一种矿用胶带纵向撕裂危险源红外光谱识别智能传感器及使用方法与流程

本发明是一种矿用胶带纵向撕裂危险源红外智能检测传感器及使用方法，属于自动化检测领域。

背景技术：

在煤矿的开采中，胶带运输机被广泛应用于长距离输送煤炭。纵向撕裂是矿用胶带输送机三大灾难性事故之一(纵向撕裂、横向断裂、火灾)，由于煤炭的运输距离较长，如果发生纵向撕裂事故，很可能会造成整条胶带的损坏，在相当长一段时间内无法恢复煤矿正常的生产和运输，造成巨大的经济损失。造成胶带纵向撕裂的主要原因是在开采出的煤炭中混有的锚杆、铁钎、角钢、槽钢、螺丝等金属异物锋利刃口和棱角卡在胶带处或扎穿胶带造成纵向撕裂，或者是煤炭中混有的片状煤矸石坚硬的棱角扎入胶带造成纵向撕裂，因此对可能造成皮带纵向撕裂的危险源进行智能化检测是十分必要的。

目前，在线检测胶带纵向撕裂危险源的方式主要有两种。一种是应用放射性射线的检测方式，利用煤矿和煤矸石在γ射线照射时的衰减系数不同对煤矿和煤矸石进行实时监测(孟繁明，郭科伟.基于双能γ射线透射技术的煤矸石识别与分选系统研究[J].黑龙江科技信息,2013(36):83)，γ射线具有极强的穿透本领，虽然能够有效的区分煤矿和煤矸石的特征，但是在矿井作业的人员易长时间受到γ射线的照射对人体细胞造成伤害。另一种是基于图像处理的检测方式，根据煤块和矸石的灰度与纹理不同，利用边缘检测算法等进行图形的预处理与识别来得到煤矿和煤矸石图像直方图灰度概率分布的均值与方差上的区别(牛清娜.基于边缘检测算法的煤矸石自动分选技术研究[J].河北工程大学学报,2012,29(04):99-100)，但是这种方法对所采集的图像的清晰度要求比较高，生产现场经常会受到粉尘的影响，工业CCD在这种环境下不能很好的工作，况且煤矿和煤矸石在图像中的灰度分布差异并不明显，算法不能高效率的工作。

技术实现要素：

本发明一种矿用胶带纵向撕裂危险源红外智能检测传感器及使用方法，目的在于针对上述检测方式中出现的放射性危害、工作效率低等缺陷，提出一种基于红外光谱识别原理，在采集危险源特征信息后可以自动的识别出危险源，自主的对危险源在胶带上的运动状态进行跟踪识别，自动对危险源进行预判估计给出相应的决策，可以与矿井安全平台实现信息交互的智能传感器及其使用方法的技术方案。

本发明一种矿用胶带纵向撕裂危险源红外智能检测传感器，其特征在于是一种基于红外光谱识别原理，在采集危险源特征信息后可以自动的识别出危险源，自主的对危险源在胶带上的运动状态进行跟踪识别，自动对危险源进行预判估计给出相应的决策，与矿井安全平台实现信息交互的智能传感器，该传感器通过红外光谱识别原理，识别出疑似危险源将目标锁定并实时跟踪，然后传感器将图像信息转化成红外光谱特征信息与其内部的判定标准进行比较运算确定危险源的特征；该传感器通过通信光纤或者无线网络将现场的视频画面中的危险源进行标记，实时的传送到矿井安全平台并给出风险预估和决策建议；该传感器可以自主的对危险源做出决策也可以由工作人员进行人为干预实现信息的双向交流极大程度上降低胶带在运行过程中因矸石、锚杆等危险源而纵向撕裂的事故发生，实现智能化的风险识别和决策预警；该传感器既可以单独使用，也可多个使用，就是将多个传感器分布于不同的节点，形成智能化的决策预警系统，提高决策预警的可靠性，该传感器主要由金属机箱1、图像采集模块2、面阵红外探测模块3、红外发射模块4、信号调理模块5、可调支座6、图像处理模块7、记忆存储模块8、数据通信模块9、中央处理单元10、外接电源与通信接口11、电源模块12、固定支架13组成，其中信号调理模块5、图像采集模块2、图像处理模块7、记忆存储模块8、数据通信模块9、中央处理单元10和电源模块12均位于金属机箱1内部，其金属外壳8为180～200mm×80～100mm×80～100mm加有紫铜网且防电磁干扰的镍鉻合金的长方体金属外壳，面阵红外探测模块3和红外发射模块4位于金属机箱1的左壁外侧，金属机箱1底部设有60～80mm长的卡槽，信号调理模块5、图像采集模块2、图像处理模块7、决策预警模块8、数据通信模块9和中央处理单元10通过卡槽固定在金属机箱1底部内侧，电源模块12固定在金属机箱1顶部内侧，外接电源与通信接口11固定在金属机箱1右壁外侧，该传感器内部器件由排线依次连接，外部红外探测模块3由滤光器和面阵红外敏感器件组成，红外发射模块4是VSMY7852X01型红外发射器，信号调理模块5由滤波电路、调零电路、反馈电路和信号放大电路组成，图像采集模块2是一个MV-1394图像采集卡，图像处理模块7采用DSP芯片，数据通信模块9为TCF-142RS485/光纤模块。(如图1所示)

