專利名稱：一種非接觸式煤倉煤位光電測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種光電測量裝置，具體是一種非接觸式煤倉煤位深度測量的裝置，基于煤倉煤面圖像中激光光斑成像點與成像光路中心點的像素差，通過查詢預(yù)先標(biāo)定的深度表，獲取料倉內(nèi)各種物料(顆粒狀、粉末狀)料位深度的高可信度測量裝置，屬物位測量的技術(shù)領(lǐng)域。特別適用于礦井煤倉煤位的深度測量。該測量裝置主要由C⑶數(shù)字相機、 激光發(fā)射器、圖像處理器和圖像實時顯示系統(tǒng)組成。
背景技術(shù)：
煤倉煤位的深度檢測是煤礦安全生產(chǎn)的重要措施。多年來人們采用各種方法對煤倉煤位進(jìn)行檢測。常用的煤倉煤位的檢測方法有重錘式、電極式、電容式、機桿式、稱重式、 回轉(zhuǎn)翼輪式、雷達(dá)式、超聲波式、激光式、核子式等。其中重錘式、電極式、電容式、機桿式、稱重式和回轉(zhuǎn)翼輪式屬于接觸式測量方法，其余的為非接觸式測量方法?？梢赃M(jìn)行極限位置測量的方法有重錘式、電極式、核子式和激光式。這些方法在實際使用時有著不可克服的缺陷。①重錘式在測量時，當(dāng)往倉內(nèi)存煤時，由于原煤的粒度變化很大會將重錘埋死，使伺服電機無法將重錘提起，導(dǎo)致煤位計無法工作。并且由于時常受到煤流的沖擊，極易損壞， 使用壽命難以保證；②電極式在測量時，一對電極只能測某一煤位，原煤倉不同高度安裝的電極，可測相應(yīng)高度的煤位。煤的導(dǎo)電性取決于煤的種類和含水率，實際使用中，不同來源和季節(jié)的原煤，所含水分差別很大，這就導(dǎo)致不同原煤導(dǎo)電性變化非常大，往往使煤位計產(chǎn)生虛假信號，造成事故。③核子式料位儀不僅有難于解決的發(fā)射窗口污染問題，而且難以保證其輻射源的安全使用和保管，加上價格昂貴，難以推廣應(yīng)用；④激光式料位儀在檢測時， 雖然有一定的檢測精度，但在不同煤位時，電磁波反射角的變化較大，粗糙的煤面不僅有很強的吸波作用，還造成反射波的不規(guī)則散射，極大地影響了檢測精度。并且無法解決激光發(fā)射窗口的污染問題，難于發(fā)揮作用。因此，多年來這些技術(shù)中沒有哪一個是能夠保持長期、 穩(wěn)定、安全、可靠工作的。而且，上述方法都存在一個共同的缺點，就是在顯示煤位的同時不能顯示煤倉的現(xiàn)場實景，因此一旦受到某種影響導(dǎo)致料位信息不準(zhǔn)確時，就會誤導(dǎo)操作人員，發(fā)生事故。根據(jù)煤倉及煤表面的特點，研究一種新的煤位圖像的深度檢測裝置顯得十分重要。中國實用新型專利申請?zhí)?8227972. 8，
公開日2000. 1. 19，公開了一種煤倉煤位傳感器，該裝置利用潮濕煤的導(dǎo)電性對煤倉中的煤料位進(jìn)行檢測。該煤倉料位傳感器是在煤倉內(nèi)按照從上至下順序排列安裝極板，極板分多段成對安裝，且每一對極板獨立與控制儀器連接。當(dāng)兩極板間有煤時，控制儀器顯示出煤料位，當(dāng)沒有煤時則進(jìn)行報警，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，導(dǎo)電性能好，抗潮濕，適用于有濕料的料倉。但是煤的導(dǎo)電性取決于煤的種類和含水率，實際上使用中，不同來源和季節(jié)的原煤，所含水分差別很大，這就導(dǎo)致不同原煤導(dǎo)電性變化非常大，往往使煤位計產(chǎn)生虛假信號。若電極上或倉壁粘有太厚物料，會導(dǎo)致控制器誤動作，造成事故，需要定期檢查電極和料位開關(guān)動作情況并校驗。中國實用新型專利申請?zhí)?00920229717. 8，
公開日2009. 11. 10，授權(quán)日2010. 8. 11，公開了一種煤塔煤位信號檢測裝置，該裝置通過控制電路中電動機帶動重砣上下運動，同時磁感應(yīng)開關(guān)的計數(shù)器記錄重砣下降的高度以實現(xiàn)煤位測量。該裝置利用混合煤具有導(dǎo)電性能的特點，采用探測重砣直接接觸混合煤來采集煤位信號的工作方式，避免了混合煤粉塵對探測器的干擾。但是，當(dāng)往爐內(nèi)倉體存煤時，由于原煤的粒度變化很大會將重錘埋死，使伺服電機無法將重錘提起，導(dǎo)致煤位計無法工作。并且由于時常受到煤流的沖擊，極易發(fā)生掉錘頭、斷帶故障，使用壽命難以保證。中國實用新型專利申請?zhí)?0213502. 7，
公開日2000. 2. 17，授權(quán)日2001. 1.3，公開
