本發(fā)明涉及物料測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種物料高度及平整度測量系統(tǒng)、測量方法及其自校準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

物料的高度與平整度檢測，是國民經(jīng)濟(jì)多個(gè)領(lǐng)域的常規(guī)測試需求。例如，在白酒釀造生產(chǎn)的工藝流程中，裝甑是其中的關(guān)鍵步驟之一，“松、輕、準(zhǔn)、薄、勻、平”是裝甑的傳統(tǒng)工藝要求，出酒的品質(zhì)和蒸餾的效率與酒醅裝填的疏松度等有直接的關(guān)系。工藝要求是邊通蒸汽邊上甑，逐層均勻鋪撒，裝甑過程中表層不跑氣，酒醅內(nèi)氣道分布勻散通暢(不壓氣)。傳統(tǒng)生產(chǎn)中一直是由有經(jīng)驗(yàn)的高級技師結(jié)合現(xiàn)場情況，判斷填料的數(shù)量、時(shí)機(jī)、鋪撒區(qū)域并進(jìn)行人工操作。這種操作方式存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、鋪撒質(zhì)量不穩(wěn)定、高級技工培養(yǎng)困難、勞動(dòng)力成本高、衛(wèi)生環(huán)境差的弊端。

目前可用于物料高度及平整度實(shí)時(shí)非接觸檢測的方法，主要有超聲法、雷達(dá)法、激光法等。超聲法是通過發(fā)送一束超聲波束到達(dá)物料表面，經(jīng)過反射后獲得反射信號(hào)，從而得出物料的高度。由于聲波在空間的發(fā)散特性，超聲法僅能測量物料的高度，而不能測量物料表面的平整度，而且容易受到側(cè)壁的二次反射信號(hào)干擾而導(dǎo)致精度和可靠性不高。雷達(dá)法是通過發(fā)送一束雷達(dá)波到達(dá)物料表面，經(jīng)過反射后接受反射雷達(dá)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)物料高度測量。由于雷達(dá)波在空間的同樣具有發(fā)散特性，雷達(dá)法也僅能測量物料的高度，而不能測量物料表面的平整度，而且同樣容易受到側(cè)壁的二次反射信號(hào)干擾而導(dǎo)致精度和可靠性不高。激光法是通過發(fā)送一束激光束到達(dá)物料表面，經(jīng)過反射后獲得反射信號(hào)，從而得出物料的高度。由于激光束具有極好的準(zhǔn)直與聚焦特性，激光法不僅能測量物料的高度，而且還可以測量物料表面的平整度，并且不會(huì)產(chǎn)生側(cè)壁的二次反射信號(hào)干擾，相對于其他測量方式，在高精度、速度、可靠性等方面都具有優(yōu)勢，因而成為物料高度及平整度測量的首選方法。

激光測量的原理通常分為脈沖法、相位法和激光三角法，由于測量范圍和精度的差異，三種原理分別適用于不同的領(lǐng)域。脈沖法是通過計(jì)算發(fā)射激光脈沖與接收激光脈沖的時(shí)間差來計(jì)算目標(biāo)距離。脈沖法適用于幾千公里以上的遠(yuǎn)距離測距場景，不適宜近距離的測距。另一方面，脈沖法只能發(fā)出點(diǎn)激光，因此也不適宜測量大面積范圍的平整度。相位法是通過向目標(biāo)發(fā)射連續(xù)的調(diào)制脈沖，并通過比對發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的相位差來判斷目標(biāo)的距離，適用于幾米至上百米的測距場景，小量程時(shí)精度無法滿足需求。而且相位法也只能發(fā)出點(diǎn)激光，因此也不適宜測量大面積范圍的平整度。激光三角法是利用激光器發(fā)出的點(diǎn)或線激光束、通過被測目標(biāo)與接收器件之間的三角形關(guān)系實(shí)現(xiàn)測量的，因此，激光三角法非常適合近距離的高度測量。

但是，由于物料的檢測具有相對的特殊性和難度。首先，由于物料高度特別是平整度屬于三維信息，常規(guī)的激光位移傳感器和二維輪廓傳感器均無法直接滿足檢測需求；其次，物料本身屬于松散型顆粒，物料表面形狀不可避免地存在各種不確定性和無規(guī)律隨機(jī)性，也有可能產(chǎn)生陰影現(xiàn)象和測量死角，常規(guī)激光測試系統(tǒng)一般無法滿足要求；且在生產(chǎn)過程中，物料的高度是一個(gè)逐步堆積形成的過程，不可避免地存在隨機(jī)性和規(guī)律性地遮擋現(xiàn)象，因而無法直接應(yīng)用現(xiàn)有的激光測試系統(tǒng)；

綜上所述，不同市場現(xiàn)場的物料特性與環(huán)境差異極大，單一通用的激光測試系統(tǒng)無法滿足不同客戶的不同現(xiàn)場差異化需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對目前物料高度與平整度測試系統(tǒng)存在的上述問題，本發(fā)明提出一種物料高度及平整度測量系統(tǒng)、測量方法及其自校準(zhǔn)方法，基于線激光的自旋掃描式測量，實(shí)現(xiàn)超大范圍的物料高度及平整度同步檢測，且具有更高的測量精度、更快的測量速度以及更好的適應(yīng)性。

