一种激电法隧道涌水超前探测仪的设计与实现-硕士论文

摘要5ABSTRACT6第一章 绪论81.1 研究背景81.2 论文安排9第二章 超前地质预报技术112.1常用超前地质预报方法112.2含水层探测技术122.2.1 常用的含水层探测技术122.2.2 激发极化法132.3 激电效应的基本理论152.3.1双电层理论162.3.2离子导体激电效应的机理薄膜极化162.4 基于二电流激发极化法的探测仪实现方案18第三章 二电流激发极化法探测系统设计183.1 C8051F020简介183.2 发射机203.2.1 直流恒流电源设计203.2.2 单片机控制模块213.2.3测量接地电阻223.3 接收机233.3.1 单MCU模式233.3.2 PC+MCU模式25第四章 优化技术264.1 信号采集264.1.1 输入信号的前级处理264.1.2 自适应增益放大274.2 系统实时性304.2.1 发射机实时性304.2.2 接收机实时性304.3 数据在CF卡中的文件存取334.3.1 FAT文件系统334.3.2 单片机实现CF卡中的fat文件存取364.4 信号提纯技术464.4.1 去除电磁干扰464.4.2 PID调零去除极化干扰494.4.3 小波变换去噪54第五章模型试验及现场应用625.1 模型试验625.2 现场试验65第六章 总结和展望676.1总结676.2 展望68参考文献69致谢74攻读硕士期间参与的工程项目和发表的论文75CHINESE ABSTRACT5ENGLISH ABSTRACT6Chapter 1 Introduction81.1 Research Background81.2 Frame of Paper9Chapter 2 Geological Prediction Techniques112.1 Conventional Geological Prediction Techniques112.2 Aquifer Prediction Techniques122.2.1 Conventional Prediction Techniques122.2.2 Introduced Polarization Method132.3 Introduced Polarization Effect152.3.1 Theory of Electric Double Layer162.3.2 Ionic Conductor IP Effect MechanismMembrane Polarization162.4 The Implementation of Detector Based on Two-current IP18Chapter 3 The design of Detector system based on Two-current IP183.1 C8051F020 Overview183.2 Transmitter203.2.1 DC Constant Current Source Design203.2.2 SCM Control Module213.2.3 Earthing Resistance Measurement223.3 Receiver233.3.1 Single MCU Mode233.3.2 PC+MCU Mode25Chapter 4 Optimization Technique264.1 Acquisition of signal264.1.1 Input Signal Preprocessing264.1.2 Self-adapting Gain Amplifier274.2 System Real-Time304.2.1 Transmitter Real-Time304.2.2 Receiver Real-Time304.3 Data File Access in CF Card334.3.1 FAT Filesystem334.3.2 Accessing FAT Filesystem in CF Card Using SCM364.4 Signal Purification Techniques464.4.1 Removing Electromagnetic Interference464.4.2 PID Zeroing to Remove Polarization Interference494.4.3 Wavelet Transform De-noising54Chapter 5 Model Test and Field Application625.1 Model Test625.2 Field Application65Chapter 6 Conclusion and Prospect676.1 Conclusion676.2 Prospect68Reference69Acknowledgement74Projects and Papers75摘要随着经济的发展，深埋长大隧道建设越来越多，隧道施工过程中出现的涌水等地质灾害也越来越多。