專利名稱：便攜式光柵定位巖芯圖像掃描儀的制作方法
專利說(shuō)明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型涉及物體圖像掃描技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本實(shí)用新型涉及一種用于在勘探現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆探樣芯進(jìn)行掃描成像的便攜式圖像掃描儀器。
二背景技術(shù)：
鉆探是勘測(cè)石油資源、礦產(chǎn)資源，考察建筑物地基土壤條件的重要手段。目前國(guó)內(nèi)外常用環(huán)形鉆來(lái)鉆探獲取樣芯。樣芯是地質(zhì)工作人員獲取地下地質(zhì)信息的第一手資料，通過(guò)分析鉆探取得的樣芯，可以了解地層的主要物理機(jī)械性質(zhì)(如硬度、密度、孔隙等)以及礦產(chǎn)儲(chǔ)存。對(duì)于石油勘探從而可建立井底模式，為石油勘探和地理分析提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)資料。在石油勘探中，所鉆取的樣芯為巖芯。傳統(tǒng)的巖芯處理方法是，將取得的巖芯經(jīng)過(guò)整理裝盒之后，放在巖芯庫(kù)內(nèi)進(jìn)行保存、管理，供地質(zhì)人員研究之用。但是由于頻繁的采樣、照相、觀察和自然風(fēng)化等因素，造成巖心錯(cuò)亂、損壞，使得巖芯資料的完整性和準(zhǔn)確性均受到一定程度的影響，不利于巖芯資料的再利用。因此，在鉆探現(xiàn)場(chǎng)采集和永久保留巖芯的物理狀態(tài)就顯得非常重要。宏觀巖芯掃描技術(shù)就是在這種情況下提出與產(chǎn)生的。
巖芯掃描成像技術(shù)是通過(guò)圖像掃描實(shí)現(xiàn)巖芯可視化，提供詳細(xì)直觀的巖心圖像資料，借助于應(yīng)用軟件對(duì)巖心的粒度、裂縫等特征進(jìn)行分析和研究。此項(xiàng)技術(shù)主要是運(yùn)用巖芯掃描儀對(duì)巖芯進(jìn)行連續(xù)數(shù)字照相或采用掃描頭進(jìn)行連續(xù)掃描，將采集到的信號(hào)送入微機(jī)進(jìn)行軟件拼接處理成像，成像后可以永久保存巖芯信息。巖芯經(jīng)掃描和數(shù)字化處理后，可對(duì)巖芯開展深入細(xì)致地綜合分析和研究。從沉積學(xué)方面，可對(duì)沉積相、沉積物源、沉積環(huán)境等進(jìn)行分析，以及對(duì)有機(jī)物的分布、含量和油儲(chǔ)進(jìn)行分析研究；從構(gòu)造學(xué)方面，可對(duì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造活動(dòng)和變形等進(jìn)行分析；從礦產(chǎn)資源方面，可對(duì)礦物成分、含量、成因和控礦條件等進(jìn)行研究。巖芯掃描成像技術(shù)的應(yīng)用，可避免建設(shè)巖芯庫(kù)，巖芯經(jīng)過(guò)圖像處理和數(shù)字化處理，方便保存、調(diào)用。
巖芯掃描成像技術(shù)的核心是掃描儀。德國(guó)在20世紀(jì)80年代開發(fā)出了巖芯數(shù)字掃描儀，如德國(guó)DMT公司生產(chǎn)的牌名為CORDSCAN數(shù)字巖芯掃描儀。中國(guó)從1998年開始引進(jìn)這種儀器。近年一些從事教學(xué)與科研的單位，如四川大學(xué)、江漢石油學(xué)院對(duì)巖芯掃描技術(shù)進(jìn)行了研究開發(fā)，并生產(chǎn)出了型號(hào)為YXCJ-4巖芯圖像掃描儀?，F(xiàn)有技術(shù)的巖芯掃描儀，它們的工作原理基本都如附圖1所示。圖像由CCD攝像頭(電荷偶合器件)或激光掃描頭與圖像采集卡完成。CCD攝像頭的運(yùn)動(dòng)則由計(jì)算機(jī)和數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)操縱步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)減速機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成。由計(jì)算機(jī)發(fā)出掃描命令，通過(guò)I/O接口板、數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)操縱步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由位于執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的CCD攝像頭完成對(duì)巖芯的掃描；CCD攝像頭掃描所得到的圖像信息返回計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成圖像的拼接、縮放操作。