3D物位扫描仪技术原理及应用

董建平　瞿松林　陆小丽

摘 要：文章针对现有选煤厂储煤，水泥厂等仓料位测量方法的局限性，提出了基于3D物位扫描仪系统的设计方案；主要介绍了该系统的特点、测量原理、系统构成和软硬件系统等，该系统适用于各种复杂仓内环境，并能生成整个仓内物料实际分布状况的三维立体图像。

关键词：3D物位扫描仪；立体图像；三维测量

目前应用在工矿环境中的物位测量产品比较多，包括：激光式、雷达式、超声波式、重锤式、射频导纳式、电容式等多种技术类型的产品。以上产品已有较广泛的应用，但是它们都不能很好的应用在粉尘浓度大的环境中，而且不能反应物料的3D堆面情况。在料位测量方面，因为物料的排放堆积及本身特性所呈现的不规则表面，对于单点式的测量方式并不是理想条件，暴露出诸多问题。所以精确的数据始终是一个悬而未决的难题。在实际现场环境应用当中，测量的数据都是很不理想的。给广大客户的料仓存储状态以及基本成本的控制造成很大的麻烦。

随着3D物位扫描仪表技术的日趋成熟和使用，完全改变了单点数据测量的传统的技术原理，引领世界走向一个可视化的物位测量的可视化时代，将达到了物位测量过程的智能化测量技术巅峰。并在个产业领域的物位测量中发挥着至关重要的作用。3D物位扫描仪是目前唯一一个精准计量固态物料的体积和质量的创新性仪表，而且不会受到物料的种类和材料性质，储料仓的形状、尺寸和类型的影响，并且可以应用在极其恶劣的高粉尘等环境当中，能够提供物料体积、物位和质量等数据在非常恶劣的工况条件下的精准测量的解决方案。

1 3D物位扫描仪的工作原理

3D物位扫描仪向被测物料表面发射频率为2.5～7KHz，角度为30°～70°之间的低频率脉冲波，有效量程为0.5～70m。与高频率波向比较，低频率波利用大发射角度，完成对整个物料表面的测量，完全改变了传统的单点测量，实现多点扫描；由于高频波的频率高，使发射波衰减极快，而低频波是一种穿透能力极强的声波，完全可以有效的完成粉尘大等恶劣工矿下的物料测量。

3D物位扫描仪由三个喇叭口天线向外发射频率为3-10KHz的低频率脉冲波，经过驱动，通过天线阵列传输出去，发射的低频率脉冲达数千点，方向性极强的脉冲点对被测物料表面进行扫描，当脉冲达到物料表面后，会产生相应的脉冲回波，由三个喇叭口天线接收，声波信号转换成电信号。处理系统可以监测到每个脉冲回波的距离、时间和方向，处理系统采样和分析所有接收到的脉冲回波信号，精准的反应物料体积、物位和质量等数据，然后通过一些算法把这些数据结合在一起，产生物料的三维图像，通过通信技术传输到上微机上进行显示。还可以认为输入数据，去除料仓壁和内梁等对测量结果的影响。

2 系统组成与硬件电路设计

2.1 系统的组成

3D物位扫描仪系统由电源、物位扫描器、多扫描控制器和特殊的软件等组成。

2.1.1 3D物位扫描仪和多扫描控制器的供电电源均采用DC24V。

2.1.2 3D物位扫描仪由单片系统、三个喇叭天线、显示系统和通讯系统组层。单片系统控制三个喇叭天线按照一定顺序循环的发射7KHz、4.5KHz和2.5KHz三个频率的声波，然后再由三个喇叭天线接收脉冲回波，单片系统会依据脉冲回波的频率，时间和方向计算物料的高度。3D物位扫描仪可以通过扫描仪上的显示系统进行显示数据，也可以通过标准的4～20mA通讯系统将测量数据传送到调度室内，在微机上显示。3D物位扫描仪完全可以在高浓度粉尘的恶劣工况条件下进行工作，因此要求要对天线进行除尘保护，现代技术使得天线具有了自清洁功能。在设计扫描仪天线时，内部应用特殊的高分子聚合物材料，通过特殊技术处理，使仪表在正常工作时，高分子材料会产生一定频率的共振，从而将黏附在天线上的灰尘清除，实现自清洁的功能，免去人工清洁天线的环节，实现了工业自动化。

