（电力电子与电力传动专业论文）工程电测ct仪系统研制.pdf

丁二程电测c f 仪系统研制 a b s t r a c t h i g hd e n s i t ye l e c t r i c a lp r o s p e c t i n g ，h i g h r e s o l u t i o na n de l e c t r i c a l p r o s p e c t i n gc ta r em a j o rs t u d y i n go b j e c t so ft h i sp r o j e c t d u r i n gt h ee n t i r ec o u r s e o fi n s t r u m e n tc i r c u i t ，d a t ac o l l e c t i n ga n dd i g i t a lp r o c e s s i n gt h ep r o j e c to f o v e r a l lr e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do u tr e l a t i v e l y o nt h eb a s i so fa n a l y s i so f s t u d y i n gt h eg a l v a n i cr e s i s t i v i t ym e t h o d ，i n t e ll i g e n te l e c t r o d ei d e ah a sb e e n s u g g e s t e d t h ei n t e l l i g e n te l e c t r o d ec o n t r o l l e db ys i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rw h i c h h a s t h ef u n c t i o n so fs a m p l i n g , s t o r i n ga n dc e m m u n i c a t i n g a tt h es a n l et i m e i n t e l l i g e n te l e c t r o d eh a s8e l e c t r o d e s ：b yl i n k i n g 鹧4 8 5c o m u n i c a t i o nc a b l ea n d n e t w o r kh o s t ，n e t w o r kh o s th a sl o t so ff u n c t i o n ss u c ha sp o w e rs o u r c e , t h ec o n t r o l o fp o w e rs o u r c e , s y s t e mw o r k i n gw a yo p t i o na n dd a t ac o m m u n i c a t i o n ，s t o c k i n ga n d s o0 1 2 n e t w o r kh o s t ，p o w e rs o u r c e ，n e t w o r kc a b l e ，i n t e l l i g e n te l e c t r o d ea n d e l e c t r o d e sf o r mt h ep r o j e c te l e c t r i c a lp r o s p e c t i n gc ts y s t e mw i t hf f i o r et h a n 1 0 0 0 c h a n n e l s t h ep a r a l l e ln e t w o r ke l e c t r i c a lp r o s p e c t i n gc o l l e c t i o ns y s t e mo f s y n c h r o n o u sc o ll e c t i o n ，m o n o e l e c t r o d es u p p l y i n gp o w e ra n dd i p o l es u p p l y i n gp o w e r h a sb e e nr e a l i z e d ：s y n c h r o n o u sa n dc o n t i n u o u sv o l t a g es a m p l i n gh a sb e e nc a r r i e d o u tw i t h i nn a t u r a lf i e l d ，p r i m r ye l e c t r i c a lf i e l da n ds e c o n d a r ye l e c t r i c a lf i e l d s a m p l i n go n c ec o m p l e t e sa l le q u i p m e n t sm e a s u r e t h ee l e c t r i c a lp r o s p e