除，所述高级别预警信号表示矸石无法通过后续分拣设备自动去除。

4.根据权利要求3所述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，其特征在于：

所述预警模块还用于在生成高级别预警信号时，向所述皮带运输机发送停止皮带运行的控制信号。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，其特征在于：

所述图像处理模块对所述二维伪彩色信号进行滤波和色彩校正的预处理，对预处理得到的信号与预置煤炭和矸石特征信息进行比较后得到煤矸石识别结果图像。

6.根据权利要求5所述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，其特征在于：

所述预设波长范围为8-11μm。

7.根据权利要求6所述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，其特征在于，还包括：

数据通信模块，其用于实现图像处理模块与上位机、预警模块与上位机之间的通信连接。

8.根据权利要求7所述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，其特征在于，还包括：

电源模块，其配置有电源接口，所述电源接口用于与外部电源连接；所述电源模块的输出端用于为红外发射模块、红外调频模块、红外探测模块、图像处理模块、预警模块和数据通信模块提供电能。

9.根据权利要求8所述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，其特征在于，还包括机箱、可调支架和固定支架，其中：

所述机箱通过所述可调支架设置于所述固定支架上，所述固定支架设置于所述皮带运输机的框架上；红外发射模块和红外调频模块设置于所述机箱外部且朝向所述皮带检测区域；红外探测模块、图像处理模块、预警模块、电源模块和数据通信模块设置于所述机箱内部。

10.根据权利要求9所述的基于红外调频光谱的煤岩检测装置，其特征在于：

所述机箱的内壁底部成型有卡槽，红外探测模块、图像处理模块和预警模块均设置于所述卡槽内；

所述机箱的箱体上开设有与所述电源接口适配的电源接入孔以及与数据通信模块适配的通信接口。

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