2.1.3 特殊管理软件。3D物位扫描仪接收到的回波数据由这些特殊软件实时分析和处理，描绘出料仓内物料三维模型，同时可得到由单点测量仪表测得的所有数据，从而得到物料分布状况、体积和质量等。

2.1.4 多扫描控制器。在测量直径大于15米的储料仓时，一台3D物位仪表不能完整地测量整个储料仓的物位数据，需要多台3D物位仪表共同完成测量。多扫描控制器将把多台3D物位扫描仪连接起来，使用在同一个大型的储料仓上，并且使多台3D物位仪表协同工作机制，实现仪表信号传输同步化，保证各台仪表之间互相不影响。最后，由某种特别软件将多台仪表测量数据汇总和描绘出储粮仓中物料的分布实况的3D立体图像，实时记录数据和相关技术参数报表等。

2.2 硬件电路设计

当3D物位扫描仪上电工作时，DSP发出指令通过模数转换对发射电路进行控制发射，每个天线把发射出的声波各自接收，通过带通滤波器、放大器、对数放大器和滤波器处理，最后有A/D采集送入DSP进行数据处理。回波脉冲由每个天线一一对应接收，系统可以精准的计算到每一个回波脉冲运行的时间、距离和空间方向，绘制出被测现场的三维图像，可以在液晶显示窗显示，也可以通过4～20mA或HART传输，传输到中控台的显示器上进行显示，直观的看出仓体中的物料情况，方便对其的控制和操作，保证自身和其他设备的正常生产和运行。

3 系统软件设计

软件部分的设计主要完成信号的AD采集并处理，声波运行时间的计算，计算并校正声波传输的三维方位，校正和补偿误差等系统的数据处理、数据显示、数据传输和发射控制。

在软件设计过程中考虑到系统的实时性，有三个天线采集到的数据尽量保持同步，采用了高速A/D采集芯片，DSP对采集回来的数据同步处理，显示，才能保证3D物位扫描仪测量距离，体积等准确性和三维图像实时准确性。系统的初始化是系统能够正常运行的关键性一步，它将对系统的初始状态进行设定，在开机后，系统首先要运行初始化程序，才能确保整个测量系统能正常工作。

参考文献

[1]潘仲明.大量程超声波测距系统研究[D].长沙：国防科技大学，2006.

[2]张海鹰，高艳丽.超声波测距技术研究[J].仪表技术，2011（9）：58-60.

[3]刘刚.光电设备被动测距方法的研究[J].中国水运（下半月刊），2010，10（12）：149，156.

[4]潘仲明.大量程超声波测距系统研究[D].国防科学技术大学，2006.

[5]杨振，豆伟.选煤厂粉尘治理实践[J].中州煤炭，2011（03）.

[6]3D物位扫描仪在水泥行业的应用[A].中国水泥协会环保和资源综合利用专业委员会成立大会会议文集[C].2011.

作者简介：董建平（1982-），男，江苏常州人，现职称：研发经理，学历：研究生，研究方向：系统架构研究。endprint

摘 要：文章针对现有选煤厂储煤，水泥厂等仓料位测量方法的局限性，提出了基于3D物位扫描仪系统的设计方案；主要介绍了该系统的特点、测量原理、系统构成和软硬件系统等，该系统适用于各种复杂仓内环境，并能生成整个仓内物料实际分布状况的三维立体图像。

关键词：3D物位扫描仪；立体图像；三维测量

目前应用在工矿环境中的物位测量产品比较多，包括：激光式、雷达式、超声波式、重锤式、射频导纳式、电容式等多种技术类型的产品。以上产品已有较广泛的应用，但是它们都不能很好的应用在粉尘浓度大的环境中，而且不能反应物料的3D堆面情况。在料位测量方面，因为物料的排放堆积及本身特性所呈现的不规则表面，对于单点式的测量方式并不是理想条件，暴露出诸多问题。所以精确的数据始终是一个悬而未决的难题。在实际现场环境应用当中，测量的数据都是很不理想的。给广大客户的料仓存储状态以及基本成本的控制造成很大的麻烦。

随着3D物位扫描仪表技术的日趋成熟和使用，完全改变了单点数据测量的传统的技术原理，引领世界走向一个可视化的物位测量的可视化时代，将达到了物位测量过程的智能化测量技术巅峰。并在个产业领域的物位测量中发挥着至关重要的作用。3D物位扫描仪是目前唯一一个精准计量固态物料的体积和质量的创新性仪表，而且不会受到物料的种类和材料性质，储料仓的形状、尺寸和类型的影响，并且可以应用在极其恶劣的高粉尘等环境当中，能够提供物料体积、物位和质量等数据在非常恶劣的工况条件下的精准测量的解决方案。

