专利名称：一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统及测试方法
技术领域：
本发明一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统及测试方法，属于煤矿设备在线测试技术领域。涉及一种基于X射线源、高频高压发生器、扫描探测装置和虚拟仪器等组成的在线测试系统及其测试方法的技术方案。
背景技术：
钢绳芯输送带作为煤矿生产运输的重要手段，已经在现场得到广泛应用。由于在现场运行过程中，输送带发生不同程度的撕裂问题，进而影响到煤矿的安全生产。目前现场多数采用X光射线源对钢绳芯输送带进行透视检测，但生成的图像容易产生失真和亮度不均勻(阴影)等问题，容易受输送带抖动和跑偏的影响，而且不能达到在线测试。除此之外现场还有采用弱磁检测技术对输煤皮带钢芯在线检测，但其容易受周围磁场的影响且不能直观对内部钢芯状态全面直观了解。
发明内容
本发明一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统及测试方法的目的是为了解决现有技术中X光射线源检测系统中快速图像采集精度不高、在线预见性差、数据存储处理功能不足、功能单一、容易受输送带抖动和跑偏影响等问题，从而提供一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统及测试方法的技术方案。本发明一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统，其特征在于是一种采用X射线高频高压发生器与互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semicconductor，简称CMOS)线阵列扫描探测器相结合的方式，用于输送带钢绳芯实时成像和快速断层扫描， 同时应用虚拟测试系统完成图像采集与处理，能够实现对钢绳芯输送带内部断芯、接头松动情况定量在线测试系统，该系统由X射线源1、高频高压发生器2、扫描探测装置3、防爆接线箱4、光缆5、上位机6、底板7和立柱8组成，所述的底板7和立柱8组成测试装置骨干， 实现测试装置固定，安装在煤仓落料口处下输送带23的下方，所述的X射线源1、高频高压发生器2和扫描探测装置3组成测试硬件电路部分，实现图像数据采集功能，所述的防爆接线箱4、光缆5和上位机6实现远程图像传输、测试与分析，所述的扫描探测装置3内装有 CMOS探测单元9、模拟开关10、ADS8422 A/D转换器11、XC95144XL时序控制器12、Camera Link接口 13，CMOS探测单元9排列成一个阵列，输出电压经过模拟开关10与ADS8422 A/D 转换器11转换成16位的数字信号，XC95144XL时序控制器12控制模拟开关10和ADS8422 A/D转换器11的转换工作，扫描探测装置3外壳采用铝防护保护，所述的防爆接线箱4内装有电源14、Camera Link光纤转换器15，安装于输煤主井皮带巷道墙上，内部装有的电源 14通过电缆分别与高频高压发生器2、扫描探测装置3联接，为系统供电，防爆接线箱4内装有Camera Link光纤转换器15与扫描探测装置3内装有的Camera Link接口 13联接， 实现采集图像信号转换，经光缆5实现远距离信号传输功能，所述的上位机6采用以美国OT 公司的工业化采集和控制系统Compact RIO采集站为基础，装有NI PCI-1426图像采集卡16,Labview图像处理软件17、接口 18、显示器19、键盘20和鼠标21，利用FPGA芯片22作为内核，实现虚拟仪器平台下的实时图像信号采集、计算分析和存储功能，上位机6安装于输送带主控室，所述的底板7采用长宽400mmX 200mm、厚度4_6mm的钢板，钢板左边缘和立柱8焊接在一起，立柱8采用2mm钢板焊接成30mmX 25mmX 900mm矩形钢杆，并空有安装螺丝的中间缝隙，扫描探测装置3安装在下皮带的大架上，与立柱8用螺丝固定，通过上述电气联接，将测试装置垂直放于所选地点，即可完成输送带X光图像数据采集、传输与分析。如上所述的一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统，其特征在于所述的高频高压发生器2采用ZL200710050425. 3医用诊断X射线高频高压发生器作为X射线源1的信号源用于工业透视，保证X射线源1输出的X射线波形近似恒定直流，短时间曝光。