c t i n ga r r a y e x p l o r a t i o ne f f e c to fs i m u l a t i n gs e i s m i cw a v e sp r o s p e c t i n gh a sb e e nr e a c h e d t h e o b s e r v a t i o ns y s t e mf o rn e t w o r ke l e c t r i c a lp r o s p e c t i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t a e x p l a i n i n ga n de d i t i n ga r ea l s os t u d i e d f r o mt h eb e g i n n i n go fi n v e r s i o nt e c h n o l o g y o ft w od i m e n s i o n a le l e c t r i c a lp r o s p e c t i n g ，t h et e c h n i c a lc o u r s eo fo b s e r v a t i o n s y s t e mf o rn e t w o r ke l e c t r i c a lp r o s p e c t i n gh a sb e e ns u g g e s ti no r d e rt oo f f e r a d v a n c e dm e a n sf o rt h r e e d i m e n s i o n a le l e c t r i c a lp r o s p e c t i n g k e y w o r d s ：s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ；e l e c t r i c a lp r o s p e c t i n g ；i n t e l l i g e n t e l e c t r o d e ；d a t aa c q u i s i t i o n ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 工程电测c t 仪系统研制 1 1 电法勘探的发展概况 1 1 1 初期事件 第1 章绪论 电法勘探是一门新兴学科，其整个发展历程仅有约个半世纪。据文献记载，早在十 九世纪初，p 佛克斯首先在硫化金属矿e 观测到自然电流，并在1 8 3 5 年开始试图用电法 寻找金属矿，这便是早期的自然电场法，它是电：去j 捌# 滠先诞生的种分支方法。但当时 只是处于研究阶段，很不完善，未得到实际应用。约半个世纪后，卡尔巴努斯( 1 8 0 8 ) 才 在自然电场法中采用不极化电极。直到二十世纪初，世界许多国家工业迅速发展，对矿产 资源需求猛增，电法勘探才从研究领域走向应用阶段。后经不断完善发展，才较正规地投 入生产找矿( 施仑贝尔热，1 9 1 2 ) 。 利用人工场源的电阻率法勘探约在1 9 世纪末被提出来。如费歇于1 8 9 3 年在美国一个 矿床e 测得了电阻率异常。但当时也是初步的，到2 0 世纪初视电阻率的重要概念才被提出 来( 温纳和施伦贝尔热，1 9 1 5 年) ，并确立了两种分支方法：四极等间距的温纳氏法c e n n 盯 m e t h o d ) 和中间梯度法( m i d d l eg r a d i e n tm e t h o d ) 。 激发激化法( i n d u c e dp o l a r i z a t i o n ) 于1 9 2 0 年被旖伦贝尔热发现，达赫诺夫于1 9 4 1 年进行了深入的研究，赛格尔于1 9 4 9 年提出用激发激化法寻找漫染型硫化矿。此后形成了 激发激化方法，激电法被用于金属矿勘探。 美国工程师康克宁在1 9 1 7 年提出了电磁感瘦法，并在1 9 2 5 年首次取得地质效果。此 后备种分支电磁方法相继而生。 1 1 2 近期历史 回顾电法勖深的发展历史，在2 0 世纪初鬯离鸯牺塑! _ 论和应用方案己桫形成。以后年 代，在法国、前苏联、瑞典、加拿大及美国、英国等国家，地质勘探中电法应用越来越普 遍。目前，由于现代物理学、g a y - 学，特别是计算机技术匕的发展，大大促进了电阻率法 勘探的新技术、新方法、新仪器的发展，尤其是野外信息的数字化和资料的计算机处理， 使得电阻率法应用范围进一步扩大，地质效果更为明显。 在仪器方面：现在电法仪器都向小型化、轻便化、数字化、自动化、智能化和高效化 工程电铡c t 仪系统研制 等方向发展，使电法勘探应用范围进一步扩大，地质效果更明显。阵列电探的思想在2 0 世纪7 0 年代未有人开始考虑实施，英国学者所设计的电澳悯灞置系统实际e 就是阵列电探 的最初模式。2 0 世纪8 0 年代中期，日本地质计测株式会社曾借助搬转换实现了p 谚魄i 探的野外数胡溺集，由于熏咻设计不完善，这套设备没有充分发挥它的优越性。