传送带上的物料体积流量测量方法及系统与流程

本发明属于固体物料流量测量技术领域，尤其涉及一种传送带上的物料体积流量测量方法及系统。

背景技术：

传送带是运送固体物料的常用工具，某些应用环境下需要测量传送带上物料的体积流量或某一段时间内运送的物料体积。当传送带上的物料为粉状或小颗粒状时，可用刮板刮平，用测距仪测量得到物料的厚度后计算其体积流量。然而，当物料为块状时，或传送带速度较大时，无法使用刮板刮平物料，因而无法得知物料体积。如tbm(tunnelboringmachine隧道掘进机)施工中，需要研究岩机互作用，渣土的体积流量是一个重要的研究参考。然而渣土中含有大量岩块，无法将传送带上的渣土刮平。因此，需要一种测量方法以获取传送带上具有不规则轮廓表面的物料的体积。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种传送带上的物料体积流量测量方法及系统，能够对传送带上具有不规则表面的固体物料的体积流量进行测量。

第一方面，提供一种传送带上的物料体积流量测量方法，包括以下步骤：a、获取传送带的表面上多个点的第一位置信息，多个点位于同一截面内；b、获取物料的多个截面中的每个截面内物料表面上多个点的第二位置信息，每个截面内物料表面上的多个点与步骤a中的多个点一一对应；c、根据第一位置信息和第二位置信息得到物料的多个截面中的每个截面内每两个一一对应的点之间的距离；d、根据每两个一一对应的点之间的距离拟定多个类梯形、计算多个类梯形的面积，并求和计算物料的每个截面的面积；e、根据每个截面的面积和传送带的速度计算物料的体积流量。

在第一种可能的实现方式中，步骤a包括：与传送带上多个点所在的同一截面平行的一个平面内沿多个预定路径，对由预设的一个点或多个点至传送带的表面上多个点的距离进行测量得到传送带的表面上多个点的第一位置信息；步骤b包括：按照预定时间节点，在平面内沿多个预定路径，对由预设的一个点或多个点至传送带上物料表面上多个点的距离进行测量，在每个预定时间节点获取传送带上物料表面上多个点的第二位置信息。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，第一位置信息和第二位置信息均包括距离信息和角度信息。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，步骤a包括：在不同截面内，对由预设的一个或多个点至传送带表面上多个点的距离进行测量、并对各个截面内位于同一预定路径上的传送带表面的点的距离求平均值得到第一位置信息。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，步骤e中，传送带的速度为获取第二位置信息时传送带的实时速度。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，多个预定路径的一端均穿过预设的一个点，多个预定路径在平面内呈辐射状；在d步骤中拟定多个类梯形时，使每个类梯形的上底边为经过相邻两个预定路径中的一个预定路径与传送带表面交点的竖直直线，下底边为经过相邻两个预定路径中的另一个预定路径与传送带表面交点的竖直直线。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，多个预定路径的一端均穿过预设的一个点，多个预定路径在平面内呈辐射状，或多个预定路径在平面内竖直排布，在d步骤中拟定多个类梯形时，使每个类梯形的上底边和下底边选取为相邻两个预定路径的位于物料表面与传送带表面的一段。

第二方面，提供一种传送带上的物料体积流量测量系统，包括信息获取单元和处理单元。信息获取单元用于获取传送带的表面上多个点的第一位置信息，多个点位于同一截面内，以及获取物料的多个截面中的每个截面内物料表面上多个点的第二位置信息，每个截面内物料表面上的多个点与传送带的表面上多个点一一对应。处理单元用于根据第一位置信息和第二位置信息得到物料的多个截面中的每个截面内每两个一一对应的点之间的距离；并且，根据每两个一一对应的点之间的距离拟定多个类梯形、计算多个类梯形的面积，并求和计算物料的每个截面的面积，以及根据每个截面的面积和传送带的速度计算物料的体积流量。

