CN111624157A - 一种精细化岩心光谱成像扫描系统及方法 - Google Patents

一种精细化岩心光谱成像扫描系统及方法 Download PDF

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CN111624157A CN202010636366.3A CN202010636366A CN111624157A CN 111624157 A CN111624157 A CN 111624157A CN 202010636366 A CN202010636366 A CN 202010636366A CN 111624157 A CN111624157 A CN 111624157A
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郑志忠
董金鑫
修连存
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Abstract

本发明公开了一种精细化岩心光谱成像扫描系统及方法，所述系统包括控制器、多轴导向机构、旋转机构和成像光谱仪；所述成像光谱仪位于旋转机构上方；所述多轴导向机构与成像光谱仪相连接；所述控制器与多轴导向机构相连接，并控制多轴导向机构横向与上下移动。本发明可以实现岩心上表面光谱成像，也可360°全面貌光谱成像。

Description

一种精细化岩心光谱成像扫描系统及方法
技术领域
本发明涉及一种精细化岩心光谱成像扫描系统及方法。
背景技术
近些年随着信息技术的迅猛发展，一种岩心扫描技术被广泛运用并且快速推广于地质、油气等各行领域中，这种无损观察分析技术能够解决岩心在长期存储中信息丢失、查看、使用不方便等问题，而通过岩心扫描技术能够把岩心图像及光谱等各种数据永久保存在计算机或云服务器中，便于运用人员快速及时高效的查阅，对岩心的信息划分、对比。虽然这种岩心扫描技术被推广运用，但是这种扫描设备在使用过程中普遍存在一些不足点，一方面设备昂贵，且不具有互换其它仪器在线扫描检测功能，因此性能单一，另一方面扫描设备体积大而笨重，运输不方便，使用环境苛刻，且维修费用高。
发明内容
本发明目的在于：为了克服现有的岩心光谱成像扫描系统不能获取全表面光谱信息以及快速获取岩心上表面光谱信息时存在很多不足的问题，从而解决岩心柱表面清晰高光谱成像，获取高光谱数据反演矿物组成，岩心数字化编录，同时包含图像信息和反映物质信息的光谱数据。本发明提供了一种精细化岩心光谱成像扫描系统及方法，所述系统包括控制器、多轴导向机构、旋转机构和成像光谱仪；
所述成像光谱仪位于旋转机构上方；
所述多轴导向机构与成像光谱仪相连接；
所述控制器与多轴导向机构相连接，并控制多轴导向机构横向与上下移动。
本发明一优选方式中，所述多轴导向机构包括悬挂支架和直线导轨；
所述悬挂支架设置于直线导轨上；
所述悬挂支架与成像光谱仪相连接；
所述控制器连接并控制悬挂支架在直线导轨上横向移动，以及控制悬挂支架上下伸缩移动。
本发明一优选方式中，所述旋转机构包括双滚轮、伺服电机和联轴器；
所述双滚轮包括主动滚轮和从动滚轮；
所述主动滚轮与伺服电机通过联轴器连接，控制器连接并控制伺服电机，实现主动滚轮的转速控制，从而带动从动滚轮，使得被测物体滚动。
本发明一优选方式中，所述主动滚轮与从动滚轮之间是水平且平行装配，主动滚轮与从动滚轮通过可调节的装配机构连接。主动滚轮与从动滚轮之间的间隙能够根据被测物体的直径大小进行调节适合位置并锁定。
本发明一优选方式中，所述悬挂支架包括第一伺服电机、第二伺服电机、滚珠丝杠组和导轨固定架；
