专利名称：便携式光栅定位岩芯图像扫描仪的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型涉及物体图像扫描技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种用于在勘探现场对钻探样芯进行扫描成像的便携式图像扫描仪器。
二背景技术：
钻探是勘测石油资源、矿产资源，考察建筑物地基土壤条件的重要手段。目前国内外常用环形钻来钻探获取样芯。样芯是地质工作人员获取地下地质信息的第一手资料，通过分析钻探取得的样芯，可以了解地层的主要物理机械性质(如硬度、密度、孔隙等)以及矿产储存。对于石油勘探从而可建立井底模式，为石油勘探和地理分析提供详实的数据资料。在石油勘探中，所钻取的样芯为岩芯。传统的岩芯处理方法是，将取得的岩芯经过整理装盒之后，放在岩芯库内进行保存、管理，供地质人员研究之用。但是由于频繁的采样、照相、观察和自然风化等因素，造成岩心错乱、损坏，使得岩芯资料的完整性和准确性均受到一定程度的影响，不利于岩芯资料的再利用。因此，在钻探现场采集和永久保留岩芯的物理状态就显得非常重要。宏观岩芯扫描技术就是在这种情况下提出与产生的。
岩芯扫描成像技术是通过图像扫描实现岩芯可视化，提供详细直观的岩心图像资料，借助于应用软件对岩心的粒度、裂缝等特征进行分析和研究。此项技术主要是运用岩芯扫描仪对岩芯进行连续数字照相或采用扫描头进行连续扫描，将采集到的信号送入微机进行软件拼接处理成像，成像后可以永久保存岩芯信息。岩芯经扫描和数字化处理后，可对岩芯开展深入细致地综合分析和研究。从沉积学方面，可对沉积相、沉积物源、沉积环境等进行分析，以及对有机物的分布、含量和油储进行分析研究；从构造学方面，可对结构、构造活动和变形等进行分析；从矿产资源方面，可对矿物成分、含量、成因和控矿条件等进行研究。岩芯扫描成像技术的应用，可避免建设岩芯库，岩芯经过图像处理和数字化处理，方便保存、调用。
岩芯扫描成像技术的核心是扫描仪。德国在20世纪80年代开发出了岩芯数字扫描仪，如德国DMT公司生产的牌名为CORDSCAN数字岩芯扫描仪。中国从1998年开始引进这种仪器。近年一些从事教学与科研的单位，如四川大学、江汉石油学院对岩芯扫描技术进行了研究开发，并生产出了型号为YXCJ-4岩芯图像扫描仪。现有技术的岩芯扫描仪，它们的工作原理基本都如附图1所示。图像由CCD摄像头(电荷偶合器件)或激光扫描头与图像采集卡完成。CCD摄像头的运动则由计算机和数控驱动系统操纵步进电机运转，经减速机构和运动执行机构完成。由计算机发出扫描命令，通过I/O接口板、数控驱动系统操纵步进电机旋转，再经减速器驱动运动执行机构，由位于执行机构上的CCD摄像头完成对岩芯的扫描；CCD摄像头扫描所得到的图像信息返回计算机，由计算机完成图像的拼接、缩放操作。成像机理所需的扫描运动是由数控系统、功放驱动器、步进电机、减速器、滚珠丝杆螺母和导轨滑块组成的运动执行机构来完成。目前这些运动单元机构均有成型产品，在体积上和重量上均难以小型化、轻型化。这也就导致了扫描仪整机体积大、重量重，难以实现野外操作。生产厂家为了适应野外操作，虽然采取了用新型材料生产仪器架等元件，但由于运动成像机理的限制，却难于实现仪器的便携式。现有技术的岩芯扫描仪由于体积大，重量重，基本上均为固定安装在实验室内的台式图像扫描仪，野外勘探获取的岩芯须送至远离钻探现场的实验室才能进行扫描成像。野外勘探地点一般不通路，即使通路一般也十分差，再加之路途远，因此岩芯在运送过程中易发生破碎。岩芯一旦破碎，不但扫描成像比较困难，更为重要的是扫描成像获得的信息不够完整与准确，从而导致在付出辛勤劳动获得的宝贵地质信息资料的利用价值大受影响，甚至会导致得到错误的结论。
