一种图像式矿石流量检测方法与装置

技术领域

本发明涉及一种图像式矿石流量检测方法与装置，更具体地，涉及一种通过图像分割和计算，获得输送皮带速度和矿石截面面积，并结合矿石堆积密度和流量系数计算输送皮带的矿石流量，属于矿物加工检测领域。

背景技术

矿石流量是矿物加工工业最为重要的参数，需要进行在线检测。目前，矿物加工工业输送皮带的矿石流量检测方法和装置主要有电子皮带秤和核子皮带秤。电子皮带秤通过测量一定长度输送皮带的矿石重量，并结合输送皮带的速度计算矿石流量；核子皮带秤则利用放射性同位素产生的r射线穿透矿石时，r射线衰减量与矿石厚度和密度有关的特性，通过测量剩余r射线的强度和结合输送皮带速度来计算矿石流量。电子皮带秤检测精度容易受输送皮带的长度、有曲线段、跑偏、张力变化等因素影响，电子皮带秤的使用条件要求较为苛刻，输送皮带太长或太短都不适合使用电子皮带秤，有曲线段的输送皮带也会造成较大的检测误差，有的输送皮带张力变化大或容易跑偏，造成很大检测误差甚至无法正常检测。核子皮带秤虽然不受皮带长度、皮带跑偏和张力变化等因素影响，但由于r射线穿透矿石时的衰减量与矿石厚度、矿石密度以及矿石吸附系数成对数关系，当被测矿石截面形状或矿石分布均匀度变化时，即使矿石质量相同而r射线穿透矿石后的衰减程度也有很大差别，从而造成很大的检测误差，因此，对于输送皮带矿石截面形状变化较大、矿石分布不均匀、矿石成分变化大的情况，核子皮带秤也会产生很大的误差。

为克服现有电子皮带秤容易受输送皮带的长度、有曲线段、跑偏、张力变化等因素的影响，以及核子皮带秤容易受矿石截面形状变化、矿石分布不均匀、矿石成分变化的影响，本发明在已获得发明专利授权的“一种图像皮带秤检测装置及其方法(CN105509848B)”的基础上作进一步的创新，提出了更先进的一种图像式矿石流量检测方法与装置。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种图像式矿石流量检测方法与装置，本发明为完全非接触式的检测，无需测速器和对比尺，以摄像头动态采集的图像为主要依据，进行矿石流量的检测，检测精度更高，适应性更强。

本发明技术方案是：一种图像式矿石流量检测方法与装置，包括检测主机1、摄像头2、罩子28、条光源21、皮带23、输出辊筒27、辊筒轴25、测速环24、测速标志26、矿石截面29；所述皮带23的输出辊筒27的前方安装摄像头2，皮带23安装在输出辊筒27上，输出辊筒27的辊筒轴25与传动机构连接；所述输出辊筒27的侧面安装一个测速环24，测速环24上均匀地标有测速标志26；摄像头2与检测主机20连接，条光源21与检测主机20连接，条光源21设置在输出辊筒27上方。

进一步地，所述摄像头2轴线与皮带23的平面重合，用于确保采集的图像能包括矿石截面29、皮带23、测速环24、辊筒轴25、测速标志26和输出辊筒27。

进一步地，为了尽量减少外部光线对检测的影响，用罩子28将输出辊筒27连同条光源21、和测速环24一起罩住，摄像头2通过罩子28上的开孔采集内部图像。

所述条光源21上开有一条窄缝，输出的光线刚好照在输出辊筒27的前半部分。

所述摄像头2与检测主机20连接的通信方式为以太网，条光源21受检测主机20控制。

进一步地，所述检测主机20包括定时采集图像模块3、数字图像缓存模块4、数字图像动态分割5、像素面积计算模块7、矿石截面像素计算模块9、皮带速度计算模块11、矿石截面面积计算模块12、矿石流量计算模块14；

