CN207742057U - 一种骨料在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于一种骨料在线监测装置，包括取样模块、进样模块、分散模块、图像采集分析模块；该取样模块设置于进料输送带上，以预设的频率进行取样，并送至进样模块，经分散模块到达图像分析模块的图像采集区，图像采集区分析模块对采集的图像进行特征提取，获取骨料的参数。本实用新型采用了机器视觉结合数字图像处理技术，可实现骨料粒度和粒形的快速在线检测，能及时反映骨料生产线的骨料级配情况，避免细骨料粒径质量不合格造成的经济损失。

Description

一种骨料在线监测装置

技术领域

本实用新型属于骨料质量检测技术领域，具体涉及一种骨料在线检测装置。

背景技术

随着我国城市建设的发展，混凝土作为基础设施和城市建设的重要材料，在我国新型城镇化建设中承担着重大责任。细骨料是混凝土的主要组成部分，约占混凝土体积总量的30％～40％。当前混凝土性能存在问题的原因在很大程度上是由于细骨料质量不合格，如骨料粒形差、级配差、孔隙率大、针片状颗粒多、石粉含量高等。细骨料质量不合格会影响混凝土用水量、胶凝材料用量、耐久性等。要保证混凝土的性能，不仅仅需要提高混凝土生产装备水平，还需要提高混凝土质量控制水平。

粒径及粒形是细骨料的两个重要控制参数。粒径的大小和分布会影响骨料的颗粒级配。根据国家标准《建设用砂》规定，小于4.75mm的骨料称作细骨料。传统的细骨料级配检测方法是人工离线筛分检测，该方法费时、耗能，不能及时反映细骨料的粒径大小和分布情况，且无法检测粒形，当包含片状、针片状骨料时，一方面会影响粒径检测精度，另一方面会影响混凝土拌合物强度质量。

现有的混凝土细骨料在线检测设备存在许多问题，例如费时费力、只能抽样检测、无法实现在线检测的缺陷，骨料粒形检测只能逐粒检测的缺陷，且存在骨料粒度、粒形不能同时检测的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于客服现有技术的不足，提供一种简单、快速的、可用于骨料生产线或输送线上的的骨料粒径及粒形在线监测装置。

为实现上述目的，本实用新型的解决方案是：

一种骨料在线检测装置，其特征在于：包括取样模块、进样模块、分散模块、图像采集分析模块；该取样模块设置于进料输送带上，以预设的频率进行取样，并送至进样模块，经分散模块到达图像分析模块的图像采集区，图像采集区分析模块对采集的图像进行特征提取，获取骨料的参数。

作为优选，该取样模块为自动取样机械手，设置在进料输送带的上方，以预设的频率取样，将骨料放入进样模块。

作为优选，该自动取样机械手包括机械平台和机械手臂，该机械手臂的一端和机械平台的上沿连接，且通过该机械手臂将骨料放入进样模块。

作为优选，该进样模块还包括进料漏斗，该进料漏斗设置于进料输送带的上方，该进料输送带的运动方向朝向分散模块。

作为优选，该进料漏斗通过高度调节机构设置进料漏斗与进料输送带的距离；该进料输送带通过第一速度调节器控制进料输送带的传送速度。

作为优选，该分散模块包括单层分拣板、出料传感器和分散输送带，该单层分拣板位于进料输送带上方且垂直地面设置；该出料传感器设置在进料输送带的末端；该分散输送带设置在进料输送带下方，该分散输送带与该进料输送带上下对齐，且该进料输送带的传送速度慢于该分散输送带的传送速度。

作为优选，该分散输送带通过步进电机控制分散输送带的运动速度。

作为优选，该图像采集分析模块包括载物料盘、背光源、工业相机和主机，该工业相机安装在分散输送带上方，该背光源设于分散输送带的上方，该载物料盘设于背光源的上方；该载物料盘采用透光良好的玻璃板，该工业相机通过 高度调节机构调节与载物料盘的距离。

