CN109187361A - 一种钻孔岩芯成像光谱扫描系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于矿产勘查技术领域，具体公开一种钻孔岩芯成像光谱扫描系统，该系统包括整体台架、岩心转动装置、岩心转动控制平台、水平‑旋转扫描协同装置和照明灯组，岩心转动装置安装在整体台架底部内，岩心转动控制平台安装在整体台架中部，水平‑旋转扫描协同装置安装在整体台架的梁顶部，照明灯组安装在水平‑旋转扫描协同装置上。该系统能够实现和精确控制钻孔岩心的绕轴的转动，确保成像光谱仪器能准确聚焦岩心表面，保证成像光谱仪扫描方向与岩心轴线平行和被扫描岩心光照度均匀。
Description
技术领域
本发明属于矿产勘查技术领域，具体涉及一种钻孔岩芯三维表面成像光谱扫描系统。
背景技术
钻孔岩芯成像扫描主要有真彩色三维照相、真彩色侧面照相叠加光谱测量和成像光谱侧面扫描。真彩色三维照相采用照相机对旋转的钻孔岩心先分段照相获取岩芯柱面图像然后拼接的方式，获取岩心圆柱面展开后真彩色图像，供后期三维显示使用。真彩色侧面照相叠加光谱测量采用照相机结合光谱仪相对岩芯平行移动，获得岩心侧面的真彩色图像和不连续位置的光谱，用于肉眼观察图像特征和用光谱提取岩心的矿物成分。成像光谱侧面扫描利用成像高光谱仪与岩心轴心方向的相对移动同时获得岩芯侧面的图像和光谱，用于肉眼观察岩心特征和用光谱提取每个像元的矿物成分。
现有的成像光谱扫描系统没有考虑钻孔岩心的表面的三维复原，扫描图像不能用于三维建模、存储和显示。
发明内容
针对现有成像光谱扫描系统没有考虑钻孔岩心的表面的三维复原，扫描图像不能用于三维建模、存储和显示，本发明提供一种钻孔岩芯成像光谱扫描系统，该系统能够实现和精确控制钻孔岩心的绕轴的转动，确保成像光谱仪器能准确聚焦岩心表面，保证成像光谱仪扫描方向与岩心轴线平行和被扫描岩心光照度均匀。
实现本发明目的的技术方案：一种岩心成像光谱扫描系统，该系统包括整体台架、岩心转动装置、岩心转动控制平台、水平-旋转扫描协同装置和照明灯组，岩心转动装置安装在整体台架底部内，岩心转动控制平台安装在整体台架中部，水平-旋转扫描协同装置安装在整体台架的梁顶部，照明灯组安装在水平-旋转扫描协同装置上。
所述的整体台架由底盘和安装在底盘上的立柱组成。
所述的边框式底盘为边框式底盘，立柱为工字型垂立柱，底盘和立柱均使用钢管制成，表面做发黑处理。
所述的岩心转动装置由机框和安装在其上的转轴组成，机框的两端安装在整体台架底部的底盘内侧。
所述的机框为双层结构，机框下层安装电机安装转轴，转轴共有三个，为平行放置的橡胶轴，三根转轴的中间转轴的两端设有基线定位螺杆；底盘边框一侧设有调节螺杆，机框通过调节螺杆与底盘连接。
所述的岩心转动控制平台安装在整体台架的立柱的中间横梁上。
所述的水平-旋转扫描协同装置包括扫描导轨、扫描平台、成像光谱仪，扫描导轨安装在整体台架的立柱的侧梁顶部，扫描导轨上安装有扫描平台，扫描平台上安装有成像光谱仪。
所述的水平-旋转扫描协同装置还包括激光测距仪，激光测距仪安装在扫描平台上，成像光谱仪位于扫描平台中心，成像光谱仪一侧安装有激光测距仪。
所述的照明灯组由分别安装在成像光谱仪两侧的2个照明灯组成。
所述的照明灯组的2个照明灯利用穿过水平-旋转扫描协同装置的扫描平台的梯形灯架连接。
本发明的有益技术效果在于：(1)本发明一种岩心成像光谱测量系统，配合地面成像光谱仪使用，能够对岩心柱面进行360成像并精确测量每个像元光谱何特征。