其中，第一伺服电机、第二伺服电机、滚珠丝杠组均设置在导轨固定架上，所述导轨固定架与直线导轨相连接；
所述滚珠丝杆组与成像光谱仪相连接，第一伺服电机带动滚珠丝杆组，实现成像光谱仪的上下伸缩移动。
本发明一优选方式中，还包括光源照明，光源照明设置于悬挂支架上。
本发明一优选方式中，所述悬挂支架还包括轴承法兰组，光源照明设置于轴承法兰组上，第二伺服电机连接并控制轴承法兰组，实现轴承法兰组的360°转动功能。
本发明一优选方式中，所述轴承法兰组包括轴承法兰、直线电机和直线电机驱动伸缩杆；
所述轴承法兰包括上、下两个圆环，上圆环的上端与第二伺服电机相连接，上圆环的下端通过直线电机驱动伸缩杆与下圆环的上端相连接，
直线电机驱动伸缩杆与直线电机相连接，直线电机可以设置于直线电机驱动伸缩杆内部，直线电机控制直线电机驱动伸缩杆实现上下伸缩功能；
光源照明与下圆环通过角度调节件相连接，角度调节件上设置有微型伺服电机，微型伺服电机带动角度调节件，实现光源照明的角度调节。
下圆环的下端设置有N个光源照明；N取值为自然数，一般设置10个以内的光源照明；
本发明一优选方式中，还包括框架；
所述框架包括左端框架、右端框架、上端框架、下端框架，所述左端框架设置在上端框架和下端框架的左端，所述右端框架设置在上端框架和下端框架的右端，在框架的左、右两侧和背面均设置有立板，在下端框架上设置有用于放置双滚轮的支撑板，在上端框架上设置有用于放置控制器的支撑板；
所述直线导轨设置于上端框架上；
所述双滚轮上放置有被测物体；
所述双滚轮与控制器相连接，通过控制器能够实现双滚轮的转速控制，从而控制成像扫描速度。
所述控制器能够控制悬挂支架在直线导轨的轨道上以不同速度的平移，从而对成像光谱仪提供不同速度扫描控制。
本发明一优选方式中，还包括观察门和监视器，观察门设置于上端框架上，并与上端框架活动连接，观察门能够打开或闭合；
在右端框架上设置有一横梁，监视器设置于所述横梁上。
所述成像光谱仪包括：VNI可见近红外、SWIR短波近红外、MIR中波红外、TIR热红外四种类型。
本发明还提供了一种精细化岩心光谱成像扫描方法，包括如下步骤：
步骤1，将被测物体放置于双滚轮上，被测物体为岩心；
步骤2，根据被测物体视场及分辨率要求，通过计算机专业软件控制控制器调整成像光谱仪上下位置和光源照明的角度；
步骤3，通过计算机专业软件，预览调整后的效果，再启动双滚轮运行，设置双滚轮运行的速度，调整至图像清晰且图像无失真；
步骤4，如果仅获取岩心上表面图谱信息，双滚轮不启动，通过控制器控制成像光谱仪在直线导轨上横向移动，进行扫描，待扫描结束后，数据自动保存到计算机；
如果获取岩心全表面即360°图谱信息，双滚轮启动，通过控制器控制成像光谱仪移至直线导轨中间位置，进行扫描，待一圈扫描完系统自动停止，数据自动保存到计算机中；
步骤5，当系统运行时，观察门是关闭状态，内部运行情况通过监视器显示在外部的显示器上；
步骤6，通过专业EV软件打开扫描得到的数据，进行数据分析。
有益效果：本发明提供的一种精细化岩心成像扫描系统具有部件少，自动化程度高，体积小，重量轻，拆装方便，便于运输的优点，同时可实现岩心全表面光谱成像和上表面快速光谱成像扫描，适用于环境恶劣的野外工作，不受外界环境影响，能够显著提高工作效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明一种精细化岩心光谱成像扫描系统设备结构框图。
图2是双滚轮结构示意图。
图3是双滚轮结构具体放大示意图。
图4是悬挂支架与直线导轨的局部放大示意图。
图5是悬挂支架结构示意图。
图6是光源照明结构示意图。
图7是扫描得到的岩心图像。
