机制砂质量检测设备及其检测方法与流程

本发明涉及细骨料质量检测技术领域，尤其涉及一种机制砂质量检测设备及其检测方法。

背景技术：

随着我国基本建设的大力发展，对建筑用砂的需求量与日俱增，由于天然砂开展的限制，机制砂取代天然砂成为必然趋势。但由于制作工艺和母材的不足，使得机制砂生产质量参差不齐，不能随意投入使用，所以必然需要一种设备对机制砂进行形态质量监控，质量监控要求精度高、速度快。

粒径及粒形是机制砂的两个重要控制参数。采用图像法检测机制砂可以得到机制砂的粒径和粒形，而使用筛分法检测仅可以得到机制砂粒径，同时筛分法具有测量效率低下、无法在线监测的缺点，因此图像法取代筛分法是机制砂检测的必然趋势。但由于图像法和筛分法检测方式存在差异，机制砂颗粒粒形不同使得两种粒径检测方式的检测结果存在差异，要使用图像法完全取代筛分法进行机制砂颗粒测量，必须要消除两种检测方法的检测结果差异。

现有的基于图像法的机制砂粒度粒形在线检测设备，缺乏对机制砂进行预处理的过程，导致粉尘、粘结机制砂容易进入图像采集区域，得到不可靠的图像；以往的检测设备忽略了机制砂下落范围在相机焦距外使得采集的图像模糊，容易得到不可靠图像，使得检测结果出现偏差。

技术实现要素：

本发明提供了机制砂质量检测设备，其克服了背景技术中机制砂质量检测所存在的不足。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：

机制砂质量检测设备，包括机架，该机架上设有进料口、含水量检测装置、进样装置、含粉量检测装置、分散装置、图像采集装置、图像分析装置和回收装置；进料口设于机架顶部且用于供机制砂投放；含水量检测装置位于进料口之下且经进料口的机制砂被送入含水量检测装置；进样装置位于含水量检测装置之下，进样装置连接含粉量检测装置，机制砂从含水量检测装置经进样装置被送入含粉量检测装置；图像采集装置包括遮光箱、背光源、图像采集区和成像装置，背光源、图像采集区和成像装置都位于遮光箱内，背光源与成像装置位于图像采集区的两侧；分散装置连接含粉量检测装置和图像采集装置以使机制砂从含粉量检测装置经分散装置被送至图像采集区且位于背光源与成像装置之间；图像分析装置连接成像装置以对成像装置采集的图像进行特征提取，获得机制砂的特征参数，再用粒形修正粒径的修正模型对得到的特征参数进行修正；回收装置位于图像采集区之下以回收机制砂。

一实施例之中：所述含水量检测装置包括第一翻转设备、第一称重设备和烘干设备；第一翻转设备装设在机架上，第一称重设备连接于第一翻转设备，烘干设备通过杆件固接于第一称重设备，通过第一翻转设备能带动第一称重设备与烘干设备翻转，能使烘干设备位于进料口正下方，能将烘干设备内的机制砂倒入进样装置；第一称重设备能实时称出烘干设备内机制砂重量。

一实施例之中：所述烘干设备包括一端面开口的圆柱体，圆柱体内设有附带加热功能的加热单元，圆柱体用于暂存和烘干机制砂。

一实施例之中：所述含粉量检测装置包括吸尘器、吸尘软管和y形管；y形管具有两开口端和一共端且两开口端朝上、共端朝下布置，共端装接在分散装置且接通分散装置，一开口端通过吸尘软管接向吸尘器，另一开口端接通进样装置以引入机制砂，吸尘器吸入下落过程中机制砂中的石粉。

一实施例之中：所述含粉量检测装置还包括第二称重设备、暂存盒和第二翻转设备，第二翻转设备装接在机架，第二称重设备装接在第二翻转设备，暂存盒固设在第二称重设备，通过第二翻转设备能带动第二称重设备与暂存盒翻转，能使暂存盒位于图像采集区正下方，能将暂存盒内的机制砂倒入回收装置；第二称重设备对暂存盒内的机制砂进行实时称重。