这些灾害不但会延误工期，造成巨大的直接和间接经济损失，还可能会造成人员伤亡。因此，寻找到一种能够有效地预测隧道前方溶岩地质的方法并制作基于该方法的仪器，已经越来越重要。二电流激发极化法是根据含水构造对激发极化效应的影响来预测隧道前方的含水构造的。利用这种方法可以预测含水构造的存在、位置，甚至可以预测出含水量的多少。因为仪器测量精度等原因，在此之前该方法多限于理论研究，应用于实际的情况很少。本论文的主要内容是设计和实现基于该方法的隧道涌水超前探测仪，对关键环节进行深入研究，并采用优化技术。首先，介绍了激发极化效应的概念和二电流激发极化法的机理，从理论上分析探测仪设计的有效性；其次，介绍基于该方法的探测仪系统的设计方案、组织结构和各部分的功能，提纲挈领地从整体上把握系统的设计思路；再次，分别从硬件设计和软件设计两个层面上，对信号采集、传输、存取和提纯等环节深入研究，提出优化设计方案，采用了两级50Hz陷波、自适应增益放大、全中断数据流、CF卡上的FAT文件存取、基于PID算法的两级调零和小波变换去噪等技术，提高了系统的稳定性、精确性、实时性和使用灵活性，满足科研和实际应用的双重需要；最后，利用设计完成的探测仪进行模型试验和现场试验，对试验结果进行分析，进而在实践中证明了仪器和方法的有效性。关键词：二电流激发极化法；小波变换；FAT文件系统；自适应增益放大；全中断数据流ABSTRACTAs the development of economy, more and more deep seated long tunnels are being constructed，so water inrush and other geological disasters are also increasing during the tunnel construction. These disasters not only delay the schedule, resulting in huge direct and indirect economic losses, but also may cause casualties. Therefore, finding an effective method to predict Karst Geology in front of the tunnel and making the equipment based on this method have become increasingly important.Two-current IP method predicts water bearing structure in front of the tunnel, based on the effect of water bearing structure upon induced polarization. Using this method, we can predict the presence of moisture structure, the location, and even predict the water content. Because of the instrument measurement accuracy and other reasons, this method is mostly limited to theoretical studies before, rarely applied to the actual situation.This paper is aimed to design and implement the tunnel water inrush advanced detector based on this method and to make thorough research and optimization to several key links. First of all, the induced polarization effect and the mechanism of Two-current IP method are introduced to analyze the effectiveness of this detector system theoretically; Second, introduce the design, the structure and their functions of the detector system based on this method, so we can grasp design ideas of the whole system in general; from the two levels of hardware design and software design, make thorough research to acquisition of signal, delivery, access