激发极化法极化率衰减曲线测量技术

1、激发极化法极化率衰减曲线测量技术 上海绿海电脑科技有限公司 陆焕文 电法勘探测量方法与仪器的分类： 1：按电场生成分类： 可分为天然电场法和人工电场法。 天然电场是大地中自然产生的， 或者是有雷电， 远距离长波无 线电台发出的电场，底下电化学效应自己引起的电场（自然电场） 。 人工电场是勘探人员用发送机法术固定的电流波形在底下建立的人工电场。 人工电场还可以分成 传导类电场和感应类电场，传导类电场是发送机的发送电极接地的（用铜电极赶插入地下） 。感应 类电场是用无线电发送天线向空中发射后感应到地下的，即发送机发送端不接地（如测地雷达） 。 2：按被测的参数分类： 根据测量不同的物探参数可以分成

2、不同的测量仪器，从被测信号频率的高低可分成以下几类： * 直流：（超低频 1HZ 以下） 直流电阻率法 *低频：（0.1HZ20HZ ） 激发极化法 *音频：（20HZ10KHZ ）音频磁大地电流法 3 ：按测量效率分类： 按一次供电可同时测多少的物理册点分类： * 单点普通方法：每测一个物理点后要移动测量电极到新物理点再测，需要“跑极” ，这种方法 仪器简单，人工多，效率低。 * 多点同时测量的高密度法：这种方法可以一次发送机供电。同时多个物理测点上同时测量，测 量效率高，数据可靠性高。 高密度测量中还可分为多线制和总线制。 多线制是一台主机上引出多道测量线，用星形网直接接到不同物理点的 M

3、N 接线电极上。这 种方法的缺点是要用 长导线传诵模拟量 V信号，而 V信号是mV级的微弱信号，容易受空 中电磁波干扰，测量精度受影响 总线制是一台主机与多台从机用一根电缆连接起来，组成一个野外现成总线局域网，主机用数 字通讯指挥各从机同时测量，测量完成后用数字通讯把各从机测得的信号分时传送给主机。在长 线上传送的是数字信号。选用半双工的 RS485通讯总线，距离可达1000米，数字不易受干扰， 一根电缆线最多可以带128个从机。 4 :按野外的布极方法分类，以下介绍几种常用的布极和 K值计算公式 *中间梯度法 发送机或 蓄电池 B A供电电极组B供电电极组 MN MN距（米） Kmn = (

4、2 n * AM * AN * BM * BN) / MN *(AM * AN + BM * BN) A,B供电电极是固定的，MN在A, B中间区域移动(在A , B的1/2区域内) *电测探法(对称测探法) K值与中间梯度法计算相同，只是这儿的 AM = BN 在此M , N是固定在AB中间，而A，B供电电极是可以对称的向两边移动。随着 加大距离，接收机测出的参数反映的是距地面1/2AB处的特性。 偶极剖面法: 发送机 接收机 9 偶极剖面法装置的特点是 A，B和M , N的距离都相当小，可以把 AB和MN为两对偶极，这两 对偶极之间的距离很大。 它的K值用下式计算 -AM * AN ) K

5、mn = (2 n * AM * AN * BM * BN) / MN *( BM * BN 以上公式是假定供电时 A为正，B为负。如果在实际工作中A，B都是可为正，也可为负的。这时 算出的Kmn会变为负值。但是K值不会是负值的，这时只要把 K值取绝对值。| Kmn | .激发极化法测量原理 激发极化法测量的是地质矿体与围岩组合体的电学和化学特性从电路系统的观点看是测量大地系 统中某深度点的脉冲响应函数（时间域分析）或频率响应函数（频率域分析）. 发送机 大地系统 接收机 大地测量系统方块图 参看上图,它是大地系统特性测量等效电路图，由它测出的地球物化探参数是反映某测线下地质剖面 中某几何位置

6、的参数.参数反映的几何位置是由野外供电电极A和B,以及测量电极M和N的几何 位置确定的.这取决於野外采用的什么类型的装置（例如:中间梯度法，偶极偶极法，测深法等）. 图中的发送机是大地输入电流的信号源要求它能向大地传导电流，电流的大小取决于A,B供电电极 的表面与大 地的接触电阻大小和大地的电阻率.为了测出深部的参数必须使电流加大(5A-15A).为了测量多种 地球物化探参数,发送机要能发出多种形状的电流波型.波形的频率也要可变.(0.01HZ 8000HZ). 图中的大地系统是某 AB电极和某MN电极和大地组成的某测点的系统.对这个特定的系统测得的 参数是反映某剖面上某位置的参数.通过改变A

