一种骨料质量检测方法及装置与流程

本发明涉及建筑领域，尤其是涉及一种骨料质量检测方法及装置。

背景技术：

混凝土是一种多相复合材料，粗骨料作为骨架，其他材料填充粗骨料的空隙。骨料质量越好，密实度越大，空隙就越小，同样的性能要求下，用于填充骨料空隙的水泥、矿粉、粉煤灰等胶材用量就越小，而同样胶材用量的情况下，性能也就越好。混凝土原材料中，水泥等胶材价格较高，而骨料价格较低，因此骨料质量越好，密实度越大，需使用胶材用量越小，混凝土成本就越小。因此骨料质量检测对提高及改善混凝土生产水平有重要意义。

采用多目立体视觉采像系统对骨料颗粒进行三维重建是常见的骨料图像采集处理手段，传统的采像系统所采用的载物台在单次使用后需要进行清洗，以防止前次测量的骨料会留下灰渣，由于清洗的效果不一，因此容易出现测量受到干扰的情况。同时现有的设备没有很好的检测分析方法。

技术实现要素：

本发明为克服上述情况不足，旨在提供一种能解决上述问题的技术方案。

一种骨料质量检测装置，包括检测箱体和主机，所述检测箱体呈长方体状箱体结构，检测箱体的内部设置有多目立体视觉检测装置，多目立体视觉检测装置包括采像装置，采像装置安装在检测箱体的内顶面上，采像装置包括电动十字滑台以及固定安装在电动十字滑台滑块上的相机，电动十字滑台采用螺丝固定在检测箱体的内顶面上；电动十字滑台均通过伺服电机驱动运作，电动十字滑台的伺服电机接入伺服驱动器控制，且该伺服驱动器与主机通讯连接；相机通过用于图像传输的数据线通讯连接主机；所述检测箱体的前表面上开设有开口，且该开口位置以拔插的的形式设置有抽屉，利用抽屉抽拉方便骨料的放置；所述抽屉的内底面中心位置以焊接的形式固定安装有方柱状的支座，支座呈竖直朝上延伸状结构，支座的上表面以焊接的形式固定有呈水平设置的载物台板，其中载物台板呈方形的水平板状结构，且载物台板与支座之间同轴设置；所述载物台板的左右两侧下方位置分别设有左涨紧辊和右涨紧辊，左涨紧辊与右涨紧辊之间结构大小相同且两者之间呈左右对称设置；所述左涨紧辊和右涨紧辊均呈圆辊状结构，左涨紧辊和右涨紧辊均呈前后向水平设置；左涨紧辊和右涨紧辊的中轴线处均贯通插放有辊轴，检测箱体的内表面上则开设有多个供辊轴活动插入的轴孔，辊轴的前后端头均活动插入至相邻的轴孔内；所述左涨紧辊和右涨紧辊的正下方位置均一一对应的设有卷收结构，卷收结构包括呈前后水平设置的卷收筒，卷收筒的前后端面上均焊接固定有前后水平设置的转轴，卷收筒均对应设置有开口朝上的u型支架，u型支架采用焊接的形式固定在检测箱体的内底面上，卷收筒设置在对应u型支架的内侧位置，u型支架的前后端头位置开设有供转轴活动插入的插孔，转轴活动插入至相邻的插孔内，此时利用u型支架实现对转轴的转动承载；位于左侧的卷收筒上绕卷有隔离带，隔离带的自由端固定绕卷在右侧的卷收筒上，且卷收筒之间的隔离带平贴在载物台板的上表面，且左涨紧辊和右涨紧辊位于载物台板的左右两侧并涨紧支撑隔离带；利用隔离带的平贴隔离效果实现对载物台板的隔离，而隔离带则起到用于平放，由于隔离带在单次使用结束后通过转动右侧卷收筒可以实现对应的更换，此时无需对载物台板的表面进行清理，这样实际的检测效率更快，同时也不会出现由于清理不干净而出现检测精度不高的情况出现。