and purification and other key links, and propose optimal design techniques，such as two-stage 50Hz notch filtering, self-adapting gain amplifier, all interrupt delivery mechanism of data stream, access to data file from FAT filesystem in CF card, two-stage zeroing based on PID algorithm, wavelet transform de-noising technique and so on, to improve system stability, accuracy, real-time and use flexibility, satisfying the research and practical requirements; Finally, put the instrumentation based on the design to model test and field test, analyze the measuring result, and then prove the validity of the instrument and the method from practice.Key words: two-current IP method；wavelet transform；FAT filesystem；self-adapting gain amplifier；all interrupt data stream第一章 绪论1.1 研究背景我国是建成隧道最长、数量最大的国家，也是隧道穿越各种水文地质条件最复杂的国家，同时是隧道发展建设最多、最快的国家。而且深埋、长距离地下隧道工程越来越多。这类隧道由于其埋深大、洞程长，因而勘探过程中会遇到一系列方法技术难题。隧道周围一定范围内的岩溶洞穴及断层构造，都将对隧道施工产生安全隐患，严重时会在施工中产生坍塌或涌水，如果不采用准确、快速的探测手段，在隧道施工中的勘查阶段对施工地区一定深度范围内的溶洞、断层、地下水等地质构造的赋存状态进行超前宏观预测，不仅会严重影响工程进展, 增加工程造价, 有时甚至会发生重大安全事故，对施工人员的生命安全及施工机械造成严重威胁123。地下工程突水突泥等灾害频繁发生，如宜万铁路野三关隧道2007年8月5日发生特大涌水，死亡10人；马鹿箐隧道2006年1月发生涌水，死亡11人。日本旧丹那隧道1918年开工后曾6次遇到大的突水，导致隧道至1934年才建成；清水隧道曾遇及1.584104m3/d的突水；大清水隧道曾遇及1.20384105m3/d的突水；青函隧道曾4次遇到1.152105m3/d的突水，前后共死亡34人，伤残1300余人，经5个多月才控制，总工期较计划推迟10年之久；瑞士与意大利之间的辛普伦1号隧道为控制山体压力及地下水，比原计划多花5倍资金，时间推迟了1.5年。总之，隧道突水、突泥给施工安全带来了重大灾难和无法估计的经济损失45。这些灾害的发生，主要是不能提前预知隧道前方含水体及其大小。因此，隧道地质超前预报是隧道施工过程中必不可少的一道工序。目前，在隧道超前探测领域，使用较多的有地震波法、超前钻孔法、声波法、红外探测法，激电法等等，这些方法都有各自的缺陷，因此隧道施工中要综合运用多种探测方法，提高预测的准确性。而且目前还没有哪种方法能对隧道前方水体预报进行准确定位，更无法进行涌水量的估算；在岩溶裂隙水等不良地质实时预报方面还缺乏先进的科学预报方法和设备。激发极化是发生在地质介质中，因外电流而引起介质内部出现电荷分离，产生一个附加电位的一种物理化学现象。激电法，就是根据不同的地质介质和地质构造产生的附加电位大小不同，充放电特性不同的特点，来预测未知地质成分和结构的。激电法在找水、找矿中的运用已经普遍，但是在隧道超前探测中的运用还处于探索阶段。基于激发极化原理，有些人提出了利用二电流激发极化法探测水源并确定含水量的理论，使用这种方法既可以判断含水构造的有无，还可以确定含水构造的位置，甚至可以推断出含水量的大小。新技术的发展和新理论的提出为很多探测理论的证明和应用创造了条件。随着微电子技术的发展，越来越多的高性能、高精度芯片应用于仪器仪表制造领域，它们提高了信号的采样精度和处理速度。越来越多好的去噪方法被提出，例如各种小波变化去噪技术，它能够兼顾频域和时域的双重分辨率，从而能够满足对采集信号进行各种去噪处理的要求。这些都为超前预测方法的证明和应用创造了条件。本课题源自山东大学信息学院和岩土中心合作的一个863项目，要求设计一个基于二电流激发极化法的具有较高精度、较高稳定度且能满足科研需要的隧道涌水超前探测仪系统。该探测仪系统即能用于隧道施工现场，又能用于科研领域，因此具有很高的市场价值和科研价值。