CN204461938U - 一种铁矿石品位自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铁矿石品位自动检测系统，集成多种测量和智能控制设备，自动测量出矿石的比重，通过实验建立铁矿石比重与铁矿石品位之间的关系，然后根据比重反求铁矿石品位，最后将测量数据存入数据库并自动打印验收签证单据。本实用新型能够获取矿石表面高密度点云数据，快速准确的测量车厢内矿石的体积和重量，并且能够真实、快速的得到整车矿石的品位，解决了矿石品位人为贫化问题，大大节约了采样化验的人工成本，便于总结，使用方便。

Description

一种铁矿石品位自动检测系统

技术领域

本实用新型涉及铁矿石品位自动检测领域，在选矿生产过程中实时自动测量出铁矿石的重量、体积和品位。

背景技术

矿石是含有用矿物并有开采价值的岩石，凡是地壳中的矿物自然集合体，在现代技术经济水平条件下，能以工业规模从中提取国民经济所必须的金属或其他矿物产品者，称为矿石。

矿石品位是指单位体积或单位重量矿石中有用组分或有用矿物的含量，一般以重量百分比表示，矿产品位是衡量矿床经济价值的主要指标。矿石或产品中所含有用成分(元素或化合物)的百分含量。

铁矿企业开采和收购的矿石，其品位的高低和真实性直接影响着企业的效益和选矿成本。传统的矿石验收通常是在选矿前进行称重，然后通过人工取样化验得到矿石品位，以此作为结算依据。由于人工取样的随机性以及人为因素影响，使得所取的样本的品位很难真实地反映整节车厢矿石的品位，同时人工取样工作量大，而且矿石的品位需要送样化验后才能得到，间接延长了开采工作时间，造成不便，虽然出现小型品位检测装置，但是其检测矿石量小，无法对大片矿石进行估算，增加了现场工作人员的矿石品位检测工作时间，并且对检测数据无法及时存储，不便于总结分析，使用不便。

发明内容

为了解决上面的问题，本实用新型的目的在于提供一种铁矿石品位自动检测系统和方法，本实用新型集成多种测量和智能控制设备，自动测量出矿石的比重，通过实验建立铁矿石比重与铁矿石品位之间的关系，然后根据比重反求铁矿石品位，最后将测量数据存入数据库并自动打印验收签证单据。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种铁矿石品位自动检测系统，其特征在于：包括安装在测量区域入口处的RFID读卡器、红绿指示灯、入口光电开关和入口反射板；在测量区域安装有动态轨道衡，在测量区域上方测量区域出口边界处安装有扫描方向与轨道垂直的垂直方向二维激光扫描仪和扫描方向与轨道平行的平行方向二维激光扫描仪，安装在测量区域的网络摄像头、出口光电开关和出口反射板；所述入口光电开关和入口反射板分别在轨道的两侧，RFID读卡器、红绿指示灯、入口光电开关、垂直方向二维激光扫描仪、平行方向二维激光扫描仪、网络摄像头以及出口光电开关的电信号输入或输出端经信号处理器处理后或直接与计算机的信号端口相连。所述在机车车厢侧面安装有可以被RFID读卡器读取信息的电子标签，所述电子标签在发矿前写入了来矿的出矿点、矿石品种、发矿单位信息。所述二维激光扫描仪的激光发射频率为36kHz，并且两个方向的测量信息是同步的。

两个相邻时刻纵断面线之间沿行车方向平移的距离也就是这两 个相邻时刻横断面之间的距离。所述数据处理是所述两种二维激光扫描仪获得的两个方向的矿堆二维信息，由于两个方向的测量信息是同步测量的，通过计算机对二维信息的积分处理计算出机车内矿堆的体积。

采用上述一种铁矿石品位自动检测系统进行检测的操作步骤为：

A)来矿机车进入测量区域前，触发测量区域入口处的入口光电感应开关，RFID读卡器开始读取机车中的电子标签，成功读取信息后红绿指示灯由红色变为绿色，机车通过，否则等待电子标签完成读取。