作为本发明进一步的方案：所述隔离带采用透明的pp薄膜制成，整体表面整洁，不会出现拍摄误差的情况。

作为本发明进一步的方案：位于右侧的u型支架上采用螺丝固定安装有收卷电机，收卷电机的电机轴通过联轴器传动连接右侧卷收筒的转轴，且该转轴与电机轴之间同轴设置。

作为本发明进一步的方案：所述收卷电机接入电动十字滑台的伺服驱动器，整体采用统一控制。

作为本发明进一步的方案：所述检测箱体的前表面顶部位置集成安装有显示屏以及开关按钮。

一种骨料质量检测分析方法，具体包括密实度检测、骨料级配检测以及粒形检测，其中密实度检测具体包括以下步骤：

s1、使用多目立体视觉对骨料颗粒进行三维重建，采用多目立体视觉系统对骨料颗粒进行三维重建，首先将颗粒放置于置物平台上，程序控制相机从四个角度分别进行拍摄，然后对拍摄的这一组四张照片进行三维重建；对骨料样本中颗粒分批进行拍摄、模型重建，重建完成的模型保存于设置好的路径中，以便于后续计算、分析。

s2、提取骨料几何信息，对步骤s1中获取的骨料重建模型提取骨料几何信息，包括骨料颗粒的长l、宽w、厚h、体积v；对于任一颗粒，使用一垂直于颗粒长轴的平面pi，按照0.01mm为步距，逐步剖切颗粒模型，计算剖面pi上点云坐标xⁱmin、zⁱmax、zⁱmin，pi平面处的宽wⁱ＝xⁱmax-xⁱmin，hⁱ＝zⁱmax-zⁱmin；对于所有的平面p，取wⁱ、hⁱ最大值作为颗粒的宽w、厚h；对于颗粒长度l，使用垂直于颗粒中轴的平面，按照0.01mm的步距，逐步切割颗粒模型；颗粒长度l计算参见宽w、厚h的计算；对于颗粒体积v，所使用的图像处理库中内置方法计算得到；

s3、骨料颗粒分级、存储，根据骨料三维尺寸，计算骨料颗粒所属粒级d，计算球度s；对于颗粒i,其颗粒长为li，宽为wi，厚为hi，其球度si计算方式如下：

将该颗粒几何信息、球度存入该粒级d对应的集合gd中。最后将所有的gd合并为总的集合g。

s4、颗粒堆积模拟计算。

作为本发明进一步的方案：颗粒堆积模拟计算包括以下步骤：

a1、首先创建堆积模拟容器；假定堆积容器体积v，骨料各颗粒体积为vi，则堆积模拟容器体积与骨料样本堆积体积之比n见下式：

a2、生成等效球体集合geq，使用步骤s3中获取的集合g或某个粒级d的集合gd，生成等效球的集合geq；当计算骨料整体的密实度时，使用骨料整体集合g，计算骨料某个粒级d的密实度时，使用集合gd；等效球按照体积等效的原则来计算；假定某个颗粒体积为vi，则该颗粒的等效球体积为vi，球度为si,等效半径ri，重合系数为首先将要进行堆积模拟的g或gd的每个颗粒转换成等效球体，将等效球体的半径、体积、球度存入集合g′中。根据a1中求得的n，将g′复制n+3倍，生成等效球体集合geq；其中

a3、随机选取球体bi，其半径为ri，体积为vi，球度为si；

a4、随机生成放置坐标(xi,yi,zi)，其中ri≤xi≤150，ri≤yi≤150，ri≤zi≤150；

a5、判断球体bi放置于(xi,yi,zi)处，与已放置完成的球体是否全都满足重合条件，重合条件入下式：

a6、若球体满足bi满足重合条件，则将球体bi放置于(xi,yi,zi)，将其数据存入集合gp，进入步骤a7，若不满足，则跳至步骤a8；

a7、判断是否达到堆积模拟停止条件，若达到停止条件，进入步骤a9，若不满足，则跳至步骤a3；

a8、判断等效球体bi是否达到跳过条件；这里设置的条件为尝试放置2000次；若2000次生成的坐标均不能满足放置需求，则跳过该球体即跳入步骤a3，若未到达跳过条件，则跳入步骤a4；