本系统研发过程中，进行了大量的实验，包括数值模拟仿真实验，室内试验，物理模型内的试验，以及在青岛海底隧道、锦屏国家二级水电站引水隧洞等地的现场试验。通过总结试验中出现的问题，不断提高系统的稳定性，现已经达到了实用水平。1.2 论文安排本文的主要工作是基于二电流激发极化法提出一种隧道涌水超前探测系统的设计方案，着重阐述接收机系统的一系列优化设计。论文共分为九章，各章的内容如下：第一章介绍该探测系统的研究背景。包括地质探测理论的现状，探测仪制造技术和信号去噪技术的发展，介绍介质的激发极化现象以及基于这种现象的物探方法。激发极化现象是二电流激发极化法提出的现实基础。第二章介绍常用的超前探测方法，分析它们的优缺点，介绍激发极化法及其原理，提出二电流激发极化法及其实现方案。第三章介绍该探测仪系统的设计方案，对发射机、接收机下位机和接收机上位机结构、功能进行剖析。介绍该系统的总体设计框架。第四章是本文的重点，分别从信号的采集、传输、存取和提纯几个方面详细介绍系统的实现。正是这些环节采用的一些优化技术提高了系统的稳定性、精确性、实时性和易用性。第五章列出了模型试验结果和隧道施工现场的试验情况，证明了该系统的有效性、实用性。针对该探测系统建立了试验模型，正是通过在模型中的进行反复试验， 对试验数据和出现的问题进行分析总结，对系统设计和试验手段进行修改，才使得该探测系统性能不断提高、试验方法日趋合理、二电流激发极化法理论得以完善。通过在“锦屏国家二级水电站引水隧洞”等施工现场的试验和对试验结果的分析，证明了探测仪系统的有效性。第六章对本文的工作进行总结，并指出本文研究的不足之处以及尚待解决的问题，同时指明下一步研究工作的方向。论文的最后是参考文献、致谢以及作者在硕士就读期间参与的工程项目和发表的论文。第二章 超前地质预报技术2.1常用超前地质预报方法超前地质预报（Geological Prediction/Prospecting）是在隧道开挖时，对掌子面前方的围岩与地层情况做出超前预报，是保证安全施工的重要环节，是国内外工程地质界和隧道工程界十分关注却又没有得到很好解决的难题。目前，在地下工程超前预报领域中常用的方法有TSP超前预报技术、超前钻孔、陆地声纳、地质雷达、红外探水法等67，各种方法都为地下工程的施工带来极大的便利。由于物探手段本身的特性，使其对某些特定地质体的预报反应不够灵敏，同时也受很多因素的限制。钻孔探测是隧道地质探测中最常用的方法，但作为隧道施工中的超前探测手段有许多不足的地方，该方法主要缺点是成本高，横向探测范围小，在隧道工作面实施水平超前钻探对隧道施工有较大的影响。上述缺点大大限制了钻孔探测在隧道超前地质预报中的使用。TSP超前预报技术是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况的。TSP203 隧道地震波超前地质预报系统，是瑞士安伯格(Amberg)公司专门为隧道及地下工程施工超前地质预报研制、开发的，是目前世界上在这个领域最先进的科学成果。具有预报距离长,不需要占用隧道工作面,对隧道施工影响小的优点。但是，该法受预报地质工程师的经验和对信号判释水平的影响, 存在多解性或误判现象。而且设备投资较大，实施时耗材成本较高。陆地声纳法，又称高频地震反射法，在掌子面附近，单点采集高频地震反射信号形成连续剖面，可以预报掌子面前方较短距离内的的断层及其它地质界面的位置和产状。但是，也需要经验丰富的地质工程师才能解释，也存在多解性或误判现象8。红外探水法是利用隧道中围岩向外发射的红外线电磁波探测含水构造的。隧道围岩向外发射的红外电磁波形成了红外辐射场，岩层向外发射红外线的同时也把内部的地质信息传递了出来。地下水的活动会引起岩体红外辐射场强的变化，红外探水仪是通过接受岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场强的变化值，来确定掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。红外探水法使用快速方便，但是只能定性判断是否存在含水体，无法确定含水体的位置，更不能预测含水量。地质雷达探测法又称为电磁波法，属于电法探测的一种，基于地下介质的电性差异，向隧道掌子面前方发射高频电磁波，并接受掌子面前方介子反射的电磁波进行处理、分析解译的一项技术。该方法探测距离一般小于30 m，在潮湿的含水层中小于10 m。施工时需占用掌子面，影响施工。2.2含水层探测技术2.2.1 常用的含水层探测技术预测隧道施工中的涌水情况一般采用风险分析和仪器探测相结合思路，综合各种方法进行科学预报9。因为含水层具有灵敏的电磁特性，例如：电阻率较低、激发极化效应明显等，所以一般使用电方法进行含水层的探测1011。常用的方法有：电阻率法12、自然电场法13、激发极化法14、核磁共振法15等。电阻率法探水的依据是含水体和周围岩石之间的电阻率差异，从物理学中我们已经知道，导体的电阻与导体的电阻率和长度成正比，与垂直电流方向的导体横截面积成反比。通过在地面上任意两点间用供电电极A、B供入电流值为I直流电，在另外两点间用测量电极M、N测量电位差VMN，通过电阻率和电阻之间的关系可以计算出电阻率值。