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数字化岩芯扫描仪关键技术研究

郑宝华  
【摘要】: 近年来,我国地质事业得到了长足发展,尤其是新技术新方法的应用推动了地质科研的进步。据调查,我国每年有上百万米的钻孔任务,产生大量岩芯,这些岩芯在编录后存入岩芯库房,利用率很低,造成大量的资源浪费。为了对岩芯进行分析和解决岩芯保存问题,对岩芯进行数字化扫描,将岩芯图像、岩芯光谱和元素含量等矿物数据和参数存储在计算机里,建成标准岩芯数据库,使用者可随时访问数据库进行地质信息分析,为地质研究和地质找矿提供便捷的方法。 数字化岩芯扫描仪由自动样品控制台模块、图像采集模块、光谱采集模块、元素信息采集模块、软件模块、结构工艺模块等组成。自动样品台实现三维定点,样品自动对焦和自动传送;图像采集利用高清相机,采集岩芯的图像信息,并实现图像无缝拼接;光谱采集模块实现矿物的光谱信息在线采集;元素信息采集模块实现元素的在线检测;软件模块分为底层控制软件和数据处理软件,实现矿物信息提取,矿物数据反演、定性和定量分析等。本文研究所完成的工作如下: (1)宽谱段光纤光谱仪子系统的光学设计。通过对光谱测量方法的讨论和比较,确定了基于反射模式进行光谱测量的方法,合理地选择了光源;通过光纤将漫反射光导入单色器,设计了光锥与光纤的接口;光路采用水平对称光路,全息平面光栅作为分光元件,通过理论计算得到光栅每毫米刻线为177条,通过理论计算和仿真合理地设计了光路,并实现900nm处分辨率优于5nm,在2500nm处分辨率达到了6nm;考虑到目前单个CCD器件不能覆盖400~2500nm宽谱段,采用多块响应在不同波段的CCD器件,提出利用三个CCD传感器拼接成400nm-2500nm波长范围的宽谱段光谱测量方法;为了减少像平面拼接时的能量损失,将光谱面分为三个光谱区域:400~900nm、900~1700nm、1700~2500nm,采用了全反射光学拼接方式,将三个波段的反射光反射到分别布置在三个面上的CCD探测器,缩小了体积。 (2)宽谱段光纤光谱仪子系统的电子学设计。根据不同的谱段合理地选择了CCD探测器,即探测器S3924-512Q探测波长范围400~900nm谱段,探测器G9214-512S探测波长范围900~1700nm谱段,探测器G9208-256W探测波长范围1700~2500nm谱段;采用CPLD设计了三个CCD的驱动电路;根据设计指标要求,设计了以AD9243为核心的ADC电路,通过合理布线和接地,采样值在8196~8199范围内时波动范围在±1.5位以内;由于图像的数据量庞大,设计了USB2.0的通讯系统,USB2.0通讯系统是以CY7C68013单片机为核心,进行了固件、驱动和应用程序接口的编程。最后对宽谱段光纤光谱仪子系统进行了测试。 (3)通过对X射线光源和X射线探测器的分析和探讨,荧光仪子系统采用了微型X射线管MAGNUM,电制冷的Si-PIN探测器XR-100CR实现元素的定性和半定量测量;由于信号的动态范围大,同时为了实现放大器线性补偿的需要,设计了增益调节范围应为20到1000倍的宽带放大器,放大器采用低噪声JFET管,差动式结构输入,采用新型压控放大器AD603实现增益调节,通过合理的布线和补偿,放大器的增益实现20~1000连续可调、带宽优于5MHz、线性良好;设计了以AD9224模数转换器为核心的高速ADC电路,采样速率达到20Mbps。 (4)X射线荧光仪子系统的高压电源设计。设计了采用VMOS功率场效应管作为开关元件,采用它激式高效逆变器,后级采用倍压整流,输出40KV、50 uA的高压电源;采用有源功率因数校正技术,将输入电流校正成为与输入电压同相位且不失真的正弦波,从而使功率因数接近1,提高了电源的效率;反馈补偿采用复合补偿方式,同时采用PID算法,达到高稳定电压输出。 (5)X射线荧光仪子系统的多道脉冲幅度分析器设计。采用自顶向下的全新的设计思路,采用高速FPGA器件实现多道脉冲幅度分析器的设计,实现了脉冲成形、基线恢复、修正补偿等全数字化设计;设计了数字比较器、数字滞回比较器,采用多级缓存的流水模式实现脉冲幅度的提取;采用拉格朗日插值实现脉冲峰值的拟合,提高了能量分辨率。 在研究和解决以上问题时,本文所提出的创新点如下: (1)本文提出采用光、机、电一体化技术,结合岩芯特点,对岩芯图像、矿物光谱信息和元素含量进行在线检测并数字化的全新设计思路。首次实现了将小荧光分析技术与岩芯扫描相结合,实现岩芯扫描的自动化。成功研制了我国第一台集图像采集、光谱采集、元素含量分析的全数字化岩芯扫描仪样机。 (2)采用一套光路和三个探测器立体拼接实现波长范围为400nm-2500nm的宽谱段测量,这一谱段涵盖了可见光到近红外波长。由于采用一套光路、光纤传输及全反射光路设计,避免了透镜能量消耗,测量代表性强。特别是短波近红外能量损失较小,提高了整个波段的信噪比。 (3)多道脉冲幅度分析实现全数字化设计,免除了在模拟信号阶段对脉冲的成形、基线恢复、死时间修正等的处理。脉冲幅度检测采用了二次插值方法,使在相同的ADC采样速率下提高了能量的分辨率,脉冲幅度分析全部由FPGA来实现,满足了高计数率测量要求。由于FPGA实现了对脉冲的实时处理,避免了由于脉冲速率波动对测量所带来的影响,提高了荧光仪的分析精度。 在本文的研究成果基础上,成功试制出我国第一台集图像采集、光谱分析及元素信息采集于一体的数字化岩芯扫描仪样机。利用该岩芯扫描仪针对紫金山矿区钻孔ZK801的岩芯和德兴铜矿钻孔1902的岩芯进行实际扫描测试,重点分析了光谱仪子系统和X荧光仪子系统的应用情况,绘制了典型矿物的光谱曲线,建立了典型矿物的成矿模型。实测结果表明,数字化岩芯扫描仪在地质找矿和岩芯数字化管理领域具有较好的应用前景。


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