工作频率 30-40KHZ，最短曝光时间1ms，并采用ZL200920256954. 3矿用隔爆型X线发射箱，符合防爆要求。如上所述的一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统，其特征在于所述的扫描探测装置3采用美国Cypress公司的STAR250型黑白面阵CMOS探测器，尺寸 244mmX 279mmX 33mm,根据输送带宽度选择CMOS探测单元9的个数，最宽2. 2m的输送带选用10个。如上所述的一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统，其特征在于所述的防爆接线箱 4安装于输煤主井皮带巷道墙上经过光缆5和上位机6联接，同时通过Camera Link接口 13接收扫描探测装置3采集到的图像信号。防爆接线箱4内的Camera Link光纤转换器 15上的RS485接口控制M)(C95144XL时序控制器工作。如上所述的一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统，其特征在于所述的上位机6安装于输送带主控室，利用NI PCI-1426图像采集卡16高速采集图像信号。将Matlab中图像处理和分析评估算法下载到FPGA中，结合Labview图像处理软件17，保证系统实时图像分析与处理。其系统主要技术指标防爆标准GB3836. 4-2000 GB3836. 2-2000电源井上220V 50Hz 井下127V 50Hz最大通信距离500m工作温度-40°C_70°C测试速率3000 4000mm/minX射线最大辐射角80°输送带宽度0. 6-2. 2m成像帧频30帧/s成像尺寸彡Imm输送带速度0-6m/s传输回路最多8路16位数字量输入上述一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统的测试方法，其特征在于包括下列步骤I、接通X射线源1的高频高压发生器2与扫描探测装置3的工作电源；II、开启上位机6，进入登录界面；
III、工作模式选择，查看历史与评估分析或开始采集图像；IV、用鼠标点击开始采集图像；V、Compact RIO采集站自检程序；VI、测试系统功能显示与设定程序，程序分为四个模块采集设定、显示设置、数据存储和实时评估；VII、进入采集设定模块，设置系统测试计时与钢绳芯第一接头标记、监测周期，点击准备分析进行系统测试；VIII、进入显示设置模块，由Labview图像处理软件对实时图像进行分析显示，显示报警信息、故障缺陷和分析曲线；IX、进入数据存储模块，由计算机存储部分与软件系统完成事件记录与时间存储；X、进入实时评估模块，由计算机软件系统完成钢绳芯故障缺陷分析、输送带寿命评估分析、应对措施与报表生成。由于本发明采用以上技术方案，故具有以下优点1、采用CMOS扫描探测器作为测试手段，将一种新型的射线探测元件排列成一个阵列，并将它们直接与集成电路连接一起，同步完成射线接收、光电转化、数字化全过程，具有采集效率高，可实现动态降噪，其几何尺寸达到0. 08mmX0. 08mm，从而保证系统动态检测噪声低、灵敏度高和图像分辨率高的特点，从而解决了因输送带抖动影响钢绳芯成像的问题，同时具有结构紧凑，重量轻的特点。结合X射线源高频高压发生器可以实现连续工作与实时检测，解决了以往X射线接收板长时照射容易损坏的缺点，从而大大增强了系统的使用寿命。同时对于设备内部不可视的互连及结构进行评估时，传统的光学检测将无能为力， 而且传统的X光检测由于对人体伤害大而受到限制。2、X射线源采用高频高压发生器，使输出波形近似恒定直流，射线性能稳定，软射线成分较少，有利于成像质量提高和降低射线伤害，可以解决以往X射线源采用工频方式对人体危害大的缺点。同时χ射线高频高压发生器曝光时间精确，实现短时间曝光，有利于系统在线测试，同时提高了系统的操作性。3、解决了传统X射线源因辐射角的制约，对不同宽度输送带不能全覆盖扫描的缺点，可适应于不同宽度规格的输送带。其测试装置采用整体框架结构可移动，具有防尘、防震性能，全天候工作，免维护。4、对输送带钢绳芯接头的定位采用用户定义和特征识别相结合的方法，通过信号处理自动识别接头阶数并结合用户习惯编号，进而达到故障点的寻址和检修依据。改变了以往检测系统中采用速度传感器和旋转编码器等手段，具有节省成本，减少维护且准确到 mm级定位等优点。5、采用NI Compact RIO系统和LabVIEW开发无缝连接使用户轻松通过图形化开发环境访问底层硬件，快速建立嵌入式系统控制和数据采集，大大降低系统开发、生产的技术风险。同时NI Compact RIO系统坚固可靠，适合在煤矿的复杂环境下应用。6、在计算机数据软件处理与管理上采用NI的实时模块，FPGA程序，做到多输送带间数据的同步采集，并同时实现本地存储，提高大容量数据采集传输速率。7、经过分析与评估，根据定义缺陷状态级别，显示器显示报警级别。