如果大地是一个均匀的、各向同性的介质，那么，该计算结果就是该介质的电阻率值；如果地下存在不同电阻率的介质（例如：低电阻率的含水体），那么计算结果就不等于地表介质的电阻率。因此，利用这种方法求出来的电阻率又称为视电阻率。利用电阻率法，通过改变布极方式可以推断出周围是否存在低电阻体，以及它的位置。但是，除了含水体之外各种矿藏也是低电阻体，甚至一些岩石的电阻率也较低，因此该方法也存在一定的误判断性，可以作为一种辅助方法。在自然条件下即使不向地下供电，地面任意两点间也总能观测到一定大小的电位差，这表明地下存在着自然电流场，称为自然电场。常见的自然电场有两类：一类是呈区域性分布的不稳定的低频电场，称为大地电磁场；另一类是分布范围局限于局部地区的稳定电场，它的存在往往和某些金属矿或地下水运动有关。自然电场法，就是利用测量自然电场分布的方式来探查金属矿床和地下水及其流向。核磁共振找水方法是利用核磁共振(NMR)技术探测地下水的一种新的地球物理方法，也是目前唯一一种直接找水的方法16。核磁共振指的是通过适当频率的交变电磁场激发原子核，使其在不同能级之间共振跃迁。因为核磁共振的初始振幅与所研究空间内的自由水中质子（也就是氢核）数成正比，也就是与含水量成正比，因此可以用来探测一定范围内的地层中自由水的有无，以及含水量的多少。它与传统找水方法相比具有高分辨性、高效性、信息量丰富和解释唯一性等优点。但是，核磁共振信号的微弱导致核磁共振找水仪需要有高的接收灵敏度，所以它极易受到电磁噪声的干扰，这是该方法的一大缺点，也导致它不能在电磁环境复杂的场所使用。2.2.2 激发极化法在进行电阻率法勘探时，会出现如下现象：在向地下供入稳定电流的情况下测量电极之间的电位差并非瞬间达到饱和值，而是随时间而变化，经过一段时间后趋于稳定的饱和值；而断开供电电流后，电位差也并非瞬间衰减为零，而是在最初的一瞬间很快下降，而后随时间缓慢下降并趋于零。这种发生在地质介质中因外电流激发而引起介质内部出现电荷分离，由于电化学作用引起附加电场的物理化学现象，称为激发极化（IP，Introduced Polarization）效应1718。下图为时间域激发极化现象的示意图，将电化学作用产生的电流称为“二次电流”，二次电流在介质中产生的电场称为二次场，由于二次场作用形成的测量电极间的电位差用表示；当介质中不存在极化体时同样电流作用下产生的电场称为一次场，由于一次场作用形成的测量电极间的电位差用表示；实际测量中测量电极之间的电位差是和之和，称为总场，用表示19。3放电曲线充电曲线0468102t1230V2V1VV2图21 时间域激发极化现象示意图激发极化法正是以不同地质介质之间的激电效应差异为物质基础，通过观测和研究被测对象的激发极化效应来达到探测预报目的的。它作为一种对水体反应灵敏的电磁勘探方法,以其独特的优点(经济、无损、快速及信息丰富等)广泛应用于资源勘探与工程勘察中。它有对隧道不良水体反应灵敏的特点,在隧道及地下坑道的超前地质预报中可用来预报工作面前方突水异常体及其涌水量情况。时间域激发极化法 2021直接找水是我国物探工作者于上世纪70年代中期集体发明的具有我国自主知识产权的方法。它主要是利用地下水激发极化机制，形成的一个新方法2223。它是利用激发极化效应，在地面向地下供给一个较大恒定电流，使地下不同的岩石或水体受激发产生极化，极化的岩体或水体产生二次电场，通过计算得到极化率和极化电流的衰减系数等参数。频率域激发极化法则是向大地供给一个多频信号，然后计算视幅频率等参数，从而也能够得到含水层的极化率，它与时间域激发极化法测得的极化率是等效的。时间域激发极化法也可以用于预测隧道前方的地质情况。使用这种方法有多种布极方式，例如：定电源二极法、定电源三极法、动电源二极发等，下图为其中一种布极方式。首先要用直流恒流源AB对隧道掌子面进行充电，并观察MN两点之间的电压，待总电场稳定之后停止供电进入放电过程。通过观察放电曲线，计算激电参数：极化率、衰减度、激发比、半衰时等，可以预测隧道前方的地质情况。掌子面B()A1A2AnNM图22 隧道测量的电极布置方式不同极化介质的放电特性各不相同，从而为我们提供了一种探测地质介质成分和结构的一种方法。采用的激电法参数有：视极化率：表征激发极化效应产生的二次场在极化总电场中占的份额。其中，是停止供电的时刻，是停止供电的前一时刻。一般岩石的极化率很低（0.5%5%），含水岩石的极化率比一般岩石的高（1.55%），电子导体（含金属矿石、含碳岩石等）的极化率最高（一般大于10%）。利用视极化率可以判断含水或疏松岩层。半衰时：二次场放电到一半所用的是时间，表征激发极化效应二次场的放电速度。半衰时是找水中的重要激电参数，在超前探测中也同样重要。在激发条件相同的条件下，含碳矿石的充放电速度最慢，含金属矿石稍快，但是都比岩石的充放电速度慢24；含水的颗粒较大的岩石结构，比不含水的颗粒较小的结构放电快。此外，连通性好的导电结构半衰时小，疏松岩（矿）石比致密岩石的半衰时小的多。