本申請采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種物料高度及平整度測量系統(tǒng)，包括激光輪廓傳感器、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電機(jī)及控制器，其中，所述激光輪廓傳感器設(shè)置于所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的下方，并位于被測物料的正上方，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸線、激光輪廓傳感器的測量線以及放置物料的料桶中心線三線重合，所述電機(jī)設(shè)置于所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的上方，所述控制器分別與所述電機(jī)以及所述激光輪廓傳感器相連，所述電機(jī)在所述控制器的控制下帶動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述控制器讀取所述激光輪廓傳感器的測量結(jié)果，從而得到物料的高度及平整度信息。

進(jìn)一步地，所述激光輪廓傳感器包括激光器、發(fā)射鏡組、接收鏡組、cmos面陣傳感器及處理單元，所述激光器發(fā)出的一束激光經(jīng)所述發(fā)射鏡組后形成一束具有一定扇形角和一定寬度的線激光投向所述料桶，在所述料桶的頂部、料桶的側(cè)壁以及物料的表面形成一條輪廓線，該輪廓線通過所述接收鏡組后在所述cmos面陣傳感器上成像，得到一幅包括該輪廓線在內(nèi)的完整圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)所述處理單元的處理后得到物料表面及料桶頂部邊緣的外輪廓數(shù)據(jù)，并將該外輪廓數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿隹刂破髦小?/p>

為了克服物料顆粒度散射的影響，所述發(fā)射鏡組產(chǎn)生的線激光的寬度為物料顆粒平均直徑的2-3倍。

進(jìn)一步地，還包括用于調(diào)節(jié)所述激光輪廓傳感器高度及水平位置的支架。

一種物料高度及平整度測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：

s1：由所述激光器發(fā)出的一束激光經(jīng)所述發(fā)射鏡組后形成一束具有一定扇形角和一定寬度的線激光投向所述料桶，在所述料桶的頂部、料桶的側(cè)壁以及物料的表面形成一條輪廓線，該輪廓線通過所述接收鏡組后在所述cmos面陣傳感器上成像，得到一幅包括該輪廓線在內(nèi)的完整圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)所述處理單元的處理后得到物料表面及料桶頂部邊緣的外輪廓數(shù)據(jù)，并將該外輪廓數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿隹刂破髦校隹刂破魍ㄟ^數(shù)據(jù)處理得到物料表面相對于所述料桶頂部的高度值及物料本身在該輪廓線截面上的平整度信息；

s2：所述控制器控制所述電機(jī)帶動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及所述激光輪廓傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)，所述激光輪廓傳感器發(fā)出的線激光以所述料桶的中心線為中心，對整個(gè)物料表面進(jìn)行掃描，得到各角度位置上的物料表面相對于所述料桶頂部的高度值及物料本身在該輪廓線截面上的平整度信息；

s3：當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)360°后，所述控制器控制所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，所述控制器通過三維重構(gòu)得到整個(gè)物料表面的三維形狀，并得到完整的物料高度與平整度信息。

一種物料高度及平整度測量系統(tǒng)的自校準(zhǔn)方法，包括如下步驟：

s1：清空所述料桶中的所有物料；

s2：所述激光輪廓傳感器的線激光投向空的料桶，獲取料桶的內(nèi)輪廓數(shù)據(jù)，并傳送給所述控制器；

s3：所述控制器經(jīng)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出料桶底部直線輪廓與頂端高度的測量值；

s4：對比料桶的底部直線輪廓與頂端高度的實(shí)際值與步驟s3的測量值，計(jì)算出所述激光輪廓傳感器的校正系數(shù)；

s5：所述控制器保存上述校正系數(shù)，完成自校準(zhǔn)過程。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請?zhí)峁┑募夹g(shù)方案，具有的技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)是：基于線激光的自旋掃描式測量，實(shí)現(xiàn)超大范圍的物料高度及平整度同步檢測，且具有更高的測量精度、更快的測量速度以及更好的適應(yīng)性。

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖1(b)為本發(fā)明的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖二；

圖2為本發(fā)明的線激光寬度設(shè)計(jì)原理示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種物料高度及平整度測量系統(tǒng)、測量方法及其自校準(zhǔn)方法，基于線激光的自旋掃描式測量，實(shí)現(xiàn)超大范圍的物料高度及平整度同步檢測，且具有更高的測量精度、更快的測量速度以及更好的適應(yīng)性。

為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實(shí)施方式，對上述技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。