B)来矿机车在通过测量区域的动态轨道衡时进行称重，并把每一节车厢的重量传送到计算机终端，固定在轨道正上方平行于轨道方向和垂直于轨道方向的两台的二维激光扫描仪以相同的频率扫描车厢，分别获取多组同一时刻的一对扫描断面，分别是平行于机车运动方向的断面和垂直于运动方向的断面，并将数据传送至计算机终端。

C)在测量区域的出口处轨道出口安装光电感应开关，通过对激光遮挡情况判断车厢是否完成测量，完成测量则出口光电开关接通，状态为开，否则激光被车厢遮挡，状态为关，完成测量时，终端控制摄像头进行拍照。

D)针对不同的出矿点通过实验建立比重-品位关系曲线，来矿车辆通过测量区域后测量出矿石的重量和体积，从而计算出矿石的 比重，根据来矿车辆的出矿点信息查询对应的关系曲线，代入矿石的比重计算出矿石的品位。

E)采用数据管理系统接收和处理铁矿石品位自动检测系统各硬件设备采集的数据，把来矿信息以及矿石的计量数据综合成记录存入数据库，并打印出验收签证单。

所述比重-品位关系曲线的建立方法为：

选取矿石块度、湿度具有代表性的车厢进行矿石体积、重量测量，计算出整节车厢矿石的平均比重；对整节车厢矿石进行破碎，取样铲进行不间断随机取样；完成破碎取样后采用二分法对样品进行缩分至所规定的重量为止；对缩分后的样品进行化验得到Fe品位，与该节车厢的平均比重组成一个实验数据；参考前述过程在不同的比重分布范围一共采集40个实验数据。将实验数据展到以比重为X轴，Fe品位为Y轴的坐标系中，可以得到比重-Fe品位散点分布图；采用最小二乘线性回归对这些比重-Fe品位散点进行分段线性回归，可以得到Fe品位关于比重的分段线性函数。

所述二维激光扫描仪的激光发射频率为36kHz，扫描一条断面只需要20ms，扫描一条断面只需要20ms，可以认为机车在通过测量区域时，每隔20ms可以同时获取一条横断面线和一条纵断面线。两个相邻时刻纵断面线之间沿行车方向平移的距离也就是这两个相邻时刻横断面之间的距离。因此并不需要机车进行匀速运动，其运动速度仅需满足动态轨道衡的要求即可，这样大大减少了操作的不便，无需运矿机车进行匀速运动也可以通过计算机积分运算出矿堆的体积。

所述机车是用来运载矿石的小车，可以是包括车轮、车厢、驱动装置可以在控制器的控制下运动的小车，也可以是带车轮的火车车厢，由车头驱动。机车上的控制器可以通过有线数据电缆也可以使用无线通讯。

所述计算机可以远程控制和处理数据，与各设备的连接可以通过有线电缆也可以通过无线通讯方式。计算机可以控制RFID读卡器读取机车上的电子信息、控制入口光电开关和出口光电开关的开启和关闭从而控制垂直方向二维激光扫描仪和平行方向二维激光扫描仪的启动和关闭、可以网络摄像头摄像或者拍照、获取动态轨道衡的测量数据、并且可以控制打印机打印。操作人员也可以通过人机界面对系统进行操控并且能够获得实时数据，以便安排下一步的生产工作。

本实用新型与现有技术相比较，具有以下显而易见的突出的实质性特点和显著技术进步：本实用新型提供一种铁矿石品位自动检测系统和方法，本实用新型采用垂直方向和平行方向的二维激光扫描仪高精度动态测量矿石的体积，本实用新型集成多种测量和智能控制设备，自动测量出矿石的比重，通过实验建立铁矿石比重与铁矿石品位之间的关系，然后根据比重反求铁矿石品位，最后将测量数据存入数据库并自动打印验收签证单据。本实用新型能够获取矿石表面高密度点云数据，能够快速准确的获取车厢内矿石的体积和重量，并且能够真实、快速的得到整车矿石的品位，人工成本大大节约，能够缩短开采时间，便于总结，使用方便。