此外，还可以结合视电阻率，视充电率和衰减度D等，判断前方的地质成分，岩石构造和疏松程度等2.3 激电效应的基本理论对于大地和岩石的激发极化效应有很多中解释，普遍接受的有双电层理论和薄膜极化理论。2.3.1双电层理论岩石颗粒，尤其是粘土矿物颗粒，具有吸附负离子的特性，负离子分布在颗粒的表面，同时负离子又把正离子吸引到自己周围，在每个颗粒的表面都形成了一个双电层，如下图所示在双电层中，负电荷被牢牢吸附在岩石颗粒表面，不能自由移动，而正离子可以游移于溶液中。这些被吸引的正电荷大部分紧密排列在界面的附近，形成“紧密层”，少部分扩散到较远的地方，称为“扩散层”。在靠近岩石颗粒表面的位置，由于负电荷的吸引作用，阳离子的浓度较高，而阴离子的浓度较低，随着距离的增加，二者的浓度都趋于平衡浓度C0（平衡浓度的定义：所谓“平衡浓度”,是指天然气从高浓度地层向相邻低浓度地层扩散、运移过程中,两者浓度达到一致时的浓度）图2-3 双电层结构示意图以及离子浓度、电位分布2.3.2离子导体激电效应的机理薄膜极化在砂层颗粒或者岩石的孔隙中，存在着宽度不同的串联孔隙通道，如图.窄孔隙中由于其宽度极小，整个孔隙处于双电层的紧密区和扩散区中，其中阳离子浓度远大于阴离子浓度，所以当电流通过窄孔隙时，阳离子在其中移动较快（同性排斥），所以将窄孔隙称为“阳离子选择带”或者“主动选择带”。根据以上分析，当电流通过窄空隙时，在电流流出端积聚了大量的阳离子，而在而在宽孔隙中的阴离子较窄孔隙中的阴离子迁移速率较快，所以根据阴离子的移动方向可知，在窄孔隙的电流流出端亦积聚了大量的阴离子。这样造成了离子浓度沿孔隙的变化，这种形成的正负离子分布将产生一个与外电场方向相反的附加电场，阻碍离子的运动，也就是将阻碍外电流，直到达到平衡为止。当断电后，由于离子的扩散作用，在离子浓度梯度的影响下，形成扩散电位，这就是离子导体上所观测到的激发极化现象25。从本质上讲，激发极化现象是由宽窄孔中离子迁移数的差异而引起的。当施加外电场后，宽窄串联孔隙中的总电流由两部分组成：迁移电流和扩散电流。图2-4 砂粒中的宽窄孔隙串联系统以及简化示意图、离子浓度分布图不同岩石、矿石的成分、结构构造不同产生的激发极化效应也会不同。为了便于研究，人们还把它们简化成一定的电学模型，把有关的性质归纳为模型的几个电学参数，例如过阻容模型、Cole-Cole模型26等。此外，还可以建立数学模型对激发极化过程进行数值模拟2728。总之，对激发极化效应的理论解释以及对含水构造的激发极化效应的理论分析已经比较成熟了。2.4 基于二电流激发极化法的探测仪实现方案在使用激发极化法找水的过程中，人们发现二次场半衰时与地下水存在一定关系2930。基于激发极化效应和时间域激发极化探测方法，本项目提出了用于隧道掌子面前方含水体水量预测方法二电流激发极化法(简称半衰时之差法)，该方法是时域激发极化法的一个扩展。该方法以定点源三极法或二极法为测量装置，向地下供入大小两种电流，将大电流作用下的二次场半衰时减去小电流作用下的二次场半衰时得到的差值即为半衰时之差。绘制半衰时之差随AM的变化曲线，该方法认为，对于含束缚水或者不含水的地质体，半衰时之差应为负值或零；对于自由含水体半衰时之差应为正值，且水量与半衰时之差与横轴的包络面积呈正相关关系。通过设计并实现恒流源供电系统和二次场电压检测系统，就可以获得岩体充放电的电压曲线并计算出以上几种激电法参数。其中，供电系统通过供电电极向隧道掌子面附近注入设定大小的电流，并和检测系统同步；检测系统负责处理、采集测量电极间的电压，同时绘制电压曲线、计算激电法参数和进行其他后续处理。观察和分析测得的电压曲线和半衰时之差等激电法参数就可以预测隧道前方的地质情况。 第三章 二电流激发极化法探测系统设计高精度、稳定性和易用性是系统设计的主要特点。在隧道施工现场存在很多干扰和噪声，例如：隧道岩体的自然电位，电力线引起的50Hz工频干扰， 其他电器设备的电磁干扰等等。因此，系统设计必须要保证在复杂的电磁环境下也能正常工作。当激发极化比较弱时，放电信号也比较弱，此时要保证采集信号有足够的放大增益；而当激发极化比较强时，放电信号比较强，此时要保证采集信号的测量范围足够大。为了满足现场使用和数据分析的需要，系统的灵活性也很重要。本系统可以分为发射机和接收机两部分。发射机采用C8051F020作为MCU；接收机则采用PC+MCU的方式设计，下位机也采用C8051F020作为MCU，可以在单MCU和PC+MCU两种模式下工作。发射机和接收机之间的通信采用串口和同步信号完成，这样既能完成两部分之间的数据交换，又能保证系统的实时性。3.1 C8051F020简介C8051F020是CYGNAL公司生产的的集成模拟、数字信号的混合信号系统级SOC(System On Chip)单片机，基于CIP-5l微处理器内核设计，采用100脚TQFP封装。C8051F020具有以下的特点：（1）与8051完全兼容C8051F020系列期间使用CYGNAL的专利CIP-5l微控制内核，CIP-5l与MCS-51指令集完全兼容，而且具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位计数器/定时器、两个全双工UART、256B内部RAM、128BSFR地址空间以及8个字节宽的I/O端口等。