3D物位掃描儀技術(shù)原理及應(yīng)用

董建平　瞿松林　陸小麗

摘 要：文章針對(duì)現(xiàn)有選煤廠儲(chǔ)煤，水泥廠等倉(cāng)料位測(cè)量方法的局限性，提出了基于3D物位掃描儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；主要介紹了該系統(tǒng)的特點(diǎn)、測(cè)量原理、系統(tǒng)構(gòu)成和軟硬件系統(tǒng)等，該系統(tǒng)適用于各種復(fù)雜倉(cāng)內(nèi)環(huán)境，并能生成整個(gè)倉(cāng)內(nèi)物料實(shí)際分布狀況的三維立體圖像。

關(guān)鍵詞：3D物位掃描儀；立體圖像；三維測(cè)量

目前應(yīng)用在工礦環(huán)境中的物位測(cè)量產(chǎn)品比較多，包括：激光式、雷達(dá)式、超聲波式、重錘式、射頻導(dǎo)納式、電容式等多種技術(shù)類型的產(chǎn)品。以上產(chǎn)品已有較廣泛的應(yīng)用，但是它們都不能很好的應(yīng)用在粉塵濃度大的環(huán)境中，而且不能反應(yīng)物料的3D堆面情況。在料位測(cè)量方面，因?yàn)槲锪系呐欧哦逊e及本身特性所呈現(xiàn)的不規(guī)則表面，對(duì)于單點(diǎn)式的測(cè)量方式并不是理想條件，暴露出諸多問(wèn)題。所以精確的數(shù)據(jù)始終是一個(gè)懸而未決的難題。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境應(yīng)用當(dāng)中，測(cè)量的數(shù)據(jù)都是很不理想的。給廣大客戶的料倉(cāng)存儲(chǔ)狀態(tài)以及基本成本的控制造成很大的麻煩。

隨著3D物位掃描儀表技術(shù)的日趨成熟和使用，完全改變了單點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量的傳統(tǒng)的技術(shù)原理，引領(lǐng)世界走向一個(gè)可視化的物位測(cè)量的可視化時(shí)代，將達(dá)到了物位測(cè)量過(guò)程的智能化測(cè)量技術(shù)巔峰。并在個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的物位測(cè)量中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。3D物位掃描儀是目前唯一一個(gè)精準(zhǔn)計(jì)量固態(tài)物料的體積和質(zhì)量的創(chuàng)新性儀表，而且不會(huì)受到物料的種類和材料性質(zhì)，儲(chǔ)料倉(cāng)的形狀、尺寸和類型的影響，并且可以應(yīng)用在極其惡劣的高粉塵等環(huán)境當(dāng)中，能夠提供物料體積、物位和質(zhì)量等數(shù)據(jù)在非常惡劣的工況條件下的精準(zhǔn)測(cè)量的解決方案。

1 3D物位掃描儀的工作原理

3D物位掃描儀向被測(cè)物料表面發(fā)射頻率為2.5～7KHz，角度為30°～70°之間的低頻率脈沖波，有效量程為0.5～70m。與高頻率波向比較，低頻率波利用大發(fā)射角度，完成對(duì)整個(gè)物料表面的測(cè)量，完全改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)掃描；由于高頻波的頻率高，使發(fā)射波衰減極快，而低頻波是一種穿透能力極強(qiáng)的聲波，完全可以有效的完成粉塵大等惡劣工礦下的物料測(cè)量。

3D物位掃描儀由三個(gè)喇叭口天線向外發(fā)射頻率為3-10KHz的低頻率脈沖波，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)天線陣列傳輸出去，發(fā)射的低頻率脈沖達(dá)數(shù)千點(diǎn)，方向性極強(qiáng)的脈沖點(diǎn)對(duì)被測(cè)物料表面進(jìn)行掃描，當(dāng)脈沖達(dá)到物料表面后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖回波，由三個(gè)喇叭口天線接收，聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。處理系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到每個(gè)脈沖回波的距離、時(shí)間和方向，處理系統(tǒng)采樣和分析所有接收到的脈沖回波信號(hào)，精準(zhǔn)的反應(yīng)物料體積、物位和質(zhì)量等數(shù)據(jù)，然后通過(guò)一些算法把這些數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，產(chǎn)生物料的三維圖像，通過(guò)通信技術(shù)傳輸?shù)缴衔C(jī)上進(jìn)行顯示。還可以認(rèn)為輸入數(shù)據(jù)，去除料倉(cāng)壁和內(nèi)梁等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2 系統(tǒng)組成與硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的組成