上述一种矿用胶带纵向撕裂危险源红外智能检测传感器的使用方法，其特征在于：

1)将该传感器通过可调支座6和固定支架13固定在可以平行移动的防爆云台上，通过传感器平行移动对其参数进行校正，计算出传感器检测图像中每个像素代表的实际距离。

2)固定在金属机箱1上的红外发射模块4在工作时向胶带检测区域发射红外线，此时固定在金属外壳1上的红外探测模块3感应经胶带反射回来的红外线，同时红外探测模块3感应矿石吸收红外线后辐射出的红外线。

3)在新开采出的矿石中混有煤矸石和锚杆等危险源，红外探测模块3中的红外敏感器件将接收检测区域内煤炭和其他危险源发出的红外辐射以及反射的红外线，转换为含有可见二维伪彩色信号，可见二维伪彩色信号经信号调理电路5进行滤波、调零、补偿和放大。

4)图像采集模块2采集调理电路5滤波和放大后的信号，得到煤炭和其他危险源灰度信息的二维红外数字图像，图像处理模块7首先对二维红外数字图像进行预处理，滤除图像噪声。

5)然后经过比较运算利用红外光谱中的信息差异将危险源锁定标记，识别出危险源的种类、大小和运动状态等信息，进行实时的跟踪。

6)决策预警模块8用于存储各个运算处理模块的程序，和与危险源及煤炭匹配的特征信息以及预警决策机制，在该模块中存储了几种不同的光谱特征作为运算标准区分出煤炭、煤矸石、锚杆和一些其他的金属类危险源，图像处理模块7可以从中提取信息并进行比较运算后再将危险源的种类、大小、运动状态等数据反馈给决策预警模块8为该模块提供决策预警的依据。

7)该传感器的决策预警机制分为两个级别，第一对于体积较小、边缘不锋利的煤矸石等其它矿物进行跟踪并反馈给安全平台低级预警的信号，可以控制传感器后续的其它分拣系统将危险源去除，第二对于体积较大比较锋利的危险源如煤矸石、锚杆和其他金属零部件，在无法利用现有设备分拣时，传感器会在识别其特征给安全平台高级预警信号的同时，做出相应决策降低胶带的运行速率或者停止胶带的运行避免胶带纵向撕裂，该模块在接受到危险源的特征数据后会自动与数据库中的决策机制进行运算匹配输出危险级别和安防措施给安全平台实现决策和预警的功能。

8)数据通信模块9将通过RS485总线或者无线网络将生产现场危险源被标记后的实时视频画面和传感器的决策指令传输到煤矿安全指挥中心，工作人员可以默认该传感器的决策，也可以通过数据通信模块对现场传感器进行干预控制屏蔽掉它的决策。在智能化传感器网络中数据通信模块9不仅可以实现单个节点与安全平台的信息交流，节点之间也可以通过局域网相互传递信息，将预警策略进一步细化，在局域网中多个传感器的协同作用可以获得危险源更细节的特征。第一步首先将危险源按照体积大小和边缘的锋利程度进行区分。第二步在之前的基础上将同类的危险源进行进一步的识别，此时决策预警模块8中存储的危险源特征会跟采集到的特征进行匹配区分出煤炭、煤矸石、锚杆、铆钉、木块、铁丝等。第三步进行策略匹配，综合考虑危险源的材质、体积和锋利程度，将其划分为六个预警级别(级别划分如表1所示)。