一实施例之中：所述回收装置为用于暂存机制砂的回收盒，回收盒位于暂存盒之整下。

一实施例之中：所述进样装置包括进料漏斗和振动料斗，进料漏斗设置在振动料斗上方，振动料斗的开口朝向含粉量检测装置，振动料头连接含粉量检测装置。

一实施例之中：所述分散装置包括一分散管和若干折流板，若干折流板分为两排，两排折流板固接在分散管内壁且左右相向布置，左右两排折流板上下错开设置，折流板顶面在分散管内沿高度方向斜向设置，左右两排折流板的斜向方向相反，折流板让机制砂在重力作用下加速运动，通过机制砂与分散管管壁之间的碰撞、机制砂与机制砂之间的相互碰撞，及，机制砂和折流板之间的碰撞来分散机制砂。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：

上述的机制砂质量检测设备的检测方法，包括得到修正关系式的方法及测量方法；

所述得到修正关系式的方法包括：

a1)预备多种类型机制砂；

a2)每种类型机制砂按照粒径大小筛分出多种机制砂单级料，然后每种机制砂都采用下述步骤a3)至步骤a9)；

a3)取一种类型机制砂中一种单级料从进料口投入以开始检测；

a4)机制砂进入烘干设备内，第一称重设备开始称重，记录重量g1，同时第一称重设备发出的电信号驱动第一烘干设备对机制砂进行加热，第一称重设备定时对机制砂进行称重，当连续预定次测得的重量不变时，记录重量g2，第一翻转设备将机制砂翻转倒入进样装置；其中：含水量l为(g1-g2)/g2；

a5)进样装置为y形管一端提供持续稳定的进料；

a6)机制砂掉入y形管下端，吸尘器在y形管上方对y形管内部产生负压吸力，将掉落过程中的机制砂石粉吸入吸尘器中，去除石粉后的机制砂从y形管共端掉入分散管中进行分散；

a7)分散装置分散机制砂且分散后的机制砂被送入图像采集装置；

a8)图像采集装置进行图像采集；

a9)图像分析装置对采集的图像采用步骤b1)～b12)进行图像处理，剩余的机制砂进入第二称重设备测得重量为g3，机制砂含粉量x为(g3-g2)/g3，机制砂含粉量测量结束后，机制砂在翻转后被送入回收装置；

所述图像处理方法包括：

b1)图像采集装置采集到的图像为grb图，将grb图转化为灰度图；

b2)对灰度图进行中值滤波；

b3)对滤波后的图像进行二值化处理；

b4)删除与图像边缘接触的轮廓；

b5)提取颗粒轮廓；

b6)得到轮廓周长及面积，利用轮廓中提取的信息计算轮廓球形度；

其中：轮廓球形度q，轮廓面积s，轮廓周长l；

计算轮廓等效椭圆短径a为s/(π*b)，寻找轮廓中最大feret径且将其设为椭圆长轴b；

b7)统计经图像法测得的等效椭圆短径，判断机制砂单级料粒径占比是否大于预定百分比，如是则不需要进行粒径修正，更换下一批机制砂从步骤a3)开设执行以进行测量，否则进入下一步骤拟合修正系数；

b8)将球形度划分为多个等级，根据采集到的球形度和粒径的对应关系，为颗粒粒径分类；

b9)在每个球形度等级下，人为给出各个球形度修正系数，通过拟合得到球形度与修正系数关系式；

b10)将修正关系式增加至图像分析装置，对粒径结果进行修正，重复调整修正关系式，至单级料粒径占比大于预定百分比；然后更换下一种机制砂继续调整修正关系式；

b11)得到所有修正关系式后，通过各种机制砂类型比较，得到最优关系式，将其确定为机制砂的粒形修正关系式；

b12)得到修正关系式后，将修正关系式添加入图像分析装置，对机制砂粒径检测结果进行修正；

所述测量方法包括：

c1)通过进料口投入机制砂；

c2)机制砂经过含水量检测装置进行含水量测量，同时干燥机制砂，干燥后将机制砂送入进样装置；

c3)进样装置将机制砂送入y形管进行去除石粉，剩下的机制砂进入分散装置；

c4)机制砂在分散装置内分散后被送入图像采集装置；

c5)图像采集装置采集图像，并将采集到的图像送入图像分析装置中进行图像处理；

所述图像处理包括：

c51)将采集图像转化为灰度图；

c52)对灰度图进行中值滤波；

c53)对滤波后的图像进行二值化处理；

c54)删除与图像边缘接触的轮廓；

c55)提取颗粒轮廓；

c56)得到轮廓周长及面积，利用轮廓中提取的信息计算轮廓球形度及等效椭圆短径；

c57)根据每颗机制砂颗粒的球形度，对此颗粒的粒径进行修正，得到准确的机制砂粒径；

c57)输出机制砂各个粒度范围的占比结果；

c6)经图像采集装置后的机制砂进入第二称重设备进行称重，进行机制砂含粉量测量，然后翻转以将机制砂倒入回收装置。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