3D物位掃描儀系統(tǒng)由電源、物位掃描器、多掃描控制器和特殊的軟件等組成。

2.1.1 3D物位掃描儀和多掃描控制器的供電電源均采用DC24V。

2.1.2 3D物位掃描儀由單片系統(tǒng)、三個(gè)喇叭天線、顯示系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)組層。單片系統(tǒng)控制三個(gè)喇叭天線按照一定順序循環(huán)的發(fā)射7KHz、4.5KHz和2.5KHz三個(gè)頻率的聲波，然后再由三個(gè)喇叭天線接收脈沖回波，單片系統(tǒng)會(huì)依據(jù)脈沖回波的頻率，時(shí)間和方向計(jì)算物料的高度。3D物位掃描儀可以通過(guò)掃描儀上的顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA通訊系統(tǒng)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度室內(nèi)，在微機(jī)上顯示。3D物位掃描儀完全可以在高濃度粉塵的惡劣工況條件下進(jìn)行工作，因此要求要對(duì)天線進(jìn)行除塵保護(hù)，現(xiàn)代技術(shù)使得天線具有了自清潔功能。在設(shè)計(jì)掃描儀天線時(shí)，內(nèi)部應(yīng)用特殊的高分子聚合物材料，通過(guò)特殊技術(shù)處理，使儀表在正常工作時(shí)，高分子材料會(huì)產(chǎn)生一定頻率的共振，從而將黏附在天線上的灰塵清除，實(shí)現(xiàn)自清潔的功能，免去人工清潔天線的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化。

2.1.3 特殊管理軟件。3D物位掃描儀接收到的回波數(shù)據(jù)由這些特殊軟件實(shí)時(shí)分析和處理，描繪出料倉(cāng)內(nèi)物料三維模型，同時(shí)可得到由單點(diǎn)測(cè)量?jī)x表測(cè)得的所有數(shù)據(jù)，從而得到物料分布狀況、體積和質(zhì)量等。

2.1.4 多掃描控制器。在測(cè)量直徑大于15米的儲(chǔ)料倉(cāng)時(shí)，一臺(tái)3D物位儀表不能完整地測(cè)量整個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)的物位數(shù)據(jù)，需要多臺(tái)3D物位儀表共同完成測(cè)量。多掃描控制器將把多臺(tái)3D物位掃描儀連接起來(lái)，使用在同一個(gè)大型的儲(chǔ)料倉(cāng)上，并且使多臺(tái)3D物位儀表協(xié)同工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)儀表信號(hào)傳輸同步化，保證各臺(tái)儀表之間互相不影響。最后，由某種特別軟件將多臺(tái)儀表測(cè)量數(shù)據(jù)匯總和描繪出儲(chǔ)糧倉(cāng)中物料的分布實(shí)況的3D立體圖像，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)和相關(guān)技術(shù)參數(shù)報(bào)表等。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

當(dāng)3D物位掃描儀上電工作時(shí)，DSP發(fā)出指令通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)發(fā)射電路進(jìn)行控制發(fā)射，每個(gè)天線把發(fā)射出的聲波各自接收，通過(guò)帶通濾波器、放大器、對(duì)數(shù)放大器和濾波器處理，最后有A/D采集送入DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?；夭}沖由每個(gè)天線一一對(duì)應(yīng)接收，系統(tǒng)可以精準(zhǔn)的計(jì)算到每一個(gè)回波脈沖運(yùn)行的時(shí)間、距離和空間方向，繪制出被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的三維圖像，可以在液晶顯示窗顯示，也可以通過(guò)4～20mA或HART傳輸，傳輸?shù)街锌嘏_(tái)的顯示器上進(jìn)行顯示，直觀的看出倉(cāng)體中的物料情況，方便對(duì)其的控制和操作，保證自身和其他設(shè)備的正常生產(chǎn)和運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)主要完成信號(hào)的AD采集并處理，聲波運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算，計(jì)算并校正聲波傳輸?shù)娜S方位，校正和補(bǔ)償誤差等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)射控制。

在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，有三個(gè)天線采集到的數(shù)據(jù)盡量保持同步，采用了高速A/D采集芯片，DSP對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)同步處理，顯示，才能保證3D物位掃描儀測(cè)量距離，體積等準(zhǔn)確性和三維圖像實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性。系統(tǒng)的初始化是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵性一步，它將對(duì)系統(tǒng)的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，在開機(jī)后，系統(tǒng)首先要運(yùn)行初始化程序，才能確保整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)能正常工作。

參考文獻(xiàn)

[1]潘仲明.大量程超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2006.