了一種煤位顯控裝置，該裝置由支撐板、探桿、聯(lián)動桿、底座、受力板、隔爆控制箱、延時繼電器及信號指示燈組成。當(dāng)煤倉內(nèi)的煤達(dá)到設(shè)定的煤位時，煤擠壓受力板使探桿拉動聯(lián)動桿轉(zhuǎn)動一個角度，使隔爆控制箱內(nèi)的常開觸點受力閉合接通延時繼電器電源，同時接通滿倉信號指示燈電源，顯示滿倉。達(dá)到設(shè)定時間，輸送機斷電，空載停機，完成了煤位顯控裝置的定位顯示控制。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用維護(hù)方便，多用作粉狀物料料倉的料滿開關(guān)。但是機桿式每位測量裝置內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)容易落灰影響測量效果，機械磨損較嚴(yán)重，使用壽命不長， 故障率高，需經(jīng)常維護(hù)，花費較大。中國實用新型專利申請?zhí)?00820059845. 8，
公開日2009. 3. 4，公開了一種礦用激光測距是煤倉煤位傳感器。該裝置采用激光回波測距的方式，通過測量換能器發(fā)射和接收到聲波的時間，測量原煤倉的煤位高度，通過控制器計算出煤倉平均高度和煤量并輸出。該系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有氣流通道、空氣濾清器、引風(fēng)機、排塵窗口和防塵蓋板，不受介質(zhì)密度、導(dǎo)電性、 介電常數(shù)等影響，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，無灰塵堆積，適用于塊狀、顆粒狀、粉狀的固態(tài)料位測量。 但是激光測距必須借助于空氣作為傳播介質(zhì)，而空氣的溫度、濕度等變化會影響激光傳播速度，故在一些有溫度、壓力、蒸汽等場合，該料位計不能正常工作；由于煤炭的比重、顆粒度不一致，向煤倉中落煤時粉塵大，煤倉空氣中的粉塵對激光信號有較強的衰減，影響測量效果。鑒于此，當(dāng)前煤礦企業(yè)迫切需要一種新的煤倉煤位的測量裝置。本實用新型嘗試著通過計算激光光斑成像點與圖像中心點間的像素數(shù)，獲得深度信息，并將該測量裝置應(yīng)用在井下煤倉煤位的深度檢測中。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的接觸式煤倉煤位測量裝置機械磨損較嚴(yán)重，測量精度低，虛假信號頻發(fā)，非接觸式煤倉煤位測量裝置受粉塵影響大，回波信號衰減強的使用局限，以及不能實時顯示煤倉內(nèi)部煤位實景不足，本實用新型提供一種光電測量裝置，具體是一種非接觸式煤倉煤位深度測量的裝置，該裝置不僅能準(zhǔn)確的檢測煤倉煤位的深度信息，而且能方便地實時顯示當(dāng)前的煤倉內(nèi)部實景，避免出現(xiàn)空倉和滿倉的事故。本實用新型采用的技術(shù)方案是該裝置在筒狀煤倉主軸的內(nèi)頂部事先按照先驗信息安置固定好激光發(fā)射器和CCD數(shù)字相機的位置。具體是將數(shù)字相機安裝于煤倉內(nèi)頂部， 相機光路垂直于物料表面，確保相機的視場范圍能夠涵蓋整個煤倉內(nèi)的物料表面，數(shù)字相機采用N檔(N = 1，2，…，η)分段定焦，N次調(diào)節(jié)數(shù)字相機的焦距f和光圈F，以滿足在整個煤倉的不同煤位處，數(shù)字相機均能攝取較為清晰的圖像。此外，將激光發(fā)射器安裝于煤倉內(nèi)頂部，布置在與水平方向成θ角的位置，確保激光光斑點能夠投射在相機視場范圍內(nèi)的物料表面上。激光發(fā)射裝置采用長距離半導(dǎo)體激光發(fā)射器Trimble LL400，紅色點光源，圓型光斑模式。光電測量裝置夾角的設(shè)置滿足激光光路與相機光軸間的夾角90° -Θ的約束條件，即最小值大于0° ；最大值必須確保激光束在煤倉煤位的最低極限位置時仍然能夠投影在物料表面上，而不是投影到煤倉的倉壁上。圖像處理器采用DSP芯片TMS320C6416作為內(nèi)核，工作頻率為600MHz，使用通用USB 2. 0接口控制器CY7C68001對TMS320C6416進(jìn)行接口設(shè)計，將DSP處理過的煤位圖像信號實時傳到計算機中，計算激光光斑成像點與圖像中心點間的像素數(shù)，查詢預(yù)先標(biāo)定的對應(yīng)不同像素數(shù)均值的深度表，并通過DSP與PC機的網(wǎng)絡(luò)通訊完成煤倉煤位的深度檢測。該光電測量裝置將CXD數(shù)字相機、激光發(fā)射裝置、圖像處理器和圖像實時顯示系統(tǒng)封裝于一個具有透明視窗的防爆外殼中，透明視窗具有高壓水沖塵、高壓空氣沖塵，防塵刷刷塵措施。