專利名稱：基于光學測量的連續傳送長物體體積重量測量方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及測試計量技術及儀器，具體涉及到采用非接觸光學方法進行連續傳送長物體的截面積、體積及重量的測量技木。
背景技術：
測量連續傳送的物體重量的方法有很多種，天平法，彈簧拉伸壓縮及應變計法等。利用這些方法的測量儀器裝在傳送待測物體的傳送機中途，將測得的單位長度上該物體的重量求積分，可以得到所要求長度的該物體的重量。這些測量方法對于剛性長物體是不適用的或者測量精度不高。
專利CN85106686A介紹了ー種連續傳送長物體的連續測量方法，能較好的解決該問題，它的測量原理是采用在傳送帶上方或者兩側布置距離傳感器，測量傳送帶物體上表面輪廓點到傳感器的距離，側面距離傳感器用于測量側面凹陷部分寬度，進而求解整個橫截面面積、體積和重量。發明需要密布很多距離傳感器或者需要傳感器沿固定方向來回移動，測量效率低，或者成本較高，并且該發明僅對放置于傳送帶上物體有效，而對于鋼坯類僅在傳送輥上移動的具有腐蝕性或高溫等物體，該方法有較大的局限。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于光學測量的連續傳送長物體體積和/或重量測量方法；進ー步本發明提供用于該方法的測量系統。此外，本發明提供一種結合該檢測系統的生產系統，該系統可用于連續傳送的長物體的精確分割，比如鋼錠或者粉狀物體，如面粉或煤粉等。所述基于光學測量的連續傳送長物體體積和/或重量測量方法，包括在被測量連續傳送長物體的周圍一定距離內，設置I個或多個光投射器和I個或多個圖像傳感器，圖像傳感器通過總線與數據處理系統連接，該數據處理系統處理由圖像傳感器獲得的圖像數據，并結合傳送速度和物體密度數據計算得到待測物體的體積和/或重量。其中，所述光投射器投射的光是一字光線，所述光投射器如圖4所示，投射光線為一字型光線即一字光線，一字光線在被測量物體表面形成光條。光投射器的數量可以是I個或多個，數量可根據待稱量物體的橫截面的形狀決定，優選1，2，3，4或5個。例如，當待稱量物體的橫截面為底邊為直線，且光能投射到除底面以外的所有的地方時，如扇形、半圓形或類似的結構變形，僅需要I個光投射器即可，如圖3所示。而規則的圓形需要2個光平面投射器設置在対稱的位置即可，三角形或方形則可能需要3個或更多光投射器。光投射器并非需要嚴格垂直于傳輸方向，斜著投射亦可。如果使用多于ー個的光投射器投射，那么投射在物體表面的一字光線需要調整到ー個平面上，該平面與被測量物體的傳送方向垂直或接近垂直。當然，所述光投射器的數量由實際測量情況、經濟性以及便攜性等因素決定，只要滿足光投射器投射的一字光線在被測量物體表面形成一個封閉光環即可。光投射器的設置一般為均勻設置。上述光投射器由光源和透鏡組成，優選激光器或者高亮度光源與透鏡組成，透鏡的作用是將點光源拉長成一字光線，所述透鏡是柱狀棱鏡或其它能夠將點光源變成一字光線的透鏡。所述圖像傳感器用于獲取一字光線在被測量物體表面形成光條圖像。圖像傳感器的數量同樣需要根據實際情況決定，只要能滿足圖像傳感器拍到的光條圖像拼接起來是ー個封閉的結構即可，比如，待稱量物體的橫截面為底邊為直線的扇形、半圓形或類似形狀僅需要I個圖像傳感器即可。待稱量物體的橫截面為規則的圓形則需要2個圖像傳感器設置在対稱的位置即可，三角形或方形則可能需要3個或更多圖像傳感器。當然為了提高精確度，可以多設置幾個圖像傳感器。圖像傳感器數量選擇以及設置位置可參考光投射器的設置，一般為均勻設置。所述圖像傳感器是攝像機，優選面陣CCD攝像機、面陣CMOS攝像機，或者類似的能感光的平面傳感器，特別優選面陣CCD攝像機。所述數據處理器系統對所述圖像傳感器獲取的光條圖像信息進行處理，以獲得光投射處的橫截面積。