[2]張海鷹，高艷麗.超聲波測(cè)距技術(shù)研究[J].儀表技術(shù)，2011（9）：58-60.

[3]劉剛.光電設(shè)備被動(dòng)測(cè)距方法的研究[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月刊），2010，10（12）：149，156.

[4]潘仲明.大量程超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

[5]楊振，豆偉.選煤廠粉塵治理實(shí)踐[J].中州煤炭，2011（03）.

[6]3D物位掃描儀在水泥行業(yè)的應(yīng)用[A].中國(guó)水泥協(xié)會(huì)環(huán)保和資源綜合利用專業(yè)委員會(huì)成立大會(huì)會(huì)議文集[C].2011.

作者簡(jiǎn)介：董建平（1982-），男，江蘇常州人，現(xiàn)職稱：研發(fā)經(jīng)理，學(xué)歷：研究生，研究方向：系統(tǒng)架構(gòu)研究。endprint

摘 要：文章針對(duì)現(xiàn)有選煤廠儲(chǔ)煤，水泥廠等倉(cāng)料位測(cè)量方法的局限性，提出了基于3D物位掃描儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；主要介紹了該系統(tǒng)的特點(diǎn)、測(cè)量原理、系統(tǒng)構(gòu)成和軟硬件系統(tǒng)等，該系統(tǒng)適用于各種復(fù)雜倉(cāng)內(nèi)環(huán)境，并能生成整個(gè)倉(cāng)內(nèi)物料實(shí)際分布狀況的三維立體圖像。

關(guān)鍵詞：3D物位掃描儀；立體圖像；三維測(cè)量

目前應(yīng)用在工礦環(huán)境中的物位測(cè)量產(chǎn)品比較多，包括：激光式、雷達(dá)式、超聲波式、重錘式、射頻導(dǎo)納式、電容式等多種技術(shù)類型的產(chǎn)品。以上產(chǎn)品已有較廣泛的應(yīng)用，但是它們都不能很好的應(yīng)用在粉塵濃度大的環(huán)境中，而且不能反應(yīng)物料的3D堆面情況。在料位測(cè)量方面，因?yàn)槲锪系呐欧哦逊e及本身特性所呈現(xiàn)的不規(guī)則表面，對(duì)于單點(diǎn)式的測(cè)量方式并不是理想條件，暴露出諸多問(wèn)題。所以精確的數(shù)據(jù)始終是一個(gè)懸而未決的難題。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境應(yīng)用當(dāng)中，測(cè)量的數(shù)據(jù)都是很不理想的。給廣大客戶的料倉(cāng)存儲(chǔ)狀態(tài)以及基本成本的控制造成很大的麻煩。

隨著3D物位掃描儀表技術(shù)的日趨成熟和使用，完全改變了單點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量的傳統(tǒng)的技術(shù)原理，引領(lǐng)世界走向一個(gè)可視化的物位測(cè)量的可視化時(shí)代，將達(dá)到了物位測(cè)量過(guò)程的智能化測(cè)量技術(shù)巔峰。并在個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的物位測(cè)量中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。3D物位掃描儀是目前唯一一個(gè)精準(zhǔn)計(jì)量固態(tài)物料的體積和質(zhì)量的創(chuàng)新性儀表，而且不會(huì)受到物料的種類和材料性質(zhì)，儲(chǔ)料倉(cāng)的形狀、尺寸和類型的影響，并且可以應(yīng)用在極其惡劣的高粉塵等環(huán)境當(dāng)中，能夠提供物料體積、物位和質(zhì)量等數(shù)據(jù)在非常惡劣的工況條件下的精準(zhǔn)測(cè)量的解決方案。