作为优选，该主机与出料传感器相连接，通过输出信号来控制分散输送带运动；该主机与用于驱动分散传送带的步进电机相连接，通过输出信号控制步进电机的速度；该主机与工业相机相连接，设置工业相机的曝光时间、采集频率；该主机与背光源相连接，调节背光源的亮度；

该主机包括参数设置模块、图像实时显示模块、图像处理与几何特征分析模块、骨料粒度和粒形分布结果显示模块。

作为优选，该图像采集分析模块先对采集到的单张图像进行预处理，再对经过预处理的图像进行图像的特征提取，最后对图像特征提取后的图像采用标准小球法标定骨料的尺寸。

作为优选，该预处理包括灰度化和图像滤波。

相比于背景技术，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型采用了机器视觉结合数字图像处理技术，可实现骨料粒度和粒形的快速在线检测，能及时反映骨料生产线的骨料级配情况，避免细骨料粒径质量不合格造成的经济损失。

(2)本实用新型装置采用了速度可调的进料输送带和分散输送带，通过速度快慢来实现细骨料在落入测量区域时具有较好的分散性，另一方面采用了单层分拣板用于将堆叠骨料刮平使细骨料具有更好的分散性，降低了图像分析的难度，仅采用经典的图像处理和分析算法即可，图像处理和分析算法简单可靠、装置的硬件实现容易。

(3)本实用新型中的载物料盘采用透光良好的玻璃板，使装置实现平躺骨料背光检测，更好的控制骨料颗粒的分散性，有助于图像处理和分析；图像采集分析模块的图像预处理操作预处理包括灰度化和图像滤波，灰度化可以降低图像的复杂度，提高后续图像处理过程的速度；图像滤波对颗粒边界进行平滑处理，避免颗粒轮廓上微小的毛刺影响颗粒轮廓的还原。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为分散模块中分散传送带的俯视图；

图3为主机的图像处理与几何特征分析流程图。

具体实施方式

请查阅图1，本实用新型提供了一种骨料在线检测装置，包括取样模块10、进样模块20、分散模块30、图像采集分析模块40；该取样模块10设置于进料输送带上21，以预设的频率进行取样，并送至进样模块20，经分散模块30到达图像分析模块40的图像采集区，图像采集区分析模块40对采集的图像进行特征提取，获取骨料的参数。

本实用新型的取样模块10为自动取样机械手11，设置在进料输送带21的上方，具体地，该自动取样机机械手包括机械平台111和机械手臂112，该机械手臂112以预设的频率取样，将骨料放入进样模块20。

本实用新型的进样模块20还包括进料漏斗21，进料漏斗22设置在进料输送带21上方，机械手臂112将待检测的骨料放进进料漏斗22，并且进料输送带21的运动方向朝向分散模块30。本实施例中，该进料漏斗22通过高度调节机构(图中未示出)设置进料漏斗22与进料输送带21的距离，该进料输送带21通过第一速度调节器(图中未示出)控制进料输送带21的传送速度。

本实用新型的分散模块30包括单层分拣板31、出料传感器32和分散输送带33，该单层分拣板31位于进料输送带21上方且垂直地面设置，用于将堆叠的骨料刮平，使其分散均匀。该出料传感器32设置在进料输送带21的末端， 用于检测骨料是否已经传输到末端同时给分散输送带33发出信号，通知分散输送带33准备接受进料输送带21的待检测骨料。该分散输送带33设置在进料输送带21下方，该分散输送带33与该进料输送带21上下对齐设置。

本实施例之中，该分散输送带33通过步进电机(图中未示出)控制分散输送带的运动速度，步进电机接收上位机所发出的信号，控制分散输送带33的传送速度，具体使用速度是依据分散传送带33的骨料分散是否均匀来进行控制，该进料输送带21的传送速度小于该分散输送带的传送速度，以将单位体积的物料分散在更大的面积中。

本实用新型的图像分析模块40包括载物料盘41、背光源42、工业相机43和主机44，该工业相机43安装在分散输送带33的上方，用于对被测的骨料进行图像采集。安装位置要使得工业相机43的视野范围能够覆盖整个分散输送带33的宽度范围，以使得分散输送带33上的每个颗粒都被拍摄。本实施例中，所选工业相机43的帧率满足图像采集速度要求，工业相机通过USB3.0数据线与主机44相连，工业相机的采集间隔时间由主机44中的参数设置模块控制。