三
发明内容
针对现有技术的图像扫描仪存在的不足，本实用新型的目的旨在提供一种运动成像机理不同于现有技术的图像扫描仪，在成像效果不低于现有技术扫描仪的条件下，其重量和体积可大幅度地降低，携带十分方便，可在勘探现场对钻探获取的样芯进行图像扫描的新型图像扫描仪。
本实用新型的发明人对现有技术的图像扫描仪进行了深入研究，找到了导致现有技术图像扫描仪体积大、重量重的原因是由于其图像摄像与扫描位移为一体化处理的成像机理所产生的结果。为了避免现有技术携带不方便这一不足，本实用新型采用了完全不同于现有技术图像扫描仪的成像机理，开创性地提出了以光栅精密定位，将图像摄像和扫描位移分离处理的成像机理。这也是本实用新型的最为主要的发明点。
为了实现本实用新型上述发明目的，图像扫描仪可以采取以下技术方案便携式光栅定位图像扫描仪，主要由仪器架、直线导轨与导轨相配置的移动构件、摄像头，光栅定位装置和便携式计算机构成。直线导轨安装在仪器架上，摄像头安置在移动构件上，光栅定位装置与被扫描物体对应设置，光栅定位装置和摄像头分别通过I/O接口和采集卡与便携式计算机电信号连接。
上述所说的直线导轨有两条，两条导轨位于同一水平面内且平行安置。直线导轨与移动构件通过滑动移动运动副配置在一起。
上述所说的摄像头，既可直接安装在移动构件上，也可间接地安装在移动构件上。当为间接安装时，可通过悬臂和立柱使摄像方向向下地安装在移动构件上。具体的安装方式可为立柱与移动构件固定安装在一起，摄像头直接固定安装在悬臂上，悬臂又与立柱固定安装在一起。为了使摄像头的空间位置能够调整，可以将立柱与移动构件之间的固定安装方式和立柱与悬臂之间的安装方式中的至少一处设计成是可以调整的，同时最好也将摄像头在悬臂上的安装方式也设计成是可以调整的。
上述所说的光栅定位装置可为通用的光栅定位装置，即由光栅动尺、光栅定尺、读数器和光电转换器构成。光栅的具体安装方式与被扫描成像物体的形状有关，当被扫描物体为平面物体时，其光栅动尺可设置在移动构件上，光栅定尺与光栅动尺相对应地设置在仪器架上；当被扫描物体为圆柱形物体时，光栅动尺可设置在转动结构件上，光栅定尺与光栅动尺相对应地设置在支架上。
上述所说的摄像头可以为CCD摄像头，即电荷偶合器件，也可以为激光扫描头。
本实用新型还设计有与图像扫描仪配套使用的用于放置被扫描物体的工作台。工作台的具体结构与被扫描物体的形状相关。当被扫描物体的形状为平面物体时，工作台可以采用平面结构的工作台；当被扫描物体为圆柱形物体时，工作台可设计成由底座和设置在底座上用于支承被扫描物体的两个平行安置的支承转辊构成。
本实用新型的便携式光栅定位图像扫描仪在工作时，设置在移动构件上的摄像头的移动采用手动完成，由便携式计算机通过光栅测量和记录安装摄像头的移动构件所在的精确位置，再由I/O接口板和串行口传给计算机。位置精度可达0.5微米。计算机通过采集卡向摄像头发出工作指令，摄像头采集序列图像。根据光栅记录的位移量通过成像拼接软件分别由计算机自动拼接重组岩芯图像。这种便携式光栅定位图像扫描仪由于采用了光栅精密位移测量技术，实现了图像和位移的分离处理，在成像机理上为便携式扫描仪的研发奠定了基础。它与原有图像扫描仪相比较，节省了大量为完成同步扫描所需要的运动控制硬件，如数控系统、驱动器、步进电机、减速器等。因此可以大幅度地减少图像扫描仪的体积和重量。
