CN117191856A - 一种煤显微组分热应变数字图像测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤显微组分热应变数字图像测量装置及方法，装置包括加热系统和图像采集系统；加热系统由长方体热源和温度控制箱组成，长方体热源由紫铜材料制成，内部配有两个扁平状加热棒和三个温度传感器；加热棒与温度传感器与温度控制箱相连，加热温度为室温～500℃，控制精度为±1℃；温度控制箱能够实现精准控温，维持目标温度、三个传感器温度一致化。图像采集系统由高精度灰度相机和数字图像处理系统组成，灰度相机能够实时拍摄加热过程中试样上表面灰度图像；数字处理系统能够实时存储不同时刻试样灰度图像，并进行黑白散斑位移和应变计算；灰度相机配备无影灯，提供光源且消除阴影。
Description
技术领域
本发明属于煤层气开发技术领域，具体涉及一种煤显微组分热应变数字图像测量装置及方法。
背景技术
煤是由不同有机和无机物质组成并发育复杂孔裂隙系统的混合物，其物理性质主要受显微组成的影响。近年来，关于煤加热改造的研究受到广泛的关注。加热处理后煤体中能够形成有效的裂隙通道，渗透率增大，这主要是热应力积聚和耗散导致的。煤显微组分吸热产生差异膨胀或收缩是热应力产生的主要原因，应变是其主要表现形式。
目前测量煤应力—应变的手段如三轴、单轴压缩法或应变片法均无法精确到显微组分，且无法直接观察到煤体中不同显微组分的应变分布。
因此，寻找一种新的煤显微组分热应变测量方法有助于推进对煤热作用的研究，对揭示煤热改造机理具有重要意义。
发明内容
本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种煤显微组分热应变数字图像测量装置及方法，能够在细观尺度上针对煤显微组分进行应变测量，能够实现加热过程中煤表面应变分布的可视化。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
一种煤显微组分热应变数字图像测量装置，所述装置包括：加热系统和图像采集系统；所述加热系统包括：温度控制箱和平板热源；所述平板热源响应于所述温度控制箱的控制，所述图像采集系统包括：高精度灰度相机和数字图像采集处理系统，所述高精度灰度相机实时采集加热过程平板热源上的试样上表面灰度图像，所述数字处理系统能够实时存储不同时刻试样灰度图像，并进行黑白散斑位移和应变计算。
进一步，所述平板热源内设置安装有扁平加热棒和温度传感器，所述温度控制箱电性连接所述扁平加热棒和温度传感器。
进一步，所述高精度灰度相机上安装有无影灯，通过无影灯提供光源且消除阴影。
进一步，所述高精度灰度相机通过三脚架固定安装。
一种煤显微组分热应变数字图像测量方法，所述方法应用于上述任一所述的一种煤显微组分热应变数字图像测量装置，所述方法包括：
步骤一：将试样加工为50mm×50mm×5mm的圆柱状，其中圆柱样品上下表面垂直层理方向，且应打磨平整、光滑，并标记层理方向；
步骤二：对干燥的样品进行镜下显微观察和CT扫描，识别和表征显微组分的类别和空间分布特征；
步骤三：将加工后的样品进行低温干燥处理，干燥温度105℃，干燥时间24h；
步骤四：使用油漆喷枪进行随机散斑制造，散斑原材料为白色高温纳米涂料，喷洒涂料前应在黑色卡纸上进行效果观察，单个散斑大小达到微米级最佳；
步骤五：设置目标实验温度，打开加热开关，等平板热源达到目标温度且稳定后进行步骤六；
步骤六：打开高精度灰度相机，打开无影灯，设置图像采集间隔，开始拍摄；
步骤七：标记好试样方位，将试样放置在平板热源中心，保证试样下表面完全在平板热源表面内；
步骤八：经过5～10分钟后，关闭加热开关，停止加热，同时停止图像采集；
步骤九：导出加热过程中试样灰度图像，标注图像采集顺序；
步骤十：使用Matlab软件中的开源程序ncorr-2D进行图像处理与应变分析；
步骤十一：改变平板热源温度，更换试样，重复步骤五～十，最后导出结果，对比试样显微组分分布图读取各显微组分在加热过程中的应变，再进行分析。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明在煤CT识别显微组分及表征其空间分布特征的基础上，借助数字图像处理和计算方法得到不同加热温度作用过程中任意时刻煤表面黑白散斑的位移和应变，进而得到显微组分在不同加热温度下产生形变的过程。
附图说明
图1为本发明一种煤显微组分热应变数字图像测量装置示意图；
图2为本发明实施例提供的试样显微组分空间分布图，黑色、灰黑色代表镜质组，灰白色代表惰质组；
图3为本发明实施例提供的表面附着微米级随机散斑的试样示意图；
图4本发明实施例提供的试样在300℃加热下某时刻随机散斑位移分布图；
图5本发明实施例提供的试样在300℃加热下某时刻随机散斑应变分布图。
附图标记：
1—温度控制箱，2—平板热源，3—高精度灰度相机，4—三脚架，5—无影灯，6—数字图像采集处理系统，7—试样，8—扁平加热棒，9—温度传感器。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1：
