CN210894021U - 基于图像的矿井粉尘监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于图像的矿井粉尘监测装置，所述装置主要包括光源、彩色图像采集设备和控制设备，采用开放气室，不需抽气泵和粉尘处理设备，彩色图像采集设备采集光源图像，利用红外光和蓝色光亮度值差值进行粉尘监测，可有效抑制彩色摄像机灵敏度变化、水雾和污物等对系统监测值的干扰，无需调零和系统灵敏度标定，灵敏度高、便于安装维护；本实用新型还包括自动清洗镜头罩和光源罩的装置等，进一步保障了系统监测数据的准确性，特别适用于井下多尘环境，具有广阔的应用空间。

Description

基于图像的矿井粉尘监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于图像的矿井粉尘监测装置，该装置涉及数字图像处理技术、自动控制技术和数据处理技术等领域。

背景技术

煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产，其中煤尘爆炸事故破坏大、人员死亡高，所以矿井粉尘监测是煤矿安全生产的重要保障，也是尘肺病防治的重要措施。目前矿井粉尘监测技术主要包括：摩擦静电法、光散射法、光吸收法、电容法、β射线法、超声波法、微波法。电容法的测量原理简单，但电容测量值与浓度之间并非一一对应的线性关系，电容的测量值易受相分布及流型变化的影响，导致较大的测量误差。β射线法虽然测量准确，但需要对粉尘进行采样后对比测量，很难实现粉尘浓度的在线监测。超声波法、微波法测量粉尘浓度还处于试验研究阶段，市场上成型产品较少。目前市场上主要采用光散射法、光吸收法、摩擦电法进行粉尘浓度在线监测。光散射法和光吸收法需通过抽气泵采集含粉尘的空气、并对空气中的粉尘颗粒进行处理后灌入封闭气室，在气室内进行检测，设备结构复杂，使用和维护成本高。摩擦电法受风速影响大。为保证准确可靠地对矿井粉尘进行监测，需要新的结构简单，使用和维护成本低、检测准确的新的矿井粉尘监测技术。

实用新型内容

随着数字图像处理技术的提高，使基于图像的数据处理技术得到很大的发展，在此基础上，本实用新型提出了一种适合广泛推广的基于图像的矿井粉尘监测装置，所述装置包括光源、彩色图像采集设备、控制设备；在矿井巷道的两侧巷帮分别设置光源和彩色图像采集设备，光源照向彩色图像采集设备；所述光源包括红外发光元件、蓝色发光元件和透明光源罩；所述彩色图像采集设备为将焦距与光圈固定，且关闭图像采集设备的自动白平衡功能的彩色摄像机，包括透明镜头罩；所述控制设备负责控制红外发光元件、蓝色发光元件依次独立发光，并控制设备控制图像采集设备分别采集包含光源的图像，控制设备根据图像光源区域的红外光、蓝色光的亮度值的差值进行粉尘测量。

1.所述矿井粉尘监测装置进一步包括清洗镜头罩和光源罩的设备，间隔设定时间由控制设备自动控制所述设备进行镜头罩和光源罩清洗，所述设备包括，通过清洗液和自动清洗刷的清洗设备、自动超声清洗设备、高压水设备或高压空气设备。

2.所述矿井粉尘监测装置进一步包括湿度传感器，控制设备根据湿度值对检测得到粉尘浓度进行修正。

3.所述矿井粉尘监测装置进一步包括：装置使用前，需通过人工测距或通过激光测距仪自动测距，测量光源和图像采集设备的距离。

4.所述矿井粉尘监测装置进一步包括：所述控制设备进行粉尘测所需的红外光、蓝色光的亮度值的差值与粉尘浓度的关系，是在无尘密闭环境中模拟不同浓度的粉尘测量得到

本实用新型达到的有益效果：本实用新型的矿井粉尘测量采用开放气室，不需抽气泵和粉尘处理设备，直接通过图像处理完成粉尘检测，装置结构简单；利用红外光和蓝色光亮度值差值进行粉尘监测，可有效抑制彩色摄像机灵敏度变化、水雾和污物等对装置监测值的干扰，无需调零和装置灵敏度标定，灵敏度高、便于安装维护；本实用新型还包括自动清洗镜头罩和光源罩的设备，进一步保障了装置监测数据的准确性，特别适用于井下多尘环境，具有广阔的应用空间。

