专利名称：一种非接触式煤仓煤位光电测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光电测量装置，具体是一种非接触式煤仓煤位深度测量的装置，基于煤仓煤面图像中激光光斑成像点与成像光路中心点的像素差，通过查询预先标定的深度表，获取料仓内各种物料(颗粒状、粉末状)料位深度的高可信度测量装置，属物位测量的技术领域。特别适用于矿井煤仓煤位的深度测量。该测量装置主要由C⑶数字相机、 激光发射器、图像处理器和图像实时显示系统组成。
背景技术：
煤仓煤位的深度检测是煤矿安全生产的重要措施。多年来人们采用各种方法对煤仓煤位进行检测。常用的煤仓煤位的检测方法有重锤式、电极式、电容式、机杆式、称重式、 回转翼轮式、雷达式、超声波式、激光式、核子式等。其中重锤式、电极式、电容式、机杆式、称重式和回转翼轮式属于接触式测量方法，其余的为非接触式测量方法。可以进行极限位置测量的方法有重锤式、电极式、核子式和激光式。这些方法在实际使用时有着不可克服的缺陷。①重锤式在测量时，当往仓内存煤时，由于原煤的粒度变化很大会将重锤埋死，使伺服电机无法将重锤提起，导致煤位计无法工作。并且由于时常受到煤流的冲击，极易损坏， 使用寿命难以保证；②电极式在测量时，一对电极只能测某一煤位，原煤仓不同高度安装的电极，可测相应高度的煤位。煤的导电性取决于煤的种类和含水率，实际使用中，不同来源和季节的原煤，所含水分差别很大，这就导致不同原煤导电性变化非常大，往往使煤位计产生虚假信号，造成事故。③核子式料位仪不仅有难于解决的发射窗口污染问题，而且难以保证其辐射源的安全使用和保管，加上价格昂贵，难以推广应用；④激光式料位仪在检测时， 虽然有一定的检测精度，但在不同煤位时，电磁波反射角的变化较大，粗糙的煤面不仅有很强的吸波作用，还造成反射波的不规则散射，极大地影响了检测精度。并且无法解决激光发射窗口的污染问题，难于发挥作用。因此，多年来这些技术中没有哪一个是能够保持长期、 稳定、安全、可靠工作的。而且，上述方法都存在一个共同的缺点，就是在显示煤位的同时不能显示煤仓的现场实景，因此一旦受到某种影响导致料位信息不准确时，就会误导操作人员，发生事故。根据煤仓及煤表面的特点，研究一种新的煤位图像的深度检测装置显得十分重要。中国实用新型专利申请号98227972. 8，
公开日2000. 1. 19，公开了一种煤仓煤位传感器，该装置利用潮湿煤的导电性对煤仓中的煤料位进行检测。该煤仓料位传感器是在煤仓内按照从上至下顺序排列安装极板，极板分多段成对安装，且每一对极板独立与控制仪器连接。当两极板间有煤时，控制仪器显示出煤料位，当没有煤时则进行报警，该传感器结构简单，导电性能好，抗潮湿，适用于有湿料的料仓。但是煤的导电性取决于煤的种类和含水率，实际上使用中，不同来源和季节的原煤，所含水分差别很大，这就导致不同原煤导电性变化非常大，往往使煤位计产生虚假信号。若电极上或仓壁粘有太厚物料，会导致控制器误动作，造成事故，需要定期检查电极和料位开关动作情况并校验。中国实用新型专利申请号200920229717. 8，
公开日2009. 11. 10，授权日2010. 8. 11，公开了一种煤塔煤位信号检测装置，该装置通过控制电路中电动机带动重砣上下运动，同时磁感应开关的计数器记录重砣下降的高度以实现煤位测量。该装置利用混合煤具有导电性能的特点，采用探测重砣直接接触混合煤来采集煤位信号的工作方式，避免了混合煤粉尘对探测器的干扰。但是，当往炉内仓体存煤时，由于原煤的粒度变化很大会将重锤埋死，使伺服电机无法将重锤提起，导致煤位计无法工作。并且由于时常受到煤流的冲击，极易发生掉锤头、断带故障，使用寿命难以保证。中国实用新型专利申请号00213502. 7，
公开日2000. 2. 17，授权日2001. 1.3，公开
了一种煤位显控装置，该装置由支撑板、探杆、联动杆、底座、受力板、隔爆控制箱、延时继电器及信号指示灯组成。当煤仓内的煤达到设定的煤位时，煤挤压受力板使探杆拉动联动杆转动一个角度，使隔爆控制箱内的常开触点受力闭合接通延时继电器电源，同时接通满仓信号指示灯电源，显示满仓。达到设定时间，输送机断电，空载停机，完成了煤位显控装置的定位显示控制。该装置结构简单，使用维护方便，多用作粉状物料料仓的料满开关。但是机杆式每位测量装置内部机械结构容易落灰影响测量效果，机械磨损较严重，使用寿命不长， 故障率高，需经常维护，花费较大。中国实用新型专利申请号200820059845. 8，