所述定时采集图像模块3用于图像采集与预处理；

所述数字图像缓存模块4用于采集的图像进行缓存；

所述数字图像动态分割5用于进行图像分割；

所述像素面积计算模块7用于进行像素面积计算；

所述矿石截面像素计算模块9用于进行矿石截面像素计算；

所述皮带速度计算模块11用于进行皮带速度计算；

所述矿石截面面积计算模块12用于进行矿石截面面积计算；

所述矿石流量计算模块14用于进行矿石流量计算。

通过上述检测功能模块的协同作用，以摄像头2采集的图像为基本依据，共同完成对矿石流量的在线检测。

一种图像式矿石流量检测方法，所述方法包括图像采集与预处理、图像分割、皮带速度、像素面积和矿石截面面积的计算、矿石流量计算、流量系数校准。

进一步地，所述图像采集与预处理的步骤包括：

步骤A1、打开条光源21，光线通过长条窄缝照射在输出辊筒27上，并在矿石22、皮带23和测速环24上形成光带；

步骤A2、通过摄像头2获取输送皮带输出端1的图像并输送到检测主机20，通过定时采集图像模块3将采集的阵列数字图像保存在检测主机20内存中，直到下一个检测周期刷新。

进一步地，所述图像分割的具体步骤如下：

步骤B1、通过数字图像动态分割5作用，利用测速环24图像与其它图像部分的像素属性有着很大反差的特点，将测速环24图像分割开来，并形成测速环图像10；

步骤B2、通过数字图像动态分割5作用，利用输出辊筒27图像轮廓、辊筒轴25与其它图像属性存在很大反差的特点，将输出辊筒27的图像轮廓分割开来，并形成输出辊筒图像6；

步骤B3、通过数字图像动态分割5作用，采用基于阀值的图像分析方法，以条光源21照射在被测矿石22上的区域边界线作为被测矿石截面的上边界线，以输出辊筒27顶端两边皮带23的连线作为被测矿石截面的下边界线，将被测矿石截面图像分割开来，并形成矿石截面图像8。

进一步地，所述皮带速度、像素面积和矿石截面面积的计算的步骤包括：

步骤C1、通过皮带速度计算模块11的作用，获得一定时间测速标志26的变化个数，利用测速标志26与皮带23实际长度之间存在一定对应关系的特点，计算皮带23运行的皮带速度；

步骤C2、通过像素面积计算模块7，利用输出辊筒27的图像轮廓尺寸与实际尺寸有一定对应关系的特点，分别计算水平方向像素和垂直方向像素对应的实际长度，水平方向单位像素对应的实际长度乘以垂直方向单位像素对应的实际长度即可获得单位像素对应的实际面积；