随后，同 本o y o 公司、美国g s s i 公司及z o n g e 公司、加拿大p k o e n i x 公司等相继开发出电法仪及新 一代多功能电测系统仪器，以及电阻率成像系统软件j 大大提高了电法勘探的效率。 在技术方面：目前，电法勘捅螨相邻学科的发展而必然相应得到发展，出现了一些 新技术新方法，主要有以下几种“1 ： 1 高密度电阻率i 去( h i 曲d e n s i t yr e s i s t i v i t ym e t h o d ) 吨采用了三电位电极系， 包括温纳四极、偶极、微分三极装置，它结合计算机技术，可广泛应用予场地地质调查， 坝基及桥墩选址等。 2 高分辨地电阻率法( h ig lr e s o l u t i o nr e s i s t i v t y i e t h o d ) 该方法起初用于探测 军事方面的洞体，后应用到探浸5 废矿巷道、岩溶等地1 ：洞。在探澳姚下洞体方面效果优于 其它方法。 3 激发极化法( i p ) 坨是应用最广和效果最好的类电法勘探方法，在找水、找油方 面取得了明显的效果。 4 频谱激电法( s i p ) 一又称复电阻率法。此法在金属矿床和油气勘察方面取得了明 显的找 旷效夥但对激电效应和电磁效应的分离、激电异常的评价并未完全解决，仍耍继 续研究。 5 瞬变电磁法( t 陇) 握近年来发展起来的屯法勘探分支方法，它除了具有电磁法 穿i 缡阻层自功强及人工漏撇，黜l 干亳嘴制、等优融卜删法还明显的具有断电后 观测纯二次场，可以进衔丘区观测，减少旁测影响，增强电性分辨基力。 6 可控商娩姚电磁法( c s a m r ) 它是7 旷- 8 0 年代国际嘶发屑踟种电法 l b j 剩亨浅由于浅懿基的探溯蝴渡较大( 通常可i 盘2 跳) ，且兼兵酐船i 和测深双! 戟顺， 因删黜内人士青睬。为了推动圆岍法的进哆发展，应；影坷院蝴融条件下， 由人工场源引起的各种复杂现象对双极源c s 册观测结果的影响规律和校正方法，提高观 测结果的解释水平。 7 探地雷达( g p r ) 它采用宽麴躔脉冲和高采样率，探溪4 的剁淬( i - e s o l u t i o n ) 高于j 孵掮触蝴理手段，随着电子工艺的通趔胡幽地管鞑有了轻便的仪器，它的实 际匣用范围也迅速扩大。理论研究方面，目前仍相对集中于信号处理。另外，探飚雷达图 像的正瞻判读和解释，始终是探地雷达工作者的项重要和艰巨的任务，今后仍作为重点 研究。 8 ，无线电波透视 护芑是黼嘲敲波在地下岩层中传j 鄱寸懒收关系，观测电磁 场场强h 信号的强弱，进行幅值能量反演，形成透视阴影异常，从而进行地质推断和解释a 坑透法在两巷道阃进行，电磁波在煤层传播中遇到介质电性变化时，电磁波被吸收或屏蔽， 接收旨号显著减弱或收不到有效信号，如沿巷道多点观测，则形成听谓的透视异常- 由于 2 工程电测c t 仪系统研制 受到井_ f 钓硼铷蝎瑚惭限，如金属支架、金属管道、铁轨及电缆等，井下巷道人工导体 设施对电磁波传播起到较强的干扰作用。但由于 妨法现场观测与资料处理简单，是目前 煤矿常用的方法。 9 岩性瓤4 深( p e t r os o n d e p s ) 该法在大深度e 显示出高分辨率和识别油、煤、 水的能力，但由于其发明公司( 美国g i 公司) 对其原理解释块乏说服力，其应用争议颇大。 1 1 3 我国电法勘探发展概况啊 我国电法勘探是在解放以后在党和国家的重 见下才得到迅速发展，尤其在金属矿勘探 中得到有效的应用。据资料，1 9 3 6 年丁毅等曾在安徽省当涂铁矿e 进行了电法试验工作。 其后，1 9 3 9 1 9 4 2 年间，顾功叙等在贵州水城县观音山铁矿e 进行过电法工作。他又在1 9 4 3 年同王子昌在云南会泽铅锌矿区及巧家县汤丹铜矿匕进行过自然电场法工作，1 9 4 5 年顾功 叙等还在贵，嘲赤章县铁矿e 进行过电法勘探。但这些工作规模均较小，而且多属试釜研究 性质。 全国解放后，电法勘探得到了十分迅速的发展，国家设置了领导和发展物探工作的专 门机构。在全国各主要的金属矿区、油田和煤田等调查上，开展了大规模的电法勘探工作。 如1 9 5 0 年，曾用电爵0 面法进行了生产。而且，为了扩大工作规模的需要，1 9 5 1 1 9 5 2 年 间，我国自制出大批的自然电翰揪式电位汁。从此，全国各探区使用各种剖面法、电 测深法以及自然电饧法等开展了大量的虫盘二 作。还僦中下游蜘壳4 蝴矿床t 进行 了强度法和感应法等交流电法的试睑和生产工作。自1 9 5 7 年起，在辽宁等n 个金裙矿区试 用了濑拔期眦法。至此，几乎当时国夕淅有的有效电法都在我国得到了应用。对我国的地 质找矿工作发挥了很大作用，起到了加速勘探进度，提高工作质量和降低生产成本的良好 效果，为我国找到了许多有用矿床。 近，1 寸年来，随着先进技术的弓l 进和数据处理技术的发展，更进步促进了电法技术 在我国的发展，各方面的经验也在逐渐成熟，水平不断提高。，并且，在许多新兴电法及新 型仪器研制等方面，也正在深入、全面的地开展研究，相信不久的将来将会取得更大的进 步。在：l | 崩僦匕，高密度电阻瘴眩、高分辨地电阻率法、激发| 榜 比法、大地电磁结等多 种方法不断得至婀谬和利用，在地面和井中都有突破。