基于图像的矿井粉尘测量系统的制作方法

本发明涉及一种基于图像的矿井粉尘测量系统，该系统涉及数字图像处理技术、自动控制技术和数据处理技术等领域。

背景技术：

煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产，其中煤尘爆炸事故破坏大、人员死亡高，所以矿井粉尘监测是煤矿安全生产的重要保障，也是尘肺病防治的重要措施。目前矿井粉尘监测技术主要包括：摩擦静电法、光散射法、光吸收法、电容法、β射线法、超声波法、微波法。电容法的测量原理简单，但电容测量值与浓度之间并非一一对应的线性关系，电容的测量值易受相分布及流型变化的影响，导致较大的测量误差。β射线法虽然测量准确，但需要对粉尘进行采样后对比测量，很难实现粉尘浓度的在线监测。超声波法、微波法测量粉尘浓度还处于试验研究阶段，市场上成型产品较少。目前市场上主要采用光散射法、光吸收法、摩擦电法进行粉尘浓度在线监测。光散射法和光吸收法需通过抽气泵采集含粉尘的空气、并对空气中的粉尘颗粒进行处理后灌入封闭气室，在气室内进行检测，设备结构复杂，使用和维护成本高。摩擦电法受风速影响大。为保证准确可靠地对矿井粉尘进行监测，需要新的结构简单，使用和维护成本低、检测准确的新的矿井粉尘监测技术。

技术实现要素：

随着数字图像处理技术的提高，使基于图像的数据处理技术得到很大的发展，在此基础上，本发明提出了一种适合广泛推广的基于图像的矿井粉尘测量系统，所述系统包括光源、图像采集设备和控制设备；在矿井巷道的两侧巷帮分别设置光源和图像采集设备，光源照向图像采集设备；控制设备控制光源发光和图像采集设备采集光源图像，并对图像进行处理，根据图像中光源亮度进行粉尘测量；所述光源包括红、绿和蓝色发光元件，可受控独立发光或同时发光；所述图像采集设备包括透明镜头罩，所述光源包括透明光源罩，间隔设定时间由控制设备自动控制或人工控制清洗镜头罩和光源罩；所述系统测量粉尘的过程为：

(1)测量光源与图像采集设备之间的距离；

(2)关闭图像采集设备的自动白平衡功能，将焦距与光圈固定；

(3)人工或自动对系统进行调零；

(4)人工或自动对系统进行灵敏度标定；

(5)控制设备控制光源发光，同时控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像；对图像采集设备采集光源图像的光传输路径简称光路是否存在干扰进行测定，如测定存在光路干扰则重复执行图像采集和光路干扰测定，如测定无光路干扰则执行步骤(6)；

(6)根据图像中光源亮度值测量粉尘浓度；

(7)重复步骤(5)和步骤(6)进行图像采集、光路干扰测定和粉尘浓度测量，当系统运行时间到达设定间隔时间，则返回执行步骤(1)及其以下步骤。

1.所述矿井粉尘测量系统对系统进行调零的方法具体步骤为，

(1)清洗镜头罩和光源罩；

(2)采用高压无粉尘气体清除图像采集设备与光源之间的粉尘；

(3)控制设备控制光源发光，同时控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像，对图像进行处理，获得图像中各单色光源的亮度值，对图像采集设备采集光源图像的光传输路径简称光路是否存在干扰进行测定，如测定存在光路干扰则重复执行图像采集和光路干扰测定，如测定无光路干扰则执行步骤(4)；

(4)将步骤(3)获得的图像中各单色光源的亮度值，作为无粉尘状态下光源的亮度值进行记录，完成设备调零。

2.所述矿井粉尘测量系统对系统进行灵敏度标定的方法具体步骤为：

(1)模拟设定值粉尘浓度的光路环境，方法包括在镜头与光源之间设置遮光片，或喷射标准粉尘浓度的粉尘与空气混合物；

(2)控制设备控制光源发光，同时控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像，对图像进行处理，获得图像中各单色光源的亮度值，对图像采集设备采集光源图像的光传输路径简称光路是否存在干扰进行测定，如测定存在光路干扰则重复执行图像采集和光路干扰测定，如测定无光路干扰则执行步骤(3)；

(3)将步骤(2)获得的图像中各单色光源的亮度值，作为设定值粉尘浓度状态下光源的亮度值进行记录；

(4)更换不同粉尘浓度设定值的光路环境，重复步骤(2)和步骤(3)，得到粉尘设定值和该设定值下各单色光源的亮度值对应数据表；当采用遮光片模拟光路环境时，需根据光源与图像采集设备之间的距离对各单色光源的亮度值进行修正处理；

