基于三维激光扫描技术的料位检测试验研究

2014-03-04余乐文朱瑞军王利岗

有色金属（矿山部分） 2014年5期

余乐文，张达，朱瑞军，王利岗

（1．北京矿冶研究总院，北京102628；2．承德铜兴矿业有限责任公司，河北承德067250）

在矿山实际生产过程中，对选矿仓料位的检测非常重要，准确、全面的料位检测可以防止料仓矿物排空或矿物溢出，从而避免因料仓料位测量不准带来的生产事故和经济损失。目前主要测量方法包括重锤式料位计、超声波物位计、脉冲雷达物位计、导波雷达物位计等，但是由于选矿料仓深、卸放矿物引起的灰尘多等实际难题，目前的测量方法存在受粉尘影响大、有矿堆死角、测量不准确、可靠性差、设备损坏率高等缺点［1－5］。针对上述工况，提出基于三维激光扫描技术的料位检测方法，该方法可快速、全面、准确地测量料位高度，对防止料仓排空或者溢出、保障矿山安全生产具有重要作用。

1 常见料位测量方法

目前，国内外料位在线检测普遍采用单点测量法，主要包括雷达法、超声波法、重锤法等。Siemens、E＋H、Sick等公司的物位计被广泛应用。

1．1 重锤法

重锤法是利用失重原理测量料位。测量时，探测器控制重锤快速下降，当重锤接触物料表面时，会使和重锤相连的钢丝绳产生失重，此时电机就将重锤提起，返回待测位置。探测器内的编码器发出脉冲信号，由计算机进行计算处理后，在控制器面板上显示料面的位置或相对位置。重锤法由于采用接触式测量方法，运行可靠、不受粉尘影响，但是在放矿过程中钢丝绳易被矿石击中而损坏，维护难度大，同时单点测量存在矿堆死角，测量结果不全面、不准确。

1．2 超声波法

超声波法是非接触式测量方法，采用声波测距原理测量料位，频率一般为20kHz～40kHz。超声波物位计安装于料仓顶部，在电子单元的控制下，探头向物料表面发射一束超声波脉冲，声波经物料表面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到被重新接收，其时间与探头至被测物体的距离成正比。电子单元通过超声波发射与接收的时间差计算距离。超声波法具有声波传播衰减小、界面反射信号强、发射和接收电路简单等优点。但超声波的传播速度受介质的密度、浓度、温度、压力等因素影响，其测量精度较低，同时超声波法是单点测量法，测量存在盲区和矿堆死角。

1．3 雷达法

雷达法是非接触式测量方法，采用雷达测距工作原理。向被测目标发射雷达，由目标反射的回波返回发射器被接收，与发射波进行比较，计算出发射器到目标的距离。雷达法具有测量精度高、抗干扰能力强、穿透介质能力强等优点。但是，雷达法也是单点测量方法，测量也存在盲区和矿堆死角。

2 三维激光扫描测量方法

三维激光扫描技术是一项迅速发展的高新技术，它的出现为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段。三维激光扫描技术主要采用激光测距原理，具有扫描速度快、非接触式工作、测量精度高等优点，被广泛应用于空间三维形态探测［6－8］。

三维激光扫描仪通过发射激光脉冲，经被测物表面反射，到仪器接收所经过的时间差来计算距离S，同时内置精密编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ，如图1所示，x轴在横向扫描面内，y轴在横向扫描面内与z轴垂直，z轴与横向扫描面垂直，由此可得到任意P点坐标的计算公式：

距离S计算公式为：

式中：c为激光在大气中的传播速度，t为激光在待测距离上的往返传播时间。

3 试验及结果

为了验证三维激光扫描技术在料位检测中的可行性，选择在某矿山选矿料仓开展试验研究。该料仓高20m，直径22m，上部有三个给料口，下部有8个送料口，分别连接8台1 200×4 000带式给矿机。

图1 三维点坐标Fig．1 The 3Dcoordinates

目前该料仓选用1个西门子超声波物位计来测量料位高度，如图2所示。

图2 单点测量法Fig．2 The method of signal point

但是测量点少，只能测出1个测量点的料位高度，存在盲区和矿堆死角，导致测量结果不全面、不准确。

试验中，采用自主研发的BLSS－PE矿用三维激光扫描测量系统进行试验［9－12］，该系统由扫描主机、控制器、延长杆、PDA组成，如图3所示。将矿用三维激光扫描测量系统安装在料仓顶部，如图4所示。

采用0．5°的角度分辨率进行三维扫描，试验测量的点云数据如图5所示。测量点云数据达12万多个，测量点覆盖料位表面，可清晰看到出矿口和料仓的内壁形态。对点云数据进行三维重建，得出料仓内部的三维形态，如图6所示。

试验结果表明，三维激光扫描仪实现对料位全面扫描，形成密集网格点，对料位全方位覆盖，显示实际料位高度。实现测量数据对物料表面的全面覆盖，为料仓进出料智能控制提供依据。对测量数据进行三维建模，更准确直观地反映进出料的情况，实现真正的可视化，方便工作人员随时了解料位的真实情况，防止意外的发生，排除安全隐患。另外，选矿料仓内粉尘大、水汽多，系统工业应用中应该设计扫描主机镜头的防尘、防水装置，提高系统应用可靠性。