阅读说明：本技术 基于二维激光扫描仪的罐道形变测量装置 (Cage guide deformation measuring device based on two dimensional laser scanning instrument ) 是由 胡文彬 吴丰 甘维兵 刘芳 李盛 杨燕 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于二维激光扫描仪的罐道形变测量装置,包括触发机构和罐笼,罐笼中设有二维激光扫描仪、控制器和上位机；罐笼用于受控沿待测罐道线性运动；触发机构用于识别所述的线性运动并产生触发信号传输给控制器,控制器用于在接收到所述的触发信号后启动二维激光扫描仪；二维激光扫描仪用于发出激光投射在待测罐道上,在所述线性运动时对待测罐道进行扫描；二维激光扫描仪的扫描数据传输给控制器；所述的上位机用于调用控制器中的扫描数据,计算罐道形变。本发明直接将二维激光扫描仪放置在罐笼内,随着罐笼的运动对罐道进行扫描,精度有保证,并且在进行形变测量时不需要停工,不影响煤矿的正常生产,操作简便,结构简单。(The present invention provides a kind of cage guide deformation measuring device based on two dimensional laser scanning instrument, including trigger mechanism and cage, is equipped with two dimensional laser scanning instrument, controller and host computer in cage；Cage is for controlled along cage guide linear movement to be measured；Trigger mechanism the linear movement and generates trigger signal and is transferred to controller for identification, and controller is used to start two dimensional laser scanning instrument after receiving the trigger signal；Two dimensional laser scanning instrument is scanned cage guide to be measured in the linear movement for issuing laser projection in cage guide to be measured；The scan data of two dimensional laser scanning instrument is transferred to controller；The host computer is used to call the scan data in controller, calculates cage guide deformation.Two dimensional laser scanning instrument is directly placed in cage by the present invention, and as the movement of cage is scanned cage guide, precision is guaranteed, and does not need to stop work when carrying out distortion measurement, does not influence the normal production of coal mine, easy to operate, structure is simple.)

基于二维激光扫描仪的罐道形变测量装置

技术领域

本发明属于煤矿罐道变形检测技术领域，具体涉及一种基于二维激光扫描仪的罐道形变测量装置。

背景技术

在煤矿中，罐道作为提升容器的导轨，是维系地面和地下矿道的重要通道，既可保证容器方向运行正确，又能限制容器水平位移，但是由于煤矿地质条件复杂，罐道容易受到外力作用而产生形变，一旦罐道发生形变，轻则影响罐笼的顺畅运行，重则影响煤矿人员的逃生，对国家的能源安全和人民的生命财产安全造成了巨大威胁。

传统的检测罐道形变的方法一个是钢丝悬吊法，通过在一根钢丝绳下面系带一个重锤，根据重力竖直向下的特点，钢丝绳保持竖直，以此为基准判断罐道的形变程度，这种方法原理非常简单，但是操作非常复杂，精度不高，且易受环境因素的影响，此外还出现一种测斜仪以及安装传感器检测的方法，这种方法同样精度不高，且在矿井恶劣的环境中，维护较为困难，目前尚未广泛应用。

中国专利CN104655650A提出了一种基于激光光幕扫描的形变检测系统，将激光扫描仪布置在罐道上端面，通过转动臂，牵引扫描仪旋转，使激光光幕扫描到另一侧罐道，通过摄像头拍摄，再进行图像拼接，获得影像谱。该激光扫描仪的运动方式为旋转方式，且后续处理的是光幕图片。

中国专利CN101377411A提出了一种基于光电接收阵列的罐道形状的激光检测仪，该装置使用定位激光器发射出激光照射在上下光电接收阵列上来定位，使用测距激光器测量发射点到井壁的距离，并用深度仪测量深度数据，该测距激光器获得的是点数据。

中国专利申请CN107172807A提出了一种基于光纤惯性传感技术的煤矿巷道的连续线形检测装置，通过在检测小车上搭载光纤陀螺来感知角速度，结合里程仪输出的角速度，采用捷联矩阵和积分运算推导出小车的轨迹。该装置采用光纤惯性传感技术来测量形变。

因此传统的罐道检测方法存在以下几个问题：第一，操作复杂，人力成本高昂，且测量时需要停工，影响煤矿生产；第二，而在罐道上面安装传感器受环境影响较大，无法有效保证精度。目前的发展尚处于初级阶段。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于二维激光扫描仪的罐道形变测量装置，在保证测量精度的同时，操作简单，不易受环境影响。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于二维激光扫描仪的罐道形变测量装置，其特征在于：本装置包括触发机构和罐笼，罐笼中设有二维激光扫描仪、控制器和上位机；其中，