步骤C3、通过矿石截面像素计算模块9计算被测矿石截面图像的总像素数；

步骤C4、通过矿石截面面积计算模块12，结合矿石截面像对应的总像素数、单位像素对应的实际面积，计算矿石截面像对应的总面积。

进一步地，所述矿石流量计算方法为：

矿石瞬时流量的计算公式为：

q＝KdSV

其中q为矿石瞬时流量(kg/s)；K为流量系数；d为矿石堆积密度(g/cm

在检测周期内矿石平均流量的计算公式为：

其中，Q为平均流量，T为检测周期，N为瞬时流量数据个数,Δt为图像采样时间。

进一步地，所述流量系数校准的步骤为：

步骤D1、假设校准前流量系数为K

步骤D2、称量一定质量的矿石W，并将该矿石通过输送皮带均匀输出；

步骤D3、在矿石输出过程中，对矿石流量进行检测，获得的矿石流量累积值为W

步骤D4、流量系数K的计算公式为：K＝K

本发明的有益效果是：

1.与现有电子皮带秤比较，本发明的检测精度不受输送皮带的长度、有曲线段、跑偏、张力变化等因素影响，精度更高，适应性更强。

2.与现有核子皮带秤比较，本发明不受矿石截面形状变化、矿石成分变化的影响，无需放射源，无需防辐射措施，使用更安全环保，安装更方便，制造成本和使用成本更低。

3.仅通过摄像头即可进行矿石流量检测，可以实现输送皮带矿石流量的完全非接触式检测，因此可适用于温度高、腐蚀性强等场合。

4.本发明不仅适用于常规的输送皮带的矿石流量检测，也可以适用于其它矿石输送设备(如链板输送带、皮带给矿机等)的矿石流量检测。

附图说明

图1是本发明的检测方法流程图；

图2是本发明的装置结构示意图；

图3是本发明的装置正面示意图。

图1-3中各标号：1-输送带输出端，2-摄像头，3-定时采集图像模块，4-数字图像缓存模块，5-数字图像动态分割，6-输出辊筒图像，7-像素面积计算模块，8-矿石截面图像，9-矿石截面像素计算模块，10-测速环图像，11-皮带速度计算模块，12-矿石截面面积计算模块，13-矿石堆积密度与流量系数，14-矿石流量计算模块，15-矿石流量参数，20-检测主机，21-条光源，22-矿石，23-皮带，24-测速环，25-辊筒轴，26-测速标志，27-输出辊筒，28-罩子，29-矿石截面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：对某铅锌矿选矿厂皮带给矿机输出矿石进行流量检测，矿石粒度为10mm以下，皮带宽度为500mm，皮带速度范围为1.2～1.5m/s，矿石的堆积密度为2.1g/cm

检测装置的硬件配置为:

检测主机20的配置为：CPU为i7 9700F，内存16G，硬盘512G，100/1000M以太网，USB3.0，17英寸LCD显示器；摄像头2选型为网络式，网速1000M，分辨率为1920*1080；测速环24直径与输出辊筒27相同，宽度为2cm，颜色为荧光白色；测速标志26设有4个，颜色为荧光黄色；条光源21为白光，长度为650mm；输出辊筒27直径为320mm，长度为600mm。

检测装置的设计方案为:

包括检测主机1、摄像头2、罩子28、条光源21、皮带23、输出辊筒27、辊筒轴25、测速环24、测速标志26、矿石截面29；所述皮带23的输出辊筒27的前方安装摄像头2，皮带23安装在输出辊筒27上，输出辊筒27的辊筒轴25与传动机构连接；所述输出辊筒27的侧面安装一个测速环24，测速环24上均匀地标有测速标志26；摄像头2与检测主机20连接，条光源21与检测主机20连接，条光源21设置在输出辊筒27上方。

进一步地，所述摄像头2轴线与皮带23的平面重合，用于确保采集的图像能包括矿石截面29、皮带23、测速环24、辊筒轴25、测速标志26和输出辊筒27。

进一步地，为了尽量减少外部光线对检测的影响，用罩子28将输出辊筒27连同条光源21、和测速环24一起罩住，摄像头2通过罩子28上的开孔采集内部图像。

所述条光源21上开有一条窄缝，输出的光线刚好照在输出辊筒27的前半部分。

所述摄像头2与检测主机20连接的通信方式为以太网，条光源21受检测主机20控制。

进一步地，所述检测主机20包括定时采集图像模块3、数字图像缓存模块4、数字图像动态分割5、像素面积计算模块7、矿石截面像素计算模块9、皮带速度计算模块11、矿石截面面积计算模块12、矿石流量计算模块14；

所述定时采集图像模块3用于图像采集与预处理；

所述数字图像缓存模块4用于采集的图像进行缓存；

所述数字图像动态分割5用于进行图像分割；

所述像素面积计算模块7用于进行像素面积计算；

所述矿石截面像素计算模块9用于进行矿石截面像素计算；

所述皮带速度计算模块11用于进行皮带速度计算；

所述矿石截面面积计算模块12用于进行矿石截面面积计算；

所述矿石流量计算模块14用于进行矿石流量计算。

通过上述检测功能模块的协同作用，以摄像头2采集的图像为基本依据，共同完成对矿石流量的在线检测。

本发明的矿石流量检测方法包括：图像采集与预处理，图像分割，皮带速度、像素面积和矿石截面面积的计算，矿石流量计算，流量系数校准，共五个部分。

图像采集与预处理的步骤为：

(1)打开条光源21，光线通过长条窄缝照射在输出辊筒27上，并在矿石22、皮带23和测速环24上形成光带，光带长为650mm，宽为30mm。

(2)通过摄像头2获取皮带输出端的图像并输送到检测主机20，通过定时采集图像模块3将采集的阵列数字图像保存在检测主机20内存中，直到下一个检测周期刷新，检测周期为2s。