具體操作包括，數據處理系統通過總線控制圖像傳感器，通過圖像傳感器攝像模型，獲取光條在傳感器坐標系中的坐標位置，并計算獲得被測量物體整個橫截面的形狀曲線，從而精確計算出橫截面面積，計算得到光條在系統坐標系中的坐標，采用面積積分法計算被測量物體在光投射處的橫截面的面積，當被測量物體連續移動通過光投射器的一字光線所在平面時，在被測量物體移動方向上進行連續積分，計算出被測量物體通過光投射處平面的體積，進而計算出重量。所述數據處理系統是計算機或嵌入式單片機(ARM)和數據處理軟件構成，數據處理軟件包括圖像采集模塊、圖像數據處理模塊和計算橫截面面積、體積和/或重量的模塊構成。為便于數據處理并且為獲得準確的信息，多個圖像傳感器與光投射器的參數優選事先標定，并將各個圖像傳感器與光投射器的坐標系統統一到一個坐標系統下。本專利請求保護針對連續傳送長物體的體積重量測量系統，該系統包括在被測量連續傳送長物體的傳送方向的垂直或接近垂直平面上設置的I個、2個或多個光投射器和I個、2個或多個圖像傳感器，和用于圖像數據處理的數據處理系統。所述系統工作原理包括，由圖像傳感器獲取投射在連續傳送長物體表面的光條圖像，數據處理系統對總線傳回的圖像信息進行處理，計算光條圖像點在傳感器坐標系中的坐標位置，采用面積積分得到被測量物體在光投射處的橫截面的面積，精確計算出橫截面面積，當被測量物體連續移動通過光投射器的一字光線所在平面時，在被測量物體移動方向上進行連續積分，計算出被測量物體通過光投射處平面的體積，進而計算出重量。 所述光投射器、圖像傳感器和數據處理系統的定義與選擇與上述方法中的各種定義和選擇一致。所述體積重量測量系統用于上述連續傳送長物體的體積重量測量方法。為進一歩獲得更精確的檢測效果，本發明可以在進行測量前，對光投射器和攝像 機系統進行參數標定。標定的參數包括光投射器的一字線激光所在平面參數，攝像機的焦距，成像平面中心，鏡頭畸變系數及比例因子等。本發明涉及的檢測方法和檢測系統特別適合測量連續傳送的長物體，物體的橫截面面積不一定規則、不一定連續變化的情況，且因為表面不可接觸，如高溫，高腐蝕或者接觸后即發生形變等原因，無法及時進行體積重量測量。具體試用的領域包括熱軋鋼坯等物體的體積重量測量，對于粉末狀，如面粉、煤粉類傳送系統，也可以采用此系統。
本發明進一步保護安裝所述檢測系統的，并依據該檢測系統指令而進行準確體積質量分割的生產設備。進ー步保護ー種鋼錠切割系統，該系統包括在鋼錠傳送裝置與鋼錠切割機之間安裝所述的體積重量測量系統，根據鋼錠傳送帶的運動速度，確定鋼錠從光投射器投射的一字光線所在平面到切割機之間的時間，鋼錠通過該光線所在平面時系統連續采集并計算出通過該平面的橫截面面積、體積和/或重量，當達到預設體積和/或重量吋，驅動切割機切斷鋼錠，即可得到準確需要切割的體積重量的鋼錠。本發明保護ー種煤粉分割系統，該系統包括在煤粉傳送裝置與煤粉分割系統之間安裝本發明提供的體積重量測量系統，根據煤粉傳送帶的運動速度，確定煤粉從光投射器投射的一字光線所在平面到切割機之間的時間，煤粉通過該平面時系統連續采集并計算出通過該平面的橫截面面積、體積和/或重量，當達到 預設體積和/或重量時，系統驅動分割機停止煤粉傳送裝置，即可得到準確需要分割傳送的體積重量的煤粉。同現有技術相比，本發明的優勢為將光投射器和圖像傳感器用于測量連續傳送的長物體，特別是無法接觸的物體測量時，可以精確無接觸地測量物體橫截面各個點的坐標，從而計算出橫截面面積，通過對長度的積分可計算出物體通過光投射器投射光所在平面的體積，并通過測定密度值可以換算出重量。將光投射器與圖像傳感器安裝于連續傳送長物體一個橫截面的一定范圍內，無需干擾傳送系統，可以方便地添加到現有傳送設備周圍。