本實用新型的有益效果是，可以在準(zhǔn)確檢測煤倉煤位的深度信息的同時，方便地實時顯示當(dāng)前的煤倉內(nèi)部實景，避免出現(xiàn)空倉和滿倉的事故，并且配備防爆外殼和除塵裝置，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，無灰塵堆積。1.結(jié)構(gòu)簡單、精確度高。本實用新型的測量裝置由CCD數(shù)字相機，激光發(fā)射器和圖像處理器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單；基于圖像中激光光斑成像點與圖像中心像素點間的像素數(shù)，隨著煤倉煤位高低變化直接反映在圖像中，運用識別激光光斑成像點的圖像處理算法，查詢預(yù)先標(biāo)定的對應(yīng)不同像素數(shù)均值的深度表，確定煤倉煤位的深度值，精確度高。2.魯棒性好。本實用新型的測量裝置采用N檔(N = 1，2，…，η)分段定焦，N次調(diào)節(jié)數(shù)字相機的焦距f和光圈F，以滿足在整個煤倉的不同煤位處，數(shù)字相機均能攝取包含有激光光斑成像區(qū)域的清晰圖像，排除了因圖像散焦模糊而帶來的外在干擾，測量的魯棒性好。3.實時快速。本實用新型測量裝置中煤的深度信息是利用查詢預(yù)先標(biāo)定的對應(yīng)不同像素數(shù)均值的深度表，確定煤倉煤位的深度值，算法只計算以圖像中心像素點與激光光斑成像點之間的一小部分的像素差，很好保證了系統(tǒng)的高實時性。4.可視化效果好。本實用新型的測量裝置將激光光斑圖像的有效數(shù)據(jù)經(jīng)過同軸電纜和光纖傳輸至煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)分站和地面控制終端，完成煤倉煤位表面圖像的實時顯示，可視化效果好。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)一步說明。

圖1是本實用新型裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2是非接觸式煤倉煤位光電測量裝置硬件原理圖。圖3是圖像采集系統(tǒng)框圖。圖4是圖像遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)框圖。圖 5 是 TMS320C6416 與 EP1C6Q240 接口 電路圖。圖 6 是 TMS320C6416 與 XC95144XL 接口電路。圖中1.礦用本安型光纖攝像機XSN8KBA149，2.長距離半導(dǎo)體激光發(fā)射器Trimble LL400，3.成像中心像素點，4.具有透明視窗的防爆外殼，5.激光光路，6.相機光軸，7.筒狀煤倉，8.煤位上限位置，9.煤位下限位置，10.激光成像光斑，11.煤倉煤位表面，12.煤倉倉壁，13. DSP圖像處理芯片TMS320C6416。
具體實施方式
在圖1中，本實用新型裝置在筒狀煤倉(7)主軸的內(nèi)頂部，按照先驗信息(基線b， 夾角Θ)固定礦用本安型光纖攝像機XSN8KBA149(1)和長距離半導(dǎo)體激光發(fā)射器Trimble LL400(2)的位置。相機光軸(6)垂直于煤倉煤位表面(11)，確保相機(1)的視場范圍能夠涵蓋整個筒狀煤倉(7)內(nèi)的煤位表面(11)。數(shù)字相機(1)采用N檔(N = 1,2,…，η)分段定焦，N次調(diào)節(jié)數(shù)字相機⑴的焦距f和光圈F，以滿足在整個筒狀煤倉(7)的不同煤位 (11)處，數(shù)字相機(1)均能攝取較為清晰的圖像。將激光發(fā)射器(2)安裝于煤倉內(nèi)頂部， 激光光路(5)布置在與水平方向成θ角的位置，確保激光成像光斑(10)能夠投射在相機視場范圍內(nèi)的煤倉煤位表面(11)上。激光發(fā)射器(2)采用紅色點光源，圓型光斑模式。光電測量裝置夾角的設(shè)置滿足激光光路(5)與相機光軸(6)間夾角的約束條件，即最小值大于0° ；最大值必須確保激光束光路(5)在煤倉煤位的上限位置(8)或煤倉煤位的下限位置 (9)時仍然能夠投影在煤倉煤位表面(11)上，而不是投影到煤倉的倉壁(12)上。攝取的有效數(shù)字圖像信息送入DSP圖像處理器(13)中，圖像處理器采用DSP芯片TMS320C6416(13) 作為內(nèi)核，使用通用USB 2.0接口控制器CY7C68001(210)對DSP (13)進(jìn)行接口設(shè)計，將處理過的煤位圖像信號實時傳到PC機(301)中，并通過DSP的傳輸系統(tǒng)完成煤倉煤位的深度檢測。