a9、颗粒下降；对于gp中的所有球体进行下落模拟；首先先生成一个空的球体集合g′p，给gp中的球体bi一个向下的方向，当其与容器底部相接触或与g′p中任一球体达到接触条件时，该球体停止下降，将该球体当前位置及球体数据存入集合g′p中；对gp中的所有球体依次进行，生成新的球体集合g′p；此时的接触条件如下式所示：

a10、创建测量容器，容器的体积v，容器内各个球体的体积vi，对于被z＝100mm平面分割的球体，其位于z＝100mm以下的体积v′i计算式如下，其中hi为球体位于z＝100mm以上的高度，ri为球体半径；计算测量容器内的球体体积之和vsum，其中对于被z＝100mm平面分割的球体，其体积vi取为v′i。

vsum＝∑vi；

则密实度γ＝vsum/v。

作为本发明进一步的方案：骨料级配检测具体包括以下步骤：

b1、在得到骨料颗粒的三维信息之后，将骨料颗粒等效为椭球，其长ra、中rb、短轴rc分别等于骨料的长、宽、厚的一半；

b2、当骨料颗粒通过筛孔尺寸为d的筛孔时，则判断颗粒能否过筛孔则转化为判断长轴为rb，短轴为rc的椭圆与直线是否相交的问题；

b3、将椭圆及方孔筛放于坐标系中，由于椭圆、方孔筛相对于原点对称，对一个象限中的关系进行计算即可，

方孔筛一个边的方程式为：

椭圆方程为：

联立，并判断是否有解，其中：

δ＝b²-4ac；

如果δ≥0，则说明颗粒与边框相接触，颗粒无法通过；若δ＜0，在颗粒长轴尺寸不大于筛孔斜向长度的情况下，说明颗粒可以通过，即该颗粒属于这个粒级。

作为本发明进一步的方案：粒形检测具体包括针、片状颗粒含量检测，其具体步骤包括：分别按照规准仪法及游标卡尺法对针、片状颗粒含量进行了计算；根据三维重建得到的骨料颗粒长、宽、厚分别与规准仪的相应孔宽或间距进行对比，来判断骨料颗粒是否满足规准仪法规定的针片状颗粒的要求；利用三维重建得到的骨料颗粒三维信息，使用骨料长比上骨料厚(假定骨料长≥宽≥厚)，若两者之比大于3，则认为该颗粒为针、片状颗粒。

作为本发明进一步的方案：针片状颗粒含量计算方法包括：首先对三维重建模型进行计算，得到骨料各个颗粒的长li、宽wi、厚hi、体积vi；判断单个颗粒所属粒级d，将各个颗粒几何信息(ld、wd、hd、vd)存入与粒级相对应的集合gd中，gd骨料中颗粒个数为nd；对各个集合gd，计算颗粒是否超出了游标卡尺法要求的限值，记录超出限值者体积v′d；对个集合，计算颗粒是否超出了规准仪法要求的限值，记录超出限值者体积v″d；

计算各个粒级针片状颗粒含量(两种)：

游标卡尺法

规准仪法

计算骨料总体针、片状颗粒含量(两种)：

游标卡尺法：fp1＝∑v′d/∑vi；

规准仪法：fp2＝∑v″/∑vi。

本发明的有益效果：本发明利用隔离带的平贴隔离效果实现对载物台板的隔离，而隔离带则起到用于平放，由于隔离带在单次使用结束后通过转动右侧卷收筒可以实现对应的更换，此时无需对载物台板的表面进行清理，这样实际的检测效率更快，同时也不会出现由于清理不干净而出现检测精度不高的情况出现；本发明可以对骨料的级配、粒形及密实度同时进行检测，避免了重复劳动；同时提供了一种效率高、同时考虑了颗粒级配、颗粒粒形的影响，能够对骨料的整体密实度及各个粒级的密实度进行计算，计算结果能够为骨料混配优化提供技术支持。且该发明的所使用的骨料颗粒模型，各个粒级的颗粒粒径与其实际值相同，而非整个粒级颗粒粒径的平均值，更能代表实际状况。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构剖面图。

