电法仪的原理与结构

6.1电法勘查的数据采集特点电法勘查的数据采集特点与其他物探方法既具有相同点，也具有不同点。其相同点是都具有原始数据的特性，即包含有用信息和环境噪声两大部分，有用信息是指在某一方面反映地下地质情况的信息，环境噪声是指工作地点测量当时的噪声，通常具有随机性。原始数据是地质环境、工作环境、时间的函数，还与仪器、甚至操作者有关，因为不同型号的仪器的测量精度及抗干扰能力不同，操作者设置的测量仪器参数的不同也会影响测量的结果。作为正确反映地下地质情况的原始数据，在去除工作环境的噪声干扰和正常日变以后，在相同地点测量应该具有重复性，不同仪器同时测量相同参数应具有可比性。一、电法勘探方法数据采集的多样性电法勘查数据采集与其他物探方法的数据采集的不同点在于电法勘查数据采集的多样性，这是与电法勘查方法的多样性分不开的。它的多样性表现在下列几个方面。文档来自于网1、采集形式的多样性电法勘查方法多，工作方式各不相同，装置不同，场的特点不同，传感器不同，使得采集形式多样。它既有天然场源的方法，也有人工场源的方法。既可以采用接地电极测量电场，也可以采用不接地的线圈测量磁场；既可以测量相对量，也可以测量绝对量；既可以测量标量，也可以测量矢量；既可以测量振幅和相位，也可以测量实虚分量；既可以测量总场，也可以测量纯异常场。文档来自于网络搜索2．采集参数的多样性电法勘查方法多，不同的电法勘查方法则量不同的参数，使得采集参数多样。自然电场法测量电位U或电位差4U；电阻率法测量电位差△U和电流I来换算视电阻率pS；激发极化法测量一次场电位差厶U1和二次场电位差4U2来计算视极化率ns；频率测深法测量交变电场E和交变磁场H的各分量来换算视电阻率ps等。文档来自于网络搜索3．采集序列的多样性电法勘查方法可以在不同的采样空间进行采样，可以是空间采样序列，如电剖面法，通过固定装置，改变空间测点位置，来测量地下电场沿空间水平方向上的变化；又如电测深法，固定测点，通过改变供电极距，来测量电场沿空间垂直方向上的变化，研究场的空间变化特性；也可以是频率采样序列．如大地电磁加深法和频谱激电法等，在相同测点上．通过改变测量（和供电）频率，测量电磁场随频率的变化，研究场的频率特性；还可以是时间采样序列，如瞬变电磁法等，在相同测点上，测量电磁场随时间的变化，研究电磁场的时间特性。文档4．采集场所的多样性由于电法勘查方法可以在空中、地面、并中等不同场所工作，因此，电法勘查的数据采集也可以是在空中（航空电法）、地面（地面电法）、井中（井中电法）进行。由于测量场所不同，研究的电磁场的侧重点有所不同，因而所使用的仪器的特性和研究方法也会有所不同文档来二、电法勘查方法数据采集的复杂性电法勘查方法由于其测量的场的多样性，造成了其数据采集的复杂性。1、成分复杂由于测量采用的装置及传感器的多样性，以及电场或电磁场的特点，使得测量仪器所获得的信号成分比较复杂。如在地面直流电法勘查中，测量视电阻率时，测到的信号包括大地中电场的信号（地质信号和干扰信号）、电极极化信号（由于电极极化差产生）和仪器本身的噪声信号（由于仪器电路和器件的不稳定和电磁窜扰产生）。在进行激发极化法工作时，不同的仪器参数（供电时间、测量时刻等）都会影响测量结果。文档来自于网络搜索2．关系复杂在各物探方法中，电场和电磁场相对于重力场、磁力场和振动波场来说，更复杂一些。所测量的信号特性，除与地下地质体的特性和分布有关外，还与场源的性质、位置、方向、频率等有关。在电磁场中，电场和磁场是相互关联的，它们都是场源性质（电性源、磁性源）、空间、时间的函数。在进行数据采集和处理之前，必须明确知道这些关系，才能选择正确的数据采集方法和数据处理方法。文档来自于网络搜索三电法勘查方法数据采集的艰难性电法勘查方法的数据采集是在艰苦的野外环境下进行的再加上测量场的复杂及仪器制造技木所阻，使得数据采集非常艰难。文档来自于网络搜索1．干扰大由于野外条件恶劣，冉加上测量在野外测量时，面临着各种干扰。包括非目标体的地质噪声、天然电磁噪声及人文干扰。非目标体的地质噪声主要指地形不平、近地表电性不均匀等；天然电磁噪声主要指非测量对象的天然电磁场；人文干扰包括各种人文电磁干扰（如工用、民用电造成的游散电流等）及各种人工埋没物的干扰等。在采用接地电极进行测量时还会有电极极化产生的干扰。文档来自于网络搜索需指出的是，噪声或干扰是相对于我们测量的场而言的。例如，天然电磁场对于人工源的电磁测深来说是一种干扰，而对于大地电磁法来说它就是我们的场源了。文档来自于网络搜索2．信号弱对于采用人工场源的电法勘查方法来说，因为受到场源功率大小的限制，测量信号是有限的，而且在野外工作中，整个工作装置的轻便化对于提高工作效率是非常重要的，在满足一定的信噪比要求条件下，希望尽量减轻电源部分的重量。一般情况下，传导类电法测量的信号在mV级，感应类电法测量的信号在|JV级，在一些方法中，测量信号是nV级（如勘探地下水的核磁共振方法）。因为测量信导比较弱，在遇到较强干扰的情况下，需采取措施提高调量的信噪比，一是加大场源功率（在进行大面积的激发极化法工作时常常采用大功率发电机进行供电），这样会增加设备的重量；二是采用多次测量进行信号叠加的办法提高信噪比，这样要增加测量时间，影响工作效率。达都是电法工作不利的方面。文档来自于网络搜索对于采用天然场源（或被动场源）工作的电法方法来说，因为无法控制场源，只有采取多次测量进行信号叠加的办法来提高信噪比。因此，在采用天然场源工作的电法方法中（如大地电磁法），为获得一个高质量的测量结果，常常要花费较长的工作时间。文档来自于网络搜索3变化快在电法勘查方法中，时间域的激发极化法和瞬变电磁法等方法是测量断电后的随时间变化的纯异常场，它们随时间的变化很快，需在毫秒（ms）甚至微秒（pS）的时间段内进行测量,不是自动化的仪器是无法准确测量的。文档来自于网络搜索4．动态范围大由于在测量中随着测量点位的变化或者测量装置的变化，测点离测量对象的距离变化很大，收发距或极距变化很大，使得测量信号的变化很大。电位差可以在10-2—103mv之间变化，电流可以在10-2—104mA之间变化。因此，要准确测量出各不同量级的信号，并不是一件容易的事。文档来自于网络搜索最近几年，国内外的电法仪器发展很快。从国内生产的电法仪器来看，比较多的有高密度电法仪、时间域与频率域激电仪和瞬变电磁仪。国外主要的电法仪器公司也相继推出新一代电法仪器，主要有高密度电法仪、电磁法仪、多功能电法仪和通用发送机。