中南工业大学地球物理技术研究所 研制了双频双通道微机激电仪，具有两个相同的模拟通道，可以一次获得两个澳8 点的幅频 率，地矿部地质装备总公司技术中心研制了主要用于找水的脚一l 型大功率电测仪，它适用 于多种电阻率测量工作方式。重庆奔腾数控研究 濉出了其臀d d - i 型多功能数字激电仪， 集发射和接收亍体，可置2 1 个不同极磋嘴数，采集翔字储多种直删电参数。2 0 世 纪跚年代后期，我国地矿部系统率先开展了高密度电 去及其应用技7 瞄研究。从理论与实际 绔台的角度，进一嘲寸并完善了方i 去理论及存黼阎题，研制成了多种仪器。其中1 9 9 1 年鳓质学蟛 研制了g c - 1 加卜1 型高密度电阻率采肄系统，1 9 9 2 年地矿潮。电 开究所 u t 程电测c t 仪系统研制 推出了c c - 2 型多路转换器和m i r - 1 b 型多功能电测仪组成的系统，1 9 9 3 年该所又推出了由 m i s - 2 型多路转换器和m i r - 1 c 型多功能电测仪配套成的系统，1 9 9 5 年北京地质仪器厂和中 国地质大学( 北京) 合作推出了由d 【n 型电极转换器和d d j - 1 型多功能电额4 仪系统。世 纪之交，陕西渭南煤矿专用仪器设备厂在i d 3 的基础上生产出可置1 0 4 个电极的t 0 4 高密 度电法仪。进入2 l 世纪，中装集团重庞地质 ! ；c 器厂推出了可置1 2 0 个电极的d u k - 2 高密度 电法测量系统，该系统将高密度电法的测量装置扩展到1 4 种；吉林大学工程技术研究所先 后推出了e 6 0 b 高密度电阳率勘探仪、b 6 0 b n 高密度电阻率勘探仪、e 6 0 c 高密度电阻率勘探 仪，并开发出高密度电阻率处理软件。 2 0 世纪末的高密度电法仪，主要采用电极转换器，极线制进行串行供电测量，日 本o y o 公司、瑞典的a b 脚公司、法国的i r i s 公司、美国6 s s i 公司及z o n g e 公司、加拿大 p k o e n i x 公司都相继开发出高密度电法仪。目前世界e 具有最多实际电极数的高密度电法 仪是美国的a g i 公司于2 0 0 2 年f 亳推出了2 5 4 电极的s t i n g s w i f t 自动电法仪，a g i 公司在 2 0 0 3 年取得双重方式的自动多电极电缆专利( 专利号6 4 0 4 2 0 3 ) 后，推出了s u p e r s t i n g 型号的r 8 激发极化仪器，该仪器带8 个电极，通过s u p e r s t i n gr 1i p 地电仪主棚相连， 进行2 极供电，6 极测量系统，被认为是目前电法领域的场变革。 1 2 存在的问题 纵览电法勘探技术，自2 0 世纪8 0 年代高密度电法技术发展以来，电i 去i 捌尉支术得到 迅速发展和广泛应用，特别是各种数据处理技术发展迅速( 有限元法、有限差分法、n 中 心法、迭代拟合法等反演方法) ，各种处理软件相继开发。相比较可以发现，目前电法勘探 的发展水平得益于高密度电法仪的开发实现，没有硬件水平的支撑就没有后续技术的发展。 从辨正的观点看，软件技术发展同时，必将对硬件系统提出新的要求。高密度电法仪实现 了一次布极，由电极转换装置自动实现多种电极组合串行测量方式，其最大的特点是自动 电极转换器代替了人工依次跑极，与传统电削面、电测深方法相比是一次革命性的进步； 在不到2 0 年的时间里，高密度电法勘探雠实际中发挥了巨大的作用。但高密度f l 撒 并没有真正解决阵列电法的勘探设想，实际数据采集过程需要大量的时间去等待依次供电 测量过程的循环，与地震勘探相比目前的高密度电法数据采集还需进步发展，并行、海 量、高效数据采集是当前高密度电法系统的发展方向。 无论是常规直流电法勘探，还是高密度电法、高分辨电法勘探均需要逐点供电、逐点 测量，现场采集数据时间长，难以满足现代化建设和生产的需要。因此，有必要改进直流 电法勘探的数据采集方式，在保障数据采集密度的前提下缩短现场数据采集的时间。 工程电测c t 仪系统研制 1 3 本课题的研究内容及意义 1 3 1 主要研究内容 项目主要研究内容有以下三个方面： 1 深 理解现有直流电法勘探技术。以电剖面、电测深装置为基本出发点，对高密度、 高分辨电阻率法的施工方法原理，测量参数设置、野外数据采集及数据处理技术进行对比 分析研究。 2 完成工程电测c r 仪系统工作原理的建立、系统电路的设计以及e 下位机软件的编制。 工程电测c r 仪系统由网络控常蛀机、电缆、智能电极、电极、电源等构成，主仔腿过r s 一镐5 通讯总线与各电瞻瞳= 矗联系。主机的功能包括电源供给、演嘎 供电电涮空制、系统 工作方a 邀择、数据通讯、存储、处理等功能。智能电黼分布式开关与数据采集处理 2 个基本功能。 3 电去陡以实验与工程应用。研究工程电测c t 系统的揉测技术，包括电极布置、数据 采集和处嘎坊法。通过术瞪 测蓍i 、地面拢水、大姆 佥狈l 、裂隙探测、矿井瞄拦李工程实例 对工程电测c t 系统的应用进行研究。 1 3 2 本课题的意义 1 对社会、经济发展的现实意义 随善融能药镄皴钓日益加快，高层建筑、大型厂房、桥梁、机场、水坝、核电站和 港口码头等商际准、巨型工程项目的日益增多，从而对各项工程基础地质条f f 也提出了更高 的要求。