成像機(jī)理所需的掃描運(yùn)動(dòng)是由數(shù)控系統(tǒng)、功放驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、減速器、滾珠絲桿螺母和導(dǎo)軌滑塊組成的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成。目前這些運(yùn)動(dòng)單元機(jī)構(gòu)均有成型產(chǎn)品，在體積上和重量上均難以小型化、輕型化。這也就導(dǎo)致了掃描儀整機(jī)體積大、重量重，難以實(shí)現(xiàn)野外操作。生產(chǎn)廠家為了適應(yīng)野外操作，雖然采取了用新型材料生產(chǎn)儀器架等元件，但由于運(yùn)動(dòng)成像機(jī)理的限制，卻難于實(shí)現(xiàn)儀器的便攜式?，F(xiàn)有技術(shù)的巖芯掃描儀由于體積大，重量重，基本上均為固定安裝在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的臺(tái)式圖像掃描儀，野外勘探獲取的巖芯須送至遠(yuǎn)離鉆探現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)室才能進(jìn)行掃描成像。野外勘探地點(diǎn)一般不通路，即使通路一般也十分差，再加之路途遠(yuǎn)，因此巖芯在運(yùn)送過(guò)程中易發(fā)生破碎。巖芯一旦破碎，不但掃描成像比較困難，更為重要的是掃描成像獲得的信息不夠完整與準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致在付出辛勤勞動(dòng)獲得的寶貴地質(zhì)信息資料的利用價(jià)值大受影響，甚至?xí)?dǎo)致得到錯(cuò)誤的結(jié)論。
三
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的圖像掃描儀存在的不足，本實(shí)用新型的目的旨在提供一種運(yùn)動(dòng)成像機(jī)理不同于現(xiàn)有技術(shù)的圖像掃描儀，在成像效果不低于現(xiàn)有技術(shù)掃描儀的條件下，其重量和體積可大幅度地降低，攜帶十分方便，可在勘探現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆探獲取的樣芯進(jìn)行圖像掃描的新型圖像掃描儀。
本實(shí)用新型的發(fā)明人對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的圖像掃描儀進(jìn)行了深入研究，找到了導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)圖像掃描儀體積大、重量重的原因是由于其圖像攝像與掃描位移為一體化處理的成像機(jī)理所產(chǎn)生的結(jié)果。為了避免現(xiàn)有技術(shù)攜帶不方便這一不足，本實(shí)用新型采用了完全不同于現(xiàn)有技術(shù)圖像掃描儀的成像機(jī)理，開創(chuàng)性地提出了以光柵精密定位，將圖像攝像和掃描位移分離處理的成像機(jī)理。這也是本實(shí)用新型的最為主要的發(fā)明點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型上述發(fā)明目的，圖像掃描儀可以采取以下技術(shù)方案便攜式光柵定位圖像掃描儀，主要由儀器架、直線導(dǎo)軌與導(dǎo)軌相配置的移動(dòng)構(gòu)件、攝像頭，光柵定位裝置和便攜式計(jì)算機(jī)構(gòu)成。直線導(dǎo)軌安裝在儀器架上，攝像頭安置在移動(dòng)構(gòu)件上，光柵定位裝置與被掃描物體對(duì)應(yīng)設(shè)置，光柵定位裝置和攝像頭分別通過(guò)I/O接口和采集卡與便攜式計(jì)算機(jī)電信號(hào)連接。
上述所說(shuō)的直線導(dǎo)軌有兩條，兩條導(dǎo)軌位于同一水平面內(nèi)且平行安置。直線導(dǎo)軌與移動(dòng)構(gòu)件通過(guò)滑動(dòng)移動(dòng)運(yùn)動(dòng)副配置在一起。
上述所說(shuō)的攝像頭，既可直接安裝在移動(dòng)構(gòu)件上，也可間接地安裝在移動(dòng)構(gòu)件上。當(dāng)為間接安裝時(shí)，可通過(guò)懸臂和立柱使攝像方向向下地安裝在移動(dòng)構(gòu)件上。具體的安裝方式可為立柱與移動(dòng)構(gòu)件固定安裝在一起，攝像頭直接固定安裝在懸臂上，懸臂又與立柱固定安裝在一起。為了使攝像頭的空間位置能夠調(diào)整，可以將立柱與移動(dòng)構(gòu)件之間的固定安裝方式和立柱與懸臂之間的安裝方式中的至少一處設(shè)計(jì)成是可以調(diào)整的，同時(shí)最好也將攝像頭在懸臂上的安裝方式也設(shè)計(jì)成是可以調(diào)整的。
