余樂文，張 達，朱瑞軍，王利崗

（1．北京礦冶研究總院，北京102628；2．承德銅興礦業(yè)有限責任公司，河北 承德067250）

在礦山實際生產(chǎn)過程中，對選礦倉料位的檢測非常重要，準確、全面的料位檢測可以防止料倉礦物排空或礦物溢出，從而避免因料倉料位測量不準帶來的生產(chǎn)事故和經(jīng)濟損失。目前主要測量方法包括重錘式料位計、超聲波物位計、脈沖雷達物位計、導波雷達物位計等，但是由于選礦料倉深、卸放礦物引起的灰塵多等實際難題，目前的測量方法存在受粉塵影響大、有礦堆死角、測量不準確、可靠性差、設(shè)備損壞率高等缺點［1－5］。針對上述工況，提出基于三維激光掃描技術(shù)的料位檢測方法，該方法可快速、全面、準確地測量料位高度，對防止料倉排空或者溢出、保障礦山安全生產(chǎn)具有重要作用。

1 常見料位測量方法

目前，國內(nèi)外料位在線檢測普遍采用單點測量法，主要包括雷達法、超聲波法、重錘法等。Siemens、E＋H、Sick等公司的物位計被廣泛應用。

1．1 重錘法

重錘法是利用失重原理測量料位。測量時，探測器控制重錘快速下降，當重錘接觸物料表面時，會使和重錘相連的鋼絲繩產(chǎn)生失重，此時電機就將重錘提起，返回待測位置。探測器內(nèi)的編碼器發(fā)出脈沖信號，由計算機進行計算處理后，在控制器面板上顯示料面的位置或相對位置。重錘法由于采用接觸式測量方法，運行可靠、不受粉塵影響，但是在放礦過程中鋼絲繩易被礦石擊中而損壞，維護難度大，同時單點測量存在礦堆死角，測量結(jié)果不全面、不準確。

1．2 超聲波法

超聲波法是非接觸式測量方法，采用聲波測距原理測量料位，頻率一般為20kHz～40kHz。超聲波物位計安裝于料倉頂部，在電子單元的控制下，探頭向物料表面發(fā)射一束超聲波脈沖，聲波經(jīng)物料表面反射，部分反射回波由探頭接收并轉(zhuǎn)換為電信號。從超聲波發(fā)射到被重新接收，其時間與探頭至被測物體的距離成正比。電子單元通過超聲波發(fā)射與接收的時間差計算距離。超聲波法具有聲波傳播衰減小、界面反射信號強、發(fā)射和接收電路簡單等優(yōu)點。但超聲波的傳播速度受介質(zhì)的密度、濃度、溫度、壓力等因素影響，其測量精度較低，同時超聲波法是單點測量法，測量存在盲區(qū)和礦堆死角。

1．3 雷達法

雷達法是非接觸式測量方法，采用雷達測距工作原理。向被測目標發(fā)射雷達，由目標反射的回波返回發(fā)射器被接收，與發(fā)射波進行比較，計算出發(fā)射器到目標的距離。雷達法具有測量精度高、抗干擾能力強、穿透介質(zhì)能力強等優(yōu)點。但是，雷達法也是單點測量方法，測量也存在盲區(qū)和礦堆死角。

2 三維激光掃描測量方法

三維激光掃描技術(shù)是一項迅速發(fā)展的高新技術(shù)，它的出現(xiàn)為空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段。三維激光掃描技術(shù)主要采用激光測距原理，具有掃描速度快、非接觸式工作、測量精度高等優(yōu)點，被廣泛應用于空間三維形態(tài)探測［6－8］。

三維激光掃描儀通過發(fā)射激光脈沖，經(jīng)被測物表面反射，到儀器接收所經(jīng)過的時間差來計算距離S，同時內(nèi)置精密編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ，如圖1所示，x軸在橫向掃描面內(nèi)，y軸在橫向掃描面內(nèi)與z軸垂直，z軸與橫向掃描面垂直，由此可得到任意P點坐標的計算公式：

距離S計算公式為：

式中：c為激光在大氣中的傳播速度，t為激光在待測距離上的往返傳播時間。

3 試驗及結(jié)果

為了驗證三維激光掃描技術(shù)在料位檢測中的可行性，選擇在某礦山選礦料倉開展試驗研究。該料倉高20m，直徑22m，上部有三個給料口，下部有8個送料口，分別連接8臺1 200×4 000帶式給礦機。

圖1 三維點坐標Fig．1 The 3Dcoordinates

目前該料倉選用1個西門子超聲波物位計來測量料位高度，如圖2所示。

圖2 單點測量法Fig．2 The method of signal point

但是測量點少，只能測出1個測量點的料位高度，存在盲區(qū)和礦堆死角，導致測量結(jié)果不全面、不準確。

試驗中，采用自主研發(fā)的BLSS－PE礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)進行試驗［9－12］，該系統(tǒng)由掃描主機、控制器、延長桿、PDA組成，如圖3所示。將礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)安裝在料倉頂部，如圖4所示。

采用0．5°的角度分辨率進行三維掃描，試驗測量的點云數(shù)據(jù)如圖5所示。測量點云數(shù)據(jù)達12萬多個，測量點覆蓋料位表面，可清晰看到出礦口和料倉的內(nèi)壁形態(tài)。對點云數(shù)據(jù)進行三維重建，得出料倉內(nèi)部的三維形態(tài)，如圖6所示。

試驗結(jié)果表明，三維激光掃描儀實現(xiàn)對料位全面掃描，形成密集網(wǎng)格點，對料位全方位覆蓋，顯示實際料位高度。實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)對物料表面的全面覆蓋，為料倉進出料智能控制提供依據(jù)。對測量數(shù)據(jù)進行三維建模，更準確直觀地反映進出料的情況，實現(xiàn)真正的可視化，方便工作人員隨時了解料位的真實情況，防止意外的發(fā)生，排除安全隱患。另外，選礦料倉內(nèi)粉塵大、水汽多，系統(tǒng)工業(yè)應用中應該設(shè)計掃描主機鏡頭的防塵、防水裝置，提高系統(tǒng)應用可靠性。

圖3 礦用三維激光掃描測量系統(tǒng)Fig．3 3Dlaser scanning measurement system for mining

圖4 現(xiàn)場試驗Fig．4 The field test

圖5 料倉點云數(shù)據(jù)Fig．5 The point cloud dada of bin

圖6 料倉三維模型Fig．6 The 3Dmodeling of bin

4 結(jié)論

三維激光掃描儀可快速、全面、準確地測量料位高度，對于防止料倉排空或者溢出、提高礦山安全生產(chǎn)水平具有重要意義。

基于三維激光掃描技術(shù)的料位檢測方法還可以應用于礦山井下溜井料位檢測，為井下運礦車輛智能調(diào)度提供技術(shù)支撐。同時還可應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的料位檢測，應用領(lǐng)域廣泛，市場推廣前景良好。

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［4］ 潘國林，高幼年．基于機器視覺煤倉料位測量方法的研究［J］．上海電力學院學報，2007，23（2）：176－178，187．

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