（2）指令运行速度快CIP-5l设法在保持CISC结构及指令系统不变的情况下，对指令运行实行流水作业，废除了机器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。对于CIP-5l内核，70%指令的执行时间为1或2个系统的时钟周期，从而大大提高了指令运行速度。CIP-5l工作在最大系统时钟频率25MHz时，它的峰值速度可以达到25MIPS。（3）片内外设丰富C8051F020是一种混合信号系统级单片机，片内同时集成了众多的模拟外设和数字外设。两个ADC（12位和8位），每个ADC通过模拟多路输入（AMUX）开关获得模拟输入。通过编程可以选择8个外部测量通道和一个内部温度传感器通道任何一个作为模拟输入，从而实现8个外部信号的AD变换和芯片内部温度的测量。还包含两个12位的DAC、两个比较器、VDD电压监视器等模拟外设。数字外设包含8个字节宽的端口、可同时使用的SMBus、SPI及两个串口、可编程的16位PCA（可编程计数器阵列）和5个捕捉/比较模块、5个通用16位计数器/定时器、专用看门狗和双向复位引脚等。此外，片内还有4352B的内部RAM、64KB的内部FLASH以及外部64K数据存储器接口。丰富的片内外设和外部接口增强了芯片的功能，使得系统的硬件和软件设计更加方便。3.2 发射机发射机的主要功能是输出一个可调幅度、可调占空比、可调发射时间的恒流脉冲信号。为了保证含水体能够进行充分的激发极化，要求恒流脉冲有足够的幅度和输出功率。结构框图如下：负载C8051F020脉宽控制电流控制负载电流检测直流恒流电源与接收机通信人机交互图3-1 发射机系统结构框图3.2.1 直流恒流电源设计直流恒流电源由电池组供电，采用隔离逆变设计，对电流源输出进行霍尔检测，检测结果反馈控制逆变电路，最终达到恒流输出的目的。设计方案如下图所示。电池组逆变电路整流电路霍尔检测逆变启动恒流控制脉宽控制电流控制负载电流检测恒流脉冲输出图3-2 直流恒流电源设计通过逆变启动电路可以控制逆变电路的启停，从而控制恒流源的启停以及恒流脉冲的占空比；恒流控制电路比较霍尔检测结果和外部电流控制量，根据比较结果控制逆变电路的工作，最终实现霍尔检测结果和外部电流控制量相等，从而使恒流源输出与外部电流控制量相等的电流。3.2.2 单片机控制模块发射机控制部分用C8051F020作为MCU，实现对输出脉冲幅度、占空比和发射时间的控制。此外，还负责人机之间的交互（键盘输入、显示输出）和与接收机之间的通信（同步输出、数据交换）实现框图如下所示：脉宽控制电流控制电流检测C8051F020键盘输入显示输出同步输出串口通信图3-3 发射机单片机控制模块框图单片机控制模块可以设定并显示直流恒流源模块的工作参数，例如：电流大小、脉冲的占空比以及放电时间，并控制直流恒流源模块的工作，还可以显示实际输出的电流值。发射机和接收机之间的通信包括两部分，串口通信和同步信号。非实时性的数据交换工作通过RS485完成，命令控制字、设定参数和接地电阻的传送。而对实时性要求较高的同步信号通过I/O口直接传送，例如接收机必须要快速准确地捕获到发射机开始工作的时刻，以保证收发之间的同步，两者之间的时间差将会影响测量结果，因此发射机的工作状态要通过同步信号输出通知接收机。3.2.3测量接地电阻负载直流恒流电源MCUADCADC负载电流测量负载电压测量射随器0.1A+-图3-4 接地电阻测量电路接地电阻指的是发射机两电极之间的电阻，也就是直流恒流电源的负载，由发射机测量完成并传送给接收机。由于工艺水平的限制，接地电阻必须在一定范围内才能保证发射机正常工作。由于发射机直流恒流电源最大输出功率的限制，当接地电阻过大时，如果设定电流较大，输出功率达到最大输出功率，恒流电源就会进入保护状态而停止工作；由于直流恒流源线性工作范围的限制，当接地电阻过小时，就会进入直流恒流源的非线性工作状态，从而使输出电流出现偏差。所以，探测系统开始工作前必须要先测量接地电阻，并采取相应的措施使之处于正常工作范围内。测量电阻时，首先利用直流恒流电流源输出一个较小的恒定电流，然后通过ADC测量负载两端的电压，电压测量结果除以电流的霍尔检测结果即可得到接地电阻值。3.3 接收机接收机的主要作用是电压信号的采集、去噪、保存和读取、曲线绘制以及二电流激发极化法参数的计算。为了满足现场使用和科研需求，接收机系统设计成了两种工作模式，单MCU模式和PC+MCU模式。单MCU模式下，接收机工作在单MCU状态，主要完成极化补偿、信号采集、原始数据保存和读取，参数计算。这种模式下，接收机的体积小，功耗低，保存的原始数据便于以后的研究。PC+MCU模式下，接收机采用上位机和下位机协调工作的方式，下位机基于C8051F202芯片，主要完成极化补偿、信号采集，并通过串口传送给上位机；上位机对接收的数据进行去噪处理、绘制曲线、计算参数以及数据存取。