本节在介绍国内外主要电法仪器的基础上，详细介绍三种具有代表性的电法仪器（国内外高密度电法仪各一种、国外多功能电法仪一种），从这三款电法仪器可以看出电法仪器的发展趋势，以及我国电法仪器与国外电法仪器的差距。文档来自于网络搜索6.2电法勘探仪器中的传感器电法勘探分成传导类电法勘探和感应类电法勘探两类。对于传导类电法勘探只需进行电场测量就可以了，对于感应类电法勘探则要进行电场和磁场两种测量，下面介绍两种测量的传感器：文档来自于网络搜索6.2.1电场接收器电场接收器,简称测量电极。相对其它地学传感器而言，测量电极的构造很简单。人们经常使用的测量电极主要有三类:金属电极式电场接收器；石墨电极式电场接收器；金属-金属盐溶液式电场接收器。在电法勘探中，电场接收器的接收质量主要由三个特性来衡量：电场接收器的噪声频谱范围、温度系数和极化程度的长时间稳定性。文档来自于网络搜索一、 电场接收器的噪声电场接收器的用途是给出其布极地点介质电位差。这样，它就必须将这点的大地中所含离子导体的电位传送给电子导体，即金属测量线。然后，被送去测量系统进行各种信号处理。在应用电场接收器对大地电场进行测量时，金属和电解质之间的接触面上会产生一种附加电位。如果这种附加电位保持常数，它们就不会对两个电极之间的电位差变化（即大地电位差变化）产生干扰。如果它们是一个不稳定的常数值，则这种附加电位（又称接触电位）的变化可能与信号混淆，从而形成对测量信号的干扰，这就是电场接收器的噪声。文档来自于网络一般说来，噪声的大小可以用噪声密度来衡量，噪声密度可以用丁的形式来表示。但是，这种方式不能直接给出噪声对测量的影响。为了对两个器件的噪声进行比较，比较合理的方法是利用一个带宽常数厶/如果选择厶，：：和 ，便由此可得和 。在我们的讨论中，噪声值都以峰峰电压值表示，而带宽都是取值为。文档来白干网Z络^搜^索二、 电场接收器噪声的测试由仪器测量到的噪声为装置的总体噪声。为此，必须尽量排除记录装置中每个噪声源的影响，其它的噪声源有：1、 放大器的噪声因为一个好的电极的噪声是很低的，一般约几左右，所以，应该利用优良的低噪声放大器，它应有差分的输入形式，以及高的输入电阻，放大器的第一级要采用低噪声器件文2、 高频噪声的滤除：在信号输入之前，就需要将测频带以外的各种频率滤除干净，如广播电视和大气层中的高频噪声。3、测量线干扰的滤除如果测量线是松散地放在大地上，空气对流产生的风就会使它们发生运动，测量线切割磁力线而产生感应电动势，这种感应电动势一般约为10微伏左右。除此之外，还可在实验室进行电极的噪声测试，方法是：文档来自干网络搜索两个电极都放在一个盛满泥土的箱子中，其间距为一一厘米，这样测量出的噪声为其它的噪声源。电极噪声随时间增长而减小，但规律随电极不同而不同。在地球物理测量中，人们应用了许多类型的电场接收器（电极），经常使用的有三类：：金属电极，、石墨电极；、不极化电极。在电极布好之后，其噪声随时间增长而减小。而对所有电极来说，其噪声都是随频率上

升而减小。在高于时，和电极噪声相比，放大器的噪声则占更重要的地位。见下图。1．金属电极式电场接收器：铁测量电极（铁棒）、铜测量电极（铜棒）是这类测量电极度中的典型代表。这类测量电极的主要特点是简单、牢固、使用和携带都方便。但是，它接收电场的质量较差，不适用于进行高精度的电场测量。文档来自于网络搜索它们的噪声太大，在 时电极布放〜1小时之后的噪声约为10p在小时以后仍达到p这些电极需要很长时间才能达到稳定状态。如果将这些电极用水或硫酸铜溶液润湿后再布放，可使接触电阻大大降低，但却使噪声增加。对于高于的信号频率来说，放大器的噪声已占主要地位，因此，在应用于高于 的测量频段时，这种电极和其它电极相比，在噪声方面无多大差别。但是，它简单方便，因此，在高频测量时可以应用这种电极。文档来自于网络搜索所以在电阻率测量中，供电为低频的交流电场2．石墨电极式电场接收器这类电场接收器适用于海洋中进行大地电场的测量，它是一种非金属电子导体。它的噪声也很大，即使在稳定小时以后，噪声仍很大，在 时达p金属金属盐溶液式电场接收器镉氯化镉 电极镉棒和镉盐溶液（氯化物或硫化物）和在铜-硫酸铜电极结构相同在是装在素烧瓷罐中在其底部是多孔的无釉瓷在以保证和大地接触。文档来自于网络搜索对于上述两种不极化电极来说在在有些情况下在可观察到一些异常情况在会发现一些大噪声变化在这些现象一般与电解液有关.其原因是由于金属电极上有气泡放出在当罐未完全充满液体时在会出现三重接触:电解质-空气-金属;或是因在素烧（多孔）瓷中的流体突然发生变化（当过滤电位因某种情况而改变时）引起的文档来自于网络搜索银氯化银 电极这种电极经常用作参考电极，其电极噪声很低，在 时，仅为p且稳定时间很短。这种电极的制作是：在银棒上镀上一层氯化银，然后，将其放在饱和的氯化钠冻粉胶（或粘泥）中，这样保证其成为导电介质，因为氯化银是一种难溶于水的盐。最后，将冻胶粉（或粘泥土）装入一个布袋或一侧开口的木箱中，这样既保证了电极箱的牢固而又不妨碍和大地的接触。这种电极装置，从中心到边缘其盐浓度是逐渐降低的。氯化钠可用氯化钾来代替，以便降低其渗透电位。铅氯化铅（ ）电极：电极还低,铅氯化铅（ ）电极在低频时噪声很低，甚至比银氯化银电极还低,时为p且稳定时间也很短约为〜1小时。这种电极的制作方法是将铅丝放在装有灰泥的容器中。灰泥是由饱和的 （ ）和 混合而成的。就低于10，的，电场接收器的噪声和稳定时间来说，上述的实测结果显示了不极化电极的优点。事实上，对于这些电极来说，金属和土壤间的接触可分为两个独立的步骤。第一步接触是金属材料和电解质间的接触，这种接触将产生很大的接触电位(约为 〜IV)。但是，这种电极的金属材料是位于电极装置的中心，其溶液浓度是固定的，且受到某种保护作用的影响，所以，这种接触电位是很稳定的。第二步接触是土壤电解质和金属电解质间的接触，这种接触电位不起关键作用因其接触电位值要小得多，仅有几个毫伏左右。但这种电位却是一种不稳定因素，就电极噪声来说，它却起着重要的作用。一般说来这种电位是由扩散电位引起的。文档来自于网络搜索三、电场接收器的温度系数不极化电极式电场接收器的电极电位可由 公式给出：E=E+(RT/F)0式中：Eo为标准电位(25oC, =1)，其值勤可由化学表中查出；R为理想气体常数。T为绝对温度。F为法位第常数；为金属化合价。RT/F=表示金属离子活动性为简单起见在下述讨论中我们以其浓度代替。