在第一种可能的实现方式中，信息获取单元还用于与传送带上多个点所在的同一截面平行的一个平面内沿多个预定路径，对由预设的一个点或多个点至传送带的表面上多个点的距离进行测量得到传送带的表面上多个点的第一位置信息；并且，按照预定时间节点，在平面内沿多个预定路径，对由预设的一个点或多个点至传送带上物料表面上多个点的距离进行测量，在每个预定时间节点获取传送带上物料表面上多个点的第二位置信息。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，第一位置信息和第二位置信息均包括距离信息和角度信息。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，信息获取单元还用于，在不同截面内，对由预设的一个或多个点至传送带表面上多个点的距离进行测量。处理单元还用于，对各个截面内位于同一预定路径上的传送带表面的点的距离求平均值得到第一位置信息。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，传送带的速度为获取第二位置信息时传送带的实时速度。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，信息获取单元获取第一位置信息和第二位置信息时，多个预定路径的一端均穿过预设的一个点，多个预定路径在平面内呈辐射状；处理单元拟定多个类梯形时，使每个类梯形的上底边为经过相邻两个预定路径中的一个预定路径与传送带表面交点的竖直直线，下底边为经过相邻两个预定路径中的另一个预定路径与传送带表面交点的竖直直线。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，信息获取单元获取第一位置信息和第二位置信息时，多个预定路径的一端均穿过预设的一个点，多个预定路径在平面内呈辐射状，或多个预定路径在平面内竖直排布。处理单元拟定多个类梯形时，使每个类梯形的上底边和下底边选取为相邻两个预定路径的位于物料表面与传送带表面的一段。

本发明提供的传送带上的物料体积流量测量方法及系统，通过预定路径测量传送带表面和物料表面的多个点的位置信息，可通过将物料截面划分为多个小的类梯形区域计算截面的面积，可适用于任何固体物料的(堆积)体积流量的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明一个实施例提供的传送带上的物料体积流量测量系统的流程示意图；

图2为根据本发明一个实施例提供的传送带上的物料体积流量测量系统的应用场景示意图；

图3为图2中的局部放大视图i；

图4为根据本发明另一个实施例提供的传送带上的物料体积流量测量系统的应用场景示意图；

图5为根据本发明一个实施例提供的传送带上的物料体积流量测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

参考图1-图3，图1为根据本发明一个实施例提供的传送带上的物料体积流量测量系统100的示意图，图2为根据本发明一个实施例提供的传送带上的物料体积流量测量系统100的应用场景示意图，图3为图2中的局部放大视图i。

如图1所示，本实施例中传送带上的物料体积流量测量系统100包括信息获取单元110和处理单元120。

信息获取单元110用于获取传送带的表面上多个点的第一位置信息，多个点位于同一截面内。信息获取单元110还用于获取物料的多个截面中的每个截面内物料表面上多个点的第二位置信息，每个截面内物料表面上的多个点与传送带的表面上多个点一一对应。本发明中所称的截面，可以是横截面，即垂直于传送带延伸方向且垂直于传送带表面的截面；也可以是垂直于传送带表面但不平行于传送带延伸方向的截面，或者平行于传送带宽度方向且不垂直于传送带表面的截面。此处定义上述截面最终目的在于获得传送带上物料的横截面面积，而根据本领域技术人员的知识，获得上述定义的截面内物料截面积后，可以计算出物料横截面的面积。本实施例中所称的截面为横截面。

处理单元120用于根据第一位置信息和第二位置信息得到物料的多个横截面中的每个横截面内每两个一一对应的点之间的距离。还用于根据每两个一一对应的点之间的距离拟定多个类梯形、计算多个类梯形的面积，并求和计算物料的每个横截面的面积。处理单元120还用于根据每个横截面的面积和传送带的速度计算物料的体积流量。获取单元110和处理单元120之间可通过电缆或无线信号传输装置进行通讯。

如图2所示，物料体积流量测量系统100用于对传送带10上的固体物料20的体积流量进行测量。传送带10的具有上表面11，上表面11用于撑托运输固体物料20，固体物料20具有不规则形状的上表面21。

本实施例中信息获取单元110为二维激光测距传感器40，可沿直线路径发射激光，并测量出激光照射到的物体表面与二维激光测距传感器40之间的距离。二维激光测距传感器40配置在传送带10上方，可配合旋转反射镜实现按一定步进角对一个平面的扫描测量。本实施例中二维激光测距传感器40的扫描平面与传送带10的横截面之间有预定夹角，该预定夹角可以根据传送带10的速度和二维激光测距传感器40扫描时转动的角速度确定，用于抵消传送带10运转时造成激光落点所在平面与传送带10延伸方向产生的角度。在可选实施例中，二维激光测距传感器40的扫描平面可以垂直于传送带10的延伸方向，这种配置下获得的物料截面面积并非其横截面面积，需要对该面积进行换算以获得物料横截面的面积。本领域技术人员可根据常识进行具体换算，此处不再赘述。