附图说明

图1本实用新型一种铁矿石品位自动检测系统设备安装示意图；

图2本实用新型一种铁矿石品位自动检测系统中扫描方向垂直于轨道方向的垂直方向二维激光扫描仪扫描情况示意图；

图3本实用新型一种铁矿石品位自动检测系统中扫描方向平行于轨道方向的平行方向二维激光扫描仪扫描情况示意图

图4本实用新型一种铁矿石品位自动检测系统中在t_i时刻和t_i+1时刻的横断面线；

图5本实用新型一种铁矿石品位自动检测系统在t_i时刻和t_i+1时刻的纵断面线；

图6本实用新型一种铁矿石品位自动检测系统在某时刻矿石表面横断面线；

图7本实用新型一种铁矿石品位自动检测系统在某时刻车厢横断面线；

图8本实用新型一种铁矿石品位自动检测系统在某时刻矿石的横断面；

图9本实用新型一种铁矿石品位自动检测系统某时刻积分横截面；

图10本实用新型一种铁矿石品位自动检测系统某时刻积分横截面微元；

图11本实用新型一种铁矿石品位自动检测系统中所述两个相邻时刻截面构成的截面体；

图12本实用新型一种铁矿石品位自动检测系统所述比重-品位 散点图。

图中：1-RFID读卡器、2-红绿指示灯、3-入口光电开关、4-出口光电开关、5-入口反射板，6-出口反射板、7-网络摄像头、8-动态轨道衡、9-平行方向二维激光扫描仪、10-垂直方向二维激光扫描仪、11-计算机、12-轨道、13-机车

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型进行进一步的说明。

一种铁矿石品位自动检测系统，其特征在于：包括安装在测量区域入口处的RFID读卡器1、红绿指示灯2、入口光电开关3和入口反射板5；在测量区域安装有动态轨道衡8，在测量区域上方测量区域出口边界处安装有扫描方向与轨道垂直的垂直方向二维激光扫描仪10和扫描方向与轨道平行的平行方向二维激光扫描仪9，安装在测量区域的网络摄像头7、出口光电开关4和出口反射板6；所述入口光电开关3和入口反射板5分别在轨道12的两侧，RFID读卡器1、红绿指示灯2、入口光电开关3、垂直方向二维激光扫描仪10、平行方向二维激光扫描仪9、网络摄像头7以及出口光电开关4的电信号输入或输出端经信号处理器处理后或直接与计算机11的信号端口相连。

所述在机车13车厢侧面安装有可以被RFID读卡器1读取信息的电子标签，所述电子标签在发矿前写入了来矿的出矿点、矿石品种、发矿单位信息。

所述二维激光扫描仪的激光发射频率为36kHz，并且两个方向 的测量信息是同步的。扫描一条断面只需要20ms，可以认为矿车在通过测量区域时，每隔20ms可以同时获取一条横断面线和一条纵断面线。两个相邻时刻纵断面线之间沿行车方向平移的距离也就是这两个相邻时刻横断面之间的距离。所述数据处理是所述两种二维激光扫描仪获得的两个方向的矿堆二维信息，由于两个方向的测量信息是同步测量的，通过计算机对二维信息的积分处理计算出机车13内矿堆的体积。

采用上述一种铁矿石品位自动检测系统进行检测的操作步骤为：

A)来矿机车进入测量区域前，触发测量区域入口处的入口光电感应开关，RFID读卡器开始读取机车中的电子标签，成功读取信息后红绿指示灯由红色变为绿色，机车通过，否则等待电子标签完成读取。

B)来矿机车在通过测量区域的动态轨道衡时进行称重，并把每一节车厢的重量传送到计算机终端，固定在轨道正上方平行于轨道方向和垂直于轨道方向的两台的二维激光扫描仪以相同的频率扫描车厢，分别获取多组同一时刻的一对扫描断面，分别是平行于机车运动方向的断面和垂直于运动方向的断面，并将数据传送至计算机终端。