快速、准确、有效地确定地下岩土体的工程特性，判别建筑物基础的稳定性，该 系统可以从电性参数上给予参考依据。 ， 电阻率参数可以监测、评估诸如岩溶塌陷、地面沉降、地裂缝、岩体滑坡、泥石流、 矿井突水等各种地质灾害，工程电澳4c t 仪系刻聊滥测、预测、防治各i 时哇电质灾害中起到 重要作用。同时对地下环境的变化与污染状态进行实时监测与预测。 特另是进入二十世纪，党和政府适时地提出了西部大开发战略，加快西部地区基础 建设的步伐，这就要求加大西部地区的工程地质勘察的力度；建设重点的转移要求有大量 的建设者涌入西部，生产生活用水将急居蝴加，探铡搠粥跏吓水的分布规律，寻j 蚵用 的地下水具有极其重要的现实意义。 经济和社会的发展、人f 生活的提高，需要消耗怂自勺1 广产资源。这就要求加大酽l 产 资源的勘察力度。经济建设和社会的持续发展、人们生活的提高对地球物理技术提出了更 高的要求。目前，三维地震勘探在油气、煤田等资源勘探中取主要作用，三维电法勘探也 必将在资源勘探中起到重要作用。 工程电测c t 仪系统研制 2 对科学进步的具有的深远意义 本课题研究的工程电测c t 仪是种全新电；去 矧剩鲥酾冁统，高效并行的海量数 据与自然场、一次场、二次场的全过程记录，将为电法反演提供更加完善的基础数据和完 备的边界与初至条件。 应用分布式并行智能电极采集系统研制的工程电测c t 仪，将传统的直流电法勘探中 的近2 0 种装置形式简化为单、偶极供电两种野外工作方法，大大简化了里矽 的工作形式， 使得野外施工简单化，将野外数据采集与后处理工作进行有效的分离，提高了区域勘探的 效率，节省了数据采集的成本。 该系统最大的特点在于对区域三维电法勘探的优势，类似于现在三维地震勘探对于地 球物理勘探学科的进步样，必将对学科的进步起到积极的作用。 由于直流电法勘探不需要大功率激发源和昂贵的一次仪表，在环垮l 监测和矿山水害监 测方法具有明显的应用前景，成千匕万的电极将实时监视地下水体的变化，使得矿山地下 的水体以三维地电数据体展现在生产调度屏上。这将为环境工程、矿山安全与开采等相关 学科带来新的方法和技术。 因此，工程电测c r 仪系统对地球物理勘探和资源与环境相关学科发展具有深远的意 义。 6 工程屯测c t 仪系统研制 第2 章高密度、高分辨电法勘探及电阻率c t 简介 2 1 高密度电阻率法技术研究 高密度电阻率法是集测深和剖面法于一 体的种多装置、多极距的组合方法，它具 有一次布极即可进行多装置数据采集以及通 过求取比值参数而能突出异常信息的特点。 2 0 世纪8 0 年代中期，日本地质计测株式 会社1 苷劫电极转换器首先实现了高密度电 法的野外数据采集。 高密度电阻率法可采用的主要装置 有：温纳对称四极装置( r a ) 图2 1 ；温 纳偶嬲( 酽8 ) 图2 2 ；温纳微黼( w - y ) 图2 3 ；温纳三极装置( w - a ) 图2 4 ；温 纳三极装置( w - b ) 图2 5 等5 种装置。可采用 其中种或八种装置来测量其视电阻率，对 于相同的电极系记录点位置相同。从装置形 式来看，高密度电阻率法同其他常规的电阻 率法没有多大差异，它们的基本原理相同， 都以电阻率的变化为基础。 高密度电阻率法勘探系统的基本特点 是：1 将全部电极布设在定间距的澳8 点上， 然后用多芯电缆通过由单片机控制的电极自 动换接装置连获到电法仪b2 测量时，由 单片机控制交换电极的排列方式和极距大小 _ f 二芦茸二 蚪， _ 譬b 。7 图2 i 温纳四极装置 o = 坚斗_ _ f 兰= 一睁_ j 图2 2 温纳偶极装置 f 芒专二卜， 图2 3 温身撤分装置 图2 4 温纳三极a 装置 羔三蔓妻 ，c = b l i _ f _ 喝) 毫 i 圈2 5 温纳三极b 装置 以及测点位置，自动完成各测点多极距、多装置形式的数据采集工作，并将投螳结果存贮 在电法仪内；3 犒带虢电法仪内的测量舞泻w 辅翕壅瞌觇内，在；微柳e 进行| 挑比值i 数、 计算各种统计误差等数据处理工作，最后根据需要绘制成不同形式的图件。 工程电测c t 仪系统研制 2 1 2 高密度电阻率法的测量过程 根据需要确定的测线位置，沿测线按一定间隔布置好电极，观测日帜需j 列用电极转换 开关，便可以将任意四个电极进行不同组合。利用高密度电阻率法，测点和深度记录点断 面分布如图2 6 所示。 图2 6 测点和深度记录点断面分布圈 具体施工过程为：首先以固定点距x 沿钡蝗布置一系列电极( 电极数量视多芯电缆芯 数而定) ，取装置电极间距a = n x ( n = l ，2 ，3 ，n + 1 ) ，将相距为a 的组电极经转换开关接到 仪器上，通过转换开关改变装置类型，依次完成该测点e 各种装置形式的视电阻率观测。 四极装置的电极排列中点为记录点，a 装置和b 装置取测量电极中心为记录点。一个记 录点观测完后，通过转换开关自动转接下组电极( 即向前移动个点距x ) ，以同样方法 进行观测，直到电极间距为a 的整条剖面观测完为止。之后，再选取电极距为 a = 2 x , a = 3 x , 叶a - ( n + 1 ) x 的不同极距装置。重复以匕观测。点距x 的选择，主要依据勘探的 详细程度。