(2)本发明一种岩心成像光谱测量系统，设计了专门的岩心转动和控制平台，将岩芯表面三维几何扫描与岩心测量光谱测量结合在一起，实现了对岩心表面形态三维成像与岩心表面矿物成分测量的统一。
(3)本发明一种岩心成像光谱测量系统，设计了水平-转动扫描协同装置，确保了系统在的成像几何参数的稳定性和精确性。
(4)本发明的一种岩心成像光谱测量系统，设计了专门的照明灯组满足扫描岩心中央和边缘光照效果，保证了扫描岩心图像亮均匀。
附图说明
图1为本发明所提供的一种钻孔岩芯成像光谱扫描系统的结构示意图；
图2为本发明所提供的一种钻孔岩芯成像光谱扫描系统原理图。
图中：1.底盘，2.立柱，3.机框，4.转轴，5.螺孔，6.基线定位螺杆，7.岩心转动控制平台，8.扫描导轨，9.扫描平台，10.照明灯组，11.激光测距仪，12.成像光谱仪，13.岩芯。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明所提供的一种岩心成像光谱扫描系统，该系统包括整体台架、岩心转动装置、岩心转动控制平台7、水平-旋转扫描协同装置和照明灯组10。
整体台架可拆装，整体台架由边框式底盘1和安装在底盘上的工字型垂立柱2组成。为保证扫描时系统的稳定性，底盘1和立柱2均使用钢管制成，表面做了发黑处理，减少阳光反射等杂散光对实验造成的影响。整体台架安装时，先将底盘1放在开阔的位置，然后将立柱2抬出和底盘1对接。对接时先把所有螺丝拧上，不拧紧，如果孔位有偏差移动立柱使孔露出来，上螺丝，所有孔位都上了螺丝之后，再一个个拧紧。完成立柱2与底盘1的安装。
底盘1下方安装了轮子和支撑脚，在设备可移动的同时确保设备的稳定放置。当需要移动设备时，需旋转支撑脚使其升高位置由轮子来承受重量，支撑脚悬空，可以很方便的移动。
底盘1边框一侧设有调节螺杆5，可以用来连接岩心转动机框3并调节其水平位置。
岩心转动装置由机框3和安装在其上的转轴4组成。岩心转动装置的机框3的两端安装在整体台架底部的底盘1内侧，机框3与整体台架底盘1连接时，将机框3放嵌在底盘1内侧上的凹陷处。机框3为双层结构，机框3下层安装电机安装转轴4，转轴4共有三个，为平行放置的橡胶轴，利用摩擦力带动岩心滚动。橡胶轴的中心距为10.5cm，中间空隙小于2cm，可转动直径6-10cm的岩心。转轴4由三个电机并联控制实现同步转动，既提高了转轴4转动的同步性，还减小了前冲惯性带来的误差。
安装机框3和转轴4时，注意机框3朝左，转轴4朝外。机框3与台架底盘1连接时，在机框3的内侧放固定金属块，用螺丝将金属块和后面衬板连起来，使机框3的横杠被夹在中间，机框3的另一侧也一样固定后，机框3装入整体台架底盘1后，用的长螺杆穿过机框3后部和底盘1上的调节螺杆5连接起来，并可以通过旋转调节螺杆5来调节机框3前后距离。三根转轴4的中间转轴4的两端设有基线定位螺杆6。
为保证转轴4每次启动时能回到初始位置，作为系统转动角度的初始点。采用光开关来实现这一功能。方法是在转轴4上刻有一狭缝，狭缝随转轴4一起旋转，在转轴4下方的机框3上安装光电开。当转轴4狭缝转至开关位置时，光电开关返回位置信号，提供转动零位。
岩心转动控制平台7安装在整体台架的立柱2的中间横梁上。岩心转动控制平台7，负责步进电机带动转轴4同步初始化转动和受控转动过程，岩心转动控制平台7包括主控模板、电机驱动、步进电机、外部操作和电源共5个模块。