C)在测量区域的出口处轨道出口安装光电感应开关，通过对激光遮挡情况判断车厢是否完成测量，完成测量则出口光电开关接通，状态为开，否则激光被车厢遮挡，状态为关，完成测量时，终 端控制摄像头进行拍照。

D)针对不同的出矿点通过实验建立比重-品位关系曲线，来矿车辆通过测量区域后测量出矿石的重量和体积，从而计算出矿石的比重，根据来矿车辆的出矿点信息查询对应的关系曲线，代入矿石的比重计算出矿石的品位。

E)采用数据管理系统接收和处理铁矿石品位自动检测系统各硬件设备采集的数据，把来矿信息以及矿石的计量数据综合成记录存入数据库，并打印出验收签证单。

所述比重-品位关系曲线的建立方法为：

选取矿石块度、湿度具有代表性的车厢进行矿石体积、重量测量，计算出整节车厢矿石的平均比重；对整节车厢矿石进行破碎，取样铲进行不间断随机取样；完成破碎取样后采用二分法对样品进行缩分至所规定的重量为止；对缩分后的样品进行化验得到Fe品位，与该节车厢的平均比重组成一个实验数据；参考前述过程在不同的比重分布范围一共采集40个实验数据。将实验数据展到以比重为X轴，Fe品位为Y轴的坐标系中，可以得到比重-Fe品位散点分布图；采用最小二乘线性回归对这些比重-Fe品位散点进行分段线性回归，可以得到Fe品位关于比重的分段线性函数。

具体的，来矿机车13到达测量区域入口处，车身挡住入口光电开关3发射的激光，入口光电开关3的状态由0变为1，信号被与之连接的网络继电器转换为数字信号后传送至计算机11，计算机11启动RFID读卡器1搜寻并读取信息卡中存储的来矿信息，包括出矿点、 矿石品种、发矿单位等，成功读取后控制终端控制指示灯2变为绿色。数据库创建一条验收记录，将来矿信息写入记录中。

机车13在通过动态轨道衡8时，动态轨道衡8测量出车辆的轴重信号，利用测量电路，将传感器传输过来信号放大，并经过A/D转换单元将放大的电信号采样，采样后的数字信号经过信号处理系统转换成车辆的轮重，每一节车厢的所有轮重相加即可得到当前车厢的重量，由于矿车的规格是一致的，矿车的空车重量已知，矿石的重量即为：

M_矿石＝M_重车-M_空车

式中：M_矿石为一节车厢中矿石的重量，M_重车为一节车厢装载矿石后的重量，M_空车为一节车厢空车的重量。

矿车在进入测量区域时，两台激发发射频率一致的二维激光扫描仪开始分别沿平行于轨道和垂直于轨道两个方向扫描，如图2、3所示垂直于轨道方向的二维激光扫描仪和平行于轨道方向的二维激光扫描仪扫描结果。

二维激光扫描仪的激光发射频率为36kHz，扫描一条断面只需要20ms，可以认为矿车在通过测量区域时，每隔20ms可以同时获取一条横断面线ST_ti和一条纵断面线SV_ti。两个相邻时刻纵断面线之间沿行车方向平移的距离也就是这两个相邻时刻横断面之间的距离。如图4、5所示a1，b1分别为t_i时刻的横断面和纵断面；a2、b2分别为t_i+1时刻的横断面和纵断面。由于扫描频率很高，两条相邻时刻的纵断面线的形状基本是一致的，SV_ti相对于SV_ti+1只是在行车方向有一 个位移D_ti，可以通过最邻近点迭代算法(ICP)将SV_ti+1与SV_ti进行匹配，从而求出D_ti。

最邻近点迭代算法步骤：

1)将SV_ti+1作为目标点集P{P_i，i＝1，2，..}，SV_ti作为参考点集Q{Q_i，i＝1，2，..}；

2)在目标点集P中取点集

3)计算求得参考点集Q中对应点集使

4)计算旋转矩阵R^k与平移向量T^k，使得

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{\left|\right|R^k{P}_i^k+T^k-Q_i^k\left|\right|}^2=\min ;$