上述所說(shuō)的光柵定位裝置可為通用的光柵定位裝置，即由光柵動(dòng)尺、光柵定尺、讀數(shù)器和光電轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。光柵的具體安裝方式與被掃描成像物體的形狀有關(guān)，當(dāng)被掃描物體為平面物體時(shí)，其光柵動(dòng)尺可設(shè)置在移動(dòng)構(gòu)件上，光柵定尺與光柵動(dòng)尺相對(duì)應(yīng)地設(shè)置在儀器架上；當(dāng)被掃描物體為圓柱形物體時(shí)，光柵動(dòng)尺可設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)件上，光柵定尺與光柵動(dòng)尺相對(duì)應(yīng)地設(shè)置在支架上。
上述所說(shuō)的攝像頭可以為CCD攝像頭，即電荷偶合器件，也可以為激光掃描頭。
本實(shí)用新型還設(shè)計(jì)有與圖像掃描儀配套使用的用于放置被掃描物體的工作臺(tái)。工作臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)與被掃描物體的形狀相關(guān)。當(dāng)被掃描物體的形狀為平面物體時(shí)，工作臺(tái)可以采用平面結(jié)構(gòu)的工作臺(tái)；當(dāng)被掃描物體為圓柱形物體時(shí)，工作臺(tái)可設(shè)計(jì)成由底座和設(shè)置在底座上用于支承被掃描物體的兩個(gè)平行安置的支承轉(zhuǎn)輥構(gòu)成。
本實(shí)用新型的便攜式光柵定位圖像掃描儀在工作時(shí)，設(shè)置在移動(dòng)構(gòu)件上的攝像頭的移動(dòng)采用手動(dòng)完成，由便攜式計(jì)算機(jī)通過(guò)光柵測(cè)量和記錄安裝攝像頭的移動(dòng)構(gòu)件所在的精確位置，再由I/O接口板和串行口傳給計(jì)算機(jī)。位置精度可達(dá)0.5微米。計(jì)算機(jī)通過(guò)采集卡向攝像頭發(fā)出工作指令，攝像頭采集序列圖像。根據(jù)光柵記錄的位移量通過(guò)成像拼接軟件分別由計(jì)算機(jī)自動(dòng)拼接重組巖芯圖像。這種便攜式光柵定位圖像掃描儀由于采用了光柵精密位移測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了圖像和位移的分離處理，在成像機(jī)理上為便攜式掃描儀的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。它與原有圖像掃描儀相比較，節(jié)省了大量為完成同步掃描所需要的運(yùn)動(dòng)控制硬件，如數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、減速器等。因此可以大幅度地減少圖像掃描儀的體積和重量。
本實(shí)用新型使用的由計(jì)算機(jī)自動(dòng)拼接圖像的軟件為四川大學(xué)開發(fā)出售的圖像拼接軟件。
本實(shí)用新型與已有技術(shù)相比具有以下比較突出的優(yōu)點(diǎn)由于本實(shí)用新型的掃描儀是利用光柵精確定位掃描，實(shí)現(xiàn)了圖像和位移的分離處理，攝像頭的位移運(yùn)動(dòng)采用手動(dòng)移動(dòng)，從而摒棄了原有掃描儀成像機(jī)理所需掃描運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)和龐大的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即減少了數(shù)控系統(tǒng)、功放驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、減速器，以及由滾珠絲桿、螺母組成的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。使掃描儀體積減小和重量減輕，真正能作到便攜，能在野外現(xiàn)場(chǎng)使用。這一點(diǎn)恰好是用戶最需要的。由于結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)單，制作更為容易，因此，價(jià)格也大為降低。
本實(shí)用新型在掃描儀的運(yùn)動(dòng)原理上有所創(chuàng)新，即利用光柵精確定位掃描，保證了攝像頭運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確定位，位置精度可達(dá)0.5微米，提高了掃描運(yùn)動(dòng)的定位精度。