当传送带10空载运行时(即不载有物料时)，二维激光测距传感器40每次扫描都可对传送带10的上表面11的多个点进行测距，且传送带10的上表面11的被扫描的多个点位于同一横截面内。当二维激光测距传感器40沿预定路径进行扫描测量时，可获得传送带10的上表面11的多个点与二维激光测距传感器40的距离信息，即预定路径与传送带表面交点与二维激光测距传感器40的距离信息。并且，由于激光的预定路径是人工预设的，每个预定路径与竖直或水平方向的角度信息也是可知的。传送带10的上表面11的多个点与二维激光测距传感器40的距离信息及每个预定路径与竖直或水平方向的角度信息为第一位置信息。

当传送带10载有物料并以一定速度运行时，二维激光测距传感器40每次扫描时相当于对固体物料20的上表面21的不同横截面进行扫描，并可获取每个横截面内固体物料20的上表面21上多个点与二维激光测距传感器40的距离信息。二维激光测距传感器40对传送带10和固体物料20扫描时激光的预定路径相同，因此传送带10的上表面11的多个点与固体物料20的上表面21上多个点数量相等且一一对应。因此，通过信息获取单元110可获取固体物料20的上表面21上多个点与二维激光测距传感器40的距离信息及每个预定路径与竖直或水平方向的角度信息，即第二位置信息。

二维激光测距传感器40每次扫描时发射激光的预定路径有多个，每个预定路径之间具有预定角度，即步进角α；位于最外侧的预定路径与水平方向具有起始角度β。多个激光的预定路径形成由一点向周围辐射的伞状。起始角度β与步进角α的设置以二维激光测距传感器40的扫描范围能够覆盖固体物料20为准。如本实施例中起始角度β为60°，每次扫描时测量的点数为17，步进角α为3.5°。

二维激光测距传感器40的激光的多个预定路径位于固体物料20横截面内部的部分的长度可通过第一位置信息和第二位置信息计算获得。基于以上信息可将固体物料20横截面分割为多个小区域，并计算每个小区域的面积，以及对小区域的面积求和后获得横截面的面积。以下以预定路径31和预定路径32为例说明处理单元120对第一位置信息和第二位置信息的处理过程。

以经过预定路径与传送带10的上表面11的交点的直线为界可将固体物料20的横截面划分为多个邻接的类梯形，计算出每个类梯形的面积后可求和得到固体物料20的横截面面积。例如，分别经过预定路径31和预定路径32与传送带10的上表面11的交点的两条直线bi和bi+1以及上表面11和上表面21位于上述两条直线之间的部分可视为一个类梯形的四个边。预定路径31和预定路径32位于固体物料横截面内的部分ai和ai+1投影在竖直方向的长度可近似视为直线bi和bi+1的长度。

具体地，ai的长度乘以ai与bi夹角的余弦值可近似求得bi的长度，ai+1的长度乘以ai+1与bi+1夹角的余弦值可近似求得bi+1的长度。

定义预定路径与上表面11的交点到二维激光测距传感器40的距离为pi，预定路径与上表面21的交点到二维激光测距传感器40的距离为zi；定义bi的长度为li，bi+1的长度为li+1。

ai的长度为：pi-zi，ai+1的长度为：pi+1-zi+1；

ai与bi夹角为：π-(β+i*α)；

bi和bi+1夹角为：π-[β+(i+1)*α]；

li为：(pi-zi)*cos[π-(β+i*α)]；

li+1为：(pi+1-zi+1)*cos{π-[β+(i+1)*α]}；

bi与bi+1之间的距离hi为：pi*cos(β+i*α)-pi+1*cos[β+(i+1)*α]；

类梯形的面积为：hi*[(li+li+1]/2，即

{pi*cos(β+i*α)-pi+1*cos[β+(i+1)*α]}*{(pi-zi)*cos[π-(β+i*α)]+(pi+1-zi+1)*cos{π-[β+(i+1)*α]}}/2；

该横截面的面积s为∑[hi*(li+li+1)/2]；

二维激光测距传感器40以固定频率f(单位：次/秒)扫描测量时，处理单元120可根据每一次扫描获得的第一位置信息和第二位置信息计算得到当次扫描的一个横截面的面积s。从t1时刻到t2时刻的时间段内扫描的次数n＝(t2-t1)*f，该时间段内可得到

横截面的面积s的序列{s1，s2，…，sn}；

每次扫描测量时传送带10的速度序列为{v1，v2，…，vn}；

在例如t0到t1之间的时间段内，经过测量平面的固体物料20的体积为：[v1*s1/f]+[v2*s2/f]+…+[vn*sn/f]