1 3D物位掃描儀的工作原理

3D物位掃描儀向被測(cè)物料表面發(fā)射頻率為2.5～7KHz，角度為30°～70°之間的低頻率脈沖波，有效量程為0.5～70m。與高頻率波向比較，低頻率波利用大發(fā)射角度，完成對(duì)整個(gè)物料表面的測(cè)量，完全改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)掃描；由于高頻波的頻率高，使發(fā)射波衰減極快，而低頻波是一種穿透能力極強(qiáng)的聲波，完全可以有效的完成粉塵大等惡劣工礦下的物料測(cè)量。

3D物位掃描儀由三個(gè)喇叭口天線向外發(fā)射頻率為3-10KHz的低頻率脈沖波，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)天線陣列傳輸出去，發(fā)射的低頻率脈沖達(dá)數(shù)千點(diǎn)，方向性極強(qiáng)的脈沖點(diǎn)對(duì)被測(cè)物料表面進(jìn)行掃描，當(dāng)脈沖達(dá)到物料表面后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖回波，由三個(gè)喇叭口天線接收，聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。處理系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到每個(gè)脈沖回波的距離、時(shí)間和方向，處理系統(tǒng)采樣和分析所有接收到的脈沖回波信號(hào)，精準(zhǔn)的反應(yīng)物料體積、物位和質(zhì)量等數(shù)據(jù)，然后通過(guò)一些算法把這些數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，產(chǎn)生物料的三維圖像，通過(guò)通信技術(shù)傳輸?shù)缴衔C(jī)上進(jìn)行顯示。還可以認(rèn)為輸入數(shù)據(jù)，去除料倉(cāng)壁和內(nèi)梁等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2 系統(tǒng)組成與硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的組成

3D物位掃描儀系統(tǒng)由電源、物位掃描器、多掃描控制器和特殊的軟件等組成。

2.1.1 3D物位掃描儀和多掃描控制器的供電電源均采用DC24V。

2.1.2 3D物位掃描儀由單片系統(tǒng)、三個(gè)喇叭天線、顯示系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)組層。單片系統(tǒng)控制三個(gè)喇叭天線按照一定順序循環(huán)的發(fā)射7KHz、4.5KHz和2.5KHz三個(gè)頻率的聲波，然后再由三個(gè)喇叭天線接收脈沖回波，單片系統(tǒng)會(huì)依據(jù)脈沖回波的頻率，時(shí)間和方向計(jì)算物料的高度。3D物位掃描儀可以通過(guò)掃描儀上的顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA通訊系統(tǒng)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度室內(nèi)，在微機(jī)上顯示。3D物位掃描儀完全可以在高濃度粉塵的惡劣工況條件下進(jìn)行工作，因此要求要對(duì)天線進(jìn)行除塵保護(hù)，現(xiàn)代技術(shù)使得天線具有了自清潔功能。在設(shè)計(jì)掃描儀天線時(shí)，內(nèi)部應(yīng)用特殊的高分子聚合物材料，通過(guò)特殊技術(shù)處理，使儀表在正常工作時(shí)，高分子材料會(huì)產(chǎn)生一定頻率的共振，從而將黏附在天線上的灰塵清除，實(shí)現(xiàn)自清潔的功能，免去人工清潔天線的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化。

2.1.3 特殊管理軟件。3D物位掃描儀接收到的回波數(shù)據(jù)由這些特殊軟件實(shí)時(shí)分析和處理，描繪出料倉(cāng)內(nèi)物料三維模型，同時(shí)可得到由單點(diǎn)測(cè)量?jī)x表測(cè)得的所有數(shù)據(jù)，從而得到物料分布狀況、體積和質(zhì)量等。

2.1.4 多掃描控制器。在測(cè)量直徑大于15米的儲(chǔ)料倉(cāng)時(shí)，一臺(tái)3D物位儀表不能完整地測(cè)量整個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)的物位數(shù)據(jù)，需要多臺(tái)3D物位儀表共同完成測(cè)量。多掃描控制器將把多臺(tái)3D物位掃描儀連接起來(lái)，使用在同一個(gè)大型的儲(chǔ)料倉(cāng)上，并且使多臺(tái)3D物位儀表協(xié)同工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)儀表信號(hào)傳輸同步化，保證各臺(tái)儀表之間互相不影響。最后，由某種特別軟件將多臺(tái)儀表測(cè)量數(shù)據(jù)匯總和描繪出儲(chǔ)糧倉(cāng)中物料的分布實(shí)況的3D立體圖像，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)和相關(guān)技術(shù)參數(shù)報(bào)表等。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

