3D物位掃描儀技術原理及應用

董建平　瞿松林　陸小麗

摘 要：文章針對現有選煤廠儲煤，水泥廠等倉料位測量方法的局限性，提出了基于3D物位掃描儀系統的設計方案；主要介紹了該系統的特點、測量原理、系統構成和軟硬件系統等，該系統適用于各種復雜倉內環境，并能生成整個倉內物料實際分布狀況的三維立體圖像。

關鍵詞：3D物位掃描儀；立體圖像；三維測量

目前應用在工礦環境中的物位測量產品比較多，包括：激光式、雷達式、超聲波式、重錘式、射頻導納式、電容式等多種技術類型的產品。以上產品已有較廣泛的應用，但是它們都不能很好的應用在粉塵濃度大的環境中，而且不能反應物料的3D堆面情況。在料位測量方面，因為物料的排放堆積及本身特性所呈現的不規則表面，對于單點式的測量方式并不是理想條件，暴露出諸多問題。所以精確的數據始終是一個懸而未決的難題。在實際現場環境應用當中，測量的數據都是很不理想的。給廣大客戶的料倉存儲狀態以及基本成本的控制造成很大的麻煩。

隨著3D物位掃描儀表技術的日趨成熟和使用，完全改變了單點數據測量的傳統的技術原理，引領世界走向一個可視化的物位測量的可視化時代，將達到了物位測量過程的智能化測量技術巔峰。并在個產業領域的物位測量中發揮著至關重要的作用。3D物位掃描儀是目前唯一一個精準計量固態物料的體積和質量的創新性儀表，而且不會受到物料的種類和材料性質，儲料倉的形狀、尺寸和類型的影響，并且可以應用在極其惡劣的高粉塵等環境當中，能夠提供物料體積、物位和質量等數據在非常惡劣的工況條件下的精準測量的解決方案。

1 3D物位掃描儀的工作原理

3D物位掃描儀向被測物料表面發射頻率為2.5～7KHz，角度為30°～70°之間的低頻率脈沖波，有效量程為0.5～70m。與高頻率波向比較，低頻率波利用大發射角度，完成對整個物料表面的測量，完全改變了傳統的單點測量，實現多點掃描；由于高頻波的頻率高，使發射波衰減極快，而低頻波是一種穿透能力極強的聲波，完全可以有效的完成粉塵大等惡劣工礦下的物料測量。

3D物位掃描儀由三個喇叭口天線向外發射頻率為3-10KHz的低頻率脈沖波，經過驅動，通過天線陣列傳輸出去，發射的低頻率脈沖達數千點，方向性極強的脈沖點對被測物料表面進行掃描，當脈沖達到物料表面后，會產生相應的脈沖回波，由三個喇叭口天線接收，聲波信號轉換成電信號。處理系統可以監測到每個脈沖回波的距離、時間和方向，處理系統采樣和分析所有接收到的脈沖回波信號，精準的反應物料體積、物位和質量等數據，然后通過一些算法把這些數據結合在一起，產生物料的三維圖像，通過通信技術傳輸到上微機上進行顯示。還可以認為輸入數據，去除料倉壁和內梁等對測量結果的影響。

2 系統組成與硬件電路設計

2.1 系統的組成

3D物位掃描儀系統由電源、物位掃描器、多掃描控制器和特殊的軟件等組成。

2.1.1 3D物位掃描儀和多掃描控制器的供電電源均采用DC24V。

2.1.2 3D物位掃描儀由單片系統、三個喇叭天線、顯示系統和通訊系統組層。單片系統控制三個喇叭天線按照一定順序循環的發射7KHz、4.5KHz和2.5KHz三個頻率的聲波，然后再由三個喇叭天線接收脈沖回波，單片系統會依據脈沖回波的頻率，時間和方向計算物料的高度。3D物位掃描儀可以通過掃描儀上的顯示系統進行顯示數據，也可以通過標準的4～20mA通訊系統將測量數據傳送到調度室內，在微機上顯示。3D物位掃描儀完全可以在高濃度粉塵的惡劣工況條件下進行工作，因此要求要對天線進行除塵保護，現代技術使得天線具有了自清潔功能。在設計掃描儀天線時，內部應用特殊的高分子聚合物材料，通過特殊技術處理，使儀表在正常工作時，高分子材料會產生一定頻率的共振，從而將黏附在天線上的灰塵清除，實現自清潔的功能，免去人工清潔天線的環節，實現了工業自動化。