(5)对步骤(4)得到的光源亮度值对应数据表和权利要求1步骤(3)得到的调零数据进行处理，拟合得到以粉尘设定值为因变量，以各单色光源的亮度值xr、xg、xb为自变量的函数公式yr＝fr(xr)、yg＝fg(xg)、yb＝fb(xb)作为本系统的粉尘测量公式。

进一步地，具体使用时，将各单色光源的亮度值xr、xg、xb代入公式yr＝fr(xr)、yg＝fg(xg)、yb＝fb(xb)，得到yr、yg、yb，求平均值将y值作为粉尘浓度值。

在更进一步地实施方案中，模拟设定值粉尘浓度的光路环境的方法包括，在镜头与光源之间设置用于模拟设定值粉尘浓度的遮光片，所述遮光片的遮光系数在实验室密闭环境，和设定测量距离的条件下测定得到。

3.根据本申请所述矿井粉尘测量系统，在更进一步地实施方案中，通过以下步骤对光路是否存在干扰进行测定：

(1)控制设备控制红色发光元件发光；同时控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像，对图像进行处理，分别获得rgb图像中光源区域的r、g、b的亮度值lr、lg、lb；当或超过定阈值kr，则测定光路存在干扰，结束光路干扰测定；否则继续执行步骤(2)；

(2)控制设备控制绿色发光元件发光；同时控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像，对图像进行处理，分别获得rgb图像中光源区域的r、g、b的亮度值lr、lg、lb；当或超过设定阈值kg，则测定光路存在干扰，结束光路测定；否则继续执行步骤(3)；

(3)控制设备控制蓝色发光元件发光；同时控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像，对图像进行处理，分别获得rgb图像中光源区域的r、g、b的亮度值lr、lg、lb；当或超过设定阈值kb，则测定光路存在干扰，否则测定光路无干扰，并结束光路测定；

所述kr、kg、kb通过测量设定或人为设定得到。

4.根据本申请所述矿井粉尘测量系统，在更进一步地实施方案中，通过以下步骤对光路是

否存在干扰进行测定：

(1)控制设备控制红色发光元件发光；同时控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像，对图像进行处理，分别获得rgb图像中光源区域的r、g、b的亮度值lr、lg、lb；当lr-lg或lr-lb小于设定阈值fr，则测定光路存在干扰，结束光路测定；否则继续执行步骤(2)；

(2)控制设备控制绿色发光元件发光；同时控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像，对图像进行处理，分别获得rgb图像中光源区域的r、g、b的亮度值lr、lg、lb；当lg-lr或lg-lb小于设定阈值fg，则测定光路存在干扰，结束光路测定；否则继续执行步骤(3)；

(3)控制设备控制蓝色发光元件发光；同时控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像，对图像进行处理，分别获得rgb图像中光源区域的r、g、b的亮度值lr、lg、lb；当lb-lr或lb-lg小于设定阈值fb，则测定光路存在干扰，否则测定光路无干扰，并结束光路测定；

所述fr、fg、fb通过测量设定或人为设定得到。

5.所述矿井粉尘测量系统进一步包括：清除图像采集设备与光源之间的粉尘的方法包括，用高压空气瓶释放空气，通过高压空气喷嘴沿图像采集设备与光源之间的光传输路径进行鼓风。

6.所述矿井粉尘测量系统进一步包括：清除图像采集设备与光源之间的粉尘的方法包括，用矿井压风系统作为气源，通过高压空气喷嘴沿图像采集设备与光源之间的光传输路径进行鼓风。

7.所述矿井粉尘测量系统进一步包括：清洗镜头罩和光源罩的方法包括，通过清洗液和自动清洗刷、自动超声清洗设备、高压水设备或高压空气设备清洗。

8.所述矿井粉尘测量系统进一步包括湿度传感器，控制设备根据湿度值对检测得到粉尘浓度进行修正。

9.所述矿井粉尘测量系统进一步包括：测量光源和图像采集设备的距离的方法包括人工测距或通过激光测距仪自动测距。

本发明达到的有益效果：本发明的矿井粉尘测量采用开放气室，不需抽气泵和粉尘处理设备，直接通过图像处理完成粉尘检测，系统结构简单，便于安装维护；本发明还提出了自动清洗镜头罩和光源罩的方法，清除图像采集设备与光源之间的粉尘的方法，系统调零方法，系统灵敏度标定等方法，进一步保障了系统监测数据的准确性，特别适用于井下多尘环境，具有广阔的应用空间。