图8是岩心图像中某一位置的光谱曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种精细化岩心光谱成像扫描系统，包括控制器1、多轴导向机构、旋转机构和成像光谱仪8；
所述成像光谱仪8位于旋转机构上方；
所述多轴导向机构与成像光谱仪8相连接；
所述控制器1与多轴导向机构相连接，并控制多轴导向机构横向与上下移动。
本发明一优选方式中，所述多轴导向机构包括悬挂支架3和直线导轨5；
所述悬挂支架3设置于直线导轨5上；
所述悬挂支架3与成像光谱仪8相连接；
所述控制器1连接并控制悬挂支架3在直线导轨5上横向移动，以及控制悬挂支架3上下伸缩移动。
本发明一优选方式中，所述旋转机构包括双滚轮11、伺服电机14和联轴器15；
所述双滚轮11包括主动滚轮12和从动滚轮13；
所述主动滚轮12与伺服电机14通过联轴器15连接，控制器1连接并控制伺服电机14，实现主动滚轮12的转速控制，从而带动从动滚轮13，使得被测物体10滚动。
本发明一优选方式中，所述主动滚轮12与从动滚轮13之间是水平且平行装配，主动滚轮12与从动滚轮13通过可调节的装配机构16连接。主动滚轮12与从动滚轮13之间的间隙能够根据被测物体10的直径大小进行调节适合位置并锁定。
本发明一优选方式中，所述悬挂支架3包括第一伺服电机(18)、第二伺服电机(19)、滚珠丝杠组20和导轨固定架22；
其中，第一伺服电机18、第二伺服电机19、滚珠丝杠组20均设置在导轨固定架22上，所述导轨固定架22与直线导轨5相连接；
所述滚珠丝杆组20与成像光谱仪8相连接，第一伺服电机18带动滚珠丝杆组20，实现成像光谱仪8的上下伸缩移动。
本发明一优选方式中，还包括光源照明9，光源照明9设置于悬挂支架3上。
本发明一优选方式中，所述悬挂支架3还包括轴承法兰组21，光源照明9设置于轴承法兰组21上，第二伺服电机19连接并控制轴承法兰组21，实现轴承法兰组21的360°转动功能。
本发明一优选方式中，所述轴承法兰组21包括轴承法兰23、直线电机和直线电机驱动伸缩杆24；
所述轴承法兰23包括上、下两个圆环，上圆环的上端与第二伺服电机19相连接，上圆环的下端通过直线电机驱动伸缩杆24与下圆环的上端相连接，
直线电机驱动伸缩杆24与直线电机相连接，直线电机可以设置于直线电机驱动伸缩杆24内部，直线电机控制直线电机驱动伸缩杆24实现上下伸缩功能；
光源照明9与下圆环通过角度调节件25相连接，角度调节件25上设置有微型伺服电机，微型伺服电机带动角度调节件25，实现光源照明9的角度调节。
下圆环的下端设置有N个光源照明9；N取值为自然数，一般设置10个以内的光源照明9；
本发明一优选方式中，还包括框架7；
所述框架7包括左端框架、右端框架、上端框架、下端框架，所述左端框架设置在上端框架和下端框架的左端，所述右端框架设置在上端框架和下端框架的右端，在框架7的左、右两侧和背面均设置有立板，在下端框架上设置有用于放置双滚轮11的支撑板，在上端框架上设置有用于放置控制器1的支撑板；
所述直线导轨5设置于上端框架上；
所述双滚轮11上放置有被测物体10；
所述双滚轮11与控制器1相连接，通过控制器1能够实现双滚轮11的转速控制，从而控制成像扫描速度。
所述控制器1能够控制悬挂支架3在直线导轨5的轨道上以不同速度的平移，从而对成像光谱仪8提供不同速度扫描控制。
本发明一优选方式中，还包括观察门2和监视器6，观察门2设置于上端框架上，并与上端框架活动连接，观察门2能够打开或闭合；
在右端框架上设置有一横梁，监视器6设置于所述横梁上。
所述成像光谱仪8包括：VNI可见近红外、SWIR短波近红外、MIR中波红外、TIR热红外四种类型。
实施例
如图1所示，本发明提供的一种精细化岩心光谱成像扫描系统包括控制器1、观察门2、悬挂支架3、操作系统4、直线导轨5、监视器6、框架7、成像光谱仪8、光源照明9、被测物体10、双滚轮11；