主控模块：完成光电开关、外部启动和归零信号的处理，并输出三个步进电机同步控制脉冲信号。选用多普康公司的TP5510控制器作为主控制模块。模块采用专用运动控制芯片，控制信号为差分信号输出(脉冲+方向)，实现电机正反转运动。模块具有自动和手动两种控制模式：自动控制模式下，通过指令控制电机自动运行或者单步运行；手动控制模式可控制电机外部启动、暂停、报警、急停等，可以实现点动运行、回机械零、输出控制等操作。模块最大转动角度为99999.999°，最小转动角度为0.001°，可实现较为精确控制；最大控制转动速率9000mm/min，并可根据不同使用情况自行调整。模块带与系统隔离的输入输出口，方便光电开关信号和外部启动信号接入，输出口能力最大可到1A，易于驱动较大功率负载。
电机驱动模块：实现对步进电机的驱动，驱动电流和细分数可调。选用TC8642两相混合式步进电机驱动器完成步进电机驱动，具有电机的转矩波动小，低速运行平稳，振动和噪音低；高速时可输出相对较高的力矩，定位精度高。
控制模块的差分控制信号按顺序连接驱动模块脉冲输入端和方向信号控制端，使能信号一般不用。
步进电机模块：实现上电自锁，转动速率和方向调节。选用的电机为57BYGH56两相混合式步进电机。电机步进角为1.8°，最大电流4.2A，静力矩1.2N.m，具有上电自锁功能。
外部操作模块：实现电机外部启动和手动归零控制。红色按键负责电机外部启动，每按一次，电机按照程序设定的固定角度进行转动；绿色按键负责手动归零操作，在手动界面下，每按一次，电机执行归零转动，回归机械零点。
电源模块：负责控制面板、电机驱动和光电开关部分的电源供给。选用电源模块输出额定电压24V，输出最大电流14.6A，该模块共三组电源输出，方便光电开关和步进电机电源接线，同时输出电流满足使用要求。
水平-旋转扫描协同装置包括扫描导轨8、扫描平台9、激光测距仪11、成像光谱仪12。水平-旋转扫描协同装置的扫描导轨8安装在整体台架的立柱2的侧梁顶部，扫描导轨8上安装有扫描平台9，扫描平台9上安装有成像光谱仪12和激光测距仪11，成像光谱仪12位于扫描平台9中心，成像光谱仪12一侧安装有激光测距仪11。
由于本发明的岩心扫描系统主要用于野外，整体框架需要经常拆卸安装。重新安装后水平扫描导轨8与岩心转动控制平台7之间的几何关系会发生变化。因此，设计激光测距仪11来保扫描图像具有确定的成像几何参数。
机框3每次重新安装后，需要对岩心转动控制平台7与扫描导轨8之间的协同性进行调节。调节的步骤是：先打开激光测距仪11观察激光光斑在转轴4上的位置。然后通过调节螺杆5调节机框3位置使得激光点落在中间转轴4的正中央。激光测距仪11测量镜头到岩心表面距离，调节成像光谱仪12成像到成像焦距，初步固定岩心转台的位置。然后用细线连接中央转轴两端的基线定位螺杆6并拉紧细线沿转轴4最高处紧贴转轴4。启动扫描平台9，激光测距仪11沿扫描导轨8进行扫扫描。通过观察激光点与基线的吻合程度，逐部调节底盘1边框上的调节螺杆5，保证激光点轨迹与基线重合。完成系统岩心转动与水平扫描协同调节。
照明灯组10由分别安装在成像光谱仪12两侧的2个照明灯组成。照明灯为钨丝灯管，其长轴平行扫描方向。照明灯组10的2个照明灯利用穿过水平-旋转扫描协同装置的扫描平台9的梯形灯架连接。照明灯的照明方向可以通过旋转接口进行控制，使得照射2根岩心表明的光场均匀分布。