一种煤显微组分热应变数字图像测量装置，包括加热系统和图像采集系统。加热系统由长方体热源和温度控制箱组成，长方体热源由紫铜材料制成，内部配有两个扁平状加热棒和三个温度传感器；加热棒与温度传感器与温度控制箱相连，加热温度为室温～500℃，控制精度为±1℃；温度控制箱能够实现精准控温，维持目标温度、三个传感器温度一致化。图像采集系统由高精度灰度相机和数字图像处理系统组成，灰度相机能够实时拍摄加热过程中试样上表面灰度图像；数字处理系统能够实时存储不同时刻试样灰度图像，并进行黑白散斑位移和应变计算；灰度相机配备无影灯，提供光源且消除阴影。
实施例2：
本实施例2应用于实施例1一种煤显微组分热应变数字图像测量装置，本实施例一种煤显微组分热应变数字图像测量方法包括以下步骤：
一种煤显微组分热应变数字图像测量方法，所述方法应用于上述任一所述的一种煤显微组分热应变数字图像测量装置，所述方法包括：
步骤一：将试样7加工为50mm×50mm×5mm的圆柱状，其中圆柱样品上下表面垂直层理方向，且应打磨平整、光滑，并标记层理方向；
步骤二：对干燥的样品进行镜下显微观察和CT扫描，识别和表征显微组分的类别和空间分布特征；
步骤三：将加工后的样品进行低温干燥处理，干燥温度105℃，干燥时间24h；
步骤四：使用油漆喷枪进行随机散斑制造，散斑原材料为白色高温纳米涂料，喷洒涂料前应在黑色卡纸上进行效果观察，单个散斑大小达到微米级最佳；
步骤五：设置目标实验温度，打开加热开关，等平板热源2达到目标温度且稳定后进行步骤六；
步骤六：打开高精度灰度相机3，打开无影灯5，设置图像采集间隔，开始拍摄；
步骤七：标记好试样7方位，将试样7放置在平板热源2中心，保证试样7下表面完全在平板热源2表面内；
步骤八：经过5～10分钟后，关闭加热开关，停止加热，同时停止图像采集；
步骤九：导出加热过程中试样7灰度图像，标注图像采集顺序；
步骤十：使用Matlab软件中的开源程序ncorr-2D进行图像处理与应变分析；
步骤十一：改变平板热源2温度，更换试样，重复步骤五～十，最后导出结果，对比试样7显微组分分布图读取各显微组分在加热过程中的应变，再进行分析。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，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做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (5)
1.一种煤显微组分热应变数字图像测量装置，其特征在于，所述装置包括：加热系统和图像采集系统；所述加热系统包括：温度控制箱(1)和平板热源(2)；所述平板热源(2)响应于所述温度控制箱(1)的控制，所述图像采集系统包括：高精度灰度相机(3)和数字图像采集处理系统(6)，所述高精度灰度相机(3)实时采集加热过程平板热源(2)上的试样(7)上表面灰度图像，所述数字处理系统(6)能够实时存储不同时刻试样灰度图像，并进行黑白散斑位移和应变计算。
2.根据权利要求1所述的一种煤显微组分热应变数字图像测量装置，其特征在于，所述平板热源(2)内设置安装有扁平加热棒(8)和温度传感器(9)，所述温度控制箱(1)电性连接所述扁平加热棒(8)和温度传感器(9)。
3.根据权利要求1所述的一种煤显微组分热应变数字图像测量装置，其特征在于，所述高精度灰度相机(3)上安装有无影灯(5)，通过无影灯(5)提供光源且消除阴影。
4.根据权利要求3所述的一种煤显微组分热应变数字图像测量装置，其特征在于，所述高精度灰度相机(3)通过三脚架固定安装。
5.一种煤显微组分热应变数字图像测量方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-4中任一所述的一种煤显微组分热应变数字图像测量装置，所述方法包括：
步骤一：将试样(7)加工为50mm×50mm×5mm的圆柱状，其中圆柱样品上下表面垂直层理方向，且应打磨平整、光滑，并标记层理方向；
步骤二：对干燥的样品进行镜下显微观察和CT扫描，识别和表征显微组分的类别和空间分布特征；
步骤三：将加工后的样品进行低温干燥处理，干燥温度105℃，干燥时间24h；
步骤四：使用油漆喷枪进行随机散斑制造，散斑原材料为白色高温纳米涂料，喷洒涂料前应在黑色卡纸上进行效果观察，单个散斑大小达到微米级最佳；
步骤五：设置目标实验温度，打开加热开关，等平板热源(2)达到目标温度且稳定后进行步骤六；
步骤六：打开高精度灰度相机(3)，打开无影灯(5)，设置图像采集间隔，开始拍摄；
步骤七：标记好试样(7)方位，将试样(7)放置在平板热源(2)中心，保证试样(7)下表面完全在平板热源(2)表面内；
步骤八：经过5～10分钟后，关闭加热开关，停止加热，同时停止图像采集；
步骤九：导出加热过程中试样(7)灰度图像，标注图像采集顺序；
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