采用光柵精確定位的硬件拼接技術(shù)和圖像拼接軟件進(jìn)行圖像拼接，方法可靠，而且拼接過(guò)程快捷，保證巖芯掃描儀實(shí)時(shí)圖像拼接處理的要求。
本實(shí)用新型揭示的光柵精確定位掃描機(jī)理，它不僅可用于便攜式巖芯掃描儀，而且也可用于其它便攜式掃描儀。運(yùn)動(dòng)單元和控制單元均可制成分離模塊，以利于分體攜帶，現(xiàn)場(chǎng)安裝。
本實(shí)用新型的圖像掃描儀可用于在石油、礦藏、建筑地基等勘探現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆探樣芯進(jìn)行圖像掃描。也可用于對(duì)其他物體進(jìn)行圖像掃描。
四

附圖1是現(xiàn)有技術(shù)的巖芯掃描儀的原理框圖。
附圖2是本實(shí)用新型的圖像掃描儀的原理框圖。
附圖3是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4是附圖3的A向結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖5是平面掃描物體的安放示意圖。。
附圖6是圓柱掃描物體的安放示意圖。
在上述附圖中，1-攝像頭；2-立柱；3-移動(dòng)構(gòu)件；4-直線導(dǎo)軌；5-支承架；6-光柵動(dòng)尺；7-光柵定尺；8-電信號(hào)插座；9-底座；10-安放平面掃描物體的附件；11-平面掃描物體；12-平面結(jié)構(gòu)工作臺(tái)；13-安放圓柱掃描物體的附件；14-圓柱掃描物體；15-圓光柵裝置；16-支承轉(zhuǎn)輥；17-電信號(hào)插座。
五具體實(shí)施方式
實(shí)施例1便攜式光柵定位圖像掃描儀的原理與結(jié)構(gòu)如附圖2、附圖3和附圖4所示，由儀器架、兩條直線導(dǎo)軌4、通過(guò)滑動(dòng)移動(dòng)運(yùn)動(dòng)副與導(dǎo)軌配置一起的滑動(dòng)移動(dòng)構(gòu)件3、CCD攝像頭1、光柵定位裝置和便攜式計(jì)算機(jī)構(gòu)成，CCD攝像頭通過(guò)懸臂和立柱2安裝在滑動(dòng)移動(dòng)構(gòu)件3上。CCD攝像頭具體安裝方式為沿懸臂位置可以調(diào)整的且攝像方向向下的固定安裝在懸臂上，懸臂與立柱固定安置在一起，而立柱上下可調(diào)地與滑動(dòng)移動(dòng)構(gòu)件固定安裝在一起，從而使CCD攝像頭的空間位置可以調(diào)整。兩條直線導(dǎo)軌4位于同一水平面內(nèi)且相互平行地安裝在儀器架的支架5上。光柵定位裝置為直線位移光柵定位裝置，其光柵動(dòng)尺6設(shè)置在滑動(dòng)移動(dòng)構(gòu)件上，光柵定尺7與光柵動(dòng)尺相對(duì)應(yīng)地設(shè)置在儀器架的底座9上，讀數(shù)器讀取的光信號(hào)由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由電信號(hào)輸出插座8經(jīng)I/O接口和串行口與便攜式計(jì)算機(jī)接通。CCD攝像頭通過(guò)ISA采集卡與便攜式計(jì)算機(jī)接通。與圖像掃描儀配套使用的用的附件為安放平面被掃描物體的附件10。被掃描物體為平面物體11，安放在平面結(jié)構(gòu)的工作臺(tái)12上，被掃描平面物體位于攝像頭的下方。被掃描物體的安放狀態(tài)如附圖4-2所示。操縱計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行圖像拼接的軟件采用的是四川大學(xué)開發(fā)出售的圖像拼接軟件。
實(shí)施例2本施例的便攜式光柵定位圖像掃描儀的主體部分與實(shí)施例1基本相同，所不同的之一是光柵定位裝置為角位移圓光柵定位裝置，之二是與圖像掃描儀主體配套使用的附件，本實(shí)施例所使用的附件為安放圓柱被掃描物體的附件13。如附圖5所示。附件由支座和兩個(gè)平行安置在支座上的支承轉(zhuǎn)輥16構(gòu)成，圓柱形被掃描物體14由兩個(gè)支承轉(zhuǎn)輥支承，用于測(cè)量圓柱形被掃描物體角位移動(dòng)的圓光柵裝置15的光柵動(dòng)尺與被掃描物體安置在一起，光柵定尺與光柵動(dòng)尺相對(duì)應(yīng)地安裝在工作臺(tái)上，讀數(shù)器讀取的光信號(hào)由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由設(shè)置工作臺(tái)上電信號(hào)輸出插座17，通過(guò)I/O接口、串行口與便攜式計(jì)算機(jī)接通。
本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