公开日2009. 3. 4，公开了一种矿用激光测距是煤仓煤位传感器。该装置采用激光回波测距的方式，通过测量换能器发射和接收到声波的时间，测量原煤仓的煤位高度，通过控制器计算出煤仓平均高度和煤量并输出。该系统内设有气流通道、空气滤清器、引风机、排尘窗口和防尘盖板，不受介质密度、导电性、 介电常数等影响，测量数据准确，无灰尘堆积，适用于块状、颗粒状、粉状的固态料位测量。 但是激光测距必须借助于空气作为传播介质，而空气的温度、湿度等变化会影响激光传播速度，故在一些有温度、压力、蒸汽等场合，该料位计不能正常工作；由于煤炭的比重、颗粒度不一致，向煤仓中落煤时粉尘大，煤仓空气中的粉尘对激光信号有较强的衰减，影响测量效果。鉴于此，当前煤矿企业迫切需要一种新的煤仓煤位的测量装置。本实用新型尝试着通过计算激光光斑成像点与图像中心点间的像素数，获得深度信息，并将该测量装置应用在井下煤仓煤位的深度检测中。
发明内容为了克服现有的接触式煤仓煤位测量装置机械磨损较严重，测量精度低，虚假信号频发，非接触式煤仓煤位测量装置受粉尘影响大，回波信号衰减强的使用局限，以及不能实时显示煤仓内部煤位实景不足，本实用新型提供一种光电测量装置，具体是一种非接触式煤仓煤位深度测量的装置，该装置不仅能准确的检测煤仓煤位的深度信息，而且能方便地实时显示当前的煤仓内部实景，避免出现空仓和满仓的事故。本实用新型采用的技术方案是该装置在筒状煤仓主轴的内顶部事先按照先验信息安置固定好激光发射器和CCD数字相机的位置。具体是将数字相机安装于煤仓内顶部， 相机光路垂直于物料表面，确保相机的视场范围能够涵盖整个煤仓内的物料表面，数字相机采用N档(N = 1，2，…，η)分段定焦，N次调节数字相机的焦距f和光圈F，以满足在整个煤仓的不同煤位处，数字相机均能摄取较为清晰的图像。此外，将激光发射器安装于煤仓内顶部，布置在与水平方向成θ角的位置，确保激光光斑点能够投射在相机视场范围内的物料表面上。激光发射装置采用长距离半导体激光发射器Trimble LL400，红色点光源，圆型光斑模式。光电测量装置夹角的设置满足激光光路与相机光轴间的夹角90° -Θ的约束条件，即最小值大于0° ；最大值必须确保激光束在煤仓煤位的最低极限位置时仍然能够投影在物料表面上，而不是投影到煤仓的仓壁上。图像处理器采用DSP芯片TMS320C6416作为内核，工作频率为600MHz，使用通用USB 2. 0接口控制器CY7C68001对TMS320C6416进行接口设计，将DSP处理过的煤位图像信号实时传到计算机中，计算激光光斑成像点与图像中心点间的像素数，查询预先标定的对应不同像素数均值的深度表，并通过DSP与PC机的网络通讯完成煤仓煤位的深度检测。该光电测量装置将CXD数字相机、激光发射装置、图像处理器和图像实时显示系统封装于一个具有透明视窗的防爆外壳中，透明视窗具有高压水冲尘、高压空气冲尘，防尘刷刷尘措施。本实用新型的有益效果是，可以在准确检测煤仓煤位的深度信息的同时，方便地实时显示当前的煤仓内部实景，避免出现空仓和满仓的事故，并且配备防爆外壳和除尘装置，测量数据准确，无灰尘堆积。1.结构简单、精确度高。本实用新型的测量装置由CCD数字相机，激光发射器和图像处理器构成，结构简单；基于图像中激光光斑成像点与图像中心像素点间的像素数，随着煤仓煤位高低变化直接反映在图像中，运用识别激光光斑成像点的图像处理算法，查询预先标定的对应不同像素数均值的深度表，确定煤仓煤位的深度值，精确度高。2.鲁棒性好。本实用新型的测量装置采用N档(N = 1，2，…，η)分段定焦，N次调节数字相机的焦距f和光圈F，以满足在整个煤仓的不同煤位处，数字相机均能摄取包含有激光光斑成像区域的清晰图像，排除了因图像散焦模糊而带来的外在干扰，测量的鲁棒性好。3.实时快速。本实用新型测量装置中煤的深度信息是利用查询预先标定的对应不同像素数均值的深度表，确定煤仓煤位的深度值，算法只计算以图像中心像素点与激光光斑成像点之间的一小部分的像素差，很好保证了系统的高实时性。4.可视化效果好。本实用新型的测量装置将激光光斑图像的有效数据经过同轴电缆和光纤传输至煤矿井下监控系统分站和地面控制终端，完成煤仓煤位表面图像的实时显示，可视化效果好。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型装置的结构原理图。