罐笼用于受控沿待测罐道线性运动；触发机构用于识别所述的线性运动并产生触发信号传输给控制器，控制器用于在接收到所述的触发信号后启动二维激光扫描仪；二维激光扫描仪用于发出激光投射在待测罐道上，在所述线性运动时对待测罐道进行扫描；二维激光扫描仪的扫描数据传输给控制器；

所述的上位机用于调用控制器中的扫描数据，计算罐道形变。

按上述方案，所述的触发机构包括滑轮和同轴安装在滑轮上的编码器，滑轮通过固定臂与罐笼连接，固定臂给滑轮施加预紧力使得滑轮能够在待测罐道上滚动，编码器通过识别滑轮的滚动而产生所述的触发信号。

按上述方案，所述的罐笼中还设有防爆箱和供电模块，所述的控制器和供电模块均设置在防爆箱中；供电模块用于为二维激光扫描仪、控制器和上位机进行供电。

按上述方案，所述的罐笼中还设有防爆盒，所述的上位机设置在防爆盒中。

按上述方案，随着二维扫描仪沿罐道上下移动，得到若干行扫描数据，其中一行对应一条激光带；所述的上位机具体按照以下算法计算罐道形变：

数据预处理，所述的扫描数据中包括正常值和无效值，剔除无效值，并将正常值转换成便于处理的值；

取特征值算法，从每一行正常值中取得一个特征值，绘制出整体的线形轮廓；

xyz三个方向的错位算法：以罐道的宽度方向为x轴、长度方向为y轴、深度方向为z轴；统计扫描数据中全0行的行数，乘以编码器的触发间距就是y方向的错位，即罐道之间的缝隙；经过y方向的错位分析出缝隙的起始行与终止行，起始行及以上部分为罐道，终止行及以下部分为下一根罐道，取缝隙起始行的第一个非0数，取缝隙终止行的第一个非0数，两者相减，得到x方向错位的列数，再乘以每个激光散点间距，得到x方向错位；取缝隙上部分一定行数的特征值的平均值，取缝隙下部分一定行数的特征值的平均值，两者相减得到z方向的错位；编码器的触发间距为两次触发之间滑轮滚动的距离；

单根罐道的长度和磨损量算法：统计扫描数据中连续非0行的行数，乘以编码器的触发间距，即为单根罐道的长度；取一根罐道的中间位置，从中间位置向两侧各取一定列数，计算这些列中特征值的平均值，然后计算该平均值与罐道其它部分特征值的差值，得到磨损量。

本发明的有益效果为：直接将二维激光扫描仪放置在罐笼内，随着罐笼的运动对罐道进行扫描，精度有保证，并且在进行形变测量时不需要停工，不影响煤矿的正常生产，操作简便，结构简单，具有很高的可靠性。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例上位机软件测得的激光横截面图。

图3为本发明一实施例上位机软件测得的整体线形轮廓图。

图中：1-待测罐道，2-编码器，3-滑轮，4-供电模块，5-控制器，6-防爆箱，7-防爆盒，8-二维激光扫描仪，9-电缆，10-固定臂，11-罐笼，12-上位机。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种基于二维激光扫描仪的罐道形变测量装置，如图1所示，本装置包括触发机构和罐笼11，罐笼11中设有二维激光扫描仪8、控制器5和上位机12；其中，罐笼11用于受控沿待测罐道1线性运动；触发机构用于识别所述的线性运动并产生触发信号传输给控制器5，控制器5用于在接收到所述的触发信号后启动二维激光扫描仪8；二维激光扫描仪8用于发出激光投射在待测罐道1上，在所述线性运动时对待测罐道1进行扫描；二维激光扫描仪8的扫描数据传输给控制器5；所述的上位机12用于调用控制器5中的扫描数据，计算罐道形变。

优选的，所述的触发机构包括滑轮3和同轴安装在滑轮3上的编码器2，滑轮3通过固定臂10与罐笼11连接，固定臂10给滑轮3施加预紧力使得滑轮3能够在待测罐道1上滚动，编码器2通过识别滑轮3的滚动而产生所述的触发信号。本实施例中固定臂10通过弹簧给滑轮3施加预紧力，使得滑轮3紧贴待测罐道1。所述的编码器2与滑轮3同轴并使用垫圈紧紧连接在一起，使得滑轮3转过多少角度，编码器2也可以转动同样的角度。所述的编码器2采用了欧姆龙生产的E6B2-CWZ6C型编码器，每转动一周可以触发500次，滑轮3的周长为300mm，故每触发一次，滑轮转动300/500=0.6mm，即编码器的触发间距为0.6mm。