7、B和MN在测线上的位置可以测得地层剖面上各点 的物化探参数. 图中的接收机是测量大地系统对输入电流信号的响应输出的电压信号它同时测量输入大地的电流 信号用这两种信号的相关处理可以得出大地的脉冲响应函数和大地的频率响应函数这个函数是大 地的地球物理参数因为在实际中发送机无法发出窄脉冲（幅度无穷大而脉宽无穷小），所以在时间域 测量中使用阶跃电流信号，测得的电压信号是大地对阶跃电流信号的响应，即阶跃响应函数 也就是 一次场DELTA_V1和二次场DELTA_V2衰减曲线. 对上面的波形作实时模拟与数字信号处理就能得到下图所示的极化率衰减曲线 极化率 =（二次场/一次场）* 100 % 100 % 9

8、 具体的处理方法由以下几个步骤 12 （1）对 DELTA V1,2 信号进行自动增益控制 .方法是对波形的完整周期内用合适的增益放大使得输 入 A/D 的模拟量电压峰值绝对值在 A/D 最大允许绝对值的 50% 到 90%之间 . （2）.用硬件模拟电路 （带有施密特性能的比较器 ）寻找正一次场供电沿 .延时 600MS 后开始测量 20MS 内 N 个点的一次场并与此时的增益一起生成一个正一次场记录 . （3）. 用硬件模拟电路 （带有施密特性能的比较器 ）寻找正一次场停电沿 ,以此沿作为对二次场开始测量 的起点时刻 .（用此沿向 CPU 申请中断服务 ）. （4）. 启动 60MS 定时

9、的中断服务程序 ,在这个中断服务程序中先对二次场电压信号进行自动增益控 制,（调整模拟放大器的增益 ,使二次场被放大到 A/D 转换器最大输入幅度的 1/2 以上 .）记录下此时所 用的增益.接下来就使用该增益放大二次场并用 A/D转换器对二次场连续20MS内采N个样，存放 在一个记录中 .用同样方法每隔 60MS 获得一个二次场和它们的增益的记录 ,一共获得 10 个记录.这 10 个记录就是二次场衰减曲线上的 10 个采样小面积 .在采完二次场后 ,延时 240MS 后开始用以上 同样的方法测量未补偿干净的自然电位 ,并把它生成一个记录 （5）.用硬件模拟电路 （带有施密特性能的比较器 ）

10、寻找负一次场供电沿 .延时 600MS 后开始测量 20MS 内 N 个点的一次场并与此时的增益一起生成一个负一次场记录 . （6）.用硬件模拟电路 （带有施密特性能的比较器 ）寻找负一次场停电沿 ,以此沿作为对负二次场开始测 量的起点时刻.（用此沿向CPU申请中断服务）. （7）.启动 60MS 定时的中断服务程序 ,在这个中断服务程序中先对负二次场电压信号进行自动增益 控制,（调整模拟放大器的增益 ,使负二次场被放大到 A/D 转换器最大输入幅度的 1/2 以上.）记录下此 时所用的增益 .接下来就使用该增益放大二次场并用 A/D 转换器对负二次场连续 20MS 内采 N 个 样,存放在一

11、个记录中 .用同样方法每隔 60MS 获得一个二次场和它们的增益的记录 ,一共获得 10 个 记录.这10个记录就是负二次场衰减曲线上的10个采样小面积在采完二次场后，延时240MS后开 始用以上同样的方法测量未补偿干净的自然电位 ,并把它生成一个记录 (8) .对以上正负一次场和二次场和未补偿的自然电位记录中的N个数求平均值.生成正负一次场二 次场残余自然电平均值的记录.将正负一次场和二次场平均值的记录相应的项相减后除以 2,得到正 负一次场和二次场绝对值记录.将2个残余自然电平均值的记录.相加后除以2得到整个周期的残余 自然电平均值.根据该值去修正测得的自然电位并且进行一次实际补偿 . (

12、9) 重复以上8步再测得一个完整周期的各种数据生成第二套记录.把两套记录求相应各项数据的平 均并把它存入第一套记录. (10) 显示第一套记录，并询问操作员是否还要进行测量更新第一套数据记录？如操作员回答是, 就进行第二套数据测量后与第一套数据叠加后求平均，再显示第一套记录并询问操作员是否还要进 行测量更新第一套数据记录？如果此时操作员回答否.，仪器再问是否要保存记录到FLASH中去. 如操作员回答是，就创建新记录，不然就回到系统菜单. 5+8.5 +5V R19 20K +V(+8V) R22 10K V CC R23 5.1K R62 10K R63 10K A +8.5 +8.5 R60