这种金属棒电极电位自身可和溶液中的离子浓度相抵消。我们称这个浓度为平平稳衡浓度，记为 ，这样，便有：E=O=E+(RT/F)由此，E=-(RT/F)从而电极电位便成为：E=(RT/F) { / }(1.4.4)这里，平衡浓度可写成下面表达式：{M+n} =e-nFEO/RT为了求得温度系数，必须在(1.4.4)式中对温度进行微分，然而和是温度的函数，所以，可得到：文档来自于网络搜索I这里， }=如果电极的盐是一种难溶盐，盐的分子式记为(MX)，则离子浓度M+可由下式来定义：{M+n}=Ks/{X-}n这里是溶解度常数，而{-是这种金属盐或具有共同离子盐溶液离子X-的总浓度。结果，温度系数则变为：文档来自于网络搜索K，K /ss e， e，由温度系数表示式中可知，温度系数和盐的溶解度及离子活动性随温度的变化而变化(如果溶液是饱和的)。其中，含的项很重要，该项是由金属的性质决定的，项也是重要的，因为可以通过改变金属离子的浓度来改变，用此方法，可使电极温度系数为零。四、电场接收器的极化电位差测量大地电场变化时，在大地中流动的部分电流，在这种电流的作用下，离子平衡被破坏，因而引起电极电位的变化，这种现象称为电极极化。电极的极化电位差会给测量带来严重的干扰。文档来自于网络搜索对于金属电极和石墨电极来说，电极极化是相当不稳的，变化幅度约为〜20而不极化电极(例如铜、镉、银、汞和铅组成的不极化电极)的极化电位为十分之一到几之间。文档来自干网络搜索五、电极应用的选择综上所述，对于高于 的电场信号测量来说，仪器的放大倍数噪声仍占主要地位，在这样的频段，就可以简单地利用金属棒插入地中作为测量电极。对于低于 的频率而言（直到几分钟为周期的信号），可以利用 A 、 电极。6.2.2磁场接收器磁场接收器主要有三类:磁感应式、磁饱和式和超导式。目前，在电法勘探中最广泛应用的是磁感应式磁场接收器，下面仅对磁感应式磁场接收器进行讨论，其它二类磁场接收器可以参考有关资料。文档来自于网络搜索一、磁感应式磁场接收器的组成下图示出了一种磁感应式磁场接收器的基本组成，图中，除线路成分之外，还示出了其噪声源的分布情况。磁感应式磁场接收器通常都由线圈和放大器两部分组成。线圈中包括绕组和磁心两部分。磁心通常是由高导磁率的玻莫合金做成。线圈部分的电参数有三种：自感（）、电阻（）和分布电容（）。所以，基本上是一个振荡电路的形式。除了基本的线圈和放大器以外，为了排除广播效应的干扰，还需要加静电屏蔽。二、感应式磁场接收器的测磁原理在地球物理勘探中，普遍利用天然场源或人工场源来激励地下导体产生的二次磁场等有关信息研究地质问题的。但是由于场源特点不同，接收到的信号均是十分微弱的，故要求磁场接收器须有足够高的灵敏度（一般在M/以上）。这点对设计制造及使用感应式磁场接收器时，应予充分考虑。根据应用场合不同，可制成不同类型的磁场接收器。目前，磁场接收器一般分为有磁芯和无磁芯柱状感应式两种。现以大地电磁测深使用的有磁芯柱状感应式磁场接收器为例来说明。文档来自于网络搜索大地电磁测深作业的场源特点是缓慢变化的天然交变电磁场，其记录图形如图1.所示。通过它来研究地壳和上地馒的结构特征。天然脉动的电磁场，在性质上是稳定的随机变量，信号十分微弱。文档来自于网络搜索三、磁感应式磁场接收器的信号和噪声1．信号和噪声源信号是以感应电动势的形式在线圈中出现。其电动势是由所检测的磁场的变化引起的。对于噪声来说，其来源是多方面的，可分述如下：文档来自于网络搜索（）、线圈的热噪声：由绕组的电阻（）引起。（2）、磁心损耗噪声：此种噪声由磁心的损耗（如磁心涡流等）引起。我们可以用一个等效电阻（）来等效，并把它归到线圈电路中去。文档来自于网络搜索（）、屏蔽噪声：屏蔽材料中的涡流也会引起噪声，同样，我们也可以用一个等效电阻（）来等效，归到线圈电路中去。文档来自于网络搜索（4）、绕组中的附加损耗噪声和绝缘物中的或然损耗噪声：由于在某一给定的时刻，线圈绕组中并不是处处都有相同的数值，会使绕组存在有额外损耗噪声，同时绝缘物中也存在或然额外损耗噪声，我们以等效电阻（）来代之。文档来自于网络搜索（）、放大器噪声：它可能由两种独立的噪声源引起，一种是电压噪声源，另一种是电流噪声源。2所测信号，感应电动势的计算：和在输入端的信号源阻抗相比，放大器的输入阻抗可以认为是很大的，但输入端间还存在有分布电容，我们将此种分布电容归并到中去。文档来自于网络搜索根据电磁感应定律，感应电动势（）的表达式可写成：M式中：一线圈绕组圈数；|J—磁心的导磁率；一线圈绕截面积；一运算子符号；一外磁场强度。设（）为线圈振荡电路的传输函数，贝y间的电位差VAB=e（*P）G=（e1*/（1+0RPC+0LP2C））而间的阻抗可表示为：Z=（R+LP）/（1+RC0P+LC0P2）3．噪声值的理论估算：根据热力学定律，电阻的热噪声瞬时值电压（）可以写成：式中：一波尔兹曼常数，为 3 绝对温度一绝对温度；△—噪声等效频带。文档来自于网络搜索在输入电路中，有源成分（和）不产生噪声，但是它形成的振荡电路却能把噪声变成和信号相似的形式。它在放大器输入端便形成一个电位差（，瞬时值）VR=eRG（P）=eR*（1/（1+RC0P+LC0P2））RRR00从而，在放大器的输入端，它和放大器的噪声进行能量相加，形成磁场接收器的总噪声。放大器的电流噪声源在端之间形成一个噪声电位差Z因此，连同电压源噪声，其总噪声可写为均方和形式：Vb2=VR2+e2b+Z2i2b.、磁感应式磁场接收器的信噪比整个磁感应式磁场接收器（包括前置放大器）的信噪比，从上述的计算出发，可写为：如果仅考虑磁传感线圈部分，则信噪比可写为：（） P由式可知，电路的共振并不能改善信噪比，因为，共振对信号和噪声的作用是相同的。根据感应定律，人们很容易理解，信号是和外磁场的变化速度成正比的。但噪声却基本保证不变。因此，随着频率的提高，信噪比可以和频率的平方成正比地得到改善。文档来自于网络四磁感应式磁场接收器的组成：根据大地电磁测深的场源特点和工作要求，选用高导磁率坡莫合金材料作磁芯，做成长螺旋管式磁场接收器（如图1.7所5示）。这种接收器的优点是：电感线圈测量的不是磁场幅度，而是磁场的变化率；对高频磁场的感应电动势大，弥补了由于高频磁场变化幅度小而难于接收到的困难；便于运输和安置。但另一方面这种接收器随着频率降低，其感应电动势迅速衰减，似乎是对接收低频很不利的。但是，随频率的降低，脉动磁场的变化幅度，使每倍频程增加〜，这就远远弥补了接收低频不利的缺点。