所述的二维激光扫描仪8通过固定装置与罐笼11顶板的连接轴固定在一起，且固定位置应低于滑轮3，避免滑轮3对激光形成遮挡。二维激光扫描仪8的有效测量宽度为0-24cm，有效测量距离为300±145mm。

进一步优化的，所述的罐笼11中还设有防爆箱6和供电模块4，所述的控制器5和供电模块4均设置在防爆箱6中；供电模块4用于为二维激光扫描仪8、控制器5和上位机12进行供电，相互之间的电连接均由电缆9完成。

再进一步的，所述的罐笼11中还设有防爆盒7，所述的上位机12设置在防爆盒7中。

随着二维扫描仪沿罐道上下移动，得到若干行扫描数据，其中一行对应一条激光带。

所述的上位机12具体按照以下算法计算罐道形变：

数据预处理，所述的扫描数据中包括正常值和无效值，剔除无效值，并将正常值转换成便于处理的值；

取特征值算法，从每一行正常值中取得一个特征值，绘制出整体的线形轮廓；

xyz三个方向的错位算法。y方向的错位算法：数据经过数据预处理后，统计全0行的行数，乘以编码器的触发间距0.6mm就是y方向的错位，即罐道之间的缝隙；x方向的错位算法：数据经过预处理后，经过y方向的错位算法可以分析出缝隙的起始行号与终止行号，起始行号及以上部分为罐道，终止行号及以下部分为下一根罐道，取缝隙起始行的第一个非0数，取缝隙终止行的第一个非0数，两者相减，可得x方向错位的列数，再乘以每个激光散点间距0.3mm，可得x方向错位；z方向的错位算法：数据经过预处理后，取缝隙上部分10行的特征值的平均值，取缝隙下部分10行的特征值的平均值，两者相减可得z方向的错位。

单根罐道的长度和磨损量算法。单根罐道的长度算法：统计连续非0行的行数，乘以触发间距，即为单根罐道的长度。磨损量算法：考虑到磨损位置一般位于罐道正中央，故取罐道部分的中间位置，从中间位置向两侧各取10列，计算平均值，然后计算该值与非磨损部分的差值，即可得到磨损量。

具体操作方法如下：

a、提升机将罐笼11提升至待测罐道1的最上方或最下方。

b、启动测量装置以及上位机软件，并使提升机牵引罐笼11运动，随着罐笼11的运动，紧贴在待测罐道1表面的滑轮3也开始运动，并带动编码器2旋转，为二维激光扫描仪8提供触发信号。

c、二维激光扫描仪8对待测罐道1进行扫描，激光扫描到待测罐道1后产生漫射，被传感头的物镜接收，在CMOS上生成高精度的轮廓图像，同时生成测量数据。上位机12将从控制器5中读取数据，结合内置的测量算法，绘制出激光横截面及整体的线形的图像，并将结果以报表的形式展现出来，对于异常的区域予以标注，必要时发出警报。

d、激光横截面的图像可以反映出罐道的磨损程度，整体的线形轮廓可以反映出罐道的缝隙，错位。如图2和图3所示，图2中，横坐标表示激光带有800个点，纵坐标表示固定值减去二维激光器与待测物的距离，图中的凹陷说明待测物的凹陷处与二维激光器的距离更远，图3中横坐标表示窗宽为200，随着扫描仪的移动，绘制的线形轮廓可以随之在图中移动，纵坐标可以表示z方向的错位。

本发明利用二维激光扫描仪随着罐笼的运动对罐道进行扫描，将二维激光扫描仪与罐道的距离数据传输给控制器，所述控制器通过供电模块供电，供电模块与控制器封装在防爆箱中，与此同时，封装在防爆盒中的计算机从控制器中提取数据，使用上位机软件对罐道数据进行分析，结合编码器的触发频率分析罐道衔接处的缝隙宽度，结合已知的每一行激光扫描数据点的固定距离，分析罐道的错位、磨损程度，为煤矿罐道安全做出预警。本装置兼具实用性与便捷性，将其应用与煤矿罐道形变检测领域，可以取得良好的经济效益。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。