图像分割的步骤为：

(1)通过数字图像动态分割5作用，利用测速环24图像与其它图像部分的像素属性有着很大反差的特点，将测速环24图像分割开来，并形成测速环图像10。

(2)通过数字图像动态分割5作用，利用输出辊筒27图像轮廓、辊筒轴25与其它图像属性存在很大反差的特点，将输出辊筒27的图像轮廓分割开来，并形成输出辊筒图像6,输出辊筒图像6长为600mm，宽为320mm。

(3)通过数字图像动态分割5作用，采用基于阀值的图像分析方法，以条光源21照射在被测矿石22上的区域边界线作为被测矿石截面的上边界线，以输出辊筒27顶端两边皮带23的连线作为被测矿石截面的下边界线，将被测矿石截面图像分割开来，并形成矿石截面图像8。

皮带速度、像素面积和矿石截面面积的计算步骤为：

(1)通过皮带速度计算模块11的作用，获得2s时间内测速标志26的变化个数为10，测速标志26之间对应的皮带23实际长度为0.2512m。

皮带速度＝10×0.2512÷2＝1.256(m/s)。

(2)通过像素面积计算模块7，利用输出辊筒27的图像轮廓尺寸与实际尺寸有一定对应关系的特点，分别计算水平方向像素和垂直方向像素对应的实际长度。假设输出辊筒27的图像规格为：长＝1000像素，宽＝800像素。

水平方向像素长度＝600÷1000＝0.6(mm)＝0.06(cm)

垂直方向像素长度＝320÷800＝0.4(mm)＝0.04(cm)

单位像素对应的实际面积＝0.06×0.04＝0.0024(cm

(3)通过矿石截面像素计算模块9计算被测矿石截面图像的总像素数。为了便于说明，本例子假设某一时刻矿石截面图像的总像素数80000。

(4)通过矿石截面面积计算模块12，结合矿石截面像对应的总像素数、单位像素对应的实际面积，计算矿石截面像对应的总面积。

矿石截面面积＝80000×0.0024＝192(cm

矿石流量的计算方法为：

矿石瞬时流量的计算：

q＝KdSV＝0.083×2.1×192×1.256＝42.03(kg/s)

其中,q为矿石瞬时流量(kg/s)；假设K＝0.083；d＝2.1g/cm

在检测周期内矿石平均流量的计算为(为了便于计算，假设q＝42.03kg/s，为恒定值)：

其中，Q为平均流量，T＝2s，N＝20，Δt＝0.1s。

流量系数的校准步骤为：

一种图像式矿石流量检测方法与装置，在使用前和使用过程中需要对流量系数K进行校准。其校准步骤为：

(1)假设校准前流量系数为K

(2)称量一定质量的矿石W＝100kg，并将该矿石通过输送皮带均匀输出；

(3)在矿石输出过程中，本发明对矿石流量进行检测，获得的矿石流量累积值为W

(4)流量系数K的计算为：K＝K

实施例2：对某选矿厂精矿脱水车间对输送皮带输出的锌精矿矿粉进行流量检测，矿粉粒度为0.1mm以下，皮带宽度为500mm，皮带速度范围为0.8～1.2m/s，矿粉的堆积密度为2.3g/cm

检测装置的硬件配置为:

检测主机20的配置为：CPU为i7 8700，内存16G，硬盘256G，100/1000M以太网，USB3.0，LCD显示器为19英寸；摄像头2选型为网络式，网速1000M，分辨率为1280*960；测速环24直径与输出辊筒27相同，宽度为2.5cm，颜色为荧光白色；测速标志26设有4个，颜色为荧光黄色；条光源21为白光，长度为650mm；输出辊筒27直径为400mm，长度为600mm。