本实用新型使用的由计算机自动拼接图像的软件为四川大学开发出售的图像拼接软件。
本实用新型与已有技术相比具有以下比较突出的优点由于本实用新型的扫描仪是利用光栅精确定位扫描，实现了图像和位移的分离处理，摄像头的位移运动采用手动移动，从而摒弃了原有扫描仪成像机理所需扫描运动的控制系统和庞大的运动执行机构，即减少了数控系统、功放驱动器、步进电机、减速器，以及由滚珠丝杆、螺母组成的运动执行机构。使扫描仪体积减小和重量减轻，真正能作到便携，能在野外现场使用。这一点恰好是用户最需要的。由于结构大为简单，制作更为容易，因此，价格也大为降低。
本实用新型在扫描仪的运动原理上有所创新，即利用光栅精确定位扫描，保证了摄像头运动的准确定位，位置精度可达0.5微米，提高了扫描运动的定位精度。
采用光栅精确定位的硬件拼接技术和图像拼接软件进行图像拼接，方法可靠，而且拼接过程快捷，保证岩芯扫描仪实时图像拼接处理的要求。
本实用新型揭示的光栅精确定位扫描机理，它不仅可用于便携式岩芯扫描仪，而且也可用于其它便携式扫描仪。运动单元和控制单元均可制成分离模块，以利于分体携带，现场安装。
本实用新型的图像扫描仪可用于在石油、矿藏、建筑地基等勘探现场对钻探样芯进行图像扫描。也可用于对其他物体进行图像扫描。
四
附图1是现有技术的岩芯扫描仪的原理框图。
附图2是本实用新型的图像扫描仪的原理框图。
附图3是本实用新型的结构示意图。
附图4是附图3的A向结构示意图。
附图5是平面扫描物体的安放示意图。。
附图6是圆柱扫描物体的安放示意图。
在上述附图中，1-摄像头；2-立柱；3-移动构件；4-直线导轨；5-支承架；6-光栅动尺；7-光栅定尺；8-电信号插座；9-底座；10-安放平面扫描物体的附件；11-平面扫描物体；12-平面结构工作台；13-安放圆柱扫描物体的附件；14-圆柱扫描物体；15-圆光栅装置；16-支承转辊；17-电信号插座。
五具体实施方式
实施例1便携式光栅定位图像扫描仪的原理与结构如附图2、附图3和附图4所示，由仪器架、两条直线导轨4、通过滑动移动运动副与导轨配置一起的滑动移动构件3、CCD摄像头1、光栅定位装置和便携式计算机构成，CCD摄像头通过悬臂和立柱2安装在滑动移动构件3上。CCD摄像头具体安装方式为沿悬臂位置可以调整的且摄像方向向下的固定安装在悬臂上，悬臂与立柱固定安置在一起，而立柱上下可调地与滑动移动构件固定安装在一起，从而使CCD摄像头的空间位置可以调整。两条直线导轨4位于同一水平面内且相互平行地安装在仪器架的支架5上。光栅定位装置为直线位移光栅定位装置，其光栅动尺6设置在滑动移动构件上，光栅定尺7与光栅动尺相对应地设置在仪器架的底座9上，读数器读取的光信号由光电转换器转换成电信号，由电信号输出插座8经I/O接口和串行口与便携式计算机接通。CCD摄像头通过ISA采集卡与便携式计算机接通。与图像扫描仪配套使用的用的附件为安放平面被扫描物体的附件10。被扫描物体为平面物体11，安放在平面结构的工作台12上，被扫描平面物体位于摄像头的下方。被扫描物体的安放状态如附图4-2所示。操纵计算机自动进行图像拼接的软件采用的是四川大学开发出售的图像拼接软件。