一、相对于传统的基于图像法的机制砂粒度粒形检测装置，增加含水量测量装置和含粉量测量装置，在采集图像前对机制砂进行预处理，提高图片的可靠性；增加粒形修正粒度的检测方法，对粒度检测结果进行修正，消除图像法和筛分法的检测结果差异。

二、增加烘干设备，提高测量精度。

三、含粉量检测装置包括吸尘器、吸尘软管和y形管，通过y形管和吸尘器吸收粉尘，排除粉尘影响，提高测量精度。

四、进样装置包括进料漏斗和振动料斗，分散机制砂，提高测量精度。

五、分散装置包括一分散管和若干折流板，进一步分散机制砂，提高测量精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本具体实施方式机制砂质量检测设备的结构示意图；

图2为本具体实施方式含水量检测装置的结构示意图；

图3为本具体实施方式分散管的结构示意图；

图4为本具体实施方式图像采集区的结构示意图；

图5为本具体实施方式通过预实验得到修正关系式的流程图；

图6本具体实施方式采用粒形修正粒径的机制砂检测流程图；

图7本具体实施方式采集区域正视示意图；

主要标号说明：10--进料口、20--第一翻转设备、21--第一称重设备、22--烘干设备、23—第二漏斗、31--进料漏斗、32--振动料斗、41--吸尘器、42--y形管、43--第二称重设备、44--暂存盒、45--第二翻转设备、50--分散装置、60--图像采集区、70--图像分析装置、80--回收盒。

具体实施方式

本具体实施方式是为了实现对机制砂各项参数进行在线检测，提高图像法检测机制砂精度，提供一种机制砂质量检测设备，如图1所示，包括机架，该机架上设有进料口10、含水量检测装置、进样装置、含粉量检测装置、分散装置、图像装置和回收装置80；本实施例中图像装置包括图像采集装置和图像分析装置，图像分析装置设于主机70内。

所述进料口10设置于机架顶部，用于供机制砂投放。进料口10将投放的机制砂送入含水量检测装置，经进样装置后被送入含粉量检测装置，经分散装置分散后被送入图像采集装置的图像采集区，图像分析装置对图像采集装置采集的图像进行特征提取，获得机制砂的特征参数，再用粒形修正粒径的修正模型对得到的特征参数进行修正，回收装置80回收检测完成的机制砂。

如图1和图2所示，所述进料口10设置于机架顶部，为漏斗形状，用于使投放的机制砂落入含水量检测装置中。所述含水量检测装置包括第一翻转设备20、第一称重设备21和烘干设备22，第一翻转设备20装设在机架上，第一称重设备21装设在第一翻转设备20上，第一称重设备21右侧通过杆件固定烘干设备22，使得烘干设备位于进料口正下方。所述烘干设备22为一端面开口的圆柱体，它附带加热功能的加热单元，用于暂存和烘干机制砂。第一翻转设备如包括一固定部和一转动部，该固定部固接机架，该转动部能转动连接固定部，另设驱动机构传动连接转动部以带动转动部转动，以带动烘干设备22翻转，使圆柱体的开口对齐进料口，或，将机制砂倒入第二漏斗23。

所述进样装置包括进料漏斗31和振动料斗32，进料漏斗设置在振动料斗上方，振动料斗的开口朝向含粉量检测装置；根据需要，另设有第二漏斗23设于上下间隔布置的烘干设备22和进料漏斗31之间，使圆柱体内的机制砂经第二漏斗23落入进料漏斗31，落入振动料斗32。

所述含粉量检测装置包括吸尘器41、吸尘软管42、y形管43、第二称重设备44、暂存盒45和第二翻转设备46。所述吸尘器41固定于机架上，y形管43固定于分散装置上，第二称重设备44位于图像采集装置下方；所述y形管43具有两开口端和一共端且两开口端朝上、共端朝下，一开口端通过吸尘软管接向吸尘器41，另一开口端接向振动料斗以引入机制砂，共端和分散装置的分散管固接且相接通。第二翻转设备装接在机架，第二称重设备装接在第二翻转设备，暂存盒固设在第二称重设备，通过第二翻转设备能带动第二称重设备与暂存盒翻转，能使暂存盒位于图像采集区正下方，能将暂存盒内的机制砂倒入回收装置；第二称重设备对暂存盒内的机制砂进行实时称重。