在时间段(t2-t1)内物料的体积流量即：{[v1*s1/f]+[v2*s2/f]+…+[vn*sn/f]}/(t2-t1)。

其中，速度序列为{v1，v2，…，vn}中的速度值可采用传送带10的平均速度值，也可以是在每次扫描测量第二位置信息时同时测量得到的传送带10的实时速度。当采用每次扫描测量第二位置信息时同时测量得到的传送带10的实时速度时，计算结果会更精确。

本发明实施例提供的传送带上的物料体积流量测量系统，通过预定路径测量传送带表面和物料表面的多个点的位置信息，可通过将物料横截面划分为多个小的类梯形区域计算横截面的面积，可适用于任何固体物料的(堆积)体积流量的测量。

在可选实施例中，还可以以ai和bi+1作为梯形的上下底边对横截面进行划分，并以ai中点到bi+1的距离作为梯形的高进行计算。

图4为根据本发明另一个实施例提供的传送带上的物料体积流量测量系统的应用场景示意图。在本实施例中，信息获取单元用于获取第一位置信息和第二位置信息，且获取第一位置信息和第二位置信息时多个预定路径在平面内竖直排布；处理单元拟定多个类梯形时，使每个类梯形的上底边和下底边选取为相邻两个预定路径的位于物料表面与传送带表面的一段。

具体地，可采用一维测距传感器阵列进行第一位置信息和第二位置信息的获取，可在传送带10上方设置多个激光测距传感器41，每个激光测距传感器41的激光的预定路径均竖直向下。预定路径与传送带10上表面11的交点和预定路径与固体物料20的上表面21的交点均位于竖直线上。多个竖直的预定路径可将固体物料20的横截面划分为多个邻接的梯形，梯形的上下底边即相邻的预定路径位于固体物料20横截面内的部分。一维测距传感器阵列中相邻两个传感器之间的距离即梯形的高。相对于前述实施例的方案，本实施例中信息获取单元获取第一位置信息和第二位置信息时无需角度信息，对梯形面积的计算方法更简单。

本发明实施例还提供了一种传送带上的物料体积流量测量方法，如图5所示，图5为根据本发明一个实施例提供的传送带上的物料体积流量测量方法的流程示意图。以下结合图2-3和本发明实施例提供的传送带上的物料体积流量测量系统，对本实施例中该方法进行具体说明。传送带上的物料体积流量测量方法包括如下步骤。

s110、获取传送带的表面上多个点的第一位置信息，多个点位于同一横截面内。

具体地，可在传送带10上无物料的空运行时进行测量。如图2所示，在与传送带的延伸方向垂直的一个平面内沿多个预定路径，对由预设的一个点至传送带的表面上多个点的距离进行测量得到传送带的表面上多个点的第一位置信息。

二维激光测距传感器40每次扫描时发射激光的预定路径有多个，每个预定路径之间具有预定角度，即步进角α；位于最外侧的预定路径与水平方向具有起始角度β。多个激光的预定路径形成由一点向周围辐射的伞状。起始角度β与步进角α的设置以二维激光测距传感器40的扫描范围能够覆盖固体物料20为准。如本实施例中起始角度β为60°，每次扫描时测量的点数为17，步进角α为3.5°。

当传送带10空载运行时(即不载有物料时)，二维激光测距传感器40每次扫描都可对传送带10的上表面11的多个点进行测距，且传送带10的上表面11的被扫描的多个点位于同一横截面内。当二维激光测距传感器40沿预定路径进行扫描测量时，可获得传送带10的上表面11的多个点与二维激光测距传感器40的距离信息，即预定路径与传送带表面交点与二维激光测距传感器40的距离信息。并且，由于激光的预定路径是人工预设的，每个预定路径与竖直或水平方向的角度信息也是可知的。传送带10的上表面11的多个点与二维激光测距传感器40的距离信息及每个预定路径与竖直或水平方向的角度信息为第一位置信息。

s120、获取物料的多个横截面中的每个横截面内物料表面上多个点的第二位置信息，每个横截面内物料表面上的多个点与步骤s110中的多个点一一对应。

具体地，可以按照预定时间节点，在平面内沿多个预定路径，对由预设的一个点或多个点至传送带上物料表面上多个点的距离进行测量，在每个预定时间节点获取传送带上物料表面上多个点的第二位置信息。