圖I為本發明基于光學測量的連續傳送長物體體積重量測量系統的結構組成示意圖；圖2為本發明基于光學測量的連續傳送長物體體積重量測量系統用于測量扇形被傳送長物體的系統結構組成示意圖；圖3為本發明基于光學測量的連續傳送長物體體積重量測量系統ー種實施例的連接原理圖；圖4為本發明基于光學測量的連續傳送長物體體積重量測量系統的圖像傳感器測量原理；圖5為本發明基于光學測量的連續傳送長物體體積重量測量系統ー種實施例的軟件測量流程框圖。其中I :光投射器 2 :攝像機3 :計算機 4 :連續傳送長物體5 :傳送輥 6 :平面傳送帶7 :總線8 :—字線激光9 :圖像平面
具體實施例方式下面結合實施例及其附圖進一步詳細描述本發明。實施例僅用于詳細說明本發明，并不限制本申請權利要求保護范圍。基于光學測量的連續傳送長物體體積重量測量系統，其特征在于該系統主要包括光投射器I、圖像傳感器2和數據處理系統3，光投射器I由激光投射器和透鏡組成，圖像傳感器2采用面陣黑白CCD攝像機，為了提高測量精確性，可以在攝像機的鏡頭增加濾光片，光投射器I和圖像傳感器2的數量可以布置多個，以光條能包圍整個長物體橫截面為宜，圖中設置兩套按對稱分布，數據處理系統3由內部裝有圖像采集控制程序和數據處理程序的計算機構成。連續傳送長物體4在傳送系統的傳送輥5上勻速移動。本發明中的激光投射器和透鏡組成光投射器，透鏡是ー種柱狀棱鏡，可以將點狀激光擴成一字線激光，一字線激光與長物體相切，形成環繞長物體的封閉光條；分布在周圍的面陣CCD攝像機拍攝的光條圖像，攝像機順序拍攝光條圖像，同步抓拍能獲得更高的測量精度。
本發明的測量原理是一字線激光與連續傳送長物體相切在物體表面形成封閉光條，固定分布于四周的面陣黑白CCD攝像機抓拍光條，經過圖像采集、輪廓提取、標定等步驟，獲得連續傳送長物體的截面輪廓曲線點坐標，進而計算出橫截面的面積；隨著連續傳送長物體的移動，通過連續的抓拍通過一字線激光所在平面的光條圖像，測量出連續橫截面的面積；將橫截面面積在運動方向上的連續積分得到長物體通過光切平面的體積；再乘以長物體在實驗室中測量標定的密度可計算出通過一字線激光所在平面的長物體的重量。技術要求包括I、光投射器安裝在長物體傳送帶連接一段空置區域，至少兩個或以上光投射器，投射的一字激光能將長物體整個周長照亮，并且調整所有投射的一字激光處于ー個平面上；2、至少兩個或以上攝像機布置于光投射器與長物體之間，使得攝像機拍攝到長物體上所有光條；3、對所有攝像機的參數及一字激光所在平面的參數進行標定，獲得統ー的數學坐標系;4、攝像機采用外觸發同步拍攝模式，可以同時采集到同一橫截面光帶的圖像，否則測量精度有所下降。5、通過在運動方向的積分的辦法獲得長物體的體積，需要事先標定長物體的密度。
權利要求
1.基于光學測量的連續傳送長物體體積重量測量方法，所述方法包括在被測量連續傳送長物體的周圍一定距離內，設置I個或多個光投射器和I個或多個圖像傳感器，圖像傳感器通過總線與數據處理系統連接，該數據處理系統處理由圖像傳感器獲得的圖像數據，并結合傳送速度和物體密度數據計算得到待測物體的體積和/或重量； 其中，所述光投射器投射的光是一字光線，一字光線在被測量物體表面投射為一字光條；當光投射器為2個或大于2個時，則投射在物體表面的一字光線需要調整到一個平面上，該平面與被測量物體的傳送方向垂直或接近垂直，只要滿足光投射器投射的一字光線在被測量物體表面形成一個封閉光環即可；所述圖像傳感器用于獲取一字光線在被測量物體表面形成光條圖像，所述圖像傳感器獲取的圖像信息由總線傳送給數據處理系統，并由該數據處理系統進行處理。
2.如權利要求I所述方法，其中，數據處理系統處理方法包括將從圖像傳感器獲得的光條圖像信息進行處理，獲取光條在圖像傳感器坐標系中的坐標位置，采用面積積分法計算被測量物體在光投射處的橫截面的面積。
3.如權利要求2所述方法，其中，數據處理系統進一步計算獲得待測物體的通過投射處部分的體積和/或重量，具體步驟為被測量物體連續移動通過光投射器的一字光線所在平面時，在被測量物體移動方向上進行連續積分，計算出被測量物體通過光投射處的物體體積，再根據事先標定的密度計算出物體通過光投射處的物體重量。