8、采用LabVIEW和Matlab相结合的方法用于对图像的采集和识别使判断、控制和操作更加精确，具有高的可信度、人性化和智能化。9、系统构造简单，功能强大，操作容易，便于使用。
图1为本发明系统结构图
图2为本发明中X射线高频高压发生器和CMOS线阵列扫描探测器的装置示意3为本发明中钢绳芯输送带在线虚拟测试方法流程4为本发明中钢绳芯输送带在线虚拟测试分析与处理软件系统图
I、X射线源
3、扫描探测装置 5、光缆 7、底板
9、CMOS探测单元
II、ADS8422A/D转换器 13、Camera Link 接口
15、Camera Link光纤转换器 17, Labview图像分析与处理软件 19、显示器 21、鼠标 23、下输送带
2、高频高压发生器 4、防爆接线箱 6、上位机 8、立柱 10、模拟开关
12、XC95144XL时序控制器 14、电源
16、NI PCI-1426图像采集卡 18、接口 20、键盘 22、FPGA 芯片 24、RS485 接口
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施作如下详述如图1所示，钢绳芯输送带在线虚拟测试系统，主要由X射线源1、高频高压发生器2、扫描探测装置3、防爆接线箱4、光缆5、上位机6、底板7和立柱8组成。X射线源1、高频高压发生器2和扫描探测装置3组成测试硬件电路部分，实现图像数据采集功能，防爆接线箱4、光缆5和上位机6实现远程图像传输、测试与分析，底板7采用长宽 400mmX 200mm、厚度4_6mm的钢板，钢板左边缘和立柱8焊接在一起，立柱8采用2mm钢板焊接成30mmX25mmX900mm矩形钢杆，并空有安装螺丝的中间缝隙，组成测试装置骨干，实现测试装置固定，安装在煤仓落料口处下输送带23的下方，扫描探测装置3内装有的CMOS 探测单元9排列成一个阵列，输出电压经过模拟开关10与ADS8422 A/D转换器11转换成 16位的数字信号，XC95144XL时序控制器12控制模拟开关10和ADS8422 A/D转换器11的转换工作，其外壳采用铝防护保护，防爆接线箱4的外形尺寸为385mmX330mmX 121mm，内装有电源14、Camera Link光纤转换器15与扫描探测装置3内装有的Camera Link接口 13联接，安装于输煤主井皮带巷道墙上，实现采集图像信号转换，经光缆5实现远距离信号传输功能，上位机6安装于输送带主控室，通过NI PCI-1426图像采集卡16采集图像，利用 FPGA芯片22结合Labview图像处理软件17进行分析、使用显示器19、键盘20和鼠标21 完成虚拟仪器平台下的实时图像信号采集、计算分析和存储功能。
其系统主要技术指标防爆标准GB3836. 4-2000 GB3836. 2-2000电源井上220V 50Hz 井下127V 50Hz最大通信距离500m工作温度-40°C-70°C检测速率3000 4000mm/minX射线最大辐射角80°输送带宽度0. 6-2. 2m成像帧频30帧/s成像尺寸彡Imm输送带速度0-6m/s传输回路最多8路16位数字量输入如图2所示，为了达到防爆要求，X射线源1和高频高压发生器2放置于 ZL200920256954. 3矿用隔爆型X线发射箱，固定于测试装置底板上。扫描探测装置3安装于下输送带22大架上方，通过螺栓与立柱8固定，组成整体框架。如图3所示，钢绳芯输送带在线虚拟测试方法，具体包括下列步骤1、接通高频高压发生器2与扫描探测装置3的工作电源14。2、开启上位机6，进入登录界面。3、进入工作模式选择，查看采集图像历史与输送带钢绳芯状态评估分析或系统开始采集图像。4、用鼠标21点击开始采集图像。5、CompactRIO采集站自检程序。6、测试系统功能显示与设定程序。程序分为四个模块采集设定、显示设置、数据存储、实时评估。7、进入采集设定模块，设置系统测试计时与钢绳芯第一接头标记、监测周期。点击准备分析进行系统测试。对输送带钢绳芯接头的定位采用用户定义和特征识别相结合的方法，通过信号处理自动识别接头阶数并结合用户习惯编号。8、进入显示设置模块。