基于机器视觉的集成式立式砂仓浓密实验系统及方法与流程

本发明涉及矿山充填。更具体地说，本发明涉及一种基于机器视觉的集成式立式砂仓浓密实验系统及方法。

背景技术：

1、立式砂仓是膏体充填系统的核心浓缩装备，其设计水平直接决定了充填系统的底流浓度、固体通量及运行稳定性。目前，立式砂仓的设计主要依赖经验选型与类比法，给料井结构、压缩段高度、锥底锥角及造浆系统等关键设计环节缺乏系统性的实验验证手段。

2、现有尾砂浓密实验装置存在以下不足：一是小型沉降柱功能单一，无法模拟压缩段泥层压力效应；二是带加压活塞的固结仪虽可测定压力-浓度关系，但通常不配备视觉观测系统，难以获取压缩过程中的动态演化信息；三是现有装置均不具备给料井模块和锥底模块的可快速更换功能，无法在同一装置上完成不同结构形式的对比实验；四是现有装置缺少对加压过程中压力值和位移量的实时监测手段，难以精确控制实验条件。因此，研制一种集给料井优选、压缩段压力测定、锥底排料验证及机器视觉观测于一体的集成式实验系统，具有重要的工程应用价值。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

2、本发明还有一个目的是提供一种基于机器视觉的集成式立式砂仓浓密实验系统。

3、为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于机器视觉的集成式立式砂仓浓密实验系统，包括：

4、透明柱体，其用于容纳尾砂浆体，透明柱体上端可拆卸连接有可更换给料井模块或密封顶盖，透明柱体下端可拆卸连接有可更换锥底模块或密封底盖，可更换锥底模块的下部设有排料阀；

5、加压活塞单元，其可拆卸设于透明柱体内部，其包括施力装置、与施力装置连接的活塞头，活塞头上开设有多个排水孔；

6、机器视觉单元，其包括可见光相机、可见光补光灯、近红外相机、近红外补光灯，可见光相机配合可见光补光灯朝向可更换给料井模块出口下方区域，用于拍摄絮体沉降过程，近红外相机配合近红外补光灯朝向压缩区壁面，用于拍摄压缩区壁面图像，或者近红外相机配合近红外补光灯朝向锥底区域，用于观测造浆过程中底部尾砂的流化状态及排料效果；

7、传感器单元，其包括嵌设于透明柱体内侧壁且探头端面与内壁齐平的压力传感器及安装于施力机构上的位移传感器，分别用于实时监测施加于泥层的压力值和活塞位移量；

8、数据采集与处理单元，其与压力传感器、位移传感器、可见光相机、近红外相机均与数据采集与处理单元电连接，用于运行图像处理算法，从可见光相机采集的絮体沉降图像中提取絮体轮廓、沉降速度及径向扩散角度；从近红外相机采集的压缩区壁面图像中提取灰度熵、纹理粗糙度及液流通道密度特征，用于表征壁面附近泥层结构的稳定状态，或从近红外相机采集的锥底区域图像中提取灰度熵、纹理对比度及运动像素比例特征，用于综合判断锥底内部的流化状态与排料潜力。

9、优选的是，可更换给料井模块包括直管式给料井、导流槽式给料井、自稀释通道式给料井中的至少两种。

10、优选的是，可更换锥底模块的锥底锥角为45°、60°、75°中的至少两种，锥底上设有可更换喷嘴的造浆接口。

11、优选的是，施力装置为气动加压式，施力装置的输出端连接有活塞杆，活塞杆竖直设置，活塞杆为中空结构，活塞杆下端与活塞头连接，且多个排水孔均与活塞杆的中空部分连通，活塞头下表面设有支撑网，支撑网上下表面覆设有滤布。