表1

第四步根据匹配好的预警级别给出相应的预警策略。观测距离内仅有6级、5级危险源，传感器后台给出策略命令后续的分拣设备去除隐患但运输胶带不减速，出现4级、3级危险源胶带运行会减速，避免危险源与胶带间发生剧烈摩擦造成划伤撕裂，然后后续分拣设备将隐患去除，出现2级、1级危险源胶带即刻停止运行，在分拣设备无法将隐患去除时，安全平台工作人员指挥现场进行危险源的排除工作。传感器在给出预警策略时，以观测距离内出现的最高等级危险源为准，提高决策预警的可靠性(如图2所示)中央处理单元10用于控制各个模块在同一时钟下按照优先级顺序进行工作，电源模块12用于给图像采集模块2、面阵红外探测模块3、红外发射模块4、信号调理模块5、可调支座6、图像处理模块7、决策预警模块8、数据通信模块9和中央处理单元10进行供电，本传感器参数为：

像素：320×240，51μm

探测模块焦距：19mm-75mm

空间分辨率：0.68-2.68mrad

测量温差：≤80mk-100mk

测量误差：±2﹪

水平视场角：12°-49°

垂直视场角：9°-36°

胶带宽度：800-2400mm

胶带速度：≤6.0m/s

测量距离：≤0.130km(探测模块焦距为75mm，胶带宽度800mm时)

测量光谱范围：8-14μm

图像帧频：30帧/s

图像颜色：彩色/黑白

调焦方式：自动/手动

检测准确率：98﹪以上

工作温度：-40℃～60℃

电压：6-15V

功耗：≤6W

信噪比：＞56dB

通信协议：RS485。

本发明一种矿用胶带纵向撕裂危险源红外智能检测传感器及使用方法，其优点在于：由于红外线对人体无害，越过障碍的能力强，不易受到生产现场粉尘的影响。该传感器通过红外光谱识别原理，识别出疑似危险源将目标锁定并实时跟踪，然后传感器将图像信息转化成红外光谱特征信息与其内部的判定标准进行比较运算，进一步确定危险源的特征。该传感器通过通信光纤或者无线网络将现场的视频画面中的危险源进行标记，实时的传送到矿井安全平台并给出风险预估和决策建议，该传感器可以自主的对危险源做出决策也可以由工作人员进行人为干预实现信息的双向交流极大程度上降低胶带在运行过程中因矸石、锚杆等危险源而纵向撕裂的事故发生，实现智能化的风险识别和决策预警。本传感器既可以单使独用，也可将多个传感器分布于不同的节点，形成智能化的决策预警系统，提高决策预警的可靠性。另外该传感器还具有以下优点可归纳为：

1.本传感器是在开采完成后进行长距离运输之前对掺杂在煤炭中的危险源进行实时的检测，防患于未然，极大程度上降低了矿用胶带因为煤矸石、锚杆的划伤或者穿刺而导致的纵向撕裂的可能性。

2.本传感器利用煤炭与危险源红外光谱上的信息差异，可以有效的将危险源与煤炭进行区分，其算法具有高效性、可靠性。

3.本传感器充分利用红外线具有无放射性和抗干扰的特点，可以在不影响井下作业人员健康状况的前提下工作，可以克服煤矿井下粉尘多可视条件差等缺陷，提高了检测的可靠性。

附图说明

图1矿用胶带纵向撕裂危险源红外智能检测传感器结构图

标号为：1-金属机箱、2-图像采集模块、3-面阵红外探测模块、4-红外发射模块、5-信号调理模块、6-可调支座、7-图像处理模块、8-决策预警模块、9-数据通信模块、10-中央处理单元、11-外接电源与通信接口、12-电源模块、13-固定支架

图2局域网中多个传感器节点分布示意图。

具体实施方式

实施方式1:

该传感器主要由金属机箱1、图像采集模块2、面阵红外探测模块3、红外发射模块4、信号调理模块5、可调支座6、图像处理模块7、决策预警模块8、数据通信模块9、中央处理单元10、外接电源与通信接口11、电源模块12、固定支架13组成。其中信号调理模块5、图像采集模块2、图像处理模块7、决策预警模块8、数据通信模块9、中央处理单元10、电源模块12均位于金属机箱1内部，其金属外壳8为180～200mm×80～100mm×80～100mm加有紫铜网，防电磁干扰的镍鉻合金的长方体金属外壳。红外探测模块3、红外发射模块4、位于金属机箱1的左壁外侧。金属机箱1底部设有60～80mm长的卡槽，信号调理模块5、图像采集模块2、图像处理模块7、决策预警模块8、数据通信模块9、中央处理单元10通过卡槽固定在金属机箱1底部内侧。电源模块12固定在金属机箱1顶部内侧。外接电源与通信接口11固定在金属机箱1右壁外侧。该传感器内部器件由排线依次连接，外部红外探测模块3由滤光器和红外敏感器件组成，红外发射模块4是VSMY7852X01型红外发射器，信号调理模块5由滤波电路和信号放大电路组成，图像采集模块2是一个MV-1394图像采集卡，图像处理模块7采用DSP芯片，数据通信模块(9)为TCF-142RS485/光纤模块。(如图1所示)

检测胶带宽度为800mm，胶带运行速度为4.0m/s，本传感器安装在胶带大架上，距离胶带上表面1000mm处，调整红外探测模块1的焦距为19mm。将传感器通过可调支座6和固定支架13固定在可以平行移动的防爆云台上，通过传感器平行移动对其参数进行校正，计算出传感器检测图像中每个像素代表的实际距离，固定在金属机箱1上的红外发射模块4在工作时向胶带检测区域发射红外线，此时固定在金属外壳1上的面阵红外探测模块3感应经胶带反射回来的红外线，同时面阵红外探测模块3感应矿石吸收红外线后辐射出的红外线。在新开采出的矿石中混有煤矸石和锚杆等危险源，面阵红外探测模块3中的红外敏感器件将接收检测区域内煤炭和其他危险源发出的红外辐射以及反射的红外线，转换为含有可见二维伪彩色信号，可见二维伪彩色信号经信号调理电路5进行滤波、调零、补偿和放大；图像采集模块2采集调理电路5滤波和放大后的信号，得到煤炭和其他危险源灰度信息的二维红外数字图像；图像处理模块7首先对二维红外数字图像进行预处理，滤除图像噪声。然后经过比较运算利用红外光谱中的信息差异将危险源锁定标记，识别出危险源的种类、大小、运动状态等信息，进行实时的跟踪。决策预警模块8用于存储各个运算处理模块的程序，和与危险源及煤炭匹配的特征信息以及预警决策机制，在该模块中存储了几种不同的光谱特征作为运算标准，可以区分出煤炭、煤矸石、锚杆和一些其他的金属类危险源，图像处理模块7可以从中提取信息并进行比较运算后再将危险源的种类、大小、运动状态等数据反馈给决策预警模块8为该模块提供决策预警的依据，该模块在接受到危险源的特征数据后会自动与数据库中的决策机制进行运算匹配输出危险级别和安防措施给安全平台实现决策和预警的功能。该传感器的决策预警机制分为两个级别，第一对于体积较小、边缘不锋利的煤矸石等其它矿物进行跟踪并反馈给安全平台低级预警的信号，可以控制传感器后续的其它分拣系统将危险源去除，第二对于体积较大比较锋利的危险源如煤矸石、锚杆和其他金属零部件，在无法利用现有设备分拣时，传感器会在识别其特征给安全平台高级预警信号的同时，做出相应决策降低胶带的运行速率或者停止胶带的运行避免胶带纵向撕裂)数据通信模块9将通过RS485总线或者无线网络将生产现场危险源被标记后的实时视频画面和传感器的决策指令传输到煤矿安全指挥中心，工作人员可以该默认传感器的决策，也可以通过数据通信模块对现场传感器进行干预控制屏蔽掉它的决策。中央处理单元10用于控制各个模块在同一时钟下按照优先级顺序进行工作。电源模块12用于给图像采集模块2、面阵红外探测模块3、红外发射模块4、信号调理模块5、可调支座6、图像处理模块7、决策预警模块8、数据通信模块9、中央处理单元10进行供电，本传感器参数为：