5)计算 $P^{k+1}=\{P_i^{k+1}=R^k{P}_i^k+T^k,P_i^k\∈P\};$

6)计算 $d^{k+1}=\frac{1}{n}{\left|\right|P_i^{k+1}-Q_i^k\left|\right|}^2;$

7)如果d^k+1不小于给定的τ则返回到3)，直到d^k+1＜τ或迭代次数大于预设的最大的迭代次数为止。

根据每次迭代求得的平移向量之和可以得到SV_ti+1到SV_ti的平移向量T_ti，那么D_ti即为平移向量T_ti在行车方向的分量。

由于矿车规格一致，如图6所示为矿石表面横断面线，图7所示为车厢横断面线，图8所示为矿石的横断面，空车厢的横断面线已知，所以可以得到矿车内矿石的横断面。

横断面面积S可以由下面的公式求得：

$S={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\mathrm{\Δ}{S}_i$

如图9所示其中ΔS_i是断面线上第i个点，第i+1个点与车厢底面构成的微元面积，图10为微元面积。

ΔS_i可以由下面的公式求得：

ΔS_i＝(y_i+1-y_i)((x_i-h)+(x_i+1-h))/2 

其中x_i，y_i是横断面线上P_i点的坐标，x_i+1，y_i+1是横断面线上P_i+1点的坐标，h是已知的车厢底面距离地面的高度。

相邻时刻t_i～t_i+1的两个横断面可以构成一个横截面体，其体积ΔV_ti可以由断面法求得：

ΔV_ti＝D_ti(S_ti+S_ti+1)/2 

其中S_ti，S_ti+1分别为t_i，t_i+1时刻横断面面积，D_ti为这两个横断面之间的距离，如图11所示两个相邻时刻截面构成的截面体。

该节车厢矿石的总体积为

$V={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\mathrm{\Δ}{V}_i$

矿车在通过测量区域的出口过程中，安装在出口处的光电开光发射的激光由遮挡变为连通，光电开关状态由1变为0，信号被与之连接的网络继电器转换为数字信号后传送至控制终端，控制终端控制摄像头进行拍照。

首先通过前期实验建立比重-品位关系曲线，具体做法如下：

1)选取矿石块度、湿度具有代表性的车厢进行矿石体积、重量测量，计算出整节车厢矿石的平均比重；

2)对整节车厢矿石进行破碎，取样铲进行不间断随机取样；

3)完成破碎取样后采用二分法对样品进行缩分至所规定的重量(不少于200g)为止；

4)对缩分后的样品进行化验得到Fe品位，与该节车厢的平均比重组 成一个实验数据；

5)参考1)-4)的过程在不同的比重分布范围一共采集40个实验数据。 

6)将实验数据展到以比重为X轴，Fe品位为Y轴的坐标系中，可以得到比重-Fe品位散点分布图；

7)采用最小二乘线性回归对这些比重-Fe品位散点进行分段线性回归，可以得到Fe品位关于比重的分段线性函数；。

最小二乘分段线性回归的基本思想是利用最小二乘法对一组有序对进行分段直线拟合，使其误差平方和最小。假设函数f(1，s，e)的功能是对一组有序对(x_s，y_s)，(x_s+1，y_s+1)，Λ，(x_e，y_e)进行一条直线的最小二乘拟合，得到一条拟合直线y＝a₁₁*x+b₁₁，函数e(1，s，e)是对应的误差平方和；类似地f(k，s，e)，是对该有序对进行k条直线的最小二乘拟合，得到k条拟合直线y＝a_k1*x+b_k1，y＝a_k2*x+b_k2，…y＝a_kk*x+b_kk，e(k，s，e)是对应k条直线的误差平方和。其计算过程可以通过递归求得，步骤如下：