當(dāng)3D物位掃描儀上電工作時(shí)，DSP發(fā)出指令通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)發(fā)射電路進(jìn)行控制發(fā)射，每個(gè)天線把發(fā)射出的聲波各自接收，通過(guò)帶通濾波器、放大器、對(duì)數(shù)放大器和濾波器處理，最后有A/D采集送入DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。回波脈沖由每個(gè)天線一一對(duì)應(yīng)接收，系統(tǒng)可以精準(zhǔn)的計(jì)算到每一個(gè)回波脈沖運(yùn)行的時(shí)間、距離和空間方向，繪制出被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的三維圖像，可以在液晶顯示窗顯示，也可以通過(guò)4～20mA或HART傳輸，傳輸?shù)街锌嘏_(tái)的顯示器上進(jìn)行顯示，直觀的看出倉(cāng)體中的物料情況，方便對(duì)其的控制和操作，保證自身和其他設(shè)備的正常生產(chǎn)和運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)主要完成信號(hào)的AD采集并處理，聲波運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算，計(jì)算并校正聲波傳輸?shù)娜S方位，校正和補(bǔ)償誤差等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)射控制。

在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，有三個(gè)天線采集到的數(shù)據(jù)盡量保持同步，采用了高速A/D采集芯片，DSP對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)同步處理，顯示，才能保證3D物位掃描儀測(cè)量距離，體積等準(zhǔn)確性和三維圖像實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性。系統(tǒng)的初始化是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵性一步，它將對(duì)系統(tǒng)的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，在開機(jī)后，系統(tǒng)首先要運(yùn)行初始化程序，才能確保整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)能正常工作。

參考文獻(xiàn)

[1]潘仲明.大量程超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2006.

[2]張海鷹，高艷麗.超聲波測(cè)距技術(shù)研究[J].儀表技術(shù)，2011（9）：58-60.

[3]劉剛.光電設(shè)備被動(dòng)測(cè)距方法的研究[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月刊），2010，10（12）：149，156.

[4]潘仲明.大量程超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

[5]楊振，豆偉.選煤廠粉塵治理實(shí)踐[J].中州煤炭，2011（03）.

[6]3D物位掃描儀在水泥行業(yè)的應(yīng)用[A].中國(guó)水泥協(xié)會(huì)環(huán)保和資源綜合利用專業(yè)委員會(huì)成立大會(huì)會(huì)議文集[C].2011.

作者簡(jiǎn)介：董建平（1982-），男，江蘇常州人，現(xiàn)職稱：研發(fā)經(jīng)理，學(xué)歷：研究生，研究方向：系統(tǒng)架構(gòu)研究。endprint

摘 要：文章針對(duì)現(xiàn)有選煤廠儲(chǔ)煤，水泥廠等倉(cāng)料位測(cè)量方法的局限性，提出了基于3D物位掃描儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；主要介紹了該系統(tǒng)的特點(diǎn)、測(cè)量原理、系統(tǒng)構(gòu)成和軟硬件系統(tǒng)等，該系統(tǒng)適用于各種復(fù)雜倉(cāng)內(nèi)環(huán)境，并能生成整個(gè)倉(cāng)內(nèi)物料實(shí)際分布狀況的三維立體圖像。

關(guān)鍵詞：3D物位掃描儀；立體圖像；三維測(cè)量

目前應(yīng)用在工礦環(huán)境中的物位測(cè)量產(chǎn)品比較多，包括：激光式、雷達(dá)式、超聲波式、重錘式、射頻導(dǎo)納式、電容式等多種技術(shù)類型的產(chǎn)品。以上產(chǎn)品已有較廣泛的應(yīng)用，但是它們都不能很好的應(yīng)用在粉塵濃度大的環(huán)境中，而且不能反應(yīng)物料的3D堆面情況。在料位測(cè)量方面，因?yàn)槲锪系呐欧哦逊e及本身特性所呈現(xiàn)的不規(guī)則表面，對(duì)于單點(diǎn)式的測(cè)量方式并不是理想條件，暴露出諸多問(wèn)題。所以精確的數(shù)據(jù)始終是一個(gè)懸而未決的難題。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境應(yīng)用當(dāng)中，測(cè)量的數(shù)據(jù)都是很不理想的。給廣大客戶的料倉(cāng)存儲(chǔ)狀態(tài)以及基本成本的控制造成很大的麻煩。