2.1.3 特殊管理軟件。3D物位掃描儀接收到的回波數據由這些特殊軟件實時分析和處理，描繪出料倉內物料三維模型，同時可得到由單點測量儀表測得的所有數據，從而得到物料分布狀況、體積和質量等。

2.1.4 多掃描控制器。在測量直徑大于15米的儲料倉時，一臺3D物位儀表不能完整地測量整個儲料倉的物位數據，需要多臺3D物位儀表共同完成測量。多掃描控制器將把多臺3D物位掃描儀連接起來，使用在同一個大型的儲料倉上，并且使多臺3D物位儀表協同工作機制，實現儀表信號傳輸同步化，保證各臺儀表之間互相不影響。最后，由某種特別軟件將多臺儀表測量數據匯總和描繪出儲糧倉中物料的分布實況的3D立體圖像，實時記錄數據和相關技術參數報表等。

2.2 硬件電路設計

當3D物位掃描儀上電工作時，DSP發出指令通過模數轉換對發射電路進行控制發射，每個天線把發射出的聲波各自接收，通過帶通濾波器、放大器、對數放大器和濾波器處理，最后有A/D采集送入DSP進行數據處理。回波脈沖由每個天線一一對應接收，系統可以精準的計算到每一個回波脈沖運行的時間、距離和空間方向，繪制出被測現場的三維圖像，可以在液晶顯示窗顯示，也可以通過4～20mA或HART傳輸，傳輸到中控臺的顯示器上進行顯示，直觀的看出倉體中的物料情況，方便對其的控制和操作，保證自身和其他設備的正常生產和運行。

3 系統軟件設計

軟件部分的設計主要完成信號的AD采集并處理，聲波運行時間的計算，計算并校正聲波傳輸的三維方位，校正和補償誤差等系統的數據處理、數據顯示、數據傳輸和發射控制。

在軟件設計過程中考慮到系統的實時性，有三個天線采集到的數據盡量保持同步，采用了高速A/D采集芯片，DSP對采集回來的數據同步處理，顯示，才能保證3D物位掃描儀測量距離，體積等準確性和三維圖像實時準確性。系統的初始化是系統能夠正常運行的關鍵性一步，它將對系統的初始狀態進行設定，在開機后，系統首先要運行初始化程序，才能確保整個測量系統能正常工作。

參考文獻

[1]潘仲明.大量程超聲波測距系統研究[D].長沙：國防科技大學，2006.

[2]張海鷹，高艷麗.超聲波測距技術研究[J].儀表技術，2011（9）：58-60.

[3]劉剛.光電設備被動測距方法的研究[J].中國水運（下半月刊），2010，10（12）：149，156.

[4]潘仲明.大量程超聲波測距系統研究[D].國防科學技術大學，2006.

[5]楊振，豆偉.選煤廠粉塵治理實踐[J].中州煤炭，2011（03）.

[6]3D物位掃描儀在水泥行業的應用[A].中國水泥協會環保和資源綜合利用專業委員會成立大會會議文集[C].2011.

作者簡介：董建平（1982-），男，江蘇常州人，現職稱：研發經理，學歷：研究生，研究方向：系統架構研究。endprint

摘 要：文章針對現有選煤廠儲煤，水泥廠等倉料位測量方法的局限性，提出了基于3D物位掃描儀系統的設計方案；主要介紹了該系統的特點、測量原理、系統構成和軟硬件系統等，該系統適用于各種復雜倉內環境，并能生成整個倉內物料實際分布狀況的三維立體圖像。

關鍵詞：3D物位掃描儀；立體圖像；三維測量

目前應用在工礦環境中的物位測量產品比較多，包括：激光式、雷達式、超聲波式、重錘式、射頻導納式、電容式等多種技術類型的產品。以上產品已有較廣泛的應用，但是它們都不能很好的應用在粉塵濃度大的環境中，而且不能反應物料的3D堆面情況。在料位測量方面，因為物料的排放堆積及本身特性所呈現的不規則表面，對于單點式的測量方式并不是理想條件，暴露出諸多問題。所以精確的數據始終是一個懸而未決的難題。在實際現場環境應用當中，測量的數據都是很不理想的。給廣大客戶的料倉存儲狀態以及基本成本的控制造成很大的麻煩。

隨著3D物位掃描儀表技術的日趨成熟和使用，完全改變了單點數據測量的傳統的技術原理，引領世界走向一個可視化的物位測量的可視化時代，將達到了物位測量過程的智能化測量技術巔峰。并在個產業領域的物位測量中發揮著至關重要的作用。3D物位掃描儀是目前唯一一個精準計量固態物料的體積和質量的創新性儀表，而且不會受到物料的種類和材料性質，儲料倉的形狀、尺寸和類型的影響，并且可以應用在極其惡劣的高粉塵等環境當中，能夠提供物料體積、物位和質量等數據在非常惡劣的工況條件下的精準測量的解決方案。