图1.7长5螺旋管式磁场接收器构成示意图设脉动磁场的水平分量为： wt则平行于螺旋管轴向方向的感应电动势为:0 — —npw式中：—脉动磁场的变化频率；—脉动磁场的最大振幅；—螺旋管的截面积；—线圈匝数；p—有效导磁率。磁场接收器的结构参数为：磁芯长2米，由40片坡莫合金箔迭成，长径比为8，0磁芯材料为 ，螺旋管半径毫米，匝数X匝。当频率为 幅度变化为 时，磁场接收器的电动势约为mn。但实际上变化幅度仅为 ％〜％,最小感应电势有.mv故要求放大器噪声不大于.mV如果增加线圈匝数，加大磁芯的长径比(使m增大)，均可增高磁场接收器的灵敏度,前者使磁场接收器的内阻加大、重量加大，后者使磁场接收器的长度加长，不便移动。文档频频频线频圈的热噪音平均功率为：频'()式中：一线圈内阻； X,c—温度。当 时，线圈内阻为 欧，贝y‘ xmh由上式可见，线圈的热噪音与其内阻呈线性关系增加。因此，单独增加匝数，并不能提高传感器的信噪比。在实际的应用中，根据信号频率的上限要求，可跨接一个适当的电容，与磁场接收器本身的电感一起组成一个低通滤波器，以压制高频干扰。接收器应由铜箔屏蔽，以厚铝作保护套，用环氧树脂密封；同时，厚铝管也是一层屏蔽层，它对高频干扰起屏蔽作用。工作时，将传感器埋入地下，可减低热噪音，此外应防止风的干扰，避免日晒，避免线圈的微小形变而产生电感量的变化。文档来自于网络搜索在设计和制作感应式磁场接收器时，有如下的一些要求：要有一定的灵敏度，体积不宜过大。噪音要尽量低，这里包括热噪音、温差电势、潮湿和接触污染等引起的噪音；线圈内阻要小；线圈避免用普通焊锡接头；信号线要双层屏蔽，且不能镀锡；要求严格密封。文要有完善的电屏蔽。要尽量降低磁芯的损耗，尤其是要降低涡流损耗。因此各片磁芯间要求严格绝缘。磁芯的抗震性和温度稳定性要好。五．典型的磁场接收器简介该接收器有三个相互垂直的接收线圈，都被固定在一个中心固定架上，因而是一个三分量组合式磁场接收器。其特点是体积小，重量轻，适用于移动式测量使用，为免受机械压力。三个接收线圈都密封在一个筒形塑料壳中，其中心固定架内装有放大器、滤波器等电子线路。每个分量磁接收器都有两个主线圈和一个测试线圈所组成。线圈的磁芯是由坡莫合金细丝组成，这些细丝被钳入灌有硅相胶的细铜管中，使之具有优良的机械稳定性。文档来自于网络搜索其主要技术数据有：TOC\o"1-5"\h\z磁芯长度 60cm磁芯直径 10mm线圈外径 34mm灵敏度 mV/nT-Hz接收线圈电感 35H接收线圈电阻 Q线圈固有频率 1，00Hz频率响应 到350Hz噪声密度 约0.5mnT1//2(Hz)这种磁场接收器虽有体积小，重量轻的特点，但线圈灵敏度不太高，是一个低阻感应式磁场接收器。由于计算机技术的应用及前置放大器的精心设计，使磁场分辨率大为提高，

并具有较宽频率响应。文档来自于网络搜6.3传导类电法勘探仪器6.3.1电阻率仪与激电仪一、电阻率仪电阻率勘探仪器是用于观测测量电极MN间电位差厶Umn，和供电AB回路中电流强度IAB两个参数的专门仪器。通过视电阻率计算公式:文档来自于网络搜索°=k4%计算出观测点处的视电阻率pS值。因此，电法仪器观测电位差△Umn△电流强度IAB的精度如何，将直接影响电法资料的可靠性和精确度。在野外条件下，由于各种干扰因素的影响和困难的观测条件，一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。文档来自于网络搜索根据直流电法的特点，对电法仪器有以下列特殊技术要求: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，以及有利于减轻供电电源的重量，使整个装备轻便化。要求电位差从50pV一lOOOmV、电流强度从1mA〜5A范围内变化，仪器能保证测量精度。文档来自于网络搜索仪器输入阻抗高。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。各插孔与机壳间的绝缘电阻州般不小于500MQ。要能承受较大的直流负荷（如在电压500V0,电流在5A的情况下能正常工作）。文档来自于网络搜索4•抗干扰能力强。对50Hz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。仪器应当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。文档来自于网络搜索将测量电极M、N与电法仪的测量（接收机）部分相连。在供电回路开关断开（即未供电时）,M、N极之间的极化电位差和自然电位差（统称极差）输入接收机。可以用电法仪内的电位计v测出这一电位差值（在作自然电位观测时）；也可用专门的极化补偿器抵消此极差（在作人工源直流电法时）。文档来自于网络搜索能自动转换量程。有自动极化补偿功能。仪器工作开关在“自电”位置时，能自动记忆自然电位差和极化二．激电仪激电仪是用作激电法的仪器。当电流流过大地时，由于电化学作用会产生随时间缓漫变化的附加电场，这种现象称为激发极化效应（简称激电效应）。基于观测放电效应引起的电（磁）场变化，来研究地下情况的电法分支方法称为激发极化法，简称激电法。文档来自于网络搜索激电法既可在时间域中，也可以在频率域中观测激电效应。前者称为时间域激电法，一般是通过供电电极点A、B向地下供人一定持续时间（T）的方波电流；并在断电后，观测测量电极M、N之间随时间（t）缓慢衰减的纯激电二次场电位差△U2（T,t）的，并按下式计算视极化率文档来自于网络搜索△Sd)「△Sd)「△U(T)X100%当代的时间域激电仪，并不是测量某一时刻（T或t）的电位差，而是记录其在某一时间间隔（△T或dt）内的积分值，然后除以积分时间（称为积分窗口宽度△T或dt）,获得其平均值并记录于积分窗口中心时间。文档来自于网络搜索在频率域中观测激电效应，称为频率域激电法，其最常用的方法变种是变频激电法。这种方法向地下供入两个电流强度（振幅）相同、频率分别为fG（高频）和fD（低频）的谐变或方GD波电流，观测相应频率的电位差（振幅）△UfG和4UDG，并按下式计算视频散率文档来自于网络fG DGPs（/b，/g〉=理"保匚£学九〉X100% =无论是时间域还是频率域激电法，它们在野外观测的对象，归根结底还是电位差。所以，激电仪和直流电法仪的基本部分（电位差测量单元）大体上是一致的。