隨著3D物位掃描儀表技術(shù)的日趨成熟和使用，完全改變了單點(diǎn)數(shù)據(jù)測(cè)量的傳統(tǒng)的技術(shù)原理，引領(lǐng)世界走向一個(gè)可視化的物位測(cè)量的可視化時(shí)代，將達(dá)到了物位測(cè)量過(guò)程的智能化測(cè)量技術(shù)巔峰。并在個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的物位測(cè)量中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。3D物位掃描儀是目前唯一一個(gè)精準(zhǔn)計(jì)量固態(tài)物料的體積和質(zhì)量的創(chuàng)新性儀表，而且不會(huì)受到物料的種類和材料性質(zhì)，儲(chǔ)料倉(cāng)的形狀、尺寸和類型的影響，并且可以應(yīng)用在極其惡劣的高粉塵等環(huán)境當(dāng)中，能夠提供物料體積、物位和質(zhì)量等數(shù)據(jù)在非常惡劣的工況條件下的精準(zhǔn)測(cè)量的解決方案。

1 3D物位掃描儀的工作原理

3D物位掃描儀向被測(cè)物料表面發(fā)射頻率為2.5～7KHz，角度為30°～70°之間的低頻率脈沖波，有效量程為0.5～70m。與高頻率波向比較，低頻率波利用大發(fā)射角度，完成對(duì)整個(gè)物料表面的測(cè)量，完全改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)掃描；由于高頻波的頻率高，使發(fā)射波衰減極快，而低頻波是一種穿透能力極強(qiáng)的聲波，完全可以有效的完成粉塵大等惡劣工礦下的物料測(cè)量。

3D物位掃描儀由三個(gè)喇叭口天線向外發(fā)射頻率為3-10KHz的低頻率脈沖波，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)天線陣列傳輸出去，發(fā)射的低頻率脈沖達(dá)數(shù)千點(diǎn)，方向性極強(qiáng)的脈沖點(diǎn)對(duì)被測(cè)物料表面進(jìn)行掃描，當(dāng)脈沖達(dá)到物料表面后，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖回波，由三個(gè)喇叭口天線接收，聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。處理系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到每個(gè)脈沖回波的距離、時(shí)間和方向，處理系統(tǒng)采樣和分析所有接收到的脈沖回波信號(hào)，精準(zhǔn)的反應(yīng)物料體積、物位和質(zhì)量等數(shù)據(jù)，然后通過(guò)一些算法把這些數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，產(chǎn)生物料的三維圖像，通過(guò)通信技術(shù)傳輸?shù)缴衔C(jī)上進(jìn)行顯示。還可以認(rèn)為輸入數(shù)據(jù)，去除料倉(cāng)壁和內(nèi)梁等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2 系統(tǒng)組成與硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的組成

3D物位掃描儀系統(tǒng)由電源、物位掃描器、多掃描控制器和特殊的軟件等組成。

2.1.1 3D物位掃描儀和多掃描控制器的供電電源均采用DC24V。

2.1.2 3D物位掃描儀由單片系統(tǒng)、三個(gè)喇叭天線、顯示系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)組層。單片系統(tǒng)控制三個(gè)喇叭天線按照一定順序循環(huán)的發(fā)射7KHz、4.5KHz和2.5KHz三個(gè)頻率的聲波，然后再由三個(gè)喇叭天線接收脈沖回波，單片系統(tǒng)會(huì)依據(jù)脈沖回波的頻率，時(shí)間和方向計(jì)算物料的高度。3D物位掃描儀可以通過(guò)掃描儀上的顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA通訊系統(tǒng)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度室內(nèi)，在微機(jī)上顯示。3D物位掃描儀完全可以在高濃度粉塵的惡劣工況條件下進(jìn)行工作，因此要求要對(duì)天線進(jìn)行除塵保護(hù)，現(xiàn)代技術(shù)使得天線具有了自清潔功能。在設(shè)計(jì)掃描儀天線時(shí)，內(nèi)部應(yīng)用特殊的高分子聚合物材料，通過(guò)特殊技術(shù)處理，使儀表在正常工作時(shí)，高分子材料會(huì)產(chǎn)生一定頻率的共振，從而將黏附在天線上的灰塵清除，實(shí)現(xiàn)自清潔的功能，免去人工清潔天線的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)自動(dòng)化。