1 3D物位扫描仪的工作原理

3D物位扫描仪向被测物料表面发射频率为2.5～7KHz，角度为30°～70°之间的低频率脉冲波，有效量程为0.5～70m。与高频率波向比较，低频率波利用大发射角度，完成对整个物料表面的测量，完全改变了传统的单点测量，实现多点扫描；由于高频波的频率高，使发射波衰减极快，而低频波是一种穿透能力极强的声波，完全可以有效的完成粉尘大等恶劣工矿下的物料测量。

3D物位扫描仪由三个喇叭口天线向外发射频率为3-10KHz的低频率脉冲波，经过驱动，通过天线阵列传输出去，发射的低频率脉冲达数千点，方向性极强的脉冲点对被测物料表面进行扫描，当脉冲达到物料表面后，会产生相应的脉冲回波，由三个喇叭口天线接收，声波信号转换成电信号。处理系统可以监测到每个脉冲回波的距离、时间和方向，处理系统采样和分析所有接收到的脉冲回波信号，精准的反应物料体积、物位和质量等数据，然后通过一些算法把这些数据结合在一起，产生物料的三维图像，通过通信技术传输到上微机上进行显示。还可以认为输入数据，去除料仓壁和内梁等对测量结果的影响。

2 系统组成与硬件电路设计

2.1 系统的组成

3D物位扫描仪系统由电源、物位扫描器、多扫描控制器和特殊的软件等组成。

2.1.1 3D物位扫描仪和多扫描控制器的供电电源均采用DC24V。

2.1.2 3D物位扫描仪由单片系统、三个喇叭天线、显示系统和通讯系统组层。单片系统控制三个喇叭天线按照一定顺序循环的发射7KHz、4.5KHz和2.5KHz三个频率的声波，然后再由三个喇叭天线接收脉冲回波，单片系统会依据脉冲回波的频率，时间和方向计算物料的高度。3D物位扫描仪可以通过扫描仪上的显示系统进行显示数据，也可以通过标准的4～20mA通讯系统将测量数据传送到调度室内，在微机上显示。3D物位扫描仪完全可以在高浓度粉尘的恶劣工况条件下进行工作，因此要求要对天线进行除尘保护，现代技术使得天线具有了自清洁功能。在设计扫描仪天线时，内部应用特殊的高分子聚合物材料，通过特殊技术处理，使仪表在正常工作时，高分子材料会产生一定频率的共振，从而将黏附在天线上的灰尘清除，实现自清洁的功能，免去人工清洁天线的环节，实现了工业自动化。

2.1.3 特殊管理软件。3D物位扫描仪接收到的回波数据由这些特殊软件实时分析和处理，描绘出料仓内物料三维模型，同时可得到由单点测量仪表测得的所有数据，从而得到物料分布状况、体积和质量等。

2.1.4 多扫描控制器。在测量直径大于15米的储料仓时，一台3D物位仪表不能完整地测量整个储料仓的物位数据，需要多台3D物位仪表共同完成测量。多扫描控制器将把多台3D物位扫描仪连接起来，使用在同一个大型的储料仓上，并且使多台3D物位仪表协同工作机制，实现仪表信号传输同步化，保证各台仪表之间互相不影响。最后，由某种特别软件将多台仪表测量数据汇总和描绘出储粮仓中物料的分布实况的3D立体图像，实时记录数据和相关技术参数报表等。

2.2 硬件电路设计

当3D物位扫描仪上电工作时，DSP发出指令通过模数转换对发射电路进行控制发射，每个天线把发射出的声波各自接收，通过带通滤波器、放大器、对数放大器和滤波器处理，最后有A/D采集送入DSP进行数据处理。回波脉冲由每个天线一一对应接收，系统可以精准的计算到每一个回波脉冲运行的时间、距离和空间方向，绘制出被测现场的三维图像，可以在液晶显示窗显示，也可以通过4～20mA或HART传输，传输到中控台的显示器上进行显示，直观的看出仓体中的物料情况，方便对其的控制和操作，保证自身和其他设备的正常生产和运行。