不过，激电法观测的是一定供电时间（T）和断电时间（t）或一定频率的电位差，而且通常是由测量仪器直接指示出激电参数,因此，要求激电仪中设计某些时间或程序控制电路和归一或计算电路，故激电仪较一般的直流电法仪更复杂。文档来自于网络搜索三、 电阻率仪与激电仪的现状与进展电阻率与激电法仪器的发展不仅受到电法勘探理论的影响，还受到微电子技术发展的制约。电法仪器在我国已经有五十多年的发展历史，回顾它的发展历程，从电工仪表到电子仪器，电子仪器又经历了电子管到晶体管，再到集成电路甚至超大规模集成电路的发展过程。伴随着嵌入式技术的迅速发展与普及，激电法仪器的性能有了突飞猛进的提高。文档来自于网由于电子技术的发展，单一的电阻率法仪器，在国内外都不多了。主要有重庆地质仪器厂推出的DDC--5和DDC---6电子自动补偿仪，文档来自于网络搜索60年代时期，国内的电阻率与激电仪器主要是仿制苏联的电阻率仪改装而成。到了70年代，激电法有了理论上的较大突破，与此同时，伴随着微电子技术的发展，电阻率与激电法仪器广泛采用了三极管和场效应管。在这期间，国内厂商研究和生产了以DDCJ-1为代表的多种时域激电仪。进入80年代以后，随着微控制器芯片与A/D、D/A技术的发展，具有自动化功能的激电仪得到了进一步的提高。这一时期的电阻率与激电仪拥有多参数、多窗口、测量过程自动控制、发射和接收一体化的特点。电阻率与激电仪的控制核心多采用单片机进行数据的处理和分析，例如北京地质仪器厂生产的DWDJ-1型激电仪所用的控制器就是80C39型单片机；重庆地质仪器厂开发的DZD-2电阻率与型激电仪则利用了80C31型单片机，同时兼有32K的数据存储，这为把野外采集到的数据带回室内，结合配套的解释软件进行物探解释提供了便利。这一阶段，电阻率与激电仪在轻便化、数字化、智能化方面取得了很大进步。测量数据避免了采用模拟方式产生人为的读取误差，而是以智能型数字式显示。仪器可以自动存储野外采集到数据，摆脱了手工记录的方式。电阻率与激电仪在功能上还可以做多次叠加、数字滤波、超差剔除、并可与外部计算机进行通讯，使计算机处理数据成为可能。体积上仪器也进一步减小，重量轻的仪器便于携带，更适于野外需要。各类先进电子元件的使用，极大的提高了仪器的性能指标。从90年代以后，微型计算机的性价比得到提高，被广泛应用，电阻率与激电资料处理软件与微型计算机激电仪相结合使激电法的工作效率极大的提高。文档来自于网络搜索四、 电阻率与激电仪数据采集方框图数据采集是指将各种模拟量进行采集、转换成数字量后，再进行处理、存储、显示或打印的过程。它包括硬件和软件两大部分，其中硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。由于目前数据采集系统一般都使用计算机进行控制，因此数据采集系统又称作计算机数据采集系统。数据采集系统硬件电路组成框图如下。文档来自于网络搜索传感器滤波器传感器滤波器D/A转换＜由图看出，数据采集系统主要包括传感器，滤波器，程控放大器，多路选择开关，A/D转换和微处理器六部分。D/A转换电路用来标定电压，与滤波后的信号叠加。程控放大器通过计算机的软件控制自动调节信号的幅值大小，使被测信号的大小在采集电路的所测范围之内。使用多路选择开关可以轮流切换被测模拟量与A/D转换之间的通道。文档来自于网络搜1、A/D转换器的选择A/D转换器是采集通道的核心部件，也是影响采集频率和精度的主要因素。2、D/A转换器的选择D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系，将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。在选择D/A转换器时，有很多具体指标需要考虑，例如串口/并口、分辨率、输入通道数、电压/电流输出、成本等。在注重速度的系统中，可以选用并口，若注重成本和尺寸则选用串口。评价D/A转换器性能的一个重要指标就是分辨率，分辨率越高，精度就越高。因此16位的精度要比12位的精度高。文档来自于网络搜索控制核心的确定一套完整的数据采集系统在经过模数转换后都要对数据处理、存储或者显示，以往的作法是将数据传给上位机（如台式微机，笔记本电脑，掌上电脑等）来实现。但是这种方法在野外操作和携带上都不方便，而且功耗偏大。随着微控制器的发展，可以不采用上位机处理数据的方式，直接由仪器内部的微控制器来完成数据的处理和显示工作。这就充分利用了微控制器系统的功耗低、可靠性高、独立作为一个微机系统的优点，无需与台式机、笔记本、掌上电脑等联机工作，解决了功耗偏大不适合现场连续工作等问题。文档来自于网络搜索程控放大器的确定程控放大器的作用是用来放大被测信号的峰值，提高A/D转换的分辨率。要求选用输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定的仪表放大器。文档来自于网络搜索6.3.2高密度电法仪从年佛克斯首先在英国康瓦尔铜矿上观察到了由矿体产生的自然电流场，到年法国科学家什柳姆别尔热和瑞典科学家隆德别尔格创立电法勘探的理论基础，电法勘探迄今已有近20年0的历史。二战后，电子技术的飞速发展促进了电法勘探仪器的不断推陈出新；同时电子计算机的应用也促进了解释水平的极大提高。上世纪八十年代以来，电法勘探开始进入二维时代。进入本世纪初，随着大规模集成电路的应用和计算速度的进一步提高，电法勘探已开始向三维方向发展［1，2，3。］文档来自于网络搜索高密度电阻率法是八十年代日本为适应山地物探的需要而提出的一种电法勘探新技术。其成本低，效率高，可靠性好；反映地电信息丰富，处理简单方便；结果直观，可使电法勘探能力得到明显提高。高密度电法仪的研发从上世纪九十年代开始，至今已经历了三次更新换代：文档来自于网络搜索第一代高密度电法仪将十几根电线拉到简易的箱体上，用插头逐个换线,测量时间长,容易出错。用波段开关手动选择电极连线进行测量，速度慢。其后,有的高密度仪用微机控制刷型机械开关进行测量,速度提高了,但仪器笨重,故障率高。文档来自于网络搜索第二代高密度法仪用微机控制继电器开关进行高密度电阻率测量，这种多路电极转换开关属于第二代产品。此类高密度电法仪的特点是：一次布置几十根电极,由单片机控制,进行多种排列装置的变换,自动改变极距连续扫描测量,测量速度大大提高。