实施例2本施例的便携式光栅定位图像扫描仪的主体部分与实施例1基本相同，所不同的之一是光栅定位装置为角位移圆光栅定位装置，之二是与图像扫描仪主体配套使用的附件，本实施例所使用的附件为安放圆柱被扫描物体的附件13。如附图5所示。附件由支座和两个平行安置在支座上的支承转辊16构成，圆柱形被扫描物体14由两个支承转辊支承，用于测量圆柱形被扫描物体角位移动的圆光栅装置15的光栅动尺与被扫描物体安置在一起，光栅定尺与光栅动尺相对应地安装在工作台上，读数器读取的光信号由光电转换器转换成电信号，由设置工作台上电信号输出插座17，通过I/O接口、串行口与便携式计算机接通。
本实用新型的具体实施方式
不限于实施例所描述的形式。
权利要求1.一种便携式光栅定位岩芯图像扫描仪，其特征在于主要由仪器架、直线导轨、与导轨相配置的移动构件、摄像头、光栅定位装置和便携式计算机构成，直线导轨安装在仪器架上，摄像头安置在移动构件上，光栅定位装置与被扫描物体对应设置，光栅定位装置和摄取像头分别通过I/O接口和采集卡与便携式计算机电信号连接。
2.如权利要求1所述的便携式光栅定位岩芯图像扫描仪，其特征在于所说的直线导轨为两条位于同一水平面内且平行安置的导轨。
3.如权利要2所述的便携式光栅定位岩芯图像扫描仪，其特征在于直线导轨与移动构件通过滑动移动运动副配置在一起。
4.如权利要求1或2或3所述的便携式光栅定位岩芯图像扫描仪，其特征在于摄像头通过悬臂和立柱摄像方向向下地安装在移动构件上。
5.如权利要求4所述的便携式光栅定位岩芯图像扫描仪，其特征在于立柱与移动构件安装在一起，立柱与悬臂安装在一起，摄像头可沿悬臂调节安装位置地安装在悬臂上，且在立柱与移动构件之间和立柱与悬臂之间中之少一处的安装为能使摄像头的位置可上下调整。
6.如权利要求1或2所述的便携式光栅定位岩芯图像扫描仪，其特征在于所说光栅定位装置由光栅动尺、光栅定尺、读数器和光电转换器构成。
7.如权利要求6所述的便携式光栅定位岩芯图像扫描仪，其特征在于当被扫描成像的物体为平面物体时，光栅动尺设置在移动构件上，光栅定尺与光栅动尺相对应地设置在仪器架上。
8.如权利要求6所述的便携式光栅定位岩芯图像扫描仪，其特征在于当被扫描成像的物体为圆柱形物体时，光栅动尺设置在转动的物体上，光栅定尺与光栅动尺相对应地设置在支架上。
9.适应于权利要求1至8中任一个便携式光栅定位岩芯图像扫描仪的扫描物工作台，其特征在于工作台为平面结构的工作台。
10.适用于权利要求1至8中任一个便携式光栅定位岩芯图像扫描仪的扫描物工作台，其特征在于工作台由底座和设置在底座上用于支承圆柱形被扫描物的两个平行安置的支承转辊构成。
专利摘要本实用新型是一种便携式光栅定位岩芯图像扫描仪，主要由仪器架、直线导轨、与导轨相配置的移动构件、摄像头、光栅定位装置和便携式计算机等构成。摄像头安置在移动构件上，光栅定位装置和摄像头分别与便携式计算机电信号连接。本实用新型的主要技术特点是扫描摄像与位移运动分离处理，省去了已有技术图像扫描仪中的数控系统、功放驱动器、步进电机、减速器及由滚珠丝杆螺母组成的运动执行机构，使仪器的重量和体积大幅度减小，制造容易，价格降低。本实用新型可用于石油、矿藏、建筑地基等勘探过程中的钻探样芯的扫描成像。也可用于其他领域中的物体扫描成像。
文档编号G01N21/17GK2687661SQ200320104618
公开日2005年3月23日 申请日期2003年12月23日 优先权日2003年12月23日
发明者樊庆文, 王小龙, 侯力, 李国军, 肖华军, 马济永 申请人:四川大学