所述框架7，支撑整体的结构，便于运输和操作稳定。
所述框架7包括左端框架、右端框架、上端框架、下端框架，所述左端框架设置在所述上端框架和下端框架的左端，所述右端框架设置在所述上端框架和下端框架的右端，在框架7的左右两侧和背面均设置有立板，在下端框架上设置有用于放置双滚轮11的支撑板，在上端框架上设置有用于放置控制器1的支撑板；
所述直线导轨5设置于上端框架上，悬挂支架3设置于直线导轨5上；
所述悬挂支架3下方设置有成像光谱仪8和光源照明9；所述悬挂支架3与光源照明9及成像光谱仪8装配形成一套多功能整机扫描系统。
所述控制器1与悬挂支架3相连接，通过控制器1能够实现成像光谱仪8的平移与旋转，以及高低伸缩功能；
在使用本发明系统时，在双滚轮11上放置被测物体10；
所述双滚轮11与控制器1组装，能够实现滚轮的转速控制，从而控制成像扫描速度。
如图2所示，所述双滚轮11包括主动滚轮12、从动滚轮13、伺服电机14和联轴器15，所述主动滚轮与伺服电机通过联轴器连接，通过控制器1能够控制伺服电机，实现主动滚轮的转速控制，从而带动从动滚轮，使得被测物体10滚动。
例如：一根600mm长，直径60mm的岩心，放在两滚轮之间，通过计算机软件连接光谱成像仪并控制驱动器，让电机转动，根据测试要求，可设置电机转速，进行扫描。
所述主动滚轮12与从动滚轮13之间是水平且平行装配，两者之间的间隙能够根据被测物体10的直径大小进行调节适合位置并锁定。主动滚轮12与从动滚轮13通过可调节的装配机构16连接，图中的17是预留的孔位，主动滚轮12与从动滚轮13之间的间隙能够根据被测物体10的直径大小进行调节适合位置并锁定。调整方式：根据被测物体直径大小，手动调节从滚轮两端的限位滑块移至相应的尺寸位置，拧紧螺丝。如图3所示。
所述控制器1能够控制悬挂支架3在直线导轨5的轨道上以不同速度的平移，从而对成像光谱仪8提供不同速度扫描控制。
移动方式：通过计算机软件控制，设置移动参数。
悬挂支架3与直线导轨5的连接方式如图4所示，用螺丝拧紧固定。
如图5所示，所述悬挂支架3包括第一伺服电机18、第二伺服电机19、滚珠丝杠组20，轴承法兰组21和导轨固定架22；
其中，第一伺服电机18带动滚珠丝杆组20，实现上下伸缩功能，第二伺服电机19带动轴承法兰组21，实现360°转动功能。
因此所述悬挂支架3能够实现360°旋转及上下伸缩功能，能够根据被测物体10要求，通过控制器1进行对应的高低位置的设置。
观察门2设置于上端框架上，并与上端框架活动连接，观察门2能够打开或闭合。
所述操作系统4设置于上端框架的支撑板上。
操作系统中包括专业控制软件，用来控制悬挂系统，移动平台。
如图6所示，所述光源照明9设置于成像光谱仪8下方，光源照明9具有上下伸缩功能，且光源角度能够实现多角度调节，光源照明9能够加装不同的滤光片组，从而更有效的实现被测物体10光谱数据准确性和稳定性；
所述光源照明9与成像光谱仪8都安装固定在旋转的轴承法兰23上，光源照明9通过直线电机驱动伸缩杆24实现上下伸缩功能，通过微型伺服电机带动角度调节件25，实现光源的角度调节(由于附图显示的角度问题，微型伺服电机和直线电机等硬件未标出，本领域技术人员能够根据现有技术，理解其安装的位置)。
在右端框架上设置有一横梁，监视器6设置于所述横梁上。
所述成像光谱仪8包括：VNI可见近红外、SWIR短波近红外、MIR中波红外、TIR热红外四种类型。
采用本发明系统，通过旋转高光谱成像测量岩心360°全表面，能够实现岩心数字化编录的新方法。
当岩心(被测物体10)被双滚轮11带动旋转，通过高光谱成像仪进行扫描岩心，扫描的数据直接通过软件存储到计算机中，再用专业EV软件打开读取光谱数据，进行查看。