图2是本发明的正视图。

图3为球模型示意图。

图4为堆积模拟流程图。

图5为矩形容器坐标示意图。

图6为颗粒通过筛孔的示意图。

图7为颗粒通过筛孔的示意图。

图8为将椭圆及方孔筛放于坐标系中的示意图。

图中：1-检测箱体、2-底板、3-显示屏、4-开关按钮、5-电动十字滑台、6-相机、7-支座、8-载物台板、9-左涨紧辊、10-右涨紧辊、11-辊轴、12-隔离带、13-u型支架、14-卷收筒、15-转轴、16-数据线、17-主机、18-光源。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～5，本发明实施例中，一种骨料质量检测装置，包括检测箱体1和主机17，所述检测箱体1呈长方体状箱体结构，检测箱体1的内部设置有多目立体视觉检测装置，多目立体视觉检测装置包括采像装置，采像装置安装在检测箱体1的内顶面上，采像装置包括电动十字滑台5以及固定安装在电动十字滑台滑块上的相机6，电动十字滑台5采用螺丝固定在检测箱体1的内顶面上；电动十字滑台5均通过伺服电机驱动运作，电动十字滑台5的伺服电机接入伺服驱动器控制，且该伺服驱动器与主机17通讯连接；相机6通过用于图像传输的数据线16通讯连接主机17；所述检测箱体1的前表面上开设有开口，且该开口位置以拔插的的形式设置有抽屉2，利用抽屉2抽拉方便骨料的放置；所述抽屉2的内底面中心位置以焊接的形式固定安装有方柱状的支座7，支座7呈竖直朝上延伸状结构，支座7的上表面以焊接的形式固定有呈水平设置的载物台板8，其中载物台板8呈方形的水平板状结构，且载物台板8与支座7之间同轴设置；所述载物台板8的左右两侧下方位置分别设有左涨紧辊9和右涨紧辊10，左涨紧辊9与右涨紧辊10之间结构大小相同且两者之间呈左右对称设置；所述左涨紧辊9和右涨紧辊10均呈圆辊状结构，左涨紧辊9和右涨紧辊10均呈前后向水平设置；左涨紧辊9和右涨紧辊10的中轴线处均贯通插放有辊轴11，检测箱体1的内表面上则开设有多个供辊轴11活动插入的轴孔，辊轴11的前后端头均活动插入至相邻的轴孔内；所述左涨紧辊9和右涨紧辊10的正下方位置均一一对应的设有卷收结构，卷收结构包括呈前后水平设置的卷收筒14，卷收筒14的前后端面上均焊接固定有前后水平设置的转轴15，卷收筒14均对应设置有开口朝上的u型支架13，u型支架13采用焊接的形式固定在检测箱体1的内底面上，卷收筒14设置在对应u型支架13的内侧位置，u型支架13的前后端头位置开设有供转轴15活动插入的插孔，转轴15活动插入至相邻的插孔内，此时利用u型支架13实现对转轴15的转动承载；位于左侧的卷收筒14上绕卷有隔离带12，隔离带12的自由端固定绕卷在右侧的卷收筒14上，且卷收筒14之间的隔离带12平贴在载物台板8的上表面，且左涨紧辊9和右涨紧辊10位于载物台板8的左右两侧并涨紧支撑隔离带12；利用隔离带12的平贴隔离效果实现对载物台板8的隔离，而隔离带12则起到用于平放，由于隔离带12在单次使用结束后通过转动右侧卷收筒14可以实现对应的更换，此时无需对载物台板8的表面进行清理，这样实际的检测效率更快，同时也不会出现由于清理不干净而出现检测精度不高的情况出现。