實(shí)施例

一種物料高度及平整度測量系統(tǒng)，如圖1(a)、圖1(b)所示，包括激光輪廓傳感器1、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2、電機(jī)3及控制器4，其中，所述激光輪廓傳感器1設(shè)置于所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2的下方，并位于被測物料的正上方，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2的轉(zhuǎn)軸線、激光輪廓傳感器1的測量線以及放置物料的料桶6中心線三線重合，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2固定于支架5上，以便于調(diào)節(jié)所述激光輪廓傳感器1的高度和水平位置，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2用于固定所述激光輪廓傳感器1，并帶動(dòng)所述激光輪廓傳感器1轉(zhuǎn)動(dòng)，所述電機(jī)3設(shè)置于所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2的上方，所述控制器4分別與所述電機(jī)3以及所述激光輪廓傳感器1相連，所述電機(jī)3在所述控制器4的控制下帶動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2轉(zhuǎn)動(dòng)，且所述電機(jī)3的轉(zhuǎn)動(dòng)速度可調(diào)節(jié)，所述控制器4讀取所述激光輪廓傳感器1的測量結(jié)果，從而得到物料的高度及平整度信息。

所述激光輪廓傳感器1包括激光器101、發(fā)射鏡組102、接收鏡組103、cmos面陣傳感器104及處理單元105，所述激光器101發(fā)出的一束激光經(jīng)所述發(fā)射鏡組102后形成一束具有一定扇形角和一定寬度的線激光投向所述料桶6，在所述料桶6的頂部、料桶6的側(cè)壁以及物料的表面形成一條輪廓線，該輪廓線通過所述接收鏡組103后在所述cmos面陣傳感器104上成像，得到一幅包括該輪廓線在內(nèi)的完整圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)所述處理單元105的處理后得到物料表面及料桶6頂部邊緣的外輪廓數(shù)據(jù)，并將該外輪廓數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿隹刂破?中。

其中，所述激光器101發(fā)出的一束激光經(jīng)所述發(fā)射鏡組102后形成一束具有一定扇形角和一定寬度的線激光，該線激光的寬度取決于物料的顆粒度，作為一種優(yōu)選的技術(shù)方案，該線激光的寬度為物料顆粒平均直徑的2-3倍。如圖2所示，假設(shè)物料的顆粒平均直徑為5mm，那么發(fā)射鏡組102產(chǎn)生的線激光的寬度選為10mm-15mm時(shí)，可以有效克服物料顆粒度散射影響。

一種物料高度及平整度測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：

s1：由所述激光器101發(fā)出的一束激光經(jīng)所述發(fā)射鏡組102后形成一束具有一定扇形角和一定寬度的線激光投向所述料桶6，在所述料桶6的頂部、料桶6的側(cè)壁以及物料的表面形成一條輪廓線，該輪廓線通過所述接收鏡組103后在所述cmos面陣傳感器104上成像，得到一幅包括該輪廓線在內(nèi)的完整圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)所述處理單元105的處理后得到物料表面及料桶6頂部邊緣的外輪廓數(shù)據(jù)，并將該外輪廓數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿隹刂破?中，所述控制器4通過數(shù)據(jù)處理得到物料表面相對于所述料桶6頂部的高度值及物料本身在該輪廓線截面上的平整度信息；

s2：所述控制器4控制所述電機(jī)3帶動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2及所述激光輪廓傳感器1轉(zhuǎn)動(dòng)，所述激光輪廓傳感器1發(fā)出的線激光以所述料桶6的中心線為中心，對整個(gè)物料表面進(jìn)行掃描，得到各角度位置上的物料表面相對于所述料桶6頂部的高度值及物料本身在該輪廓線截面上的平整度信息；

s3：當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)360°后，所述控制器4控制所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)2停止轉(zhuǎn)動(dòng)，所述控制器4通過三維重構(gòu)得到整個(gè)物料表面的三維形狀，并得到完整的物料高度與平整度信息。

一種物料高度及平整度測量系統(tǒng)的自校準(zhǔn)方法，包括如下步驟：

s1：清空所述料桶6中的所有物料；

s2：所述激光輪廓傳感器1的線激光投向空的料桶6，獲取料桶6的內(nèi)輪廓數(shù)據(jù)，并傳送給所述控制器4；

s3：所述控制器4經(jīng)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出料桶6底部直線輪廓與頂端高度的測量值h；

s4：對比料桶6的底部直線輪廓與頂端高度的實(shí)際值h0與步驟s3的測量值h，計(jì)算出所述激光輪廓傳感器的校正系數(shù)k＝h0/h；

s5：所述控制器4保存上述校正系數(shù)，完成自校準(zhǔn)過程。

本申請的上述實(shí)施例中，通過提供一種物料高度及平整度測量系統(tǒng)、測量方法及其自校準(zhǔn)方法，包括激光輪廓傳感器、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電機(jī)及控制器，其中，所述激光輪廓傳感器設(shè)置于所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的下方，并位于被測物料的正上方，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸線、激光輪廓傳感器的測量線以及放置物料的料桶中心線三線重合，所述電機(jī)設(shè)置于所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的上方，所述控制器分別與所述電機(jī)以及所述激光輪廓傳感器相連，所述電機(jī)在所述控制器的控制下帶動(dòng)所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述控制器讀取所述激光輪廓傳感器的測量結(jié)果，從而得到物料的高度及平整度信息，本發(fā)明基于線激光的自旋掃描式測量，實(shí)現(xiàn)超大范圍的物料高度及平整度同步檢測，具有更高的測量精度、更快的測量速度及更好的適應(yīng)性。

應(yīng)當(dāng)指出的是，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改性、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。