该背光源42设于分散输送带33的上方，采用面状光源，用于在一定的背光源照射下，可以调节光源的亮度，便于得到能获取更好边界的骨料图像。

该载物料41盘设于背光源42的上方，采用透光良好的玻璃板，使装置实现平躺骨料背光检测，更好的控制骨料颗粒的分散性，有助于图像处理和分析。

该主机44与出料传感器43相连接，通过输出信号来控制分散输送带33运动；该主机44与用于驱动分散传送带的步进电机(图中未示出)相连接，通过输出信号控制步进电机的速度；该主机44与工业相机43相连接，设置工业相机43的曝光时间、采集频率；该主机44与背光源42相连接，智能调节背光源的亮度。

该主机44包括参数设置模块、图像实时显示模块、图像处理与几何特征分析模块、骨料粒度和粒形分布结果显示模块。

具体地，参数设置模块，在***开始前对分散传送带的运行速度v进行设置，以满足不同量级物料的需求。与此同时，工业相机的采集间隔时间也自动设置到相应时间，设置依据如下：如图2所示，工业相机拍摄到的图像视野10，沿分散传送带运行方向的长度为a，输送带的运行速度在参数设置模块中设置为v，为使得每个颗粒被拍摄且仅拍摄一次，相机的采集间隔时间t设置为：

t＝a/v

图像实时显示模块，在骨料生产过程中，实时显示图像采集模块采集到的骨料图像，确认生产现场是否稳定运行，以及光源、工业相机的工作状态。使用者也可以根据需要，局部放大图像，方便观察传送带上骨料的细节。

图像处理与几何特征分析模块负责对图像采集模块采集到的骨料图像进行处理，使每个骨料轮廓清晰可见，利于统计骨料粒度、粒形分布结果。

几何特征分析模块与图像处理模块相连，将处理好的骨料图像进行分析，得出每个骨料颗粒的几何特征，包括投影周长、投影面积、各方向径。几何特征分析模块是骨料粒度和粒形分布结果显示模块的基础。

请查阅图3，图像处理与几何特征分析流程如图所示：

1、将工业相机采集到的GRB彩色图转化为灰度图，每个像素的灰度值由下式计算出：

Gray＝R×0.299+G×0.587+B×0.114

R、G、B分别为像素红、绿蓝三个通道的值，Gray为求得的灰度值。

2、对灰度化后的图像进行中值滤波，以消除砖块、混凝土表面粗糙纹理带来的噪声。中值滤波将图像的每个像素用3×3邻域(以当前像素为中心的正方 形区域)像素中值代替。

本步骤中，具体地，可以包括：

将图像拷贝到一个稍微变大的图像中，新图像上下边和左右边，各增加了一行和一列像素，复制原图中最临近的行或者列来填充这些像素。

依次从左往右从上到下查找图像中每个3×3像素区域，取区域中9个像素灰度值中的中值，来代替3×3区域的中心像素的灰度值。

对所有区域操作完毕后，删除添加的边界，使图像回到原尺寸。

3、对滤波过后的图像进行阈值分割，阈值分割分为全局阈值分割和局部阈值分割。这里对平躺骨料，所以用Niblack局部阈值分割。

Niblack分割算法的基本思想是：针对图像中的每一个像素点f(x,y),在该像素点的局部邻域窗口(大小为M×M)，计算该领域窗口内像素的均值及方差。然后下式计算得到的阈值进行二值化。

T(x,y)＝m(x,y)+K×s(x,y)

上式中m(x,y)是像素点的邻域内像素点的均值，s(x,y)是像素值得标准差，k是修正系数，取值范围一般在(-1,0)，通常取-0.1。

Niblack算法中对于窗口大小M值的设置，要求既能保存足够分量的局部信息，也能抑制噪声度分割的影响。K值是标准差的系数，对K取不同值，可以得到不同的图像处理效果，当K＝-0.1时，超径大骨料是完整的。