2.1.3 特殊管理軟件。3D物位掃描儀接收到的回波數(shù)據(jù)由這些特殊軟件實(shí)時(shí)分析和處理，描繪出料倉(cāng)內(nèi)物料三維模型，同時(shí)可得到由單點(diǎn)測(cè)量?jī)x表測(cè)得的所有數(shù)據(jù)，從而得到物料分布狀況、體積和質(zhì)量等。

2.1.4 多掃描控制器。在測(cè)量直徑大于15米的儲(chǔ)料倉(cāng)時(shí)，一臺(tái)3D物位儀表不能完整地測(cè)量整個(gè)儲(chǔ)料倉(cāng)的物位數(shù)據(jù)，需要多臺(tái)3D物位儀表共同完成測(cè)量。多掃描控制器將把多臺(tái)3D物位掃描儀連接起來(lái)，使用在同一個(gè)大型的儲(chǔ)料倉(cāng)上，并且使多臺(tái)3D物位儀表協(xié)同工作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)儀表信號(hào)傳輸同步化，保證各臺(tái)儀表之間互相不影響。最后，由某種特別軟件將多臺(tái)儀表測(cè)量數(shù)據(jù)匯總和描繪出儲(chǔ)糧倉(cāng)中物料的分布實(shí)況的3D立體圖像，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)和相關(guān)技術(shù)參數(shù)報(bào)表等。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

當(dāng)3D物位掃描儀上電工作時(shí)，DSP發(fā)出指令通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)發(fā)射電路進(jìn)行控制發(fā)射，每個(gè)天線把發(fā)射出的聲波各自接收，通過(guò)帶通濾波器、放大器、對(duì)數(shù)放大器和濾波器處理，最后有A/D采集送入DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?；夭}沖由每個(gè)天線一一對(duì)應(yīng)接收，系統(tǒng)可以精準(zhǔn)的計(jì)算到每一個(gè)回波脈沖運(yùn)行的時(shí)間、距離和空間方向，繪制出被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的三維圖像，可以在液晶顯示窗顯示，也可以通過(guò)4～20mA或HART傳輸，傳輸?shù)街锌嘏_(tái)的顯示器上進(jìn)行顯示，直觀的看出倉(cāng)體中的物料情況，方便對(duì)其的控制和操作，保證自身和其他設(shè)備的正常生產(chǎn)和運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)主要完成信號(hào)的AD采集并處理，聲波運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算，計(jì)算并校正聲波傳輸?shù)娜S方位，校正和補(bǔ)償誤差等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)射控制。

在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，有三個(gè)天線采集到的數(shù)據(jù)盡量保持同步，采用了高速A/D采集芯片，DSP對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)同步處理，顯示，才能保證3D物位掃描儀測(cè)量距離，體積等準(zhǔn)確性和三維圖像實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性。系統(tǒng)的初始化是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵性一步，它將對(duì)系統(tǒng)的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，在開機(jī)后，系統(tǒng)首先要運(yùn)行初始化程序，才能確保整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)能正常工作。

參考文獻(xiàn)

[1]潘仲明.大量程超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2006.

[2]張海鷹，高艷麗.超聲波測(cè)距技術(shù)研究[J].儀表技術(shù)，2011（9）：58-60.

[3]劉剛.光電設(shè)備被動(dòng)測(cè)距方法的研究[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月刊），2010，10（12）：149，156.

[4]潘仲明.大量程超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

[5]楊振，豆偉.選煤廠粉塵治理實(shí)踐[J].中州煤炭，2011（03）.

[6]3D物位掃描儀在水泥行業(yè)的應(yīng)用[A].中國(guó)水泥協(xié)會(huì)環(huán)保和資源綜合利用專業(yè)委員會(huì)成立大會(huì)會(huì)議文集[C].2011.

作者簡(jiǎn)介：董建平（1982-），男，江蘇常州人，現(xiàn)職稱：研發(fā)經(jīng)理，學(xué)歷：研究生，研究方向：系統(tǒng)架構(gòu)研究。endprint