基于數(shù)字電極技術(shù)的電法測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及勘探地球物理學(xué)一一地球物理儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是電法勘探測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在各類勘查地球物理方法中，電法測量是勘探地球物理學(xué)的重要分支，是變種和分支最多、應(yīng)用面最廣的方法，它的發(fā)展水平和工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、社會經(jīng)濟狀況以及其他學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步密切相關(guān)。隨著現(xiàn)代物理學(xué)、電子學(xué)、計算機和信號處理技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，電法測量無論在儀器研制，或是數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)與反演、解釋方法的研宄，都融合了先進(jìn)的科學(xué)理論和高新技術(shù)。然而，現(xiàn)有的高密度電法測量和層析成像系統(tǒng)仍存在一些不足之處，如測量裝置單一(每次測量僅能設(shè)置為溫納、斯倫貝謝、三極、或偶極等裝置)，測量的信息相對較少，現(xiàn)有高密度電法裝置僅能使用2D或2.5D測量(擬3D測量)，仍無法滿足3D測量等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]目前的高密度測量系統(tǒng)測量時僅能以一種裝置測量、信息量少，即同時測量溫納、斯倫貝謝、三級和偶極等裝置，另外，可進(jìn)行2D和3D測量等擬地震方式測量，針對現(xiàn)有電法測量系統(tǒng)亟待改進(jìn)之處，分析了高密度測量系統(tǒng)的陣列電極技術(shù)和地震勘探的數(shù)字檢波器思想，提出數(shù)字電極的概念，并設(shè)計了基于數(shù)字電極的電法測量系統(tǒng)。這種設(shè)計集成地球物理學(xué)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)等于一體，實現(xiàn)電法勘探測量的一次創(chuàng)新；它不僅用于電阻率、激發(fā)極化、相位以及頻譜激化(復(fù)電阻率)的等多種測量方法，而且可用于時間域或頻率域中的2D、3D電法勘探，并同時測量多種裝置的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)擬地震方式的電法勘探數(shù)據(jù)采集。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
包括數(shù)字電極設(shè)計和基于數(shù)字電極集成的電法測量系統(tǒng)等。
[0005]1、數(shù)字電極
數(shù)字電極的引入使新型多功能電法勘探系統(tǒng)設(shè)計得以實現(xiàn)，是新型多功能電法測量系統(tǒng)的核心，其結(jié)構(gòu)方式和通道容限決定著系統(tǒng)的整體性能與功能。技術(shù)上主要體現(xiàn)在將信號采集、數(shù)據(jù)存儲和通訊等功能分布在采集電極上。其設(shè)計思想來源于電阻率層析成像系統(tǒng)的陣列電極技術(shù)和現(xiàn)代地震勘探的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?，F(xiàn)代地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用數(shù)字檢波器加先進(jìn)的的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，在振幅校準(zhǔn)、溫度變化、重量、可靠性及時效的穩(wěn)定性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)動圈式檢波器，由于全數(shù)字輸出，有較好的電磁兼容性能，對于漏電不敏感，串音的影響也很小，能滿足上萬道的實時數(shù)據(jù)采集。數(shù)字電極融合了數(shù)字檢波器和電阻率層析成像采集系統(tǒng)的特征，實現(xiàn)了電法勘探的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一次創(chuàng)新。