所述隔离带12采用透明的pp薄膜制成，整体表面整洁，不会出现拍摄误差的情况。

位于右侧的u型支架13上采用螺丝固定安装有收卷电机，收卷电机的电机轴通过联轴器传动连接右侧卷收筒14的转轴15，且该转轴15与电机轴之间同轴设置。

所述收卷电机接入电动十字滑台5的伺服驱动器，整体采用统一控制。

所述检测箱体1的前表面顶部位置集成安装有显示屏3以及开关按钮4。

所述检测箱体1的内顶面上安装有用于辅助采像的光源18。

一种骨料质量检测分析方法，具体包括密实度检测、骨料级配检测以及粒形检测，其中密实度检测具体包括以下步骤：

s1、使用多目立体视觉对骨料颗粒进行三维重建，采用多目立体视觉系统对骨料颗粒进行三维重建，首先将颗粒放置于置物平台上，程序控制相机从四个角度分别进行拍摄，然后对拍摄的这一组四张照片进行三维重建；对骨料样本中颗粒分批进行拍摄、模型重建，重建完成的模型保存于设置好的路径中，以便于后续计算、分析。

s2、提取骨料几何信息，对步骤s1中获取的骨料重建模型提取骨料几何信息，包括骨料颗粒的长l、宽w、厚h、体积v；对于任一颗粒，使用一垂直于颗粒长轴的平面pi，按照0.01mm为步距，逐步剖切颗粒模型，计算剖面pi上点云坐标xⁱmin、zⁱmax、zⁱmin，pi平面处的宽wⁱ＝xⁱmax-xⁱmin，hⁱ＝zⁱmax-zⁱmin；对于所有的平面p，取wⁱ、hⁱ最大值作为颗粒的宽w、厚h；对于颗粒长度l，使用垂直于颗粒中轴的平面，按照0.01mm的步距，逐步切割颗粒模型；颗粒长度l计算参见宽w、厚h的计算；对于颗粒体积v，所使用的图像处理库中内置方法计算得到；

s3、骨料颗粒分级、存储，根据骨料三维尺寸，计算骨料颗粒所属粒级d，计算球度s；对于颗粒i,其颗粒长为li，宽为wi，厚为hi，其球度si计算方式如下：

将该颗粒几何信息、球度存入该粒级d对应的集合gd中。最后将所有的gd合并为总的集合g。

s4、颗粒堆积模拟计算。

颗粒堆积模拟计算包括以下步骤：

a1、首先创建堆积模拟容器；假定堆积容器体积v，骨料各颗粒体积为vi，则堆积模拟容器体积与骨料样本堆积体积之比n见下式：

a2、生成等效球体集合geq，使用步骤s3中获取的集合g或某个粒级d的集合gd，生成等效球的集合geq；当计算骨料整体的密实度时，使用骨料整体集合g，计算骨料某个粒级d的密实度时，使用集合gd；等效球按照体积等效的原则来计算；假定某个颗粒体积为vi，则该颗粒的等效球体积为vi，球度为si,等效半径ri，重合系数为首先将要进行堆积模拟的g或gd的每个颗粒转换成等效球体，将等效球体的半径、体积、球度存入集合g′中。根据a1中求得的n，将g′复制n+3倍，生成等效球体集合geq；其中

a3、随机选取球体bi，其半径为ri，体积为vi，球度为si；

a4、随机生成放置坐标(xi,yi,zi)，其中ri≤xi≤150，ri≤yi≤150，ri≤zi≤150；

a5、判断球体bi放置于(xi,yi,zi)处，与已放置完成的球体是否全都满足重合条件，重合条件入下式：

a6、若球体满足bi满足重合条件，则将球体bi放置于(xi,yi,zi)，将其数据存入集合gp，进入步骤a7，若不满足，则跳至步骤a8；

a7、判断是否达到堆积模拟停止条件，若达到停止条件，进入步骤a9，若不满足，则跳至步骤a3；

a8、判断等效球体bi是否达到跳过条件；这里设置的条件为尝试放置2000次；若2000次生成的坐标均不能满足放置需求，则跳过该球体即跳入步骤a3，若未到达跳过条件，则跳入步骤a4；

a9、颗粒下降；对于gp中的所有球体进行下落模拟；首先先生成一个空的球体集合g′p，给gp中的球体bi一个向下的方向，当其与容器底部相接触或与g′p中任一球体达到接触条件时，该球体停止下降，将该球体当前位置及球体数据存入集合g′p中；对gp中的所有球体依次进行，生成新的球体集合g′p；此时的接触条件如下式所示：