4、对阈值分割处理后的骨料图像进行迭代的形态学腐蚀和膨胀操作以分离图像中相接触的颗粒。

对形态学腐蚀操作后的骨料图像进行凹点检测分割算法以分离粘连颗粒，该算法首先要找到凹点，然后分离粘连颗粒。

5、对边界处不完整的颗粒去除，采用面积周长比小于1判断是否为边界颗 粒的条件，将边界颗粒从轮廓中去除；

在图像采集过程中，每个颗粒可能被拍到1、2次，使用不变矩对骨料进行重复识别，使得在两种图片中出现在不同位置的相同骨料得以被识别出。

6、对图像特征提取后的图像采用标准小球法标定骨料的尺寸，具体为：

在相同的图像采集环境下，对若干个直径已知的标准小球进行采集图像；

小球图像经过图像处理处理后，计算获取图像中每个小球的像素面积值；

将每个小球的真实面积值与图像中的像素面积值进行比较，比值的平均值作为***的标定系数。

以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。

Claims (11)

1.一种骨料在线检测装置，其特征在于：包括取样模块、进样模块、分散模块、图像采集分析模块；该取样模块设置于进料输送带上，以预设的频率进行取样，并送至进样模块，经分散模块到达图像分析模块的图像采集区，图像采集区分析模块对采集的图像进行特征提取，获取骨料的参数。

2.根据权利要求1所述的骨料在线检测装置，其特征在于：该取样模块包括取样装置，该取样装置为自动取样机械手，设置在进料输送带的上方，以预设的频率取样，将骨料放入进样模块。

3.根据权利要求2所述的骨料在线检测装置，其特征在于：该自动取样机械手包括机械平台和机械手臂，该机械手臂的一端和机械平台的上沿连接，且通过该机械手臂将骨料放入进样模块。

4.根据权利要求1所述的骨料在线检测装置，其特征在于：该进样模块还包括进料漏斗，该进料漏斗设置于进料输送带的上方，该进料输送带的运动方向朝向分散模块。

5.根据权利要求4所述的骨料在线检测装置，其特征在于：该进料漏斗通过高度调节机构设置进料漏斗与进料输送带的距离；该进料输送带通过第一速度调节器控制进料输送带的传送速度。

6.根据权利要求1所述的骨料在线检测装置，其特征在于：该分散模块包括单层分拣板、出料传感器和分散输送带，该单层分拣板位于进料输送带上方且垂直地面设置；该出料传感器设置在进料输送带的末端；该分散输送带设置在进料输送带下方，该分散输送带与该进料输送带上下对齐，且该进料输送带的传送速度慢于该分散输送带的传送速度。

7.根据权利要求6所述的骨料在线检测装置，其特征在于：该分散输送带通过步进电机控制分散输送带的运动速度。

8.根据权利要求1所述的骨料在线检测装置，其特征在于：该图像采集分析模块包括载物料盘、背光源、工业相机和主机，该工业相机安装在分散输送带上方，该背光源设于分散输送带的上方，该载物料盘设于背光源的上方；该载物料盘采用透光良好的玻璃板，该工业相机通过高度调节机构调节与载物料盘的距离。

9.根据权利要求8所述的骨料在线检测装置，其特征在于：该主机与出料传感器相连接，通过输出信号来控制分散输送带运动；该主机与用于驱动分散传送带的步进电机相连接，通过输出信号控制步进电机的速度；该主机与工业相机相连接，设置工业相机的曝光时间、采集频率；该主机与背光源相连接，调节背光源的亮度；

该主机包括参数设置模块、图像实时显示模块、图像处理与几何特征分析模块、骨料粒度和粒形分布结果显示模块。

10.根据权利要求1所述的骨料在线检测装置，其特征在于：该图像采集分析模块先对采集到的单张图像进行预处理，再对经过预处理的图像进行图像的特征提取，最后对图像特征提取后的图像采用标准小球法标定骨料的尺寸。

11.根据权利要求10所述的骨料在线检测装置，其特征在于：该预处理包括灰度化和图像滤波。