如图3所示，所述分散装置50包括分散管53和折流板51，若干折流板分为两排，两排折流板固接在分散管内壁且左右相向布置，左右两排折流板上下错开设置，折流板顶面在分散管内沿高度方向斜向设置，左右两排折流板的斜向方向相反，折流板让机制砂在重力作用下加速运动，通过机制砂与分散管管壁之间的碰撞、机制砂与机制砂之间的相互碰撞，及，机制砂和折流板之间的碰撞来分散机制砂。本实施例之中，折流板截面呈直角三角形结构，一直角边固接管壁，另一直角边垂直分散管，斜边构成上述的斜向。

如图4所示，所述图像装置60包括遮光箱63、背光源61、图像采集区、成像装置62和主机70。所述背光源61、图像采集区、成像装置62设于遮光箱63内，背光源61与成像装置62位于图像采集区的两侧，机制砂位于背光源61与成像装置62之间。本实施例中，分散管53下端口位于背光源61与成像装置62之间，使下落的机制砂位于背光源61与成像装置62之间；背光源52采用led背光灯，成像装置为使用usb3.0接口的ccd工业摄像机同时搭配远心镜头，将采集到的骨料图像使用usb3.0的接口传输数据到主机进行图像处理；所述遮光箱四周密封用于抵挡自然光对拍摄效果的影响；所述主机70设于遮光箱63外且通过数据线连接主机70和成像装置62，以使主机70的数据分析装置分析采集到的数据。增加远心镜头，防止机制砂掉落在相机焦距以外造成图像轮廓模糊，影响图像处理过程。

本实施例配设有四种花岗岩破碎得到的机制砂，采用本实施例的机制砂质量检测设备得到修正关系式，然后将修正关系式增加至图像分析装置，对粒径结果进行修正。

图5为通过预实验得到修正关系式的流程图，所述通过预实验得到修正关系式的方法，包括：

a1)准备四种类型的机制砂；

a2)将每种类型的机制砂按照粒径大小筛分出0.3～0.6mm，0.6～1.18mm，1.18～2.36mm，2.36～4.75mm四种机制砂单级料；

a3)取第一种类型机制砂中第一种单级料从进料口投入机制砂质量检测设备中开始检测；

a4)机制砂落入烘干设备内，第一称重设备开始称重，记录重量g1，同时第一称重设备发出的电信号驱动第一烘干设备对机制砂进行加热，第一称重设备每隔60秒对机制砂进行一次称重，当连续3次测得的重量不变时，记录重量g2，第一翻转设备翻转以将机制砂倒入进料漏斗内；其中含水量l为(g1-g2)/g2：

a5)进料漏斗将机制砂送入振动料斗，振动料斗通过振动，使得机制砂在振动给料器的斜面上不断下滑，为y形管提供持续稳定的进料；

a6)机制砂经过振动后掉入y形管并下落，吸尘器在y形管上方对y形管内部产生负压吸力，将掉落过程中的机制砂石粉吸入吸尘器中，去除石粉后的机制砂从y形管共端(下端)掉入分散管中进行分散；

a7)分散管采用多重折流板结构设计，用于将机制砂完全分散后进入图像采集装置；

a8)图像采集装置进行图像采集。

a9)主机中的图像分析装置对采集的图像进行图像处理，剩余的机制砂进入第二称重设备测得重量为g3，则机制砂含粉量x为(g3-g2)/g3，机制砂含粉量测量结束后，第二翻转设备翻转以将机制砂倒入回收盒内。

所述图像处理包括：

b1)将工业相机采集到的grb图转化为灰度图，每个像素的灰度值由下式计算出：

gray＝r×0.299+g×0.587+b×0.114

r、g、b分别为像素红、绿、蓝三个通道的值，gray为求得的灰度值。

b2)对灰度化后的图像进行中值滤波，以消除砖块、混凝土表面粗糙纹理带来的噪声。本实施例之中，所述中值滤波将图像的每个像素用3×3邻域(以当前像素为中心的正方形区域)像素中值代替。