PC+MCU模式下，将数据采集部分和数据处理部分分开，提高了数据采集的实时性和数据处理的速度，还可提供清晰的电压曲线和精确的二电流激发极化法参数，而且提高了系统的灵活性、可扩展性。3.3.1 单MCU模式接收机上电后默认进入单MCU模式，该模式下可以完成测量电极之间电压的采集、极化补偿，可以配合发射机完成接地电阻测量和二电流激发极化半衰时之差测量，并将数据、结果显示、保存，单MCU模式下接收机设计框图如下：C8051F20CF卡RTC实时时钟LCD液晶显示电压信号的前级处理和极化补偿电路键盘发射机串口发射机同步信号UARTDACADCPCASMBusSPI看门狗外扩RAM图3-5 接收机单MCU模式下位机设计框图其中，电压信号采集电路完成电压信号的输入、陷波、低通滤波和自适应的增益信号放大，然后通过AD转换和简单的数字去噪处理完成信号采集，这里为了提高采样速率和采样精度，采用单独的ADC和DAC芯片负责AD和DA转换，C8051F020通过SPI接口（串行外设接口）与DAC和ADC芯片通信，完成芯片配置和DA转换、AD转换；极化补偿电路和信号采集电路配合，完成自然电位的补偿，去除这些极化干扰，这里采用两级极化补偿技术，提高了补偿精度；uart串口用于和发射机之间通信，完成数据交换和命令传达；用PCA（可编程计数器阵列）中的捕捉/比较模块捕获收发机之间的同步信号上升沿、下降沿，并设置捕获中断，有效地缩短了接收机响应时间，保证收发机工作状态的同步；RTC实时时钟作为系统时钟，用来记录每一次测量过程的时间，记录每一次采样的时刻，以便于保存数据和计算参数，C8051F020通过SMBus接口与RTC实时时钟模块通信；键盘是人机交互的标准输入，用来控制系统运行状态、调整时钟等；（LCD模块选用ACM240128A LCD屏）LCD是人机交互的标准输出，用来显示当前时间、系统运行状态、当前采样值，并在测量完成时显示测量结果等；在CF卡上建立了fat文件系统，通过两层驱动实现C8051F020对CF卡上fat文件系统的访问，用来存储采样数据、计算结果和系统配置等信息，这样可以很方便地在电脑上读取和修改CF卡里的文件。其中，通过片内外设，例如：SPI、UART、SMBus等，连接的模块通过配置C8051F020内部的交叉开关占据8个端口中的低端口（P0、P1等），外扩RAM、CF卡和LCD显示器则是通过高端口（P4、P5、P6、P7）以外部存储空间的形式统一编址通过总线方式访问。硬件连接电路如图所示：C8051F020P4P5P6P7CPLD/RD/WRA0A15/LCD_CS/CF_CSLCDCF卡XRAM/RAM_CSCA0CA15D0D7图3-6 接收机单MCU模式下位机总线访问电路在外部地址空间中，XRAM占据0x00000xDFFB的寻址空间，用于存放计算中使用变量和充当缓冲区等；LCD显示模块占据0xDFFC0xDFFF之间的4B地址空间，其中0xDFFF和0xDFFE分别为上下半屏的指令空间，0xDFFC0xDFFD为预留空间；CF卡存储模块占据0xE0000xFFFF之间的8KB寻址空间。3.3.2 PC+MCU模式接收机上电后，通过上位机操作界面打开与下位机之间的通信端口，则会使接收机进入PC+MCU模式。该模式下上位机和下位机协调工作，人机交互和采集数据的处理由上位机完成。PC+MCU模式下接收机设计框图如下：C8051F20电压信号的前级处理和极化补偿电路发射机串口发射机同步信号UARTDACADCPCAPC串口通信UARTPCSPI看门狗外扩RAM图3-7 接收机PC+MC模式下位机设计框图这种模式下，下位机屏蔽了LCD刷新、键盘扫描、RTC实时时钟和CF卡的存入功能，以提高运行效率。将下位机的功能简化为，采集电压信号、完成极化补偿、与发射机通信以完成测量过程、与上位机通信以完成命令传送和数据交换。上位机作为主控模块，提供控制界面向下位机传达控制命令字，并对下位机采集到的数据进行后续处理。采用这种PC+MCU的工作模式，可以充分地利用PC机强大的计算能力和图形显示功能，进行高级的数字信号处理，实时绘制采样曲线，方便地进行数据、曲线的存取，提高了系统的抗噪性、稳定性和使用灵活性。考虑到界面的友好性，上位机程序采用VB编写。小波变换去噪技术是一种灵活的数字信号去噪方法，能够同时兼顾信号的时域分辨率和频域分辨率，通过在matlab中的仿真，上位机的数据去噪处理采用小波变换去噪技术，并且利用matrixvb提供的函数库，在VB中实现了信号小波变换，这样可以脱离matlab运行环境实现小波变换去噪。第四章 优化技术4.1 信号采集隧道中环境比较复杂，所以对探测系统信号采集的要求较高。由于在岩体的导电性能较差，距离供电电极较远的测量点电流密度较小、场强较弱，因此采集到的电压信号也比较弱，需要对其进行足够倍数的放大；距离供电电极较近的测量点场强较强，采集电压比较大，此时又需要保证接收机有足够的采集量程。隧道施工现场存在动力电缆线，还有很多其他施工机器设备，电磁环境比较复杂，因此要求信号采集模块有较强的抗电磁干扰能力。信号采集模块结构设计如下：抗干扰和50Hz陷波级增益放大低通滤波差分电路50Hz陷波5路ADC转换ab输入信号输入级