3 系统软件设计

软件部分的设计主要完成信号的AD采集并处理，声波运行时间的计算，计算并校正声波传输的三维方位，校正和补偿误差等系统的数据处理、数据显示、数据传输和发射控制。

在软件设计过程中考虑到系统的实时性，有三个天线采集到的数据尽量保持同步，采用了高速A/D采集芯片，DSP对采集回来的数据同步处理，显示，才能保证3D物位扫描仪测量距离，体积等准确性和三维图像实时准确性。系统的初始化是系统能够正常运行的关键性一步，它将对系统的初始状态进行设定，在开机后，系统首先要运行初始化程序，才能确保整个测量系统能正常工作。

参考文献

[1]潘仲明.大量程超声波测距系统研究[D].长沙：国防科技大学，2006.

[2]张海鹰，高艳丽.超声波测距技术研究[J].仪表技术，2011（9）：58-60.

[3]刘刚.光电设备被动测距方法的研究[J].中国水运（下半月刊），2010，10（12）：149，156.

[4]潘仲明.大量程超声波测距系统研究[D].国防科学技术大学，2006.

[5]杨振，豆伟.选煤厂粉尘治理实践[J].中州煤炭，2011（03）.

[6]3D物位扫描仪在水泥行业的应用[A].中国水泥协会环保和资源综合利用专业委员会成立大会会议文集[C].2011.

作者简介：董建平（1982-），男，江苏常州人，现职称：研发经理，学历：研究生，研究方向：系统架构研究。endprint

摘 要：文章针对现有选煤厂储煤，水泥厂等仓料位测量方法的局限性，提出了基于3D物位扫描仪系统的设计方案；主要介绍了该系统的特点、测量原理、系统构成和软硬件系统等，该系统适用于各种复杂仓内环境，并能生成整个仓内物料实际分布状况的三维立体图像。

关键词：3D物位扫描仪；立体图像；三维测量

目前应用在工矿环境中的物位测量产品比较多，包括：激光式、雷达式、超声波式、重锤式、射频导纳式、电容式等多种技术类型的产品。以上产品已有较广泛的应用，但是它们都不能很好的应用在粉尘浓度大的环境中，而且不能反应物料的3D堆面情况。在料位测量方面，因为物料的排放堆积及本身特性所呈现的不规则表面，对于单点式的测量方式并不是理想条件，暴露出诸多问题。所以精确的数据始终是一个悬而未决的难题。在实际现场环境应用当中，测量的数据都是很不理想的。给广大客户的料仓存储状态以及基本成本的控制造成很大的麻烦。

随着3D物位扫描仪表技术的日趋成熟和使用，完全改变了单点数据测量的传统的技术原理，引领世界走向一个可视化的物位测量的可视化时代，将达到了物位测量过程的智能化测量技术巅峰。并在个产业领域的物位测量中发挥着至关重要的作用。3D物位扫描仪是目前唯一一个精准计量固态物料的体积和质量的创新性仪表，而且不会受到物料的种类和材料性质，储料仓的形状、尺寸和类型的影响，并且可以应用在极其恶劣的高粉尘等环境当中，能够提供物料体积、物位和质量等数据在非常恶劣的工况条件下的精准测量的解决方案。

1 3D物位扫描仪的工作原理

3D物位扫描仪向被测物料表面发射频率为2.5～7KHz，角度为30°～70°之间的低频率脉冲波，有效量程为0.5～70m。与高频率波向比较，低频率波利用大发射角度，完成对整个物料表面的测量，完全改变了传统的单点测量，实现多点扫描；由于高频波的频率高，使发射波衰减极快，而低频波是一种穿透能力极强的声波，完全可以有效的完成粉尘大等恶劣工矿下的物料测量。

3D物位扫描仪由三个喇叭口天线向外发射频率为3-10KHz的低频率脉冲波，经过驱动，通过天线阵列传输出去，发射的低频率脉冲达数千点，方向性极强的脉冲点对被测物料表面进行扫描，当脉冲达到物料表面后，会产生相应的脉冲回波，由三个喇叭口天线接收，声波信号转换成电信号。处理系统可以监测到每个脉冲回波的距离、时间和方向，处理系统采样和分析所有接收到的脉冲回波信号，精准的反应物料体积、物位和质量等数据，然后通过一些算法把这些数据结合在一起，产生物料的三维图像，通过通信技术传输到上微机上进行显示。还可以认为输入数据，去除料仓壁和内梁等对测量结果的影响。