最大电极距a 邗x 的大小决定于预期勘萝静度，般隅离系数n 的最大值不超过 1 0 ，而x 一般为5 i i i 或l o m 。 ( 1 ) 测量电极装置的选择 高分辨地电阻率法采用了单极偶 极装置。这种方法的优点是：探澳t 深 8 阁2 7 酋糨劂豫磐管几何叁糟 工程电铡c t 仪系统研制 度大，可达1 5 ( m 以上，这是地质雷达、瑞雷波等方法所不能比拟的： 较普通电测深法提 取的信息量大，较高密度电法的分辨率高。 ( 2 ) 地下洞体在单极稍极装置下的响应： 采用单极偶极装置( 见图2 7 ) 时，其洞体视电阻率响应公式为： p , - - p t + 2 r 0 3 捌案一静器叶。 其中= x 2 - x 1 , r ，= x 3 - x 1 , 西2 = ( 舵删2 + h t 2 ，力2 = m j 艺砂2 + h t 2 ， 西2 ：m 纠2 十 f 2 记录点为p l 、p 2 中点。 洞体相对于电流电极的空间响应特征 当电流电极不在洞的上方时，高阻洞体的视电阻率异常是个不对称的凸形曲线；低 阻洞体的视电阻率异常是个不对称的凹形曲线：其幅度与陡度和洞的埋深有关。其响应 特征为：洞体与电流电极之间的连线和地面的夹角越大，异常幅值就越小。般说来，这 个夹角在2 5 。左右时异常幅值最大；在小于 4 5 0 时异常幅值减弱得不多；在9 0 。时异常幅 值减弱达到极限，幅值减小了约一半 ( 3 ) 高分辨地电阻率法探测原理 测量时，在均匀半空间里，以电流电极 c 为中心形成半列脊啦面。当所测的电位发 生异常，正好反应地下等位面所构成的薄壳 层里的异常( 洞或其它不均匀体) 。但是，单 凭个供电点所测的异常还不能确定洞体的 位置，必须依靠更多豹信息。这就需要设计 空间探测，由不同的电流电极供电，在相应 的电位电极观测到异常，这样就可按图解法 确定洞体的位置和大小，同时也实现了多次 覆盖测量。 警卜隧 鼍崎翟孺r 。棼皇ll j 瀚曲i 蕾叙走夺 图2 8 确定洞体位置的图解示意图 根据等位壳层反映异常的原则，以电流 电极为圆心，以发生电位异常的电位电极到电流电极的距离为半径画弧，它们在地下的交 会影象就是所探测的洞体，如图2 8 。 ( 4 ) 高分辨地电阻率法的视参数 如图2 8 中，c 、b 供电，p l 、p 2 测量电位。将c 点置于0 点，b 点于无穷远处为公共 电极，将测量电极沿x 轴正向逐点移动。测量距离( & p 测量半径) 为s ，测其电位并求其 电阻率，记录点为x 点。要求x 应远大于b 。然后装置整体沿x 轴移动l 米，l s 2 。 视电阻率计算公式： 9 工程屯铡c t 仪系统研制 以2 牮降) 高分辨地电阻率法需采集的数据有：供电点坐标) ( g d ，记录点坐标( 测量电极中点) x j l 自电压u 。，供电后电压u 。，供电电流i ，测量电极间距2 b 。则视电阻率公式为： 旷牮睁 _ 垫掣掣 高分辨地电阻率法采用单极偶极装置，电位电极p 1 、p 2 中点即萁记录点相对于电流 电极c 。的最大距离，我耵 称之为测量半径。当其它条件满足时，铡量半径就等于最大探澳4 深 度，当然这是指均匀半空间而言的。 为了在条测线e 沿纵向( 涤度) 和横向( 剖面) 来扫描地断面，将装置沿测线密集 组合，以实现空间探测，达銎刚地下洞体的“多次覆盖”。这里所指的多次覆盖，是不同电 流电极和电位电极情况下采集同洞体的反映资料，以便聚焦异常体空间位置和大小。 其中，单极一偶极的无穷远极是共用的，其它电流电极按一定间距埋设，电位电极是流 动的。在观测时，一开始电位电极处于测线一端，由距电位电极小于或等于测量半径的电 流电圈嚷次向地下供电，并禊蠼对应于各电流电极供电电流i 的电位差v 。然后移动电位 电极于下2 钡4 点，嗣i 顺次由电流电椴向地下供电，测出相应各电简睡暾的电位差。运行崎耍 程循环重复进行。在这个循环过程中，随着电位电极的移动，距电位电极大于测量半径的 电流电极逐步退出循环，距电位电极等于或小于测量半径的电流电极逐步加入循环，直到 电位电极沿测线移动到另端点，就完成了地电阻率一条测线的观测。 每个电流电极的测量半径的划、由探测深度决定，探测深度越大，测最半径选的也就 要越大，并应大于最大探测深度。当测量半径r 选定之后，对于电流电极间距c l c 。的选择， 1 应使g c 。二置，这样澳蝗下的地断面才能被全部覆盖。由此可见，电流电极的间距和测量 2 半径与每个分析分辨单元的测量覆盖次数有关，电流电极间距越小，测量半径越大，覆盖 次数也越多。 采样率是由测点间距决定的，点距越小采洋率越高，分辨率也越高。电位电极距也与 分泱率有关，极距大分辨率低，极距小分辨率高。 具体施工过程为：首先以固定点距x 沿测线布置一系列电极按单极塌极装置将各电 极连接好，电极经转换开关接到仪器匕，通过转换开关实现电极连接，完成该测点上视电 阻率观测。取测量p 1 、p 2 电极中心为记录点。个记录点观测完后，供电极不变，通过转 换开关自动转接下一组电极( 即向前移动个点距x ) ，以同样方法进行观测，直到记录点 与供电点的距离满足要求为止。之后，再选取新的供电电极，重复以上观测，直至整条测 1 0 工程电测c t 仪系统研制 线测完。