其主要缺点如下：电测仪主机与高密度开关相分离,携带不方便；集中式高密度开关采用电缆多,并且加长线重叠，在野外施工不方便；仪器系统本身不带机，需要到室内处理资料。第三代高密度电法仪多数采用工控机控制，可靠性高；现场实时处理数据；道数多，高达数百道；电阻率与极化率可以同时测量。可以同时完成电剖面与电测深的测量，数据量大，获取的地质信息丰富，有利于地质资料的综合解释；可以实时显示测量剖面。文档来自于第三代产品主要有：日本的 公司生产的 高密度电法仪和 自动电法仪。自动电法仪可进行快速两维高密度电法勘查，操作简便，即使很深的测点也可以达到很高精度（最大 ）。瑞典的 公司生产的 。法国的 公司生产的 系列。德国公司生产的 高密度电法仪。 高密度电法仪开关单元分布在各个电极（解码器法,主机有一个电流测量通道和能够扩展为6个电位测量的通道。工作时,主机发送命令（编码法给各个解码器,由解码器根据编码命令把任意一对接地电极切换为供电电极把最高可达6对的其他接地电极切换为电位测量通道,实现实时采集。其在单道或多道工作情况下可最高控制个电极。美国的公司生产的 电法仪和 公司生产的 电法工作站。 公司推出的 电法工作站涵盖了电阻率、可控源音频大地电磁 、瞬变电磁等多个电法分支方法，将电测量主机与转换开关组合为一个整体，可以进行多种方式的野外测量其高密度电法采集功能可进行通道同时测量。意大利 公司生产的 高密度电法仪。其特点不仅在于它创新的设计、使用的简便性，还可以将 地震仪加入组合在其中，也就是说，在同一台设备中，集合了两种强大而尖端的系统，用于详细的环境分析。文档来自于网络搜索200年2以后，高密度电法仪开始向第四代发展，即多功能高密度电法影象测量系统。该系统的特点是：采用嵌入式工控机，大大提高系统的稳定性与可靠性；野外实时显示电剖面；采用笔记本硬盘存储数据，可以满足野外长时间施工的工作需求；系统采用视窗化、嵌入式实时控制与处理软件，便于野外操作；可实现多种工作模式的转换；实现滚动测量和多道、长剖面的连续测量；计算机与电测仪一体化，携带方便；分布式智能采集器串联在一根细电缆上，地址随机分配，在任何位置都可以测量；系统可以做高密度电阻率测量，又可以同时做高密度极化率测量，应用范围宽。文档来自于网络搜索第四代高密度电法典型仪器有：日本公司生产的 高密度电法仪。 高密度电法仪包括个电极软换功能，带有高分辨率位工一△转换器的四通道接收电路,最大输入为的供电电路（峰流量），最新技术支持的基于的控制器。法国的 公司最新研制的 多电极成像系统。美国的公司年底推出 八通道高密度电法仪，可一次性布置几百根电极，测量时仪器自动选择供电电极和测量电极并对数据进行快速处理，可用于一维到四维电阻率层析成像，是电法仪器领域的一大进步。文档来自于网络搜索德国公司发研的最新一代高密度电法仪 C其特点是：分布式，一条芯电缆可连接个电极；单通道和通道接收机，最大输出电流；具有多种观测模式；自动设置多达1种，标准装置结构以及用户自行设计的装置结构，以适应不同的探测目标；可进行三维观测，跨井观测和水域观测；实时显示接收道和发射道的时间过程；由预置的标准偏差值自动控制观测质量，实时显示失效道位置并可随时或统一进行补测，具有软、硬件压制噪声功能；对观测资料可进行二维或三维反演和层析成像。文档来自于网络搜索我国电法勘探始于上世纪3，年代，主要进行自然电场法与电阻率法试验性研究。19年后，从前苏联引进并着手开展了电法勘探仪器的研制，电法勘探开始进入实用阶段。以北京地质仪器厂、重庆地质仪器厂和上海地质仪器厂为代表的国内厂商，生产了一系列的电法勘探仪器。例如重庆地质仪器厂生产的 型电子自动补偿电法仪，以其灵敏度高、抗干扰能力强和稳定性好，长期在直流电法生产勘探中应用，并取得很好的效果。但上述阶段直流电法一般只有四道，只能进行单点测量［3，4，；。］文档来自于网络搜索上世纪九十年代后，高校和科研院所与高科技企业合作，直流电法仪器取得了快速的发展。 年长春地质学院研制成功 型高密度电阻率采集系统； 年地矿部机电研究所推出 型多路转换器和 型多功能电测仪组成系统， 年该所又推出了由 型多路转换器和 型多功能电测仪配套系统； 年北京地质仪器厂和中国地质大学北京合作推出了由 型电极转换器和 型多功能电测仪系统。年，重庆奔腾重庆奔腾数控技术研究所推出了WGMD-1型高密度电法仪。 年，陕西渭南煤矿专用仪器设备厂在 的基础上生产出可置 个电极的 高密度电法仪。进入世纪，重庆地质仪器厂研制的 高密度电法仪，电极总数可达 道标准60道），可设置多个极距常数，14种测量装置可进行滚动连续测量且能采集存储大量数据。西安澳立华公司推出的 高密度直流电法仪可使通道同时采集数据。中国地质大学武汉研制生产的 系列多功能电法仪最多可进行 道电极输入原则上可方便地进行无限扩展,电极任意连接,可用做常规电法和高密度电法且具备三维测量功能［1。］骄鹏集团（Geopen）依托长春地质学院，开发了E60系列。文档来自于网络搜索从结构上分析,国内生产的高密度电法仪属于电测主机和多级转换开关集中组合式采集系统，大多数厂家用嵌入式 作处理器，采集电路模块作为电法仪器的主机系统个别厂家采用工控机集成采集板构成电测主机，而多路转换开关采用控制。总体上来看，国内高密度电阻率法系统处于国外第二阶段。现阶段生产实践活动中，大多数单位主要采用集中式二维高密度电法测量，高端产品依赖于进口（第三代产品）。虽然，近两年来国内一些仪器厂家正在研制分布式二、三维高密度系统例如 、 ，但由于速度和采集成本的限制，难以应用于实际。文档来自于网络搜索高密度电法仪第一至第三代产品采用集中式电极采集系统，而第四代高密度电法仪则采用了分布式智能电极采集系统。第四代高密度电法仪又称多功能高密度电阻率法影象系统，它集计算机与电测仪于一体，不仅可以进行二维测量（二维），还可以进行三维测量（三维），是一个多功能高密度电法仪器。三维电阻率测量电极数量多，采样时间必须限制在一个可以接受的范围内，而采样速度的提高主要取决于三维电阻率法仪采集系统的良好性能O文档来自于网络搜索电子技术的日新月异为系统开发提供了可靠的硬件支持。三维电阻率采集系统交流信号频率很低，滤波器的滤波范围就很大，控制一系列的低通、高通、带通滤波器，需要占用很多口的 口很丰富，足以满足其需求，同时还可以扩展多个外设。