2 系统组成与硬件电路设计

2.1 系统的组成

3D物位扫描仪系统由电源、物位扫描器、多扫描控制器和特殊的软件等组成。

2.1.1 3D物位扫描仪和多扫描控制器的供电电源均采用DC24V。

2.1.2 3D物位扫描仪由单片系统、三个喇叭天线、显示系统和通讯系统组层。单片系统控制三个喇叭天线按照一定顺序循环的发射7KHz、4.5KHz和2.5KHz三个频率的声波，然后再由三个喇叭天线接收脉冲回波，单片系统会依据脉冲回波的频率，时间和方向计算物料的高度。3D物位扫描仪可以通过扫描仪上的显示系统进行显示数据，也可以通过标准的4～20mA通讯系统将测量数据传送到调度室内，在微机上显示。3D物位扫描仪完全可以在高浓度粉尘的恶劣工况条件下进行工作，因此要求要对天线进行除尘保护，现代技术使得天线具有了自清洁功能。在设计扫描仪天线时，内部应用特殊的高分子聚合物材料，通过特殊技术处理，使仪表在正常工作时，高分子材料会产生一定频率的共振，从而将黏附在天线上的灰尘清除，实现自清洁的功能，免去人工清洁天线的环节，实现了工业自动化。

2.1.3 特殊管理软件。3D物位扫描仪接收到的回波数据由这些特殊软件实时分析和处理，描绘出料仓内物料三维模型，同时可得到由单点测量仪表测得的所有数据，从而得到物料分布状况、体积和质量等。

2.1.4 多扫描控制器。在测量直径大于15米的储料仓时，一台3D物位仪表不能完整地测量整个储料仓的物位数据，需要多台3D物位仪表共同完成测量。多扫描控制器将把多台3D物位扫描仪连接起来，使用在同一个大型的储料仓上，并且使多台3D物位仪表协同工作机制，实现仪表信号传输同步化，保证各台仪表之间互相不影响。最后，由某种特别软件将多台仪表测量数据汇总和描绘出储粮仓中物料的分布实况的3D立体图像，实时记录数据和相关技术参数报表等。

2.2 硬件电路设计

当3D物位扫描仪上电工作时，DSP发出指令通过模数转换对发射电路进行控制发射，每个天线把发射出的声波各自接收，通过带通滤波器、放大器、对数放大器和滤波器处理，最后有A/D采集送入DSP进行数据处理。回波脉冲由每个天线一一对应接收，系统可以精准的计算到每一个回波脉冲运行的时间、距离和空间方向，绘制出被测现场的三维图像，可以在液晶显示窗显示，也可以通过4～20mA或HART传输，传输到中控台的显示器上进行显示，直观的看出仓体中的物料情况，方便对其的控制和操作，保证自身和其他设备的正常生产和运行。

3 系统软件设计

软件部分的设计主要完成信号的AD采集并处理，声波运行时间的计算，计算并校正声波传输的三维方位，校正和补偿误差等系统的数据处理、数据显示、数据传输和发射控制。

在软件设计过程中考虑到系统的实时性，有三个天线采集到的数据尽量保持同步，采用了高速A/D采集芯片，DSP对采集回来的数据同步处理，显示，才能保证3D物位扫描仪测量距离，体积等准确性和三维图像实时准确性。系统的初始化是系统能够正常运行的关键性一步，它将对系统的初始状态进行设定，在开机后，系统首先要运行初始化程序，才能确保整个测量系统能正常工作。

参考文献

[1]潘仲明.大量程超声波测距系统研究[D].长沙：国防科技大学，2006.

[2]张海鹰，高艳丽.超声波测距技术研究[J].仪表技术，2011（9）：58-60.

[3]刘刚.光电设备被动测距方法的研究[J].中国水运（下半月刊），2010，10（12）：149，156.

[4]潘仲明.大量程超声波测距系统研究[D].国防科学技术大学，2006.

[5]杨振，豆伟.选煤厂粉尘治理实践[J].中州煤炭，2011（03）.

[6]3D物位扫描仪在水泥行业的应用[A].中国水泥协会环保和资源综合利用专业委员会成立大会会议文集[C].2011.

作者简介：董建平（1982-），男，江苏常州人，现职称：研发经理，学历：研究生，研究方向：系统架构研究。endprint