本发明具体提供了一种精细化岩心光谱成像扫描方法，包括如下步骤：
步骤1，将被测物体10放置于双滚轮11上，被测物体10为岩心；
步骤2，根据被测物体视场及分辨率要求，通过控制器1调整成像光谱仪8上下位置和光源照明9的角度；
步骤3，预览调整后的效果，再启动双滚轮11运行，设置双滚轮11运行的速度，调整至图像清晰且图像无失真；
步骤4，如果仅获取岩心上表面图谱信息，双滚轮11不启动，通过控制器1控制成像光谱仪8在直线导轨5上横向移动，进行扫描，待扫描结束后，数据自动保存到计算机；
如果获取岩心全表面即360°图谱信息，双滚轮11启动，通过控制器1控制成像光谱仪8移至直线导轨5中间位置，进行扫描，待一圈扫描完系统自动停止，数据自动保存到计算机中；
步骤5，当系统运行时，观察门4是关闭状态，内部运行情况通过监视器6显示在外部的显示器上；
步骤6，打开扫描得到的数据，进行数据分析。
步骤4中，为了获取高分辨率谱图，要调整视场角、焦距、光源照射角度、转速比等参数设置。以扫描一根长度600mm，直径60mm岩心为例，根据被测物体(岩心)视场角不同，成像光谱仪选用相应的镜头，通过专业控制软件微调成像光谱仪与被测物体之间焦距，同时根据被测物体视场大小，调节光源角度，使光源照射亮度均匀。其次开启双滚轮，带动被测物体(岩心)，进行扫描，根据扫描图像失真比，在软件中设置双滚轮转速，如果扫描图像呈现压缩现象，那么滚轮转速要调慢，如果扫描图像呈现拉长现象，那么滚轮转速要调快，则调整滚轮转速快慢值,根据成像光谱仪图像失真计算如下公式设置：
X＝A/B
其中，X表示被测物体不失真尺寸，A表示测量扫描后的屏幕上物体的长度，B表示成像光谱仪8的探测器总的像元数量；如图7所示，为一根扫描后得到的岩心图片，图8所示：岩心图片中某一位置像素的光谱曲线。图8中，横向坐标：表示光谱波长范围,1000-2500nm；纵向坐标：表示反射率值0-1范围。
本发明提供了一种精细化岩心光谱成像扫描系统及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种精细化岩心光谱成像扫描系统，其特征在于，包括控制器(1)、多轴导向机构、旋转机构和成像光谱仪(8)；
所述成像光谱仪(8)位于旋转机构上方；
所述多轴导向机构与成像光谱仪(8)相连接；
所述控制器(1)与多轴导向机构相连接，并控制多轴导向机构横向与上下移动。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多轴导向机构包括悬挂支架(3)和直线导轨(5)；
所述悬挂支架(3)设置于直线导轨(5)上；
所述悬挂支架(3)与成像光谱仪(8)相连接；
所述控制器(1)连接并控制悬挂支架(3)在直线导轨(5)上横向移动，以及控制悬挂支架(3)上下伸缩移动。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述旋转机构包括双滚轮(11)、伺服电机(14)和联轴器(15)；
所述双滚轮(11)包括主动滚轮(12)和从动滚轮(13)；
所述主动滚轮(12)与伺服电机(14)通过联轴器(15)连接，控制器(1)连接并控制伺服电机(14)。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述主动滚轮(12)与从动滚轮(13)之间是水平且平行装配，主动滚轮(12)与从动滚轮(13)通过可调节的装配机构(16)连接。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述悬挂支架(3)包括第一伺服电机(18)、第二伺服电机(19)、滚珠丝杠组(20)和导轨固定架(22)；