13、 0K A GND OX0 R61 X0 X X1 X2 MUX X3 X4 X5 VCC X6 X7 INH GND A I C VEE +8.5 3DJ6F _ J2 R24 91k R28 10K C7 *P 3 R17 L3A 10k LM 339 2 M2 0 I 0 + I 6 5 打3 2 1 0 L 8 7 6 1 CccCcc ICCCf P4 10K R D oR D 0 1 2 3 4 5 6 75 A AAA A A A AY 2v G 0 1 2 3 4 5 6 7 XXXXXXXX 00000000 + +R D P D D N A G A DDItflHI 附MD

14、IIHIBBIBIIBliBIIBIIIimiBIBBBI R R VT Vl -0 R VN V5N G PN(NN01234567d MGTGNNNNNNNNN AADAAAAAAAAAAG |cc|c| 10 *2* 4*|9 忡1 川7|6| 卄川 SH1 D03E L 3 4 6 / -8 9 10 11 12 13 1 I00U/1 5V 26 C12 A 0.015LF C11 AGN D 0.047 R25 253K P5 10K C9 R27 62K C60.035LF VlPr C8 0.12LF +8.5 T I R42 100 12 A2 AD2 MA X120 IC7

15、 3 A1 2 I R43 II | OP-07 A3 A4 DIGGM D A1 NULL A0 VIN CS/ NULL A5 CLK/ AGND2 A2 AGND1 I -VS +VS VCSEN V 0F0RC 16 12 11 9 A D3 A D526 5 15 14 -13 1 6- 11 MODE VSS VDD AIN VREF GND D11 A/D D10 D9 D8 D7 -n- 15 计 19 R D/ CS INT CLKIN CPU T2,P10 VDD T2EX,1 P00,A) RXD1,2 01,AD1 TXD 1,3 02,AD2 INT2,4 03,AD

16、3 I3/,15 04,AD4 I4,1.6 05,AD5 I5/,17 06,AD6 RST 07,AD7 RXDP30 EA TXD ,31 ALE INT0/ PSEN INT1/ 27,A15 T0,3.4 26,A14 T1,3.5 25,A1： WR /,36 24,A12 RD/,37 23,AT XTAL2 22,A1( XTAL1 P21,A VSS P20,A I2 W77E58 40 _38 24 _30 _29 27 26 _24 23 22 _21 20 CONV S 20 DC D D2 D3 D4 D5 19 17 16 14 极化率测量中的关键技术 . 1.极化

17、率测量公式极化率 = （ 二次场 /一次场 ）*100% 上式中一次场是在发送机向大地供电时在地面上M,N接收电极上测得的电压值DLTA_V1,严格地 说这个电压中还包含有二次场的成份 ，但是二次场相对於一次场比较小，只有百分之几.所以就以此 电压作为一次场.而且以供电后几秒钟后的电压为一次场.因为刚供电时 MN上电压在上升，几秒后 趋向平稳.如下图所示： 上式中的二次场是发送机停止向地下供电后在地面上M,N接收电极上测得的电压值 DLTA_V2., 它是随停电时刻的延迟而渐渐衰减的.在0.5秒钟后基本上衰减为0MV.我们要对这根衰减曲线上的 各时刻进行采样，以得到一根完整的二次场衰减曲线.

18、次场 24 上式中的极化率是二次场衰减曲线上的各点分别除以一次场后乘100%得到的它也是一根衰减曲 线这叫对一次场归一化处理好处是排除了不同的 MN电极上测得的一次场时大时小变化对极化 率测量精确度的影响它可以完全反映地下矿体的激发极化效应如下图所示 极化率 100 % =（二次场/一次场）* 100 % 极化率衰减曲线 未补偿掉的自然电位 T=0 60MS 120MS 180MS 240MS 300MS 360MS 420MS 480MS 540MS 600MS 2.二次场测量方法. *野外M,N电极上来的二次场的特怔： 二次场DELTA_V2中叠加了二种直流电压信号，自然电位SP和不极化电