本实施例检测装置的设计方案、检测功能模块组成与实施例1相同。

本发明的矿石流量检测方法包括：图像采集与预处理，图像分割，皮带速度、像素面积和矿石截面面积的计算，矿石流量计算，流量系数校准，共五个部分。

图像采集与预处理的步骤为：

(1)打开条光源21，光线通过长条窄缝照射在输出辊筒27上，并在矿石22、皮带23和测速环24上形成光带，光带长为650mm，宽为40mm。

(2)通过摄像头2获取输出辊筒27的图像信号，通过定时采集图像模块3将采集的阵列数字图像保存在检测主机20内存中，直到下一个检测周期刷新，检测周期为3s。

图像分割的步骤为：

(1)通过数字图像动态分割5作用，利用测速环24图像与其它图像部分的像素属性有着很大反差的特点，将测速环24图像分割开来，并形成测速环图像10。

(2)通过数字图像动态分割5作用，利用输出辊筒27图像轮廓、辊筒轴25与其它图像属性存在很大反差的特点，将输出辊筒27的图像轮廓分割开来，并形成输出辊筒图像6,输出辊筒图像6长为600mm，宽为400mm。

(3)通过数字图像动态分割5作用，采用基于阀值的图像分析方法，以条光源21照射在被测矿石22上的区域边界线作为被测矿石截面的上边界线，以输出辊筒27顶端两边皮带23的连线作为被测矿石截面的下边界线，将被测矿石截面图像分割开来，并形成矿石截面图像8。

皮带速度、像素面积以及矿石截面面积计算的步骤为：

(1)通过皮带速度计算模块11的作用，获得3s时间内测速标志26的变化个数为9，测速标志26之间对应的皮带23实际长度为0.314m。

皮带速度＝9×0.314÷3＝0.942(m/s)。

(2)通过像素面积计算模块7，利用输出辊筒27的图像轮廓尺寸与实际尺寸有一定对应关系的特点，分别计算水平方向像素和垂直方向像素对应的实际长度。假设输出辊筒27的图像规格为：长＝1000像素，宽＝800像素。

水平方向像素长度＝600÷1200＝0.5(mm)＝0.05(cm)

垂直方向像素长度＝400÷750＝0.533(mm)＝0.0533(cm)

单位像素对应的实际面积＝0.05×0.0533＝0.002665(cm

(3)通过矿石截面像素计算模块9计算被测矿石截面图像的总像素数。为了便于说明，本例子假设某一时刻矿石截面图像的总像素数60000。

(4)通过矿石截面面积计算模块12，结合矿石截面像对应的总像素数、单位像素对应的实际面积，计算矿石截面像对应的总面积。

矿石截面面积＝60000×0.002665＝159.9(cm

矿石流量计算的方法为：

矿石瞬时流量的计算为：

q＝KdSV＝0.04×2.3×159.9×0.942＝13.86(kg/s)

其中,q为矿石瞬时流量(kg/s)；假设K＝0.04；d＝2.3g/cm

在检测周期内矿石平均流量的计算为(为了便于计算，假设q＝13.86kg/s，为恒定值)：

其中，Q为平均流量，T＝3s，N＝30，Δt＝0.1s。

流量系数的校准步骤为：

一种图像式矿石流量检测方法与装置，在使用前和使用过程中需要对流量系数K进行校准。其校准步骤为：

(1)假设校准前流量系数为K

(2)称量一定质量的矿石W＝150kg，并将该矿石通过输送皮带均匀输出；

(3)在矿石输出过程中，本发明对矿石流量进行检测，获得的矿石流量累积值为W

(4)流量系数K的计算为：K＝K

检测装置的硬件配置为:

检测主机20的配置为：CPU为i7 10700F，内存32G，硬盘1T，100/1000M以太网，USB3.0，LCD显示器为23.8英寸；摄像头2选型为网络式，网速1000M，分辨率为1920*1080；测速环24直径与输出辊筒27相同，宽度为3cm，颜色为荧光白色；测速标志26设有4个，颜色为荧光红色；条光源21为白光，长度为800mm；输出辊筒27直径为500mm，长度为750mm。

本实施例检测装置的设计方案、检测功能模块组成与实施例1相同。

本发明的矿石流量检测方法包括：图像采集与预处理，图像分割，皮带速度、像素面积和矿石截面面积的计算，矿石流量计算，流量系数校准，共五个部分。

图像采集与预处理的步骤为：

(1)打开条光源21，光线通过长条窄缝照射在输出辊筒27上，并在矿石22、皮带23和测速环24上形成光带，光带长为800mm，宽为50mm。

(2)通过摄像头2获取输出辊筒27的图像信号，通过定时采集图像模块3将采集的阵列数字图像保存在检测主机20内存中，直到下一个检测周期刷新，检测周期为4s。

图像分割的步骤为：

(1)通过数字图像动态分割5作用，利用测速环24图像与其它图像部分的像素属性有着很大反差的特点，将测速环24图像分割开来，并形成测速环图像10。

(2)通过数字图像动态分割5作用，利用输出辊筒27图像轮廓、辊筒轴25与其它图像属性存在很大反差的特点，将输出辊筒27的图像轮廓分割开来，并形成输出辊筒图像6,输出辊筒图像6长为750mm，宽为500mm。

(3)通过数字图像动态分割5作用，采用基于阀值的图像分析方法，以条光源21照射在被测矿石22上的区域边界线作为被测矿石截面的上边界线，以输出辊筒27顶端两边皮带23的连线作为被测矿石截面的下边界线，将被测矿石截面图像分割开来，并形成矿石截面图像8。

皮带速度、像素面积以及矿石截面面积的计算步骤为：

(1)通过皮带速度计算模块11的作用，获得4s时间内测速标志26的变化个数为16，测速标志26之间对应的皮带23实际长度为0.3925m。

皮带速度＝16×0.3925÷4＝1.57(m/s)。

(2)通过像素面积计算模块7，利用输出辊筒27的图像轮廓尺寸与实际尺寸有一定对应关系的特点，分别计算水平方向像素和垂直方向像素对应的实际长度。假设输出辊筒27的图像规格为：长＝1000像素，宽＝800像素。

水平方向像素长度＝750÷1500＝0.5(mm)＝0.05(cm)

垂直方向像素长度＝500÷800＝0.625(mm)＝0.0625(cm)

单位像素对应的实际面积＝0.05×0.0625＝0.003125(cm

(3)通过矿石截面像素计算模块9计算被测矿石截面图像的总像素数。为了便于说明，本例子假设某一时刻矿石截面图像的总像素数120000。

(4)通过矿石截面面积计算模块12，结合矿石截面像对应的总像素数、单位像素对应的实际面积，计算矿石截面像对应的总面积。

矿石截面面积＝120000×0.003125＝375(cm

矿石流量的计算方法为：

矿石瞬时流量的计算为：

q＝KdSV＝0.06×1.95×375×1.57＝68.88(kg/s)

其中,q为矿石瞬时流量(kg/s)；假设K＝0.06；d＝1.95g/cm

在检测周期内矿石平均流量的计算为(为了便于计算，假设q＝68.88kg/s，为恒定值)：

其中，Q为平均流量，T＝4s，N＝20，Δt＝0.2s。

流量系数的校准步骤为：

一种图像式矿石流量检测方法与装置，在使用前和使用过程中需要对流量系数K进行校准。其校准步骤为：

(1)假设校准前流量系数为K

(2)称量一定质量的矿石W＝1000kg，并将该矿石通过输送皮带均匀输出；

(3)在矿石输出过程中，本发明对矿石流量进行检测，获得的矿石流量累积值为W

(4)流量系数K的计算为：K＝K

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。