1 3D物位掃描儀的工作原理

3D物位掃描儀向被測物料表面發射頻率為2.5～7KHz，角度為30°～70°之間的低頻率脈沖波，有效量程為0.5～70m。與高頻率波向比較，低頻率波利用大發射角度，完成對整個物料表面的測量，完全改變了傳統的單點測量，實現多點掃描；由于高頻波的頻率高，使發射波衰減極快，而低頻波是一種穿透能力極強的聲波，完全可以有效的完成粉塵大等惡劣工礦下的物料測量。

3D物位掃描儀由三個喇叭口天線向外發射頻率為3-10KHz的低頻率脈沖波，經過驅動，通過天線陣列傳輸出去，發射的低頻率脈沖達數千點，方向性極強的脈沖點對被測物料表面進行掃描，當脈沖達到物料表面后，會產生相應的脈沖回波，由三個喇叭口天線接收，聲波信號轉換成電信號。處理系統可以監測到每個脈沖回波的距離、時間和方向，處理系統采樣和分析所有接收到的脈沖回波信號，精準的反應物料體積、物位和質量等數據，然后通過一些算法把這些數據結合在一起，產生物料的三維圖像，通過通信技術傳輸到上微機上進行顯示。還可以認為輸入數據，去除料倉壁和內梁等對測量結果的影響。

2 系統組成與硬件電路設計

2.1 系統的組成

3D物位掃描儀系統由電源、物位掃描器、多掃描控制器和特殊的軟件等組成。

2.1.1 3D物位掃描儀和多掃描控制器的供電電源均采用DC24V。

2.1.2 3D物位掃描儀由單片系統、三個喇叭天線、顯示系統和通訊系統組層。單片系統控制三個喇叭天線按照一定順序循環的發射7KHz、4.5KHz和2.5KHz三個頻率的聲波，然后再由三個喇叭天線接收脈沖回波，單片系統會依據脈沖回波的頻率，時間和方向計算物料的高度。3D物位掃描儀可以通過掃描儀上的顯示系統進行顯示數據，也可以通過標準的4～20mA通訊系統將測量數據傳送到調度室內，在微機上顯示。3D物位掃描儀完全可以在高濃度粉塵的惡劣工況條件下進行工作，因此要求要對天線進行除塵保護，現代技術使得天線具有了自清潔功能。在設計掃描儀天線時，內部應用特殊的高分子聚合物材料，通過特殊技術處理，使儀表在正常工作時，高分子材料會產生一定頻率的共振，從而將黏附在天線上的灰塵清除，實現自清潔的功能，免去人工清潔天線的環節，實現了工業自動化。

2.1.3 特殊管理軟件。3D物位掃描儀接收到的回波數據由這些特殊軟件實時分析和處理，描繪出料倉內物料三維模型，同時可得到由單點測量儀表測得的所有數據，從而得到物料分布狀況、體積和質量等。

2.1.4 多掃描控制器。在測量直徑大于15米的儲料倉時，一臺3D物位儀表不能完整地測量整個儲料倉的物位數據，需要多臺3D物位儀表共同完成測量。多掃描控制器將把多臺3D物位掃描儀連接起來，使用在同一個大型的儲料倉上，并且使多臺3D物位儀表協同工作機制，實現儀表信號傳輸同步化，保證各臺儀表之間互相不影響。最后，由某種特別軟件將多臺儀表測量數據匯總和描繪出儲糧倉中物料的分布實況的3D立體圖像，實時記錄數據和相關技術參數報表等。

2.2 硬件電路設計

當3D物位掃描儀上電工作時，DSP發出指令通過模數轉換對發射電路進行控制發射，每個天線把發射出的聲波各自接收，通過帶通濾波器、放大器、對數放大器和濾波器處理，最后有A/D采集送入DSP進行數據處理。回波脈沖由每個天線一一對應接收，系統可以精準的計算到每一個回波脈沖運行的時間、距離和空間方向，繪制出被測現場的三維圖像，可以在液晶顯示窗顯示，也可以通過4～20mA或HART傳輸，傳輸到中控臺的顯示器上進行顯示，直觀的看出倉體中的物料情況，方便對其的控制和操作，保證自身和其他設備的正常生產和運行。