12、本发明另外还提供一种基于机器视觉的集成式立式砂仓浓密实验方法，采用本发明的基于机器视觉的集成式立式砂仓浓密实验系统，包括以下三种独立的实验模式：

13、模式一：可更换给料井模块选择实验

14、步骤a1、在透明柱体底部安装密封底盖，顶部安装可更换给料井模块；

15、步骤a2、在两个搅拌桶内分别配制尾砂浆和絮凝剂溶液，通过给料泵向透明柱体内连续给料；

16、步骤a3、通过可见光相机采集可更换给料井模块出口下方区域的絮体沉降图像，采用图像处理算法提取絮体轮廓，采用最近邻匹配算法跟踪絮体运动轨迹，计算轴向沉降速度与径向扩散角度；

17、步骤a4、更换不同结构的可更换给料井模块，重复步骤a1至a3，并对比确定最优可更换给料井模块，其中，沉降速度最大且扩散角度标准差和变异系数最小者为最优；

18、模式二：压缩段加压实验

19、步骤b1、采用步骤a1、a2的操作向透明柱体内连续给料形成初始泥层，停止给料，拆除顶部可更换给料井模块，将加压活塞单元从透明柱体的顶部开口装入透明柱体内部，并使活塞头与泥层表面接触；

20、步骤b2、通过加压活塞单元由低到高逐级施加压力，同时通过近红外相机连续采集压缩区壁面图像，提取灰度熵、纹理粗糙度及液流通道密度特征参数，并通过位移传感器监测的泥层压缩速率，最后结合泥层压缩速率和特征参数，判断膏体状态，若膏体状态已达到目标膏体状态，则记录当前施加的压力值为达标压力ptarget，并取样测定底流浓度；

21、步骤b3、根据达标压力ptarget反推立式砂仓所需的压缩段高度；

22、模式三：锥底与造浆实验

23、步骤c1、在透明柱体底部安装可更换锥底模块，顶部安装可更换给料井模块；

24、步骤c2、采用步骤a2的操作向透明柱体内连续给料形成泥层，停止给料并完成沉降，然后进行造浆，通过近红外相机观测底部尾砂流化状态，定性判断造浆效果；

25、步骤c3、开启排料阀，通过近红外相机继续观测排料过程，取样测定排料浓度，并采用灰度熵、纹理对比度及运动像素比例融合判定整体流化状态；

26、步骤c4、关闭排料阀，更换不同的可更换锥底模块，重复步骤c1至c3，基于整体流化状态确定最优锥底锥角。

27、优选的是，膏体状态的判断方法为：

28、判据a、观察位移传感器数据，若泥层压缩速率在连续10分钟的时间窗口内始终小于0.05mm/min，说明泥层宏观压缩已趋近停止，孔隙水排出基本完成；

29、判据b、当判据a满足后，观察近红外相机所获取的近红外壁面图像，检查壁面图像中液流通道及计算灰度熵，当液流通道消失且灰度熵在连续10分钟的时间窗口内的最大波动幅度小于10%，则判据b满足，判定泥层已达到目标膏体状态；

30、若判据a满足但判据b中在预设时长内未能满足，表明壁面处仍存在局部排水通道，可增加压力后重新观察；

31、若判据a始终无法满足，则终止实验并记录当前状态。

32、优选的是，步骤b2中，记录达到膏体状态时的当前压力值psample，取样测定底流浓度csample，若csample已达到或超过设计要求确定的目标底流浓度ctarget，则该压力值即为达标压力ptarget；若csample未达到ctarget，继续增加压力直至目标底流浓度ctarget，记录对应的达标压力，即为达标压力ptarget。

33、优选的是，根据视觉判据记录的达标压力ptarget及其对应的底流浓度ctarget，在压力-浓度坐标系中标定该点，按以下规则判断是否需要验证：

34、需要验证的情况包括：

35、实验过程中出现压力波动、泥层表面裂隙、壁面液流通道反复出现时，需验证达标点的可靠性；

36、验证方法为：

37、在达标压力ptarget的基础上，继续按原加压梯度增加压力至上限，每级压力稳定后取样测定底流浓度，绘制完整的压力-浓度曲线。将达标点（ptarget，ctarget）与压力-浓度曲线进行对比：