点距x 的选择，主要依据勘探的详细程度，一般为2 i i l 或5 m 或l o m 。 2 3c t 及电阻率c t 技术的基本概念 c r 是英文c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y 的缩写，在医学e 被译为计算机辅助成像技术， 在地球物理e 被译为层析成像技术。层析成像是对物_ 体进行逐层剖析成像，相当于把物体 切成片，然后照相。层析成像技术是成像技术发展到目前的最高阶段。 c t 技术是根据物体外部的测量数据，依据一定的物理和数学关系反演物体内部物理量 的；子布，最后得到清晰的、不重叠的分布图像。根据源自瞒牲，c r 挠术可分为：x 射线c r 、 y 射线c t 、正电子c r 、核磁共振c r 、超声波c r 、单质子发射c t 、电磁波c r 、地震波c t 、 电阻率c t 等。 电阻率c t 即为电睥影像法( r e s i s t i v i t yi m a g i n gp r o f i l e ) ，它采用阵列方式测量， 以获得大量商鳓复数据，争粼电阻率厕氟! 彳= 谢艉处理，并配以计算机成像，使异常分 辨率比常规的直流电阳率法有明显提高。 2 4 小结 本章主要介绍了电蝴中的高密度、高分辩电阻率方法的基本原理，以及测量的过 程。在这两种方法中又包含了多种电极布置方式和测量方法，通过对这些布置方式、测量 方法进行研究总结，才提出了工程电测四仪的构想，也为设计工程电测c r 仪系统的工作 方式提供了理论基础。 由于常规电阻率法获得数据量少，只能绘制出电阻率剖面曲线或电阻率测深曲线。而 不能进行成像研究。所以只有在高密度电阻率法及高分辨地电阻率法的击鲡i ：之已才使得 直流电阻率法成像成为可能并进一步变成现实。 工程电测c t 仪系统研制 第3 章系统设计要求与硬件电路 直流电法勘探仪器是用于观测测量电极m n 间电位差，和供电a b 回路中电流强度 i 。两个参数的专门仪器。通过视电阻率计算公式： 舻足警 计算出观测处的视电阻率p ，值。因此，电法仪器观测电位差和电流强度i 。的精度如 何，将直接影响电法资料的可靠性和精确度。在野外工作# d c t ，由于各种干扰因素的影 响和函难的观澳i 条件，般测试仪器是不适用的。为适应电法勘探野外工作的需要，对直 流电法仪器要求具有高精度、使用方便、抗干扰能力强等特点。 根据直流电法的特点，对电法仪器有以下一些糊辫擞沭要求： 1 灵敏度高，测量范围要大。高灵敏度可保证大极距的观测精度，以及有年抒碱轻 供电电源的重量，使整个装备轻便化。要求电位差从5 0uv 1 0 0 0 m v 、电流强度 从l m h 5 a 范围内变化，仪器能保证测量精度。 2 仪器输 阻抗高。当野外接地电阻变化范围较大时，仪器仍能保证读数的准确性。 3 仪器绝缘程度要高。各插孔与机壳问的绝缘电阻般不小于5 0 0 m f 2 。要能承受较 大的直流负荷( 如在电压5 0 0 v ，电流在5 a 的情况下能正常工作) 。 4 抗干扰能力强。对5 0 h z 工业干扰及各种偶然干扰有较强的抑制能力，以保证仪 。器取得符合要求的测量结果。仪器能适应野外的工作环境。在野外工作环境多变 情况下，要保证仪器高稳定性。 3 1 1 测量供电电源要求 系统测量供电电源输入要求：两套测量供电电源系统，地面工作时采用外接电源，可 采用2 2 0 伏交流或蓄电池( 可充电，并维护) 等。输出要求：最大直流一5 0 0 5 0 0 伏可调整， 有个调节端接口，输入0 5 伏的控制信号，来调节0 5 0 0 伏的正反相输出( 3 0 h z 以下) ； 输出电流最大控制在3 h 。井下工作时本安电源( 恒流源) 做为内髯电源，供电分5 档l m h 、 l 响a 、5 ( h a 、1 0 0 m h 、1 5 0 m a ，根据系统的工作方式还要求输出可以为正负正、正负、单个 正负方波，频率从0 0 1 h z 到3 0 h z 可调。 工程电测c t 仪系统研制 3 i 2 主机要求 主机的功能包括系统工作方式选择、电源控制、数据存储、数据处理。用户可以通过 图形用户界面在主机内设置整个系统的工作方式，设定值通过r s - - 4 8 5 通讯总线发给各个 从机。系统完成预定工作任务以后，主执还要负责接收、存储所有采集到的数据，并可根 据采集到的数据进行实时分析、成图，向用户提供分析结果。 电溺i j 空制板与主初放在起，主要负责按照用户的要求控制颜0 量供电电源的极性、上 升时间，下降时间、维持时间，同时负责对供电回路的电流进行采样。在系统开始进行工 作前，通过r s - - 4 8 5 通讯总线从主机接收用户设定的供电参数，并进行相应的设置。在系 统完成澳i 量工作后，等待主机呼叫，上传采样得到的电流值。 3 1 4 智蘸电极要求 智能电极是整个系统中的任务击【l l 亍者，它要能从主棚按i 殳命令，按照主胡石拎对工作 方式进行设定；完成输入信号的采集、数据的暂存、数据上传。各智能电极要有独立的地 址，并可以随时切换各个电极为a ( a 供电) 、b ( b 供电) 、m ( 采样) 、n ( 公共地) 四种工 作状态。