像素：320×240，51μm

探测模块焦距：19mm

空间分辨率：2.68mrad

测量温差：≤90mk

测量误差：±2﹪

水平视场角：49°

垂直视场角：36°

胶带宽度：800mm

胶带速度：4.0m/s

测量距离：≤0.033km

测量光谱范围：8-14μm

图像帧频：30帧/s

图像颜色：彩色/黑白

调焦方式：自动/手动

检测准确率：98﹪以上

工作温度：0℃

电压：6-15V

功耗：≤6W

信噪比：＞50dB

通信协议：RS485。

实施方式2：

检测胶带宽度为1000mm，胶带的运行速度为6.0m/s。本传感器安装在胶带大架上，距离胶带上表面1200mm处。本传感器的工作参数为：

像素：320×240，51μm

探测模块焦距：20mm

空间分辨率：2.55mrad

测量温差：≤100mk

测量误差：±3﹪

水平视场角：46°

垂直视场角：35°

胶带宽度：1000mm

胶带运行速度：6.0m/s

测量距离：≤0.021km

测量光谱范围：8-14μm

图像帧频：30帧/s

图像颜色：彩色/黑白

调焦方式：自动/手动

检测准确率：98﹪以上

工作温度：-10℃

电压：6-15V

功耗：≤6W

信噪比：＞40dB

通信协议：RS485

其它同实施方式1。

实施方式3：

检测胶带宽度为2400mm，胶带运行速度为6.0m/s。通过研究设计，将多个传感器分布于胶带两侧不同的位置以传感器节点的形式连接到局域网中。本传感器安装在胶带大架上，距离胶带上表面2600mm处。

数据通信模块9将通过RS485总线或者无线网络将生产现场危险源被标记后的实时视频画面和传感器的决策指令传输到煤矿安全指挥中心，工作人员可以该默认传感器的决策，也可以通过数据通信模块对现场传感器进行干预控制屏蔽掉它的决策。在智能化传感器网络中数据通信模块9不仅可以实现单个节点与安全平台的信息交流，节点之间也可以通过局域网相互传递信息，对捕捉到的疑似危险源进行进一步的确认，将预警策略进一步细化，(在局域网中多个传感器的协同作用可以获得危险源更细节的特征。第一步首先将危险源按照体积大小和边缘的锋利程度进行区分。第二步在之前的基础上将同类的危险源进行进一步的识别，此时决策预警模块8中存储的危险源特征会跟采集到的特征进行匹配区分出煤炭、煤矸石、锚杆、铆钉、木块、铁丝等。第三步进行策略匹配，综合考虑危险源的材质、体积和锋利程度，将其划分为六个预警级别(级别划分如表1所示)。第四步根据匹配好的预警级别给出相应的预警策略。观测距离内仅有6级、5级危险源，传感器后台给出策略命令后续的分拣设备去除隐患但运输胶带不减速，出现4级、3级危险源胶带运行会减速，避免危险源与胶带间发生剧烈摩擦造成划伤撕裂，然后后续分拣设备将隐患去除，出现2级、1级危险源胶带即刻停止运行，在分拣设备无法将隐患去除时，安全平台工作人员指挥现场进行危险源的排除工作。传感器在给出预警策略时，以观测距离内出现的最高等级危险源为准。)本传感器的工作参数为：

像素：320×240，51μm

探测模块焦距：35mm

空间分辨率：1.45mrad

测量温差：≤80mk

测量误差：±2﹪

水平视场角：26°

垂直视场角：20°

胶带宽度：2400mm

胶带运行速度：6.0m/s

测量距离：≤0.045km

测量光谱范围：8-14μm

图像帧频：30帧/s

图像颜色：彩色/黑白

调焦方式：自动/手动

检测准确率：98﹪以上

工作温度：30℃

电压：6-15V

功耗：≤6W

信噪比：＞30dB

通信协议：RS485。

其它同实施方式1。