在圖2所示實施例中，采用DSP TMS320C6416 (13)作為圖像處理器內(nèi)核， CY7C68001 (210)是高速通用串行總線 USB 2. 0 的接口器件，IS61LV256 是 256K*16bitSRAMl 芯片(203)，STT39VF1601 是 lM*16bitFLASH(204)芯片。選用 FIFO CY7C68001 (210)緩存數(shù)據(jù)塊，實現(xiàn)DSP TMS320C6416(13)與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9220 (209)的接口，完成數(shù)據(jù)采集的智能控制。由DSP確定實時采樣或等效采樣的采樣時鐘頻率，由SRAMl (203)寫入時鐘。 采用FPGA EP1C6Q240芯片(208)，AD9220芯片(209)，在最佳采樣時鐘控制下，將轉(zhuǎn)換后的信號送到SDRAM中。其中，為擴展數(shù)據(jù)的存儲空間，提高讀寫速度，采用K4S641632 SDRAM 芯片(213)，提出一種基于FPGA EPIC6Q240(208)的SDRAM控制器的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)方法。為減輕FPGA I/O數(shù)量壓力，采用AD9220(209)串行轉(zhuǎn)換芯片，將FPGA接受的用戶輸入電路偏置電平、觸發(fā)電平校準(zhǔn)控制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號去控制輸入電路和觸發(fā)電路。運用可調(diào)節(jié)電平觸發(fā)方式采用高速比較器AD96685、LM1881器件將觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換成方波觸發(fā)信號。采用 CPLD EPM1270T144 (205)、SRAM IDT71V416L_10PH(206)以及 TFT PT35TN01 (207)組成實時顯示模塊。在圖3所示實施例中，本實用新型裝置選用礦用本安型光纖攝像機 XSN8KBA149(1)來采集圖像，使用本安外殼將固體ICX205AL型CCD傳感器與激光發(fā)射器 (2)融合在一起，密閉于具有透明視窗的防爆外殼(4)中。煤倉被測煤位表面(12)通過玻璃視窗經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在攝像頭的CCD傳感器上，然后輸出信號本安傳輸至AD9220型A/ D (301)轉(zhuǎn)換器，所轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)再經(jīng)DSP TMS320C6416(13)預(yù)處理，通過USB2. 0接口器件 CY7C68001(210)對 TMS320C6416 (13)進(jìn)行接口設(shè)計，實現(xiàn) DSP (13)和 PC (301)機通信，將 DSP處理過的圖像信號實時傳輸?shù)絇C機(301)進(jìn)行存儲、顯示或進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等，完成了圖像采集和實時傳輸?shù)倪^程。[0026]在圖4所示實施例中，圖像信號的遠(yuǎn)距離傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控過程是在光發(fā)射機 (402)、光纖(403)和光接收機(404)三者之間進(jìn)行的在筒狀煤倉(7)內(nèi)將礦用本安型光纖攝像機XSN8KBA149(1)采集來的數(shù)字圖像信號通過視頻同軸電纜SYV75-9 (401)，在 HX-0T1310系列光發(fā)射機(402)內(nèi)產(chǎn)生調(diào)制光信號，使用單模光纖(403)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸。采用HX-0RT14光工作站(404)完成光信號到電信號的變換。將轉(zhuǎn)換后的電信號通過視頻同軸電纜SYV75-9 (401)送往監(jiān)視器TFT-LCD (405)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。