38、若达标点位于曲线斜率显著趋缓的区段，则该达标点可靠；

39、若达标点处位于曲线斜率陡升段，则该点不可靠，然后沿曲线向高压力方向移动，取曲线斜率首次降至峰值斜率50%以下时所对应的压力值，作为达标压力ptarget；

40、若曲线显示在达到设备额定最大工作压力后，连续30分钟内，相邻两级压力对应的浓度变化率仍持续高于峰值斜率的50%，则表明该尾砂在现有设备条件下仍未达到压缩极限，重新设定设计目标或更换加压设备。

41、优选的是，通过近红外相机观测底部尾砂流化状态，定性判断造浆效果的方法为：

42、通过对比连续帧图像，若在30秒观测窗口内壁面图像持续存在像素变化，则判定为有明显流动；

43、若在30秒观测窗口内壁面图像无明显像素变化，则判定为无明显流动；

44、观察锥底角落区域，若在2分钟内该区域始终保持静止、无像素变化且壁面形态不变，则判定为死区；

45、记录壁面是否有明显流动、是否存在死区，定性判断造浆效果。

46、优选的是，运动像素比例的获取方法为：

47、运动像素比例=运动像素数量/图像总像素数量×100%，运动像素比例由数据采集与处理单元计算。

48、采用灰度熵、纹理对比度及运动像素比例融合判定流化状态的方法为：

49、若运动像素比例在连续10秒的观测窗口内均高于第一预设阈值且灰度熵维持高值，判定为流化活跃，则流化状态良好，排料潜力高；

50、若运动像素比例低于第二预设阈值且灰度熵从高值下降超过50%，判定为泥层静止或存在死区，则整体流化状态不良，可能存在排料不畅或者浓度不达标风险，其中，第一预设阈值大于第二预设阈值；

51、若运动像素比例低于第二预设阈值且灰度熵升高，则判定为光照或表面纹理变化引起的干扰，则需排除干扰后重新判定。

52、本发明至少包括以下有益效果：

53、第一、本发明将给料井结构优选、压缩段高度确定、锥底排料验证及机器视觉观测四大功能集成于一套装置，实现立式砂仓关键设计环节的一站式实验验证。

54、第二、本发明给料井模块、加压活塞系统和锥底模块均采用快装接口，可在数分钟内完成更换，便于开展不同结构形式的对比实验，提高实验效率。

55、第三、本发明采用可见光与近红外双相机系统，可见光相机用于观测给料井出口絮体沉降过程，提取絮体轨迹、沉降速度及径向扩散角度；近红外相机用于观测压缩区壁面图像，捕捉壁面滑移痕迹及液流通道分布，提取灰度熵、纹理粗糙度及通道密度等特征，用于表征壁面附近泥层结构的稳定状态。上述壁面特征参数与位移传感器数据共同构成膏体状态的双重判据，使实验评价从定性观察升级为定量分析，为砂仓高度设计提供可靠的压力依据。

56、第四、本发明加压活塞系统可真实模拟不同高度泥层的压力条件，为压缩段高度设计提供可靠的实验压力数据。

57、第五、本发明通过设置于透明柱体内壁的压力传感器与加压活塞系统上的位移传感器，实时获取压力值与活塞位移量，使加载过程可量化记录，实验数据可复现。

58、第六、本发明将实验方法划分为三种相互独立的实验模式，每种模式对应明确的技术问题与实验配置，避免不同实验目的之间的相互干扰，使实验过程清晰、可重复。

59、第七、本发明通过实验获取达到目标膏体状态所需的泥层压力值，据此反推立式砂仓压缩段高度，使压缩段高度设计由经验类比转为基于实验数据的确定方法。

60、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。