如图2所示，本发明所提供的一种岩心成像光谱测量系统的工作原理如下：通过岩心转动控制平台7精确控制和定位岩心转动的角度保证岩心13可以任意转动角度幅度至于扫描始于内，激光测距仪11可精确测量成像光谱仪12探头到岩心13距离结合垂直调焦保证成像质量；成像光谱仪12可以沿水平方向进行移动扫描。证实扫描前先要对岩心转动与水平扫描进行协同测试。打开激光测距仪11，通过台架底盘1边框调节螺杆5调节岩心转台机框3位置、使激光点落在第三轴4的正中央，并测量成像光谱仪12镜头到岩心13表面距离，利用扫描平台9上的滑块使得这一距离等于成像光谱仪12镜头焦距，并初步固定岩心转台的位置。然后用细线紧连接第三转轴两端的基线定位螺杆，使得细线紧贴转轴最高点。启动水平扫描平台9，观察激光点与基线的吻合程度，逐部调节底盘1边框螺杆，保证激光点轨迹与基线重合，定固定岩心转台机框3的位置。
正式扫描时，根据岩心13直径大小，设计转动角度。采用转动岩心90°，72°和60°分4次、5次和6次对岩心13进行360°扫描。
每次扫描成像的几何参数和成像光谱仪参数一致，得到的图像大小和变形特征相同，因此可利用几何校正结合辐射校正的方法，恢复岩心柱面真实的结合特征。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
Claims (10)
1.一种岩心成像光谱扫描系统，其特征在于：该系统包括整体台架、岩心转动装置、岩心转动控制平台(7)、水平-旋转扫描协同装置和照明灯组(10)，岩心转动装置安装在整体台架底部内，岩心转动控制平台(7)安装在整体台架中部，水平-旋转扫描协同装置安装在整体台架的梁顶部，照明灯组(10)安装在水平-旋转扫描协同装置上。
2.根据权利要求1所述的一种岩心成像光谱扫描系统，其特征在于：所述的整体台架由底盘(1)和安装在底盘上的立柱(2)组成。
3.根据权利要求2所述的一种岩心成像光谱扫描系统，其特征在于：所述的边框式底盘(1)为边框式底盘，立柱(2)为工字型垂立柱，底盘(1)和立柱(2)均使用钢管制成，表面做发黑处理。
4.根据权利要求3所述的一种岩心成像光谱扫描系统，其特征在于：所述的岩心转动装置由机框(3)和安装在其上的转轴(4)组成，机框(3)的两端安装在整体台架底部的底盘(1)内侧。
5.根据权利要求4所述的一种岩心成像光谱扫描系统，其特征在于：所述的机框(3)为双层结构，机框(3)下层安装电机安装转轴(4)，转轴(4)共有三个，为平行放置的橡胶轴，三根转轴(4)的中间转轴(4)的两端设有基线定位螺杆(6)；底盘(1)边框一侧设有调节螺杆(5)，机框(3)通过调节螺杆(5)与底盘(1)连接。
6.根据权利要求5所述的一种岩心成像光谱扫描系统，其特征在于：所述的岩心转动控制平台(7)安装在整体台架的立柱(2)的中间横梁上。
7.根据权利要求6所述的一种岩心成像光谱扫描系统，其特征在于：所述的水平-旋转扫描协同装置包括扫描导轨(8)、扫描平台(9)、成像光谱仪(12)，扫描导轨(8)安装在整体台架的立柱(2)的侧梁顶部，扫描导轨(8)上安装有扫描平台(9)，扫描平台(9)上安装有成像光谱仪(12)。
8.根据权利要求7所述的一种岩心成像光谱扫描系统，其特征在于：所述的水平-旋转扫描协同装置还包括激光测距仪(11)，激光测距仪(11)安装在扫描平台(9)上，成像光谱仪(12)位于扫描平台(9)中心，成像光谱仪(12)一侧安装有激光测距仪(11)。
9.根据权利要求8所述的一种岩心成像光谱扫描系统，其特征在于：所述的照明灯组(10)由分别安装在成像光谱仪(12)两侧的2个照明灯组成。
10.根据权利要求9所述的一种岩心成像光谱扫描系统，其特征在于：所述的照明灯组(10)的2个照明灯利用穿过水平-旋转扫描协同装置的扫描平台(9)的梯形灯架连接。
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