4.如權利要求1-3之任意一個所述的方法，其中，所述光投射器為光源和透鏡組成，優選激光器或者高亮度光源與透鏡組成，透鏡的作用是將點光源拉長成一字光線，其中所述透鏡是柱狀棱鏡或其它能夠將點光源變成一字光線的透鏡；所述圖像傳感器是攝像機，優選面陣CCD攝像機、面陣CMOS攝像機，或者類似的能感光的平面傳感器；光投射器和圖像傳感器的數量為1，2，3，4或5個，具體數量根據待測物體的橫截面積的實際形狀選擇；數據處理系統為嵌入式ARM機或計算機，所述系統內部配置圖像采集軟件和數據處理軟件。
5.如權利要求4所述方法，其中待測物體的橫截面積的底邊為直線的扇形、半圓形或類似形狀，且通過一個光投射器投射光線能完全覆蓋除底面以外的部分時，光投射器和圖像傳感器的數量可選擇為I個；此外可選擇2，3，4或5個光投射器和圖像傳感器，只要能滿足圖像傳感器拍到的光條圖像拼接起來是一個封閉的結構即可。
6.一種用于連續傳送長物體連續測量的測量系統，所述系統包括在被測量連續傳送長物體的傳送方向的垂直或接近垂直平面上設置的I個或多個光投射器和I個或多個圖像傳感器，以及用于圖像數據處理的數據處理系統，所述系統通過總線與圖像傳感器連接；該系統工作原理包括，光投射器在物體表面投射一字光條，由圖像傳感器獲取投射在連續傳送長物體表面的光條圖像，數據處理系統對總線傳回的圖像信息進行處理，計算光條圖像點在傳感器坐標系中的坐標位置，采用面積積分得到被測量物體在光投射處的橫截面的面積，當被測量物體連續移動通過光投射器的一字光線所在平面時，在被測量物體移動方向上進行連續積分，計算出被測量物體通過光投射處的物體的體積，進而計算出重量。
7.如權利要求6所述測量系統，所述光投射器為光源和透鏡組成，優選激光器或者高亮度光源與透鏡組成，透鏡的作用是將點光源拉長成一字光線，其中所述透鏡是柱狀棱鏡或其它能夠將點光源變成一字光線的透鏡；所述圖像傳感器是攝像機，優選面陣CCD攝像機、面陣CMOS攝像機，或者類似的能感光的平面傳感器；光投射器和圖像傳感器的數量為.1，2，3或4，具體數量根據待測物體的橫截面積的實際情況變化。
8.如權利要求6或7所述測量系統，其中數據處理系統為嵌入式ARM機或計算機，所述系統內部配置圖像采集軟件和數據處理軟件。
9.一種安裝如權利要求6-8之任意ー種測量系統的生產設備，該設備能夠進行精確的體積和/或重量分割，其特征在干，如權利要求6-8任意一種測量系統安裝在傳送單元和分割単元之間，其中分割単元依據所述測量系統發出的指令，對連續傳送的長物體進行精確的分割。
10.如權利要求9所述生產設備，所述設備為鋼錠切割系統或者煤粉傳送分配系統。
全文摘要
本發明公開一種基于光學測量的連續傳送長物體體積重量測量方法及系統，采用非接觸光學方法進行連續傳送長物體的截面積、體積及重量測量。在被測量連續傳送長物體4的周圍一定距離內，設置1個或多個光投射器1和1個或多個圖像傳感器2，圖像傳感器通過總線與數據處理系統3連接，數據處理系統處理由圖像傳感器獲得的圖像數據，并結合傳送速度和物體密度數據計算得到待測物體的體積和/或重量。本發明的優勢為可以精確無接觸地測量連續傳送物體橫截面面積，并計算通過固定平面的體積和/或重量。無需干擾傳送系統，系統可以方便地添加到現有傳送設備周圍，用于測量物體的體積重量，特別適合無法接觸測量的物體，如熱軋鋼坯、煤粉等。
文檔編號G01B11/00GK102679915SQ20121016415
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月24日 優先權日2012年5月24日
發明者劉麗冰, 張宇, 彭凱, 楊偉東, 楊澤青, 陳英姝 申請人:河北工業大學