a10、创建测量容器，容器的体积v，容器内各个球体的体积vi，对于被z＝100mm平面分割的球体，其位于z＝100mm以下的体积v′i计算式如下，其中hi为球体位于z＝100mm以上的高度，ri为球体半径；计算测量容器内的球体体积之和vsum，其中对于被z＝100mm平面分割的球体，其体积vi取为v′i。

vsum＝∑vi；

则密实度γ＝vsum/v。

骨料级配检测具体包括以下步骤：

b1、在得到骨料颗粒的三维信息之后，将骨料颗粒等效为椭球，其长ra、中rb、短轴rc分别等于骨料的长、宽、厚的一半；

b2、当骨料颗粒通过筛孔尺寸为d的筛孔时，则判断颗粒能否过筛孔则转化为判断长轴为rb，短轴为rc的椭圆与直线是否相交的问题；

b3、将椭圆及方孔筛放于坐标系中，由于椭圆、方孔筛相对于原点对称，对一个象限中的关系进行计算即可，

方孔筛一个边的方程式为：

椭圆方程为：

联立，并判断是否有解，其中：

δ＝b²-4ac；

如果δ≥0，则说明颗粒与边框相接触，颗粒无法通过；若δ＜0，在颗粒长轴尺寸不大于筛孔斜向长度的情况下，说明颗粒可以通过，即该颗粒属于这个粒级。

粒形检测具体包括针、片状颗粒含量检测(两种标准：游标卡尺法、规准仪法)：

分别按照规准仪法及游标卡尺法对针、片状颗粒含量进行了计算。根据三维重建得到的骨料颗粒长、宽、厚分别与规准仪的相应孔宽或间距进行对比，来判断骨料颗粒是否满足规准仪法规定的针片状颗粒的要求。利用三维重建得到的骨料颗粒三维信息，使用骨料长比上骨料厚(假定骨料长≥宽≥厚)，若两者之比大于3，则认为该颗粒为针、片状颗粒。

该方法可以同时对粗骨料的两种针、片状颗粒含量(规准仪法、游标卡尺法)进行检测，不需要重复测量，效率较高；计算流程下所示。

针片状颗粒含量计算流程如下：

首先对三维重建模型进行计算，得到骨料各个颗粒的长li、宽wi、厚hi、体积vi；

判断单个颗粒所属粒级d，将各个颗粒几何信息(ld、wd、hd、vd)存入与粒级相对应的集合gd中，gd骨料中颗粒个数为nd；对各个集合gd，计算颗粒是否超出了游标卡尺法要求的限值，记录超出限值者体积v′d；对个集合，计算颗粒是否超出了规准仪法要求的限值，记录超出限值者体积v″d；

计算各个粒级针片状颗粒含量(两种)：

游标卡尺法

规准仪法

计算骨料总体针、片状颗粒含量(两种)：

游标卡尺法：fp1＝∑v′d/∑vi；

规准仪法：fp2＝∑v″/∑vi。

本发明的工作原理是：利用隔离带12的平贴隔离效果实现对载物台板8的隔离，而隔离带12则起到用于平放，由于隔离带12在单次使用结束后通过转动右侧卷收筒14可以实现对应的更换，此时无需对载物台板8的表面进行清理，这样实际的检测效率更快，同时也不会出现由于清理不干净而出现检测精度不高的情况出现；本发明可以同时对骨料级配、粒形、密实度进行检测及计算；相比于二维图像处理，本发明可以获得骨料颗粒的三维信息；本发明只需要对骨料样本拍摄照片，不需要对骨料颗粒进行特殊处理(如打磨、切片)；本发明只需要使用工业相机拍照，相机价格相比切片设备、ct扫描仪、三维激光扫描仪价格低廉；本发明能够对骨料密实度及骨料各个粒级密实度进行模拟计算，数值能够直接用于cipm模型计算，为后续混凝土配合比优化设计提供技术支持。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。