图2是非接触式煤仓煤位光电测量装置硬件原理图。图3是图像采集系统框图。图4是图像远程传输系统框图。图 5 是 TMS320C6416 与 EP1C6Q240 接口 电路图。图 6 是 TMS320C6416 与 XC95144XL 接口电路。图中1.矿用本安型光纤摄像机XSN8KBA149，2.长距离半导体激光发射器Trimble LL400，3.成像中心像素点，4.具有透明视窗的防爆外壳，5.激光光路，6.相机光轴，7.筒状煤仓，8.煤位上限位置，9.煤位下限位置，10.激光成像光斑，11.煤仓煤位表面，12.煤仓仓壁，13. DSP图像处理芯片TMS320C6416。
具体实施方式
在图1中，本实用新型装置在筒状煤仓(7)主轴的内顶部，按照先验信息(基线b， 夹角Θ)固定矿用本安型光纤摄像机XSN8KBA149(1)和长距离半导体激光发射器Trimble LL400(2)的位置。相机光轴(6)垂直于煤仓煤位表面(11)，确保相机(1)的视场范围能够涵盖整个筒状煤仓(7)内的煤位表面(11)。数字相机(1)采用N档(N = 1,2,…，η)分段定焦，N次调节数字相机⑴的焦距f和光圈F，以满足在整个筒状煤仓(7)的不同煤位 (11)处，数字相机(1)均能摄取较为清晰的图像。将激光发射器(2)安装于煤仓内顶部， 激光光路(5)布置在与水平方向成θ角的位置，确保激光成像光斑(10)能够投射在相机视场范围内的煤仓煤位表面(11)上。激光发射器(2)采用红色点光源，圆型光斑模式。光电测量装置夹角的设置满足激光光路(5)与相机光轴(6)间夹角的约束条件，即最小值大于0° ；最大值必须确保激光束光路(5)在煤仓煤位的上限位置(8)或煤仓煤位的下限位置 (9)时仍然能够投影在煤仓煤位表面(11)上，而不是投影到煤仓的仓壁(12)上。摄取的有效数字图像信息送入DSP图像处理器(13)中，图像处理器采用DSP芯片TMS320C6416(13) 作为内核，使用通用USB 2.0接口控制器CY7C68001(210)对DSP (13)进行接口设计，将处理过的煤位图像信号实时传到PC机(301)中，并通过DSP的传输系统完成煤仓煤位的深度检测。在图2所示实施例中，采用DSP TMS320C6416 (13)作为图像处理器内核， CY7C68001 (210)是高速通用串行总线 USB 2. 0 的接口器件，IS61LV256 是 256K*16bitSRAMl 芯片(203)，STT39VF1601 是 lM*16bitFLASH(204)芯片。选用 FIFO CY7C68001 (210)缓存数据块，实现DSP TMS320C6416(13)与高速模数转换器AD9220 (209)的接口，完成数据采集的智能控制。由DSP确定实时采样或等效采样的采样时钟频率，由SRAMl (203)写入时钟。 采用FPGA EP1C6Q240芯片(208)，AD9220芯片(209)，在最佳采样时钟控制下，将转换后的信号送到SDRAM中。其中，为扩展数据的存储空间，提高读写速度，采用K4S641632 SDRAM 芯片(213)，提出一种基于FPGA EPIC6Q240(208)的SDRAM控制器的数据采集实现方法。为减轻FPGA I/O数量压力，采用AD9220(209)串行转换芯片，将FPGA接受的用户输入电路偏置电平、触发电平校准控制信号转换为模拟信号去控制输入电路和触发电路。运用可调节电平触发方式采用高速比较器AD96685、LM1881器件将触发信号转换成方波触发信号。采用 CPLD EPM1270T144 (205)、SRAM IDT71V416L_10PH(206)以及 TFT PT35TN01 (207)组成实时显示模块。在图3所示实施例中，本实用新型装置选用矿用本安型光纤摄像机 XSN8KBA149(1)来采集图像，使用本安外壳将固体ICX205AL型CCD传感器与激光发射器 (2)融合在一起，密闭于具有透明视窗的防爆外壳(4)中。煤仓被测煤位表面(12)通过玻璃视窗经光学系统成像在摄像头的CCD传感器上，然后输出信号本安传输至AD9220型A/ D (301)转换器，所转换的数据再经DSP TMS320C6416(13)预处理，通过USB2. 0接口器件 CY7C68001(210)对 TMS320C6416 (13)进行接口设计，实现 DSP (13)和 PC (301)机通信，将 DSP处理过的图像信号实时传输到PC机(301)进行存储、显示或进行数据分析等，完成了图像采集和实时传输的过程。