由Labview图像处理软件对实时图像进行分析，显示器19 显示报警信息、故障缺陷、分析曲线。12、进入数据存储模块。由计算机存储部分与软件系统完成事件记录与时间存储。 系统数据存储将指定的数据按照时间标签存入数据文件，每个数据包中包含一个数据采集通道Is连续采集数据的内容，数据文件名包括如下信息采集开始时间、数据存储模式、采样率等。文件内容包括采样图像数据。为了避免数据文件的太大，可以自动更换一个文件保存，根据硬盘空间大小，可以自动删除一月以前的数据文件。13、进入实时评估模块。由计算机软件系统完成钢绳芯故障缺陷分析、输送带寿命评估分析、应对措施与报表生成。如图4所示，钢绳芯输送带在线虚拟测试分析与处理软件系统包括实时图像分析系统、智能数据管理系统和胶带故障诊断专家系统。实时图像分析系统是为了避免受环境条件、视觉特性和主观意识的影响，采用图像的变换、增强、复原和编码的手段达到图像处理的良好效果。利用LabVIEW强大的数据采集功能，结合Matlab强大的图像处理功能，采用COM技术Matlab Builder for COM将M 文件编译成二进制的COM组件嵌入到LabVIEW程序中。其中图像变换通过转换到频率域进行处理以达到改善图像的质量，还可以提高系统处理的速度，采用Radon变换更加突出图像的边缘，适合检测图像中的直线。图像增强是为了增强图像中的有用信息，削弱干扰和噪音，便于观察识别和进一步分析处理，采用直方图技术、对比度增强等手段。图像复原是避免因输送带的高速运动、介质散射、系统畸变等因素造成图像恶化。图像编码是在满足一定保真度的情况下，减少图像数据的空间占用量。智能数据管理系统采用传统数据处理方法与动态权衡评估方法的结合应用，采用动态权衡评估方法实时问题求解系统中自动协调多类型功能。胶带故障诊断专家系统通过对输送带内部钢芯结构损伤及内力状态进行实时、精确同步测量与分析，利用诊断模块有效掌控输送带钢芯结构使用状态及其发展演化趋势， 从而进一步为输送带运行提供数字化信息化“档案”管理依据。
权利要求
1.一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统，其特征在于是一种采用X射线高频高压发生器与互补金属氧化物半导体线阵列扫描探测器相结合的方式，用于输送带钢绳芯实时成像和快速断层扫描，同时应用虚拟测试系统完成图像采集与处理，能够实现对钢绳芯输送带内部断芯、接头松动情况定量在线测试系统，该系统由X射线源(1)、高频高压发生器O)、 扫描探测装置(3)、防爆接线箱、光缆(5)、上位机(6)、底板(7)和立柱⑶组成，所述的底板(7)和立柱(8)组成测试装置骨干，实现测试装置固定，安装在煤仓落料口处下输送带的下方，所述的X射线源(1)、高频高压发生器( 和扫描探测装置C3)组成测试硬件电路部分，实现图像数据采集功能，所述的防爆接线箱、光缆(5)和上位机(6)实现远程图像传输、测试与分析，所述的扫描探测装置(3)内装有CMOS探测单元(9)、模拟开关(10)、ADS8422 A/D 转换器(11)、XC95144XL 时序控制器(12)、CameraLink 接口(13)， CMOS探测单元(9)排列成一个阵列，输出电压经过模拟开关(10)与ADS8422 A/D转换器 (11)转换成16位的数字信号，XC95144XL时序控制器(12)控制模拟开关(10)和ADS8422 A/D转换器(11)的转换工作，扫描探测装置(3)外壳采用铝防护保护，所述的防爆接线箱 ⑷内装有电源(14)、Camera Link光纤转换器(15)，安装于输煤主井皮带巷道墙上，内部装有的电源(14)通过电缆分别与高频高压发生器O)、扫描探测装置C3)联接，为系统供电，防爆接线箱⑷内装有Camera Link光纤转换器(15)与扫描探测装置(3)内装有的 Camera Link接口(13)联接，实现采集图像信号转换，经光缆(5)实现远距离信号传输功能，所述的上位机(6)采用以美国NI公司的工业化采集和控制系统Compact RIO采集站为基础，装有NI PCI-1426图像采集卡(16)、Labview图像处理软件(17)、接口(18)、显示器 (19)、键盘00)和鼠标(21)，利用FPGA芯片Q2)作为内核，实现虚拟仪器平台下的实时图像信号采集、计算分析和存储功能，上位机(6)装于输送带主控室，所述的底板(7)采用长宽400mmX200mm、厚度4_6mm的钢板，钢板左边缘和立柱(8)焊接在一起，立柱(8)采用 2mm钢板焊接成30mmX 25mmX 900mm矩形钢杆，并空有安装螺丝的中间缝隙，扫描探测装置 (3)安装在下皮带的大架上，与立柱(8)用螺丝固定，通过上述电气联接，将测试装置垂直放于所选地点，即可完成输送带X光图像数据采集、传输与分析。