本步骤b2)中，具体地，可以包括：

将图像拷贝到一个稍微变大的图像中，在新图像上下边和左右边，各增加了一行和一列像素，复制原图中最临近的行或者列来填充这些像素；

依次从左往右从上到下查找图像中每个3×3像素区域，取区域中9个像素灰度值中的中值，来代替3×3区域的中心像素的灰度值；

对所有区域操作完毕后，删除添加的边界，使图像回到原尺寸；

b3)对滤波后的图像用最大类间方差法对图片进行二值化处理。

本步骤b3)中，最大类间方差法如下：

记t为前景(机制砂颗粒)与背景(白色背光源)的分割阈值，前景像素个数占图像比例为w0，平均灰度为u0；背景像素个数占图像比例为w1，平均灰度为u1。

则图像的平均灰度为：u＝w0×u0+w1×u1。

前景和背景图象的方差：g＝w0×(u0-u)2+w1×(u1-u)2＝w0×w1×(u0-u1)2。

采用遍历的方法得到使类间方差g最大的阈值t，可以认为此时前景和背景差异最大。

b4)删除与图像边缘接触的轮廓。不可避免的，在拍摄的图像中有些颗粒可能会出现在视野边缘，且只被拍摄到其中一部分，如图7中视野的上边界，但这些颗粒又会在下次拍摄时被重复拍摄到。为了避免同一颗粒被重复识别，删除图像与边界相接触的颗粒；

b5)提取颗粒轮廓；

b6)得到颗粒轮廓周长及轮廓面积，利用轮廓中提取的信息计算轮廓球形度；

其中：轮廓球形度q，轮廓面积s，轮廓周长l。

球形度值为计算等效椭圆feret短径方法如下：寻找轮廓中最大feret径且将其设为椭圆长轴b，用轮廓面积设为椭圆面积s。则等效椭圆feret短径a值为s/(π*b)。

feret直径为与机制砂图像上的投影轮廓相切的两条平行线的距离。机制砂的等效椭圆feret短径为机制砂有相同面积并且长轴与机制砂最大feret径相等的椭圆的短轴。

b7)统计经图像法测得的等效椭圆feret短径，若机制砂单级料粒径占比大于90％，则不需要进行粒径修正，返回更换下一批机制砂进入检测装置中测量；若机制砂单级料粒径占比小于等于90％，则进入下一步骤拟合修正系数。

b8)拟合修正系数的方法为将球形度划分为10个等级，根据采集到的球形度和粒径的对应关系，将颗粒粒径分类。

b9)在每个球形度等级下，人为给出各个球形度修正系数，通过拟合得到球形度与修正系数关系式。

b10)将修正关系式增加至图像分析装置，对粒径结果进行修正，重复调整修正关系式，至单级料粒径占比大于90％，然后更换下一种机制砂进入检测装置中测量。

b11)得到所有修正关系式后，通过各种机制砂类型比较，得到最优关系式，确定为机制砂的粒形修正关系式。得到修正关系式后，将修正关系式添加入图像分析装置，对机制砂粒径检测结果进行修正。

下面使用一种花岗岩混合料投入采用粒形修正粒径的机制砂质量检测设备中进行检测，测量方法如图6所示，它包括：

c1)通过进料口将砂料放入检测设备中；

c2)机制砂经过含水量检测装置进行含水量测量，同时干燥机制砂，干燥后的机制砂被送入振动给料器中；

c3)振动给料器将机制砂送入y形管以去除石粉，剩下的机制砂落入分散管。

c4)机制砂在分散管内完全分散后进入图像采集装置。

c5)图像采集装置采集得到图像，将图像送入主机进行图像处理。

所述图像处理包括：

c51)将工业相机采集到的grb图转化为灰度图。

c52)对灰度化后的图像进行中值滤波。

c53)对滤波后的图像用最大类间方差法对图片进行二值化处理。

c54)删除与图像边缘接触的轮廓。

c55)提取颗粒轮廓。

c56)得到轮廓周长及面积，利用轮廓中提取的信息计算轮廓的球形度及等效椭圆feret短径。

c57)根据每颗机制砂颗粒的球形度，对此颗粒的粒径进行修正，得到准确的机制砂粒径。

c58)输出机制砂各个粒度范围的占比结果。

c6)经图像采集装置后的机制砂进入第二称重设备进行称重，进行机制砂含粉量测量，然后翻转以将机制砂倒入回收装置。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。