采用来控制位工-△ 可以提高分辨率如日本的 公司生产的 高密度电法仪利用位工-△ 提高分辨率；采用 来实现硬件平台的开发，程序空间大、处理速度快，加入软件滤波，可以很好的提高系统信噪比； 处理器内部资源丰富，集成度很高，所以设计的仪器体积小，使用起来轻便灵活，同时减少了模块间的相互干扰，提高了系统稳定度； 处理器自带 控制器，有专门的 接口，扩展显示器件很方便，这样可以现场实时显示测量结果； 处理器集成了存储控制器，可以扩展多种类型的存储器。所以，以 为平台进行三维电阻率采集系统开发是当今业界研究趋势具有良好的可行性。高性能嵌入式处理器要想发挥其优势还需有与之匹配的嵌入式操作系统,大部分第四代高密度电法仪都采用实时操作系统以满足实时性要求。M 是美国学者 所设计的一个优秀嵌入式实时操作系统。它是源码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能，最小可编译至，同时具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，非常适宜采集系统研发。文档来自于网络搜索6.3.3三维电阻率仪一、概述三维电阻率测量工作方法是利用一个计算机控制的多路传输系统，大量的电极连接到一根多芯电缆上，连接到电缆中的电极既可作供电电极，也可以作测量电极，一般电极网格中都使用中等数量的电极（〜 ）0图表明了进行三维电阻率测量的一种排列方式，为了方便，通常电极按正方形网格排列。方向和方向的间隔相等。在三维电阻率测量中，其中有名的是 三维电阻率测量方法，使用的是单极单极装置（一 ）。其基本思想是将地面上的电极按二维网格布置，每一网格节点上有一个电极。假设总共有个电极，先以任一节目点上的电极作供电电极，在其它个电极上测得单极一单极电位值，然后换一个为供电电文档来自干网络搜索图一：三维电阻率测量方法电极，做类似的测量，直到最后第个电极为供电电极，测量全部完成。那么测量次数=n（n－l）。根据互换原理，如1号电极供电，10号电极测量与10号电极供电，1号电极测量时所获得的电阻率理论上应相同。这时测量次数减半，则N=n（n—1）/2。这样，只需测量高号的电极即可，如图2所示。例如对5X5的电极网格，需测量300个数据点，对11X11的电极网格，需测量7260个数据点。显然使用单道二维电阻率测量仪去进行三维电阻率测量是很费时间的。举一个例子，若布置25X25中等网格，有625根电极，需要进行625X624/2=195000次测量。若每次测量共费时6秒（包括电位补偿、测读与存储时间），需连续测量13天，这显然是不能容忍的。文档来自干网络搜索+仆U!_「11•扱 用!］臺迫.极图二：全测量方式示意图三维电阻率采集系统与以往的高密度电法仪器的区别在于：不再使用电极转换装置实现多种电极组合的串行测量方式，而是采用一次布极、一次供电周期内所有在线电极同时并行测量，测量结束后根据选择的不同测量方式对所有采集到的数据进行筛选，只提取有用的数据进行分析处理，最后得到用户所期望的结果。根据高密度电阻率法的主要装置，将原来的多种测量装置简化为单极供电、同步采集与偶极供电、同步采集2种简单的采集方式，即在单极供电时，由供电电极与公共电极形成供电回路，其余所有在线电极均对无穷远公共电极同时采集电位差；在偶极供电时，两供电电极形成供电回路，其余所有在线电极均对无穷远公共电极同时采集电位差。任意两在线电极间的电位差可由两电极对无穷远公共电极采集到的电位差相减得到。通过对测量供电电源的控制，连续采集自然场、一次场、二次场的全过程数据，1次采集即可完成直流电阻率法、激电法的所有装置测量。将常规电法、高密度电法、并行电法的所有采集形式集于一身，用户可根据实际需要任意选择，对比各种方法的处理结果。文档来自于网络搜索二、三维电阻率采集系统硬件设计1、一般问题直流电法勘探仪器是用于观测测量电极MN间电位差厶Umn，和供电AB回路中电流强度IAB两个参数的专门仪器。通过视电阻率计算公式：文档来自于网络搜索Ps=MUmSabK为装置系统，和供电电极A、B及测量电极M、N相对位置有关，单位为米。根据上述公式计算出观测处的视电阻率值pS。因此，电法仪器观测电位差△UMN和电流强度IABS MN AB的精度如何，将直接影响电法资料的可靠性和精确度。在野外工作条件下，由于各种干扰因素的影响和困难的观测条件，室内电测仪器是不适用的。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。文档来自于网络搜索■根据直流电法的特点，对电法仪器有以下一些特殊技术要求：（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，有利于减轻供电电源的重量，使整个装备轻便化。要求电位差从1pV〜5000mV、电流强度从1mA〜5A范围内变化，仪器能保证1%测量精度。

（2） 仪器输入阻抗高，大于50MQ。以致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，各插孔与机壳间的绝缘电阻一般不小于500MQ。要能耐受较大的直流负荷（如在电压500V,电流在5A的情况下能正常工作）。文档来自于网络搜索（4.）抗干扰能力强。对50Hz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。仪器要能适应野外环境，在野外多变的环境情况下，要保证仪器高稳定性。文档来自于网络搜索2、 系统对供电电源要求最大直流0V〜800V可调，有一个调节端。恒流供电，供电分四档1mA,10mA、100mA、1000mA,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0.1Hz至I」30Hz可调。文档来自于网络搜索3、 系统对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CAN通讯总线发给各个从机。系统完成预定工作任务以后，主机还要负责接收、存储所有采集至的数据，并可根据采集至的数据进行实时分析、成图，向用户提供分析结果。文档来自于网络搜索三、 系统对电源控制板的要求电源控制板与主机放在一起，主要负责按照用户的要求控制测量供电电源的极性、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RS-485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。在系统完成测量工作后，等待主机呼叫，上传采样得至的电流值。