1)将有序对(x_s，y_s)，(x_s+1，y_s+1)，Λ，(x_e，y_e)分成两组

(x_s，y_s)，(x_s+1，y_s+1)，Λ，(x_i，y_i)和(x_i+1，y_i+1)，(x_i+2，y_i+2)，Λ，(x_e，y_e)；

其中i＝s+1，s+2，Λ，e-2；

2)分别求出e(1，s，i)和e(k，i+1，e)，计算

t(i)＝e(1，s，e)+e(k-1，i+1，e)；

3)求出t(i)的最小值t(min)，那么e(k，s，e)＝t(min)；

4)计算f(k，s，e)的具体过程为：

a)调用函数f(1，s，min)得到第一条最佳拟合直线

y＝a_k1*x+b_k1；

b)调用函数f(k-1，min+1，e)得到k-1条最佳拟合直线

y＝a_kj*x+b_kj，其中j＝2，3，Λ，k。

某矿点矿石比重-品位的实验数据如下：

如图12是比重-品位散点图。

分段线性回归后的分段函数为：

当比重x＜2.1时，品位y＝10.36*x-6.686

当比重2.1≤x＜2.4时，品位y＝40.52*x-67.029

当比重x＞2.4时，品位y＝17.89*x-9.778

矿车通过测量区域即可测量出矿石的重量M_矿石和体积V_矿石。矿石的比重ω可以由下式计算：

ω＝M_矿石/V_矿石

根据上面实验得到铁矿石比重-品位关系函数可以计算出矿石的品位。

当整列矿车全部通过测量区域时，测量数据被整理写入当前验收记录，然后存入数据库，同时控制终端向打印机发送打印指令打印当前验收单据。

本实用新型与现有技术相比较，具有以下显而易见的突出的实质性特点和显著技术进步：本实用新型提供一种铁矿石品位自动检测系统和方法，本实用新型采用垂直方向和平行方向的二维激光扫描仪高精度动态测量矿石的体积，本实用新型集成多种测量和智能控制设备，自动测量出矿石的比重，通过实验建立铁矿石比重与铁矿石品位之间的关系，然后根据比重反求铁矿石品位，最后将测量数据存入数据库并自动打印验收签证单据。本实用新型能够获取矿石表面高密度点云数据，能够快速准确的获取车厢内矿石的体积和重量，并且能够真实、快速的得到整车矿石的品位，解决了矿石品位人为贫化问题，大大节约了采样化验的人工成本，便于总结，使用方便。

以上所述仅为本实用新型的具体实施方案的详细描述，并不以此限制本实用新型，凡在本实用新型的设计思路上所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种铁矿石品位自动检测系统，其特征在于：包括安装在测量区域入口处的RFID读卡器(1)、红绿指示灯(2)、入口光电开关(3)和入口反射板(5)；在测量区域安装有动态轨道衡(8)，在测量区域上方测量区域出口边界处安装有扫描方向与轨道垂直的垂直方向二维激光扫描仪(10)和扫描方向与轨道平行的平行方向二维激光扫描仪(9)，安装在测量区域的网络摄像头(7)、出口光电开关(4)和出口反射板(6)；所述入口光电开关(3)和入口反射板(5)分别在轨道(12)的两侧，RFID读卡器(1)、红绿指示灯

(2)、入口光电开关(3)、垂直方向二维激光扫描仪(10)、平行方向二维激光扫描仪(9)、网络摄像头(7)以及出口光电开关(4)的电信号输入或输出端经信号处理器处理后或直接与计算机(11)的信号端口相连。

2.根据权利要求1所述的一种铁矿石品位自动检测系统，其特征在于：在机车(13)车厢侧面安装有可以被RFID读卡器(1)读取信息的电子标签，所述电子标签在发矿前写入了来矿的出矿点、矿石品种、发矿单位信息。

3.根据权利要求1所述的一种铁矿石品位自动检测系统，其特征在于：所述二维激光扫描仪的激光发射频率为36kHz，并且两个方向的测量信息是同步的。