附图说明

图1基于图像的矿井粉尘测量系统实施示例结构原理图。

图2基于图像的矿井粉尘测量系统的工作流程图。

图3基于图像的矿井粉尘测量系统调零的工作流程图。

图4基于图像的矿井粉尘测量系统灵敏度标定的工作流程图。

图5基于图像的矿井粉尘测量系统测定光路是否存在干扰实施示例1的工作流程图。

图6基于图像的矿井粉尘测量系统测定光路是否存在干扰实施示例2的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

所述矿井粉尘测量系统实施示例如图1所示，系统组成包括：

1.控制器(101)，为系统的核心控制和数据处理设备，负责对光源、摄像机、光源罩清洗设备、镜头罩清洗设备、光路清理设备、粉尘浓度模拟设备进行控制，采集湿度传感器的湿度数据和摄像机的视频图像数据并进行处理，实现粉尘监测、光源罩和镜头罩清洗、光路清理调零、灵敏度标定等工作，还负责与井上设备通信，将粉尘监测数据发送至井上设备，接收井上设备发送的控制指令。控制器具有无线或有线通信接口，用于采集人工对系统测距、调零及灵敏度标定时所需的相关数据。控制器具有显示屏和按钮，用于数据和工作状态显示。

2.湿度传感器(102)，通过通信线缆连接控制器，为控制器提供湿度数据。

3.光源(103)，包括红、绿和蓝色发光元件，可受控独立发光或同时发光，可采用rgb全彩led。带有光源罩。

4.光源罩清洗设备(104)，用于清洗光源罩的设备，可采用清洗液和自动清洗刷、自动超声清洗设备、高压水设备或高压空气设备清洗。光源罩清洗设备与控制器通过通信线缆连接，受控制器控制工作。

5.镜头罩清洗设备(105)，用于清洗摄像机的镜头罩的设备，与光源罩清洗设备(104)原理相同，可采用清洗液和自动清洗刷、自动超声清洗设备、高压水设备或高压空气设备清洗。光源罩清洗设备与控制器通过通信线缆连接，受控制器控制工作。

6.摄像机(106),即图像采集设备，采用彩色摄像机，摄像机带有镜头罩。

7.粉尘浓度模拟设备(107)，用于模拟设定值粉尘浓度的光路环境，本示例采用可受控制设备控制在摄像机镜头前放置遮光片的设备。

8.光路清理设备(108)，用于系统调零时清理光源与摄像机之间的光传输路径上粉尘的设备，可采用高压空气瓶作为气源，通过高压空气喷嘴沿光传输路径进行鼓风，也可采用矿井压风系统作为气源。本示例中，采用高压空气瓶作为气源。光路清理设备与控制器通过通信线缆连接，受控制器控制，控制气阀开关进行工作。

9.高压空气瓶(109)，在本示例中作为光路清理设备的气源。

所述矿井粉尘测量系统工作流程实施示例如图2所示：

(201)人工测距或通过激光测距仪自动测量光源与图像采集设备之间的距离，由控制器采集距离数据；

(202)关闭图像采集设备的自动白平衡功能，将焦距与光圈固定，锁定摄像机参数；

(203)人工或自动对系统进行调零，如采用人工调零，需使用手持设备将调零所需的控制信号数据发送给控制器；

(204)人工或自动对系统进行灵敏度标定，如采用人工灵敏度标定，需使用手持设备将灵敏度标定所需的控制信号数据发送给控制器；

(205)控制设备控制各单色光源发光，同时控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像；

(206)对光路是否存在干扰进行测定，如测定存在光路干扰则返回(205)重复执行图像采集和光路干扰测定，如测定无光路干扰则执行步骤(207)；

(207)根据图像中各单色光源的亮度值测量粉尘浓度；

(208)判定系统运行时间是否到达设定间隔时间，如已到达设定间隔时间，则返回(201)重新开始测量距离及其以下步骤；否则返回(205)进行图像采集、光路干扰测定和粉尘浓度测量。