19、极的极差 VJ这三种电压 都在几毫伏到几十毫伏数量级而且都可能是正电压或负电压其中自然电位SP和不极化电极的极 差VJ是一直存在的，随时间的延长会作极缓慢的漂移二次场DELTA_V2是发送机供电后激发出来 的,发送机停电后约0.5秒内衰减为0. *为了测量二次场DELTA_V2必须把自然电位SP和不极化电极的极差VJ补偿掉.方法是用电路部 件制造一个直流电压与SP和VJ相等，再用模拟运算放大器组成的加法器中把 SP和VJ减掉.使送到 放大器后级的信号中只剩下二次场 DELTA_V2成份. *.补偿SP和VJ: 为了补偿SP和VJ必须制造一个直流电压与SP和VJ相等,先测量SP和VJ这只有在发送

20、机停电约 0.8秒后进行测量，具体做法如下：先让自电补偿发生器做字电位器或D/A转换器）输出0电压，即不 补偿SP和VJ再把SP和VJ放大到A/D转换器的量程一半以上，用A/D采样一批该电压，将它们求 平均后除以放大器的放大倍数 GAN就得到了 SP和VJ的精确值.用微机存储器记住这个数字值，再 用数字电位器或D/A根据这个值制造一个反极性的模拟量电压送到运放加法器的输入端 ，这样就把 SP和VJ补偿掉了 . *.跟纵补偿SP和VJ: 因为SP和VJ在长时间内缓慢漂移，所以要跟纵SP和VJ的变化不断进行补偿.这安排在发送机停电 后0.8秒钟进行.这次测量得到的是漂移量，再把这个漂移量加到上次补

21、偿的数字量 SP和VJ中，再把 这个新数值反向后送到数字电位器或D/A作为一次新的SP和VJ补偿. *.二次场测量精确度的提高关键技术 : （1）. 时间精度 : 二次场 DELTA_V2 是随停电时间的延时而衰减的 ,测量的起点是发送机停止向地下供电的时刻 ,对 测量电极 M,N 上的电压信号而言就是一次场消失的后沿 .数据采集器要寻找这个后沿 ,时间误差不 能超过 1 毫秒.因此必须用硬件电路来寻找 ,（带施密特特性的比较器 ）一旦寻找到后沿 ,立即向程序发 出中断申请 .程序立即开始定时采样二次场电压 （用 A/D 转换器）. *寻找一次场停电后沿方法 （接收机与发送机同步测量技术 ）:

22、 该问题是上世纪 70年代国际物探电法仪器研究的重点 .60 年代时发送机和接收机在一个测站上 ,以 我国的上海地质仪器厂的 DDC2 为例;它的发送机是一只隔离调压变压器把发电机发出的 50HZ 交 流电变压成 50V 到 500V 交流电,并且用变压器与大地隔离后整流成直流 50V 到 500V 直流电压 . 再用灭弧的大功率脚踏开关启动和停止向大地供电 .停电时用电榄线启动对二次场的测量 .这种方法 的缺点是接收机不能灵活移动 .只能移动 M N 测量电极 （跑极） .这种方法测量费时费工 ,而且测量精 确度易受测量的长线上的干扰而降低 . （长线易受电磁感应 ） 70 年代初地质部物探

23、研究所研制出接收机与发送机无电榄联接的短导线激电仪 .用接收机从测量 电极 M N 上来的一次场停电后沿来启动对二次场的测量 .这种方法国际上也采用了 .典型仪器有加 拿大先得利公司的IPR8型激电仪.80年代初由我国上海地质仪器厂研制的 SJJ_1型仪器与IPR8相 同.湖南地质局研制了大功率短导线激电仪在省内和邻省江西推广使用 .获得良好的效果 .这类仪器 都是测量线是短导线的 .都是利用寻找一次场后沿来启动二次场的测量 ,即远点启动法 .寻找一次场 停电沿的方法也有多种 ;一种是用电容电阻微分器寻找后沿 ,这种方法简单但不太可靠 （微分电路易 受干扰）.另一种方法是用电平鉴别电路 （施密

24、特触发器 ）来区分一次场和二次场 .适当设置施密特电路 的翻转电平 （在一次场和二次场中间 ）和施密特电路的滞后回差 （回差大一些可抗干扰 ）可以比较可靠 地区分一次场和二次场 .另外国外又推出抗干扰性能更好的锁相环同步电路 ,典型仪器是 MAK_3. 但 是锁相电路在超低频激电信号下锁定时间较长 ,在干扰大的工区不易锁定后同步测量 .因此目前国际 上大多采用电平区分的方法 ,即用带施密特特性的电平比较器来区分一次场和二次场 .本仪器就采用 这种方法 . 寻找正负一次场停电后沿的电路 (LOOK_V2.S01) +DELTAV1 2 P7 I0K o +5V VCC -DELTA V2 D -