对输入信号要具有调理功能，保证采集输入信号的准确性。 工程电测c r 仪的最主要功能就是数据的采集和处理。要保证数据的准确性和系统工作 的稳定性就必须设计个完善的通讯协议，最大限度地减少数据在传输中出现错误的可能 性，增强通讯的稳定性。 图3 1 系统布置图 1 3 工程电测c t 仪系统研制 3 2 系统总体设计方案 3 2 1 总体方案 该系统设计为网络结构，由总线将主机与各个从杌连接起来，利用通讯完成控制和数 据的读取。它由三大部分组成：网络控制主机，电缆，智能电极。其系统布置如图3 1 所 示。 网络控制主机由笔记本电脑和电源控制板组成，其结构如图3 2 所示。 图3 2 网络主棚结构图 笔记本电脑采用可视化编程软件v b 程序设计语言，设计友好的设定界面，利用v b 的 通信控件和智能电极上的单片胡进彳亍i 面信，其主要功能有： 根据测量方式设定供电电极和采样电极； 设定供电电源的幅值、频率和工作方式； 发指令给智能电极： 接收智能电极的传数据； 存储数据： 处嬲。 电缆共有九根，两根用作供电回路a 、b 的动力电缆， 三根用作供给智能电极的_ 2 4 v 工作电源p 1 、p 2 、n ( 也可 以考虑分布式电源) ，两根用作智能电极和控制主机的通f 黻 图3 3 连接电缆 d l 、如屏蔽电缆。一根作为公共地线g ，根作为同步线s 。电缆结构如图3 3 所示。 智能电极主要由单片机，信号调理电路，模拟数字转换器( a d ) 转换电路，存储电路 通信电路，电极工作方式设定电路等组成，其组成如图3 4 所示。 工程屯测c t 仪系统研制 3 2 2 主要技术指标 图3 4智能电极结构 1 最大可控电极数可任意扩展，一般8 x 8 = 6 4 个，最大2 5 6 x 8 - - - - 2 0 4 8 ； 2 承受电压v 5 0 0 v ，最大允许电流3 a ，最小供电电流l l l l a ； 3 供电周期：停电：正向供电；停电：反向供电：停电：正向供电：停屯f l ：h l ：l ：l ：l ：1 4 供电时间：l o m s - - 一6 0 s ； 5 测量分辨率：1 6 位； 6 电位测程：1 2 0 0 0 m y ； 7 绝缘性能5 0 0 m q ，触点导通电阻r c 1 3 0d b ) ，和单片机电路相配套时有较好的适应性。 由于放大器的输 端分别是2 个运算放大器的同相输入端，因此输入阻抗很高。由于 电譬各采用硝椭构，而且测量信号直接加捌彰移瀑的输入喘，因而保证了嬲虽的抑制 共模信号能力。为保证电路具有较强的共模抑制能力，必须保证电阻良好的匹配性和一致 性，采用误差优于1 的精密金属膜电阻。在每个运放的电源引脚上必须搭接优良的c b b 电糊电氰通常是1 0 i if 与0 1l lf 并联：同时j 即r 能任汪正、负电源的稳定性和对称 性，这是保证调理电路性能的关键。 本系统的智能电极上设计带有八个工作电极，由个a d 转换器完成对八路模拟量的 转换。由于要求采样喇- 所有电极同步对同时刻的电压进行采集，即a d 转换器幸考换的模 拟量必须是同一时刻的模拟量，但a d 转换器只能卜价电极进行转换。所以要在a d 转换器前端的各个电极信号上加匕采样保持电路l f 3 9 8 。 采l 羊俐错是- 磷配蝴电平季神r f ，处于“采样”或“保持”两种状态的电路，在 工程也测c t 仪系统研制 采样状态下，电路的输出p 骶裁乱刈姒电压，转为保持状态时，电路输出保持前一次采样 结束瞬间的模拟信号电平，直至进入下次采样状态为止。 3 4 2 良压采集电路 智能电极最重要的任务就采集电极间的电压信号，智能电极在工作时，八个电极通道 同嘲乏样，而舳黼能转换一路j 茁道，剖路信号未进枷榭蜷前各个电撇 上的值应保持不变，所以要用采样保持器对信号进行采样保持，采样保持器进入保持状态 后，保持的值等待多路开关选中通道后送入帅转换器进行转换。负责电压采集的电路如 图3 2 2 所示。 1 多路开关 多路开关( 多路模烈浏奂器) 通常有n 个模拟量输入固 道和一个公共地的模拟量输出端，并通过地址线上不同的 地址信号把n 个通道中任通道输入的模拟信号从公共输 出端输出，实现有n 线到一线的接通功能。 系统选用8 路输入的多路开关d g 5 0 8 a 。多路开关d 6 5 0 8 的通道进辞输 a 0 ，a 1 ，a 2 由a ，d 转换器m a x l l 3 2 的可编陧 输出口p o ，p l ，p 2 擗0 。 2 模拟数字转换器电路 姒x 11 3 2 是m a x i m 公司生产的单电源、低功耗、1 6 位、 单双极性转换的高精度串行逐次逼近型 d 。其内部具有 跟踪保持及校准电路，可使用内部或外部参考电! 政时 钟。采样速率最高可达到2 0 0 k s p s ，最低耗电7 & l i a 若工 | _ 啊脚曩 舶哪f ! r 图3 2 3m ￥x 1 1 3 2 引脚图 埔黼孵瑶呻；基黼姒帮哪 工程电测c t 仪系统研制 作于关闭模式，电流可降低到2 5i ta 。该a d 可应用于工业过程控制、数据采集系统、便 携式数据记录、医疗或掌上设备，系统检测等领域。其引脚排列如图3 2 3 所示。 i d a x l l 3 2 需由时钟将控制字