[0026]在图4所示实施例中，图像信号的远距离传输和远程监控过程是在光发射机 (402)、光纤(403)和光接收机(404)三者之间进行的在筒状煤仓(7)内将矿用本安型光纤摄像机XSN8KBA149(1)采集来的数字图像信号通过视频同轴电缆SYV75-9 (401)，在 HX-0T1310系列光发射机(402)内产生调制光信号，使用单模光纤(403)实现远距离信号传输。采用HX-0RT14光工作站(404)完成光信号到电信号的变换。将转换后的电信号通过视频同轴电缆SYV75-9 (401)送往监视器TFT-LCD (405)，实现远程监控。在图5所示实施例中，采用标准串行总线USB CY7C68001 (210)，结合RS-422 (212) 接口，实现可编程逻辑器件FPGA(208)和数字信号处理器DSP(13)接口设计。FPGA(208)在使用时都需要外接一个PROM(201)保存其程序，通过RS-422(212)的输入端口接在现场图像信息采集装置上，将采集到的图像数据通过数字信号处理器DSP TMS320C6416(13)、可编程逻辑器件FPGA EP1C6Q240(208)、标准串行总线USB CY7C68001 (210)进行转换，最后传输给PC (301)进行处理。在图6所示实施例中，通过DSP的外部存储器接口实现DSPTMS320C6416(13)与 CPLD XC95144XL(205)的连接。通过IS管脚扩展到外部I/O空间，数据总线的高8位和地址总线的低8位与CPLD相连，并且将DSP的CLKOUT引脚与CPLD的I0/GCK2连接，为CPLD 提供时钟源。利用CPLD对液晶显示和各种状态指示灯进行控制，在TFT-LCD(207)允许的速度下进行操作，达到显示目的。
权利要求1.一种非接触式煤仓煤位光电测量装置，由C⑶数字相机、激光发射装置及图像处理器组成，其特征是数字相机采用N档(N = 1，2，. . .，n)分段定焦，激光发射装置采用长距离半导体激光发射器Trimble LL400，红色点光源，圆型光斑模式；图像处理器采用DSP芯片 TMS320C6416作为内核，工作频率为600MHz，将DSP处理过的煤位图像信号实时传到计算机中，并通过DSP与PC机的网络通讯完成煤仓煤位的深度检测。
2.根据权利要求1所述的非接触式煤仓煤位光电测量装置，其特征是将数字相机安装于煤仓顶部，相机光路垂直于物料表面，确保相机的视场范围能够涵盖整个煤仓内的物料表面。
3.根据权利要求1所述的非接触式煤仓煤位光电测量装置，其特征是将激光发射器安装于煤仓顶部，布置在与水平方向成夹角θ的位置，确保激光光斑点能够投射在相机视场范围内的物料表面上。
4.根据权利要求1所述的非接触式煤仓煤位光电测量装置，其特征是满足激光光路与相机光轴间的夹角90° -Θ的约束条件，即最小值大于0° ；最大值必须确保激光束在煤仓煤位的最低极限位置时仍然能够投影在物料表面上，而不是投影到煤仓的仓壁上。
5.根据权利要求1所述的非接触式煤仓煤位光电测量装置，其特征是将数字相机、激光发射器以及图像处理器置于一个具有透明视窗的防爆外壳中，透明视窗具有高压水冲尘、高压空气冲尘，防尘刷刷尘措施。
专利摘要一种能够测量煤仓煤位深度的非接触式光电测量装置。它是在筒状煤仓主轴的内顶部固定数字相机和激光发射器的位置，使相机光路垂直于物料表面，确保相机的视场范围能够涵盖整个煤仓内的物料表面，将激光发射器布置在与水平方向成θ角的位置，确保激光光斑点能够投射在相机视场范围内的物料表面上。数字相机采用N档(N＝1，2，...，n)分段定焦调节焦距f和光圈F，以满足在整个煤仓的不同煤位处，均能摄取清晰的图像；激光发射装置采用长距离半导体激光发射器Trimble LL400，红色点光源，圆型光斑模式。图像处理器采用DSP芯片TMS320C6416作为内核，通过计算激光光斑成像点与图像中心点间的像素数，查询预先标定的对应不同像素数均值的深度表，完成煤仓煤位的深度检测。
文档编号G01F23/292GK202066558SQ201020564898
公开日2011年12月7日 申请日期2010年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者孙继平, 江静 申请人:中国矿业大学(北京)