在圖5所示實施例中，采用標(biāo)準(zhǔn)串行總線USB CY7C68001 (210)，結(jié)合RS-422 (212) 接口，實現(xiàn)可編程邏輯器件FPGA(208)和數(shù)字信號處理器DSP(13)接口設(shè)計。FPGA(208)在使用時都需要外接一個PROM(201)保存其程序，通過RS-422(212)的輸入端口接在現(xiàn)場圖像信息采集裝置上，將采集到的圖像數(shù)據(jù)通過數(shù)字信號處理器DSP TMS320C6416(13)、可編程邏輯器件FPGA EP1C6Q240(208)、標(biāo)準(zhǔn)串行總線USB CY7C68001 (210)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后傳輸給PC (301)進(jìn)行處理。在圖6所示實施例中，通過DSP的外部存儲器接口實現(xiàn)DSPTMS320C6416(13)與 CPLD XC95144XL(205)的連接。通過IS管腳擴展到外部I/O空間，數(shù)據(jù)總線的高8位和地址總線的低8位與CPLD相連，并且將DSP的CLKOUT引腳與CPLD的I0/GCK2連接，為CPLD 提供時鐘源。利用CPLD對液晶顯示和各種狀態(tài)指示燈進(jìn)行控制，在TFT-LCD(207)允許的速度下進(jìn)行操作，達(dá)到顯示目的。
權(quán)利要求1.一種非接觸式煤倉煤位光電測量裝置，由C⑶數(shù)字相機、激光發(fā)射裝置及圖像處理器組成，其特征是數(shù)字相機采用N檔(N = 1，2，. . .，n)分段定焦，激光發(fā)射裝置采用長距離半導(dǎo)體激光發(fā)射器Trimble LL400，紅色點光源，圓型光斑模式；圖像處理器采用DSP芯片 TMS320C6416作為內(nèi)核，工作頻率為600MHz，將DSP處理過的煤位圖像信號實時傳到計算機中，并通過DSP與PC機的網(wǎng)絡(luò)通訊完成煤倉煤位的深度檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式煤倉煤位光電測量裝置，其特征是將數(shù)字相機安裝于煤倉頂部，相機光路垂直于物料表面，確保相機的視場范圍能夠涵蓋整個煤倉內(nèi)的物料表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式煤倉煤位光電測量裝置，其特征是將激光發(fā)射器安裝于煤倉頂部，布置在與水平方向成夾角θ的位置，確保激光光斑點能夠投射在相機視場范圍內(nèi)的物料表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式煤倉煤位光電測量裝置，其特征是滿足激光光路與相機光軸間的夾角90° -Θ的約束條件，即最小值大于0° ；最大值必須確保激光束在煤倉煤位的最低極限位置時仍然能夠投影在物料表面上，而不是投影到煤倉的倉壁上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式煤倉煤位光電測量裝置，其特征是將數(shù)字相機、激光發(fā)射器以及圖像處理器置于一個具有透明視窗的防爆外殼中，透明視窗具有高壓水沖塵、高壓空氣沖塵，防塵刷刷塵措施。
專利摘要一種能夠測量煤倉煤位深度的非接觸式光電測量裝置。它是在筒狀煤倉主軸的內(nèi)頂部固定數(shù)字相機和激光發(fā)射器的位置，使相機光路垂直于物料表面，確保相機的視場范圍能夠涵蓋整個煤倉內(nèi)的物料表面，將激光發(fā)射器布置在與水平方向成θ角的位置，確保激光光斑點能夠投射在相機視場范圍內(nèi)的物料表面上。數(shù)字相機采用N檔(N＝1，2，...，n)分段定焦調(diào)節(jié)焦距f和光圈F，以滿足在整個煤倉的不同煤位處，均能攝取清晰的圖像；激光發(fā)射裝置采用長距離半導(dǎo)體激光發(fā)射器Trimble LL400，紅色點光源，圓型光斑模式。圖像處理器采用DSP芯片TMS320C6416作為內(nèi)核，通過計算激光光斑成像點與圖像中心點間的像素數(shù)，查詢預(yù)先標(biāo)定的對應(yīng)不同像素數(shù)均值的深度表，完成煤倉煤位的深度檢測。
文檔編號G01F23/292GK202066558SQ201020564898
公開日2011年12月7日 申請日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月18日
發(fā)明者孫繼平, 江靜 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)