所述矿井粉尘测量系统调零工作流程实施示例如图3所示：

(301)人工或自动清洗镜头罩和光源罩；

(302)人工或自动采用高压无粉尘气体清除图像采集设备与光源之间的粉尘；

(303)控制设备控制光源发光；

(304)同时控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像；

(305)对图像进行处理，获得图像中各单色光源的亮度值；

(306)对光路是否存在干扰进行测定，如测定存在光路干扰则返回(303)重复执行光源发光及其以下步骤，如测定无光路干扰则执行步骤(307)；

(307)将(305)获得的图像中各单色光源的亮度值，作为无粉尘状态下光源的亮度值进行记录，完成设备调零。

所述矿井粉尘测量系统灵敏度标定工作流程实施示例如图4所示：

(401)模拟设定值粉尘浓度的光路环境，方法包括在镜头与光源之间设置遮光片，或喷射标准粉尘浓度的粉尘与空气混合物；

(402)控制设备控制光源发光；

(403)控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像；

(404)对图像进行处理，获得图像中各单色光源的亮度值；

(405)对光路是否存在干扰进行测定，如测定存在光路干扰则返回(402)，如测定无光路干扰则执行步骤(406)；

(406)将(404)获得的图像中各单色光源的亮度值，作为设定值粉尘浓度状态下光源的亮度值进行记录；

(407)判定是否完成系统灵敏度所需所有粉尘浓度的光源的亮度值的记录，如完成则执行(409)，否则执行(408)并返回(402)；

(408)更换不同粉尘浓度设定值的光路环境；

(409)根据所有粉尘浓度的光源的亮度值得到粉尘设定值和该设定值下各单色光源的亮度值对应数据表；当采用遮光片模拟光路环境时，需根据光源与图像采集设备之间的距离数据对各单色光源的亮度值进行修正处理；

(410)对步骤(409)得到的光源亮度值对应数据表和调零数据进行处理，拟合得到以粉尘设定值为因变量，以各单色光源的亮度值xr、xg、xb为自变量的函数公式yr＝fr(xr)、yg＝fg(xg)、yb＝fb(xb)作为本系统的粉尘测量公式。

具体使用时，将各单色光源的亮度值xr、xg、xb代入公式yr＝fr(xr)、yg＝fg(xg)、yb＝fb(xb)，得到yr、yg、yb，求平均值将y值作为粉尘浓度值。

所述矿井粉尘测量系统测定光路是否存在干扰实施示例1的流程如图5所示，判定过程中的阈值kr、kg、kb通过测量设定或人为设定得到。

(501)控制设备控制红色发光元件发光；

(502)控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像；

(503)对图像进行处理，分别获得rgb图像中光源区域的r、g、b的亮度值lr、lg、lb；

(504)将lg、lb分别与lr进行比值运算，当或超过定阈值kr，则执行(513)；否则执行步骤(505)；

(505)控制设备控制绿色发光元件发光；

(506)控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像；

(507)对图像进行处理，分别获得rgb图像中光源区域的r、g、b的亮度值lr、lg、lb；

(508)将lr、lb分别与lg进行比值运算，当或超过设定阈值kg，则执行(513)；否则执行步骤(509)；

(509)控制设备控制蓝色发光元件发光；

(510)控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像；

(511)对图像进行处理，分别获得rgb图像中光源区域的r、g、b的亮度值lr、lg、lb；

(512)将lr、lg分别与lb进行比值运算，当或超过设定阈值kb，则执行(513)，否则执行步骤(514)；

(513)判定存在光路干扰；

(514)判定无光路干扰。

所述矿井粉尘测量系统测定光路是否存在干扰实施示例2的流程如图6所示，判定过程中的阈值fr、fg、fb通过测量设定或人为设定得到。

(601)控制设备控制红色发光元件发光；

(602)控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像；

(603)对图像进行处理，分别获得rgb图像中光源区域的r、g、b的亮度值lr、lg、lb；

(604)将lr分别与lg、lb进行差值运算，当lr-lg或lr-lb小于设定阈值fr，则执行(613)；否则执行步骤(605)；

(605)控制设备控制绿色发光元件发光；

(606)控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像；

(607)对图像进行处理，分别获得rgb图像中光源区域的r、g、b的亮度值lr、lg、lb；

(608)将lg分别与lr、lb进行差值运算，lg-lr或lg-lb小于设定阈值fg，则执行(613)；否则执行步骤(609)；

(609)控制设备控制蓝色发光元件发光；

(610)控制设备控制图像采集设备采集包含光源的图像；

(611)对图像进行处理，分别获得rgb图像中光源区域的r、g、b的亮度值lr、lg、lb；

(612)将lb分别与lr、lg进行差值运算，当lb-lr或lb-lg小于设定阈值fb，则执行

(613)，否则执行步骤(614)；

(613)判定存在光路干扰；

(614)判定无光路干扰。