3 系統軟件設計

軟件部分的設計主要完成信號的AD采集并處理，聲波運行時間的計算，計算并校正聲波傳輸的三維方位，校正和補償誤差等系統的數據處理、數據顯示、數據傳輸和發射控制。

在軟件設計過程中考慮到系統的實時性，有三個天線采集到的數據盡量保持同步，采用了高速A/D采集芯片，DSP對采集回來的數據同步處理，顯示，才能保證3D物位掃描儀測量距離，體積等準確性和三維圖像實時準確性。系統的初始化是系統能夠正常運行的關鍵性一步，它將對系統的初始狀態進行設定，在開機后，系統首先要運行初始化程序，才能確保整個測量系統能正常工作。

參考文獻

[1]潘仲明.大量程超聲波測距系統研究[D].長沙：國防科技大學，2006.

[2]張海鷹，高艷麗.超聲波測距技術研究[J].儀表技術，2011（9）：58-60.

[3]劉剛.光電設備被動測距方法的研究[J].中國水運（下半月刊），2010，10（12）：149，156.

[4]潘仲明.大量程超聲波測距系統研究[D].國防科學技術大學，2006.

[5]楊振，豆偉.選煤廠粉塵治理實踐[J].中州煤炭，2011（03）.

[6]3D物位掃描儀在水泥行業的應用[A].中國水泥協會環保和資源綜合利用專業委員會成立大會會議文集[C].2011.

作者簡介：董建平（1982-），男，江蘇常州人，現職稱：研發經理，學歷：研究生，研究方向：系統架構研究。endprint

摘 要：文章針對現有選煤廠儲煤，水泥廠等倉料位測量方法的局限性，提出了基于3D物位掃描儀系統的設計方案；主要介紹了該系統的特點、測量原理、系統構成和軟硬件系統等，該系統適用于各種復雜倉內環境，并能生成整個倉內物料實際分布狀況的三維立體圖像。

關鍵詞：3D物位掃描儀；立體圖像；三維測量

目前應用在工礦環境中的物位測量產品比較多，包括：激光式、雷達式、超聲波式、重錘式、射頻導納式、電容式等多種技術類型的產品。以上產品已有較廣泛的應用，但是它們都不能很好的應用在粉塵濃度大的環境中，而且不能反應物料的3D堆面情況。在料位測量方面，因為物料的排放堆積及本身特性所呈現的不規則表面，對于單點式的測量方式并不是理想條件，暴露出諸多問題。所以精確的數據始終是一個懸而未決的難題。在實際現場環境應用當中，測量的數據都是很不理想的。給廣大客戶的料倉存儲狀態以及基本成本的控制造成很大的麻煩。

隨著3D物位掃描儀表技術的日趨成熟和使用，完全改變了單點數據測量的傳統的技術原理，引領世界走向一個可視化的物位測量的可視化時代，將達到了物位測量過程的智能化測量技術巔峰。并在個產業領域的物位測量中發揮著至關重要的作用。3D物位掃描儀是目前唯一一個精準計量固態物料的體積和質量的創新性儀表，而且不會受到物料的種類和材料性質，儲料倉的形狀、尺寸和類型的影響，并且可以應用在極其惡劣的高粉塵等環境當中，能夠提供物料體積、物位和質量等數據在非常惡劣的工況條件下的精準測量的解決方案。

1 3D物位掃描儀的工作原理

3D物位掃描儀向被測物料表面發射頻率為2.5～7KHz，角度為30°～70°之間的低頻率脈沖波，有效量程為0.5～70m。與高頻率波向比較，低頻率波利用大發射角度，完成對整個物料表面的測量，完全改變了傳統的單點測量，實現多點掃描；由于高頻波的頻率高，使發射波衰減極快，而低頻波是一種穿透能力極強的聲波，完全可以有效的完成粉塵大等惡劣工礦下的物料測量。

3D物位掃描儀由三個喇叭口天線向外發射頻率為3-10KHz的低頻率脈沖波，經過驅動，通過天線陣列傳輸出去，發射的低頻率脈沖達數千點，方向性極強的脈沖點對被測物料表面進行掃描，當脈沖達到物料表面后，會產生相應的脈沖回波，由三個喇叭口天線接收，聲波信號轉換成電信號。處理系統可以監測到每個脈沖回波的距離、時間和方向，處理系統采樣和分析所有接收到的脈沖回波信號，精準的反應物料體積、物位和質量等數據，然后通過一些算法把這些數據結合在一起，產生物料的三維圖像，通過通信技術傳輸到上微機上進行顯示。還可以認為輸入數據，去除料倉壁和內梁等對測量結果的影響。