2.按照权利要求1所述的一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统，其特征在于所述的高频高压发生器(2)采用ZL200710050425. 3医用诊断X射线高频高压发生器作为X射线源 ⑴的信号源用于工业透视，保证X射线源⑴输出的X射线波形近似恒定直流，短时间曝光；工作频率30-40KHz，最短曝光时间1ms，并采用ZL200920256卯4. 3矿用隔爆型X线发射箱，符合防爆要求。
3.按照权利要求1所述的一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统，其特征在于所述的扫描探测装置(3)采用美国Cypress公司的STAR250型黑白面阵CMOS探测器，尺寸 244mmX 279mmX 33mm,根据输送带宽度选择CMOS探测单元(9)的个数，最宽2. 2m的输送带选用10个。
4.按照权利要求1所述的一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统，其特征在于所述的防爆接线箱(4)安装于输煤主井皮带巷道墙上经过光缆(5)和上位机(6)联接，同时通过CameraLink接口(13)接收扫描探测装置(3)采集到的图像信号，防爆接线箱⑷内的 Camera Link光纤转换器(1 上的RS485接口控制对XC95144XL时序控制器工作。
5.按照权利要求1所述的一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统，其特征在于所述的上位机(6)安装于输送带主控室，利用NI PCI-1426图像采集卡(16)高速采集图像信号，将 Matlab中图像处理和分析评估算法下载到FPGA中，结合Labview图像处理软件(17)，进行系统实时图像分析与处理。 其系统主要技术指标 防爆标准:GB3836. 4-2000 GB3836. 2-2000 电源井上220V 50Hz 井下127V 50Hz 最大通信距离500m 工作温度-40°C -70°C 测试速率3000 4000mm/min X射线最大辐射角80° 输送带宽度0. 6-2. 2m 成像帧频30帧/s 成像尺寸Imm 输送带速度0-6m/s 传输回路最多8路16位数字量输入。
6.权利要求1所述一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统的测试方法，其特征在于包括下列步骤I、接通X射线源(1)的高频高压发生器O)与扫描探测装置(3)的工作电源；II、开启上位机(6)，进入登录界面；III、工作模式选择，查看历史与评估分析或开始采集图像；IV、用鼠标点击开始采集图像；V、CompactRIO采集站自检程序；VI、测试系统功能显示与设定程序，程序分为四个模块采集设定、显示设置、数据存储和实时评估；VII、进入采集设定模块，设置系统测试计时与钢绳芯第一接头标记、监测周期，点击准备分析进行系统测试；VIII、进入显示设置模块，由Labview图像处理软件对实时图像进行分析显示，显示报警信息、故障缺陷和分析曲线；IX、进入数据存储模块，由计算机存储部分与软件系统完成事件记录与时间存储；X、进入实时评估模块，由计算机软件系统完成钢绳芯故障缺陷分析、输送带寿命评估分析、应对措施与报表生成。
全文摘要
一种钢绳芯输送带在线虚拟测试系统及测试方法，属于煤矿设备在线测试技术领域，其特征在于该系统包括X射线源、高频高压发生器、扫描探测装置、防爆接线箱、光缆、上位机、底板和立柱等。本发明采用CMOS扫描探测器作为测试手段，将一种新型的射线探测元件排列成一个阵列，并将它们直接与集成电路连接一起，同步完成射线接收、光电转化、数字化全过程，具有采集效率高，可实现动态降噪，其几何尺寸达到0.08mm×0.08mm，从而保证系统动态检测噪声低、灵敏度高和图像分辨率高的特点，解决了因输送带抖动影响钢绳芯成像的问题，同时具有结构紧凑，重量轻的特点，满足煤矿正常生产的需求，有助于提高煤矿安全生产能力。
文档编号G01N23/04GK102243189SQ201110087038
公开日2011年11月16日 申请日期2011年3月31日 优先权日2011年3月31日
发明者乔美英, 乔铁柱, 张建国, 王福强, 程鹏, 路晓宇, 闫来清 申请人:太原理工大学