[0006]數(shù)字電極集成了微處理芯片、信號轉(zhuǎn)換、現(xiàn)場總線、數(shù)據(jù)存儲和通訊轉(zhuǎn)發(fā)等模塊于一體，其結(jié)構(gòu)見說明書附圖1所示。數(shù)字電極和主機形成主從關(guān)系，接收主機指令，完成電極工作方式設(shè)定、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?數(shù)字電極技術(shù)相當(dāng)于地震勘探系統(tǒng)的數(shù)字電極，多道協(xié)同采集，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)直流高密度電法勘探的數(shù)據(jù)采集，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多種頻率域的數(shù)據(jù)采集，從而測量激發(fā)極化、相位、復(fù)電阻率的測量.數(shù)字電極與電阻率層析成像系統(tǒng)的陣列電極不同。層析成像系統(tǒng)陣列電極的開關(guān)盒僅接收主機開關(guān)指令碼，切換電極與電纜系統(tǒng)導(dǎo)通或斷開，從而實現(xiàn)電極通過電纜與測量主機的A、B、M或N極的連接；主機的的采集模塊實現(xiàn)信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、處理和數(shù)據(jù)存儲等。而數(shù)字電極不僅實現(xiàn)不同電極間的切換，而且也實現(xiàn)信號采集和存儲功能，主機與數(shù)字電極之間集成為主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；由于數(shù)字電極單道完成信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、處理等工作，抗電磁干擾能力大大增強，幾乎沒有串音干擾；另外，數(shù)字電極與主機之間完全數(shù)字通訊，克服了傳統(tǒng)的層析成像系統(tǒng)的長距離信號衰減、丟失和抗干擾等問題；此外，數(shù)字電極觀測裝置設(shè)定非常靈活，不僅可以滿足傳統(tǒng)的測量方法，而且每個數(shù)字電極能夠就是一個小型測量系統(tǒng)，并把所有數(shù)字電極測量數(shù)據(jù)傳回主機，解析出多種測量裝置的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多裝置、多參數(shù)的測量方法。
[0007]2、基于數(shù)字電極的電法測量系統(tǒng)
數(shù)字電極有獨立的地址；測量方式有兩種，一種是數(shù)字電極接收主機命令并控制多路開關(guān)接通測量大線中A、B、M極或斷開，數(shù)字電極自身接入大地一端為義極(η為數(shù)字電極的編號)，數(shù)字電極通過測量M N η之間電位差Usfa (可看做Um、UM2、UM3、Um4等)，并通過通訊系統(tǒng)傳回主機；另一種方式是所有數(shù)字電極測量與Α、B、Μ之間的電位差，經(jīng)過簡單的運算處理得到任意兩個電極之間電位差。
[0008]本發(fā)明專利的有益效果是:多個數(shù)字電極同時測量，主機通過簡單的運算處理可以獲得多種測量裝置(溫納、斯倫貝謝、三極或偶極等裝置)的信息，若數(shù)字電極同步性能一致(通過現(xiàn)場總線實時性能達(dá)到數(shù)字電極晶振時鐘一致)和不同的激發(fā)源(AB供電方式)，還可以測量相位差、激發(fā)極化和頻譜激化(復(fù)電阻率)等參數(shù)。利用一條測線可以進(jìn)行2D測量成像，若將AB任何一極放置無窮遠(yuǎn)處，采用多條測量方法，可以進(jìn)行3D測量成像。
【附圖說明】
[0009]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0010]圖1是本發(fā)明的電路原理結(jié)構(gòu)圖。
[0011]圖2基于數(shù)字電極的電法測量系統(tǒng)示意圖。
[0012]圖3基于數(shù)字電極的電法測量系統(tǒng)的采集方式說明圖。
[0013]圖4測量電纜線結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0014]在圖1中，中央處理器(arm、DSP或51等單片機)為核心(類似電腦的CPU部分)，他通過現(xiàn)場總線接收主機發(fā)送的命令，根據(jù)主機命令，中央處理器切換多路轉(zhuǎn)換開關(guān)使得接地電極與測量大線中的ABMN等端子接通，若多路開關(guān)接通了 N端子，中央處理器控制AD模塊測量N與A、B、M等端子之間的電位差，并暫存之Flash存儲器中，最后利用現(xiàn)場總線收發(fā)器通過現(xiàn)場總線發(fā)送至主機。