当传送带10载有物料并以一定速度运行时，二维激光测距传感器40每次扫描时相当于对固体物料20的上表面21的不同横截面进行扫描，并可获取每个横截面内固体物料20的上表面21上多个点与二维激光测距传感器40的距离信息。二维激光测距传感器40对传送带10和固体物料20扫描时激光的预定路径相同，因此传送带10的上表面11的多个点与固体物料20的上表面21上多个点数量相等且一一对应。因此，通过信息获取单元110可获取固体物料20的上表面21上多个点与二维激光测距传感器40的距离信息及每个预定路径与竖直或水平方向的角度信息，即第二位置信息。

s130、根据第一位置信息和第二位置信息得到物料的多个横截面中的每个横截面内每两个一一对应的点之间的距离。

定义预定路径与上表面11的交点到二维激光测距传感器40的距离为pi，预定路径与上表面21的交点到二维激光测距传感器40的距离为zi，每个横截面内每两个一一对应的点之间的距离即pi-zi。图3中分别与预定路径31和32共线的一一对应的点之间的距离ai为，pi-zi，ai+1为pi+1-zi+1。

s140、根据每两个一一对应的点之间的距离拟定多个类梯形、计算多个类梯形的面积，并求和计算物料的每个横截面的面积。

以经过预定路径与传送带10的上表面11的交点的直线为界可将固体物料20的横截面划分为多个邻接的类梯形，计算出每个类梯形的面积后可求和得到固体物料20的横截面面积。例如，分别经过预定路径31和预定路径32与传送带10的上表面11的交点的两条直线bi和bi+1以及传送带10上表面11和固体物料20上表面21位于上述两条直线之间的部分可视为一个类梯形的四个边。预定路径31和预定路径32位于固体物料横截面内的部分ai和ai+1投影在竖直方向的长度可近似视为直线bi和bi+1的长度。

具体地，可通过ai的长度乘以ai与bi夹角的余弦值近似求得bi的长度，通过ai+1的长度乘以ai+1与bi+1夹角的余弦值近似求得bi+1的长度。

定义预定路径与上表面11的交点到二维激光测距传感器40的距离为pi，预定路径与上表面21的交点到二维激光测距传感器40的距离为zi；定义bi的长度为li，bi+1的长度为li+1。

ai的长度为：pi-zi，ai+1的长度为：pi+1-zi+1；

ai与bi夹角为：π-(β+i*α)；

bi和bi+1夹角为：π-[β+(i+1)*α]；

li为：(pi-zi)*cos[π-(β+i*α)]；

li+1为：(pi+1-zi+1)*cos{π-[β+(i+1)*α]}；

bi与bi+1之间的距离hi为：pi*cos(β+i*α)-pi+1*cos[β+(i+1)*α]

类梯形的面积为：hi*[(li+(li+1)]/2，即

{pi*cos(β+i*α)-pi+1*cos[β+(i+1)*α]}*{(pi-zi)*cos[π-(β+i*α)]+(pi+1-zi+1)*cos{π-[β+(i+1)*α]}}/2；

该横截面的面积s为∑[hi*(li+li+1)/2]；

s150、根据每个横截面的面积和传送带的速度计算物料的体积流量。传送带的速度为获取第二位置信息时传送带的实时速度。

二维激光测距传感器40以固定频率f(单位：次/秒)扫描测量时，处理单元120可根据每一次扫描获得的第一位置信息和第二位置信息计算得到当次扫描的一个横截面的面积s。从t1时刻到t2时刻的时间段内扫描的次数n＝(t2-t1)*f，该时间段内可得到

横截面的面积s的序列{s1，s2，…，sn}；

每次扫描测量时传送带10的速度序列为{v1，v2，…，vn}；

在例如t0到t1之间的时间段内，经过测量平面的固体物料20的体积为：[v1*s1/f]+[v2*s2/f]+…+[vn*sn/f]

在时间段(t2-t1)内物料的体积流量即：{[v1*s1/f]+[v2*s2/f]+…+[vn*sn/f]}/(t2-t1)。

其中，速度序列为{v1，v2，…，vn}中的速度值可采用传送带10的平均速度值，也可以是在每次扫描测量第二位置信息时同时测量得到的传送带10的实时速度。当采用每次扫描测量第二位置信息时同时测量得到的传送带10的实时速度时，计算结果会更精确。

本发明实施例提供的传送带上的物料体积流量测量方法，通过预定路径测量传送带表面和物料表面的多个点的位置信息，可通过将物料横截面划分为多个小的类梯形区域计算横截面的面积，可适用于任何固体物料的(堆积)体积流量的测量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。