不限于實(shí)施例所描述的形式。
權(quán)利要求1.一種便攜式光柵定位巖芯圖像掃描儀，其特征在于主要由儀器架、直線導(dǎo)軌、與導(dǎo)軌相配置的移動(dòng)構(gòu)件、攝像頭、光柵定位裝置和便攜式計(jì)算機(jī)構(gòu)成，直線導(dǎo)軌安裝在儀器架上，攝像頭安置在移動(dòng)構(gòu)件上，光柵定位裝置與被掃描物體對(duì)應(yīng)設(shè)置，光柵定位裝置和攝取像頭分別通過(guò)I/O接口和采集卡與便攜式計(jì)算機(jī)電信號(hào)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的便攜式光柵定位巖芯圖像掃描儀，其特征在于所說(shuō)的直線導(dǎo)軌為兩條位于同一水平面內(nèi)且平行安置的導(dǎo)軌。
3.如權(quán)利要2所述的便攜式光柵定位巖芯圖像掃描儀，其特征在于直線導(dǎo)軌與移動(dòng)構(gòu)件通過(guò)滑動(dòng)移動(dòng)運(yùn)動(dòng)副配置在一起。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的便攜式光柵定位巖芯圖像掃描儀，其特征在于攝像頭通過(guò)懸臂和立柱攝像方向向下地安裝在移動(dòng)構(gòu)件上。
5.如權(quán)利要求4所述的便攜式光柵定位巖芯圖像掃描儀，其特征在于立柱與移動(dòng)構(gòu)件安裝在一起，立柱與懸臂安裝在一起，攝像頭可沿懸臂調(diào)節(jié)安裝位置地安裝在懸臂上，且在立柱與移動(dòng)構(gòu)件之間和立柱與懸臂之間中之少一處的安裝為能使攝像頭的位置可上下調(diào)整。
6.如權(quán)利要求1或2所述的便攜式光柵定位巖芯圖像掃描儀，其特征在于所說(shuō)光柵定位裝置由光柵動(dòng)尺、光柵定尺、讀數(shù)器和光電轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求6所述的便攜式光柵定位巖芯圖像掃描儀，其特征在于當(dāng)被掃描成像的物體為平面物體時(shí)，光柵動(dòng)尺設(shè)置在移動(dòng)構(gòu)件上，光柵定尺與光柵動(dòng)尺相對(duì)應(yīng)地設(shè)置在儀器架上。
8.如權(quán)利要求6所述的便攜式光柵定位巖芯圖像掃描儀，其特征在于當(dāng)被掃描成像的物體為圓柱形物體時(shí)，光柵動(dòng)尺設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)的物體上，光柵定尺與光柵動(dòng)尺相對(duì)應(yīng)地設(shè)置在支架上。
9.適應(yīng)于權(quán)利要求1至8中任一個(gè)便攜式光柵定位巖芯圖像掃描儀的掃描物工作臺(tái)，其特征在于工作臺(tái)為平面結(jié)構(gòu)的工作臺(tái)。
10.適用于權(quán)利要求1至8中任一個(gè)便攜式光柵定位巖芯圖像掃描儀的掃描物工作臺(tái)，其特征在于工作臺(tái)由底座和設(shè)置在底座上用于支承圓柱形被掃描物的兩個(gè)平行安置的支承轉(zhuǎn)輥構(gòu)成。
專利摘要本實(shí)用新型是一種便攜式光柵定位巖芯圖像掃描儀，主要由儀器架、直線導(dǎo)軌、與導(dǎo)軌相配置的移動(dòng)構(gòu)件、攝像頭、光柵定位裝置和便攜式計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。攝像頭安置在移動(dòng)構(gòu)件上，光柵定位裝置和攝像頭分別與便攜式計(jì)算機(jī)電信號(hào)連接。本實(shí)用新型的主要技術(shù)特點(diǎn)是掃描攝像與位移運(yùn)動(dòng)分離處理，省去了已有技術(shù)圖像掃描儀中的數(shù)控系統(tǒng)、功放驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、減速器及由滾珠絲桿螺母組成的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使儀器的重量和體積大幅度減小，制造容易，價(jià)格降低。本實(shí)用新型可用于石油、礦藏、建筑地基等勘探過(guò)程中的鉆探樣芯的掃描成像。也可用于其他領(lǐng)域中的物體掃描成像。
文檔編號(hào)G01N21/17GK2687661SQ200320104618
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2003年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月23日
發(fā)明者樊慶文, 王小龍, 侯力, 李國(guó)軍, 肖華軍, 馬濟(jì)永 申請(qǐng)人:四川大學(xué)