[0015]圖2是基于數(shù)字電極的電法測量系統(tǒng)，其中測量主機為PC機，主要功能包括人機交互、數(shù)據(jù)存儲、和野外測量數(shù)據(jù)預(yù)處理等，電源發(fā)生器主要產(chǎn)生電法測量中的供電電源等(AB供電部分)，根據(jù)測量需要采用直流方法、方波(頻譜、復(fù)電阻率方法等)或雙頻激發(fā)等，控制箱體為數(shù)字電極、PC主機與電源發(fā)生器的適配器的功能。
[0016]圖3為基于數(shù)字電極的電法測量方式的舉例說明示意圖。數(shù)字電極2接通A，數(shù)字電極9接通B，數(shù)字電極4接通M，其他數(shù)字電極與大線A、B、M斷開，其他任意數(shù)字電極可做N并測量M N之間的電位差；或者所有數(shù)字電極測量與A、B、M之間的電位差，數(shù)字電極I測量值為UalUblUml,同樣道理，其他數(shù)字電極測量Ua2Ub2Um2 ；Ua3Ub3Um3 ；…UalOUblOUmlO等;則數(shù)字電極3與6之間的電位差為:Ua3_Ua6 Ua3_Ua6或Um3_Um6 ;以此類推，可以同時得到任意兩個數(shù)字電極組合之間的電壓差。因此，通過所有電極的測量并通過簡單的計算，可同時獲得得到溫納裝置(A-M-N-B，電極之間間距相等)、斯倫貝謝裝置(A-MN-B, AB間距變化，麗間距不變)，偶極(AB-MN)等測量的數(shù)據(jù)。若把A極或B極通過延長線放置無窮遠(yuǎn)處，可以獲得3極測量方法，多個平行測線可以進(jìn)行3D測量成像等。
[0017]圖4為測量電纜線構(gòu)圖，電纜共有九根，兩根用作供電回路A、B的動力電纜，四根為供電與通信一體、同步性能高、抗干擾能力強(屏蔽層)現(xiàn)場總線(如DeviceNet現(xiàn)場總線技術(shù))用作供給數(shù)字電極的工作電源，必要的時候設(shè)置中繼站(通訊和供電擴展)，G為現(xiàn)成總線的屏蔽層，另外兩根分別命名為MN。
【主權(quán)項】
1.基于數(shù)字電極的高密度測量系統(tǒng)，包括數(shù)字電極(I)、連接在測量大線(2)和測量主機(3)，其特征在于:所述測量電極包括多個切換開關(guān)、繼電器、過載檢測電路、比較放大電路、控制電路、指示電路和延時復(fù)位電路，過載檢測電路包括電流互感器(等)、MCU、電壓測量模塊和通訊模塊等，工作時接收主機發(fā)送的命令，切換接地電極與測量大線的不同電纜芯；電纜芯即包括電法勘探供電電極A、B芯，也包括測量電極M、N，亦包括基于現(xiàn)場總線技術(shù)的通訊線纜(CAN總線或DevceNet總線等)；主機主要功能包括:人機交互、管理數(shù)字電極、管理電法勘探的大地供電電源AB、測量數(shù)據(jù)運算等功能。
2.數(shù)字電極是核心部分通過接收主機命令實現(xiàn)不同功能，主要包括切換至供電芯A、B、M、N或無窮遠(yuǎn)的公共極等，若接通電纜A芯，則改電極為電法勘探的A極，電壓測量模塊測量該電極與公共電極、B、M、N之間的電位差；同樣道理，改電極若接通B、M、N或無窮遠(yuǎn)的公共極，改電極就是相應(yīng)的電法勘探電極，電壓測量模塊分別測量與不同的電極的電位差；然后，測量電極將測量的信號通過電纜的通訊線傳輸至主機，主機通過運算，可以分別獲得電法勘探的多種測量裝置的數(shù)據(jù)，提供測量效率；數(shù)據(jù)電極可以無限擴展，每個電極具有獨立的識別號，并與測點對應(yīng)；若多條測線，可以實現(xiàn)電法勘探3D空間測量，獲得測區(qū)的立體測量資料。
【專利摘要】基于數(shù)字電極技術(shù)的電法測量系統(tǒng)。根據(jù)電阻率層析成像系統(tǒng)的陣列電極的特征和現(xiàn)代地震勘探采集系統(tǒng)的數(shù)字檢波器技術(shù)，提出了基于數(shù)字電極的電法測量系統(tǒng)設(shè)計，這種設(shè)計將實現(xiàn)電法測量的創(chuàng)新；說明書討論了數(shù)字電極的電路結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的總體設(shè)計、控制通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其他關(guān)鍵技術(shù)，基于數(shù)字電極的電法測量系統(tǒng)不僅用于可電阻率、激發(fā)極化、相位以及復(fù)電阻率的等多種方法，而且可用于時間域或頻率域中的3D電法勘探，由于每個數(shù)字電極都參與采集工作，所以可以同時測量多種測量裝置的數(shù)據(jù)，大大提高數(shù)據(jù)采集效率，從而實現(xiàn)擬地震方式的勘探。
【IPC分類】G01V3-00
【公開號】CN104656145
【申請?zhí)枴緾N201410663818
【發(fā)明人】李曉斌, 馮磊, 趙秋芳, 王恩營, 劉彥
【申請人】河南理工大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2014年11月20日