25、8V 100 K R43 20K R44 1K R50 10K R41 10k R45 160K R52 5.1 K L3A LM3 39 TO IX 1 -DELTA V1 +V(+8V) C12 00P -V(-8V ) VIN +8. 5 +5V VCC 1 R46 10K R47 5.1 K +DELTA_V2 -o TO IX 0 (-2.5V R42 10k R48 1K P8 10K +8V L3B LM3 39 R5 3- 100 K Title LOOKJ2.S01 Size A4 Number Revision Date: 1 6-May -2008 Sheet of Fi

26、le: C.IPRUIELILUUK. U2. DiaWnB 4 (2) . 电压幅值精度 : 二次场的幅度相对一次场是比较小的 ,野外一般只有 1% 到 5%.在寻找后沿时放大器用的增益是适 合一次场的 ,这个增益对二次场是太小了 ,带来的后果是 A/D 转换器采样的数字有效位数降低 .这样 就测不准二次场 .为了提高测量精度必须扩大放大器的增益 ,使二次场放大到 A/D 转换器最大输入 电压的一半以上 .这样才能获得最多的有效位数 .最终对每一个二次场电压有两个数据来表达 ,一个 是增益 GAN, 一个是 A/D 转换器采样值 V_SAMP(12 位二进制定点数 ).它表达的二次场是一个浮

27、点 数 DELTA_V2=(float)V_SAMP/GAN. 每次测量一个二次场必须对它进行自动增益设置 ,接着对二次场进行 A/D 转换 .这个过程必须在精 确的 60 毫秒内完成 .这样就可以在 660 毫秒对二次场衰减曲线采得十个 DELTA_V2 的浮点数幅值 . (3) . 精确补偿自然电位 ,MN 不极化电极极差 ,放大器自身的零点偏移和漂移 为了精确测量二次场 ,必须把影响二次场的直流偏移和漂移干扰信号全部补偿掉,这些直流干扰信 号包括 1.仪器放大器自身的零漂 ,2.自然电位 ,3.测量电极的极差 .为了补偿放大器自身的零漂 ,需要 把放大器的输入对地短路，并且让自然电位补偿

28、器输出 OMV,放大器的增益设为最大.此时测量放大 器的输出电压.把这个电压除以增益得到的就是放大器自身的零漂再把这个零漂求反后送到自然电 位补偿器中去.这样就完成了放大器自身的零漂补偿以后对MN来的信号中自电和极差补偿要在 放大器自身的零漂的基数上叠加后送到自然电位补偿器，这样就可以把对二次场测量干扰的所有直 流信号全部补偿掉 （4）.仪器的内部蓄电池不足时也会影响测量精度.所以在对一次场和二次场测量之前都要让多路转 换开关转接到蓄电池测量一次蓄电池的输出电压是否在允许范围内 C8051F060 CPU 中的A/D转换器方块图 测衰减曲线的室内测试方法 如下图所示，这是一个 DX88激电仪模

29、拟信号发生器。利用这个发生器可以在室内测衰减曲 线。 3 (512)4 64(32) 16(128) 32(64) (256)8 1 01 103亠 严10 气. 1 91C4 lfj| h|05.0 1 FbTi 功功功功 L功功功功一1 功功 DC LF 功功 功功功功 i0i 0 0 01 i0i 0 _n_r hf功功功功 (1024)2 (2048)1 256(8) DX88功功功功功功功功功功 功功功 功功 128(16) (4096)0.5512(4) 5247 功功 一）： DX88 模拟信号发生器的简单介绍： 1:左上方有一个表头，此表头显示的是输出的信号大小，可以根据粗调或细调开关调整输 出信号的大小。 2 :左下方显示的“ S频率选择（HZ）”开关是选择信号的频率，一共有11种频率可供选 择。括号里表示的是频率大小，括号后面表示的是周期大小。 3 :“细调”开关可以调整输出信号的大小，顺时针旋转信号变大，逆时针旋转信号变小。 这个开关可以准确一点的调整信号的大小。 4 : “粗调”开关也可以调整输出信号的大小，上面有十一个开关可以选择，选择的数字越 大，输出信号越小。这个开关只可以大概的调整信号的大小。 5 :“功能选择”开关，工