附图说明

图1基于图像的矿井粉尘监测装置实施示例结构原理图。

图2基于图像的矿井粉尘监测装置的控制器实施示例结构原理图。

图3基于图像的矿井粉尘监测装置工作流程图。

图4基于图像的矿井粉尘监测装置获得粉尘测量经验关系式的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

所述基于图像的矿井粉尘监测装置实施示例如图1所示，装置组成包括：

1.控制器(101)，为装置的核心控制和数据处理设备，负责对光源、摄像机、光源罩清洗设备、镜头罩清洗设备进行控制，采集湿度传感器的湿度数据和摄像机的视频图像数据并进行处理，实现粉尘监测、光源罩和镜头罩清洗等工作，还负责与井上设备通信，将粉尘监测数据发送至井上设备，接收井上设备发送的控制指令。控制器具有无线或有线通信接口，用于采集人工对装置测距时所需的相关数据。控制器具有显示屏和按钮，用于数据和工作状态显示。控制器有报警元件，具有声光报警功能。

2.湿度传感器(102)，通过通信线缆连接控制器，为控制器提供湿度数据。

3.光源(103)，包括红外光和蓝色发光元件，可受控独立发光，可采用红外LED和蓝色LED。光源带有光源罩。

4.光源罩清洗设备(104)，用于清洗光源罩的设备，可采用清洗液和自动清洗刷、自动超声清洗设备、高压水设备或高压空气设备清洗。光源罩清洗设备与控制器通过通信线缆连接，受控制器控制工作。

5.镜头罩清洗设备(105)，用于清洗摄像机的镜头罩的设备，与光源罩清洗设备(104)原理相同，可采用清洗液和自动清洗刷、自动超声清洗设备、高压水设备或高压空气设备清洗。光源罩清洗设备与控制器通过通信线缆连接，受控制器控制工作。

6.摄像机(106),即彩色图像采集设备，可采集可见光彩色图像和红外图像，带有镜头罩。

所述矿井粉尘测量装置控制器实施示例如图2所示：

1.核心处理单元(201)，为控制器的数据处理和接口单元，具有数据处理、控制和通信功能，具有无线和网络通信接口及USB通信接口，安装有操作装置，采用微型主机模块，如树莓派主机模块。核心处理单元通过无线网络通信接口、有线网络通信接口、或USB通信接口连接摄像机，实现视频图像采集和摄像机的控制。

2.控制模块(202)通过USB连接核心处理单元(201)，具有开关量控制接口和数字通信接口，受核心处理单元控制通过开关量控制接口实现对光源(103)、光源罩清洗设备(104)、镜头罩清洗设备(105)的控制功能；通过数字通信接口连接湿度传感器(102)。