2 系統組成與硬件電路設計

2.1 系統的組成

3D物位掃描儀系統由電源、物位掃描器、多掃描控制器和特殊的軟件等組成。

2.1.1 3D物位掃描儀和多掃描控制器的供電電源均采用DC24V。

2.1.2 3D物位掃描儀由單片系統、三個喇叭天線、顯示系統和通訊系統組層。單片系統控制三個喇叭天線按照一定順序循環的發射7KHz、4.5KHz和2.5KHz三個頻率的聲波，然后再由三個喇叭天線接收脈沖回波，單片系統會依據脈沖回波的頻率，時間和方向計算物料的高度。3D物位掃描儀可以通過掃描儀上的顯示系統進行顯示數據，也可以通過標準的4～20mA通訊系統將測量數據傳送到調度室內，在微機上顯示。3D物位掃描儀完全可以在高濃度粉塵的惡劣工況條件下進行工作，因此要求要對天線進行除塵保護，現代技術使得天線具有了自清潔功能。在設計掃描儀天線時，內部應用特殊的高分子聚合物材料，通過特殊技術處理，使儀表在正常工作時，高分子材料會產生一定頻率的共振，從而將黏附在天線上的灰塵清除，實現自清潔的功能，免去人工清潔天線的環節，實現了工業自動化。

2.1.3 特殊管理軟件。3D物位掃描儀接收到的回波數據由這些特殊軟件實時分析和處理，描繪出料倉內物料三維模型，同時可得到由單點測量儀表測得的所有數據，從而得到物料分布狀況、體積和質量等。

2.1.4 多掃描控制器。在測量直徑大于15米的儲料倉時，一臺3D物位儀表不能完整地測量整個儲料倉的物位數據，需要多臺3D物位儀表共同完成測量。多掃描控制器將把多臺3D物位掃描儀連接起來，使用在同一個大型的儲料倉上，并且使多臺3D物位儀表協同工作機制，實現儀表信號傳輸同步化，保證各臺儀表之間互相不影響。最后，由某種特別軟件將多臺儀表測量數據匯總和描繪出儲糧倉中物料的分布實況的3D立體圖像，實時記錄數據和相關技術參數報表等。

2.2 硬件電路設計

當3D物位掃描儀上電工作時，DSP發出指令通過模數轉換對發射電路進行控制發射，每個天線把發射出的聲波各自接收，通過帶通濾波器、放大器、對數放大器和濾波器處理，最后有A/D采集送入DSP進行數據處理。回波脈沖由每個天線一一對應接收，系統可以精準的計算到每一個回波脈沖運行的時間、距離和空間方向，繪制出被測現場的三維圖像，可以在液晶顯示窗顯示，也可以通過4～20mA或HART傳輸，傳輸到中控臺的顯示器上進行顯示，直觀的看出倉體中的物料情況，方便對其的控制和操作，保證自身和其他設備的正常生產和運行。

3 系統軟件設計

軟件部分的設計主要完成信號的AD采集并處理，聲波運行時間的計算，計算并校正聲波傳輸的三維方位，校正和補償誤差等系統的數據處理、數據顯示、數據傳輸和發射控制。

在軟件設計過程中考慮到系統的實時性，有三個天線采集到的數據盡量保持同步，采用了高速A/D采集芯片，DSP對采集回來的數據同步處理，顯示，才能保證3D物位掃描儀測量距離，體積等準確性和三維圖像實時準確性。系統的初始化是系統能夠正常運行的關鍵性一步，它將對系統的初始狀態進行設定，在開機后，系統首先要運行初始化程序，才能確保整個測量系統能正常工作。

參考文獻

[1]潘仲明.大量程超聲波測距系統研究[D].長沙：國防科技大學，2006.

[2]張海鷹，高艷麗.超聲波測距技術研究[J].儀表技術，2011（9）：58-60.

[3]劉剛.光電設備被動測距方法的研究[J].中國水運（下半月刊），2010，10（12）：149，156.

[4]潘仲明.大量程超聲波測距系統研究[D].國防科學技術大學，2006.

[5]楊振，豆偉.選煤廠粉塵治理實踐[J].中州煤炭，2011（03）.

[6]3D物位掃描儀在水泥行業的應用[A].中國水泥協會環保和資源綜合利用專業委員會成立大會會議文集[C].2011.

作者簡介：董建平（1982-），男，江蘇常州人，現職稱：研發經理，學歷：研究生，研究方向：系統架構研究。endprint