其中，第一伺服电机(18)、第二伺服电机(19)、滚珠丝杠组(20)均设置在导轨固定架(22)上，所述导轨固定架(22)与直线导轨(5)相连接；
所述滚珠丝杆组(20)与成像光谱仪(8)相连接，第一伺服电机(18)带动滚珠丝杆组(20)，实现成像光谱仪(8)的上下伸缩移动。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括光源照明(9)，光源照明(9)设置于悬挂支架(3)上；
所述悬挂支架(3)还包括轴承法兰组(21)，光源照明(9)设置于轴承法兰组(21)上，第二伺服电机(19)连接并控制轴承法兰组(21)，实现轴承法兰组(21)的360°转动功能。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述轴承法兰组(21)包括轴承法兰(23)、直线电机和直线电机驱动伸缩杆(24)；
所述轴承法兰(23)包括上、下两个圆环，上圆环的上端与第二伺服电机(19)相连接，上圆环的下端通过直线电机驱动伸缩杆(24)与下圆环的上端相连接，
直线电机驱动伸缩杆(24)与直线电机相连接，直线电机控制直线电机驱动伸缩杆(24)实现上下伸缩功能；
光源照明(9)与下圆环通过角度调节件(25)相连接，角度调节件(25)上设置有微型伺服电机，微型伺服电机带动角度调节件(25)，实现光源照明(9)的角度调节。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括框架(7)；
所述框架(7)包括左端框架、右端框架、上端框架、下端框架，所述左端框架设置在上端框架和下端框架的左端，所述右端框架设置在上端框架和下端框架的右端，在框架(7)的左、右两侧和背面均设置有立板，在下端框架上设置有用于放置双滚轮(11)的支撑板，在上端框架上设置有用于放置控制器(1)的支撑板；
所述直线导轨(5)设置于上端框架上。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括观察门(2)和监视器(6)，观察门(2)设置于上端框架上，并与上端框架活动连接，观察门(2)能够打开或闭合；
在右端框架上设置有一横梁，监视器(6)设置于所述横梁上；
所述成像光谱仪(8)包括：VNI可见近红外、SWIR短波近红外、MIR中波红外、TIR热红外四种类型。
10.一种精细化岩心光谱成像扫描方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将被测物体(10)放置于双滚轮(11)上，被测物体(10)为岩心；
步骤2，根据被测物体视场及分辨率要求，通过控制器(1)调整成像光谱仪(8)上下位置和光源照明(9)的角度；
步骤3，预览调整后的效果，再启动双滚轮(11)运行，设置双滚轮(11)运行的速度，调整至图像清晰且图像无失真；
步骤4，如果仅获取岩心上表面图谱信息，双滚轮(11)不启动，通过控制器(1)控制成像光谱仪(8)在直线导轨(5)上横向移动，进行扫描，待扫描结束后，数据自动保存到计算机；
如果获取岩心全表面即360°图谱信息，双滚轮(11)启动，通过控制器(1)控制成像光谱仪(8)移至直线导轨(5)中间位置，进行扫描，待一圈扫描完系统自动停止，数据自动保存到计算机中；
步骤5，当系统运行时，观察门(4)是关闭状态，内部运行情况通过监视器(6)显示在外部的显示器上；
步骤6，打开扫描得到的数据，进行数据分析。
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