3.显示屏(203)通过显示屏接口连接核心处理单元(201)，显示粉尘数据及装置工作状态，也为装置测距、调零及灵敏度标定提供显示服务。

4.键盘(204)通过USB接口连接核心处理单元(201)，为装置设置、测距等提供所需的人机交互服务。

5.电源单元(203)，为核心处理单元(201)和显示屏(203)供电。

基于图像的矿井粉尘监测装置的工作流程实施示例如图2所示：

(301)人工测距或通过激光测距仪自动测量光源与图像采集设备之间的距离l，由控制器采集距离数据；

(302)关闭图像采集设备的自动白平衡功能，将焦距与光圈固定，锁定摄像机参数；

(303)人工或自动清洗镜头罩和光源罩；

(304)控制设备控制光源的红外光发光元件发光；

(305)控制设备控制摄像机采集包含红外光源的图像；

(306)对光源图像进行处理，获得光源区域的红外光亮度；

(307)控制设备控制光源的蓝色发光元件发光；

(308)控制设备控制摄像机采集包含蓝色光源的图像；

(309)对光源图像进行处理，获得光源区域的蓝色光亮度；

(310)根据红外光亮度和蓝色光亮度的差和粉尘测量经验关系式，得到粉尘浓度经验值；

(311)根据光源与图像采集设备之间的距离对粉尘浓度经验值进行修正，得到粉尘浓度值。

基于图像的矿井粉尘监测装置获得的粉尘测量经验关系式的工作流程实施示例如图4所示，光源和彩色图像采集设备为用于现场的设备或与现场设备型号及参数完全相同的设备。

(401)在无尘密闭环境中，在设定间隔距离分别设置光源罩无尘的光源和镜头罩无尘的彩色图像采集设备，光源照向彩色图像采集设备；

(402)关闭图像采集设备的自动白平衡功能，将焦距与光圈固定，锁定摄像机参数；

(403)控制设备控制光源的红外光发光元件发光；

(404)控制彩色图像采集设备采集包含红外光源的图像；

(405)对包含红外光源的图像进行处理，获得光源区域红外光亮度；

(406)控制设备控制光源的蓝色发光元件发光；

(407)控制彩色图像采集设备采集包含蓝色光源的图像；

(408)对包含蓝色光源的图像进行处理，获得光源区域蓝色光亮度；

(409)记录红外光亮度和蓝色光亮度的差值；

(410)在密闭环境中喷射不同浓度的粉尘与空气混合气体，使粉尘浓度分别达到低到高的设定值；

(411)控制设备控制光源的红外光发光元件发光；

(412)控制彩色图像采集设备采集包含红外光的图像；

(413)对包含红外光的图像进行处理，获得光源区域红外光亮度；

(414)控制设备控制光源的蓝色发光元件发光；

(415)控制彩色图像采集设备采集包含蓝色光的图像；

(416)对包含蓝色光的图像进行处理，获得光源区域蓝色光亮度；

(417)记录红外光亮度和蓝色光亮度的差值；

(418)根据所有记录的红外光亮度和蓝色光亮度的差值，得到不同粉尘设定值与该设定值下红外光亮度和蓝色光亮度的差值对应数据表；

(419)对步骤(418)得到的对应数据表和(409)得到的无尘红外光亮度和蓝色光亮度的差值进行处理，拟合得到以粉尘设定值为因变量，以红外光亮度和蓝色光亮度的差值为自变量的粉尘测量经验关系式。

Claims (5)

1.基于图像的矿井粉尘监测装置，其特征在于：所述装置包括光源、彩色图像采集设备、控制设备；在矿井巷道的两侧巷帮分别设置光源和彩色图像采集设备，光源照向彩色图像采集设备；所述光源包括红外发光元件、蓝色发光元件和透明光源罩；所述彩色图像采集设备为将焦距与光圈固定，且关闭图像采集设备的自动白平衡功能的彩色摄像机，包括透明镜头罩；所述控制设备负责控制红外发光元件、蓝色发光元件依次独立发光，并控制设备控制图像采集设备分别采集包含光源的图像，控制设备根据图像光源区域的红外光、蓝色光的亮度值的差值进行粉尘测量。

2.如权利要求1所述的矿井粉尘监测装置，其特征在于：所述装置还包括清洗镜头罩和光源罩的设备，间隔设定时间由控制设备自动控制所述设备进行镜头罩和光源罩清洗，所述设备包括，通过清洗液和自动清洗刷的清洗设备、自动超声清洗设备、高压水设备或高压空气设备。

3.如权利要求1所述的矿井粉尘监测装置，其特征在于：所述装置还包括湿度传感器，控制设备根据湿度值对检测得到粉尘浓度进行修正。

4.如权利要求1所述的矿井粉尘监测装置，其特征在于：装置使用前，需通过人工测距或通过激光测距仪自动测距，测量光源和图像采集设备的距离。

5.如权利要求1所述的矿井粉尘监测装置，其特征在于：所述控制设备进行粉尘测所需的红外光、蓝色光的亮度值的差值与粉尘浓度的关系，是在无尘密闭环境中模拟不同浓度的粉尘测量得到。

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