文档来自于网络搜索四、 系统对子采集站的要求一个三维电阻率采集系统要有多个子采集站。子采集站是整个系统中的任务执行者，它要能从主机处机接收命令，按照主机命令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。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。文档来自于网络搜索五、 主机与子采集站的通讯三维电阻率采集系统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要有一个完善的通讯协议，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。文档来自于网络搜索12.... 15,1612.... 15,1612.... 15,1612.. 15,16图三：三维电阻率采集系统整体方框图六、 主机结构及要求图四：主机结构方框图主要要求：笔记本电脑宜采用VC,设计出友好的界面，利用通信控件和子采集站上的单片机进行通信,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；发指令给子采集站；接收子采集站的上传数据；存储数据；处理数据。七、子采集站结构及要求图五：子采集站结构方框图主要要求：）最大可控电极数可任意扩展，一般X16；）最大允许电流5A；3） .供电周期：停电，正向供电，停电，反向供电，停电。4） 供电时间：10mS〜30S）测量分辨率：24位；）电位测程：士5000mV；）绝缘性能500MQ，触点导通电阻RcvO.3Q；8） 开关响应时间：＜33mS。9） 资料存储：所有的读取的平均值及干扰值及用户输入的系数及采集时间都自动有效存储；10） 总精度：优于读数的1%。11）.自然电位补偿：通过正、反向供电在后处理中自动取消自然电位；12） 电极控制：各电极有自己的地址，各个电极可以随时切换为A供电、B供电、接地、采样状态。13） .支持电法：所有二极、三极、四极的电阴率法、激发极化法、频谱激电法，自然电位、自然电位梯度、充电法。文档来自于网络搜索］八、电源控制板硬件设计的要求1）数控恒流器件数控恒流器件是一种以数字信号控制输出电流为特征的高性能恒流器件。其特点是输出电流受数字信号控制，起始电压低，电流可调范围宽，电路接口与TTL兼容。由于这些优点，数控恒流器件是工业自动控制、卫星通信、智能仪器仪表及其它数字控制等方面的迫切需要应用的模块部件。DCM02型数控恒流器件，输入数字信号分辨率为8bit,当数字信号输入全“1"时，最大输出电流I=2A，输出电流能用0〜255级数字信号输入进行控制使之从0-2A电流范围内分256级变化，电流稳定度高。文档来自干网络搜索I2） 供电电流检测电路因为直流电法勘探仪器是用于测量电极MN间电位差厶UMN，和供电AB回路中电流IABMN AB两个参数的专用仪器。所以在设计电路的时候必须考虑至系统测量供电的电流采集。检测供电电源电流由高精度电流检测放大器AX471、电压基准芯片REF02组成。文档来自于网络搜索高精度电流检测放大器MAX471是美国Maxim公司向市场推出的一种新型的、高精度的电流检测放大器。它可应用于笔记本电脑、手机、电话机、便携式检测仪、能源管理系统等中的电流监测单元oMAX471内部有一个35mQ的电流采样电阻，可以测量士3A的电流。MAX471有一个电流输出端，只需外接一个电阻将电流转换成对地电压就可组成高精度的电流监测电路。文档来自于网络搜索REF02提供精密的5V电压基准，最大的误差范围是士2%，其输出电压几乎不随供电电源电压及负载变化。通过调整外接电阻，输出电压的稳定性及温度漂移可降至最小。它使用单电源供电，供电范围从8V到40V,电流仅为1mA。文档来自于网络搜索3） 供电方式控制电路：在系统进行测量时，要求用于测量供电的电源供电方式可控，即能根据用户设定改变供电的方向，供电时间等，要通过光电隔离器件隔离。光电隔离器件可选择4N25。文档来自于九、 通信接口设计要求系统中用N个ARM对X个电极进行测量和控制，采用笔记本电脑作为主机对各子采集站进行管理，从而形成分布式网络系统，实行测量最优控制。在这种情况下主机与单片机之间一般以串行通信方式交换信息。文档来自于网络搜索］RS-485标准为数据传输提供了一个平台。数据传输采用了差分方式，大大抑制了共模噪声，也不需要如RS-232C那样为减少公共地线的影响而使传输信号采用很大的摆幅。RS-485也大大提高了所需传输点对点的距离和波特率，允许多个驱动器和接收器连接在同一根传输线上，这样多点结构的网络很容易构成，每一个节点既可作产生信号的驱动器，又可作接收器。RS-485标准允许任意时刻口总线上最多有32个单位负载。RS-485标准还要求传输信号直接连接到驱动器或接收器上，以尽量避免额外的传输负载。一般使用120Q电阻连接到双绞线的两个远程终端。RS-485标准的另一个特性是具有承受短路电流或总线超负荷的能力。文档来自于网络搜索］十、光电隔离电路的使用采用光电耦合器可以将信号输入端和信号输出端的电路联系切断，能有效的防止干扰。光电耦合的主要优点是能有效地抑制尖峰及各种噪声干扰，使通道上的信噪比大大提高。光电耦合具有很强的抗干扰能力，这是因为：文档来自于网络搜索］1） 光电耦合器的输入阻抗很小，一般为100-1KQ之间，而干扰源内阻则很大，通常为105-108Q，因此能分压到光电耦合器输入端的噪声很小。文档来自于网络搜索］2） 干扰噪声虽有较大的电压幅度，但能量小，只能形成微弱电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作，即使有很高电压幅值的干扰，由于不能提供足够的电流而被抑制掉。）光电耦合器是在密封条件下实现输入回路与输出回路的光耦合，不会受到外界光的干扰；）输入回路与输出回路之间分布电容极小，一般仅为0.5~2pF，而且绝缘电阻很大，通常为1011〜1013Q，因此回路一边的干扰很难通过光电耦合器传送到另一边去。文档来自于网络在设计电路时，考虑到系统都是工作在干扰源比较多的环境，为了减小干扰对系统的影响，应使用光电耦合器将单片机系统的数字部分与模数转换器（A/D）、继电器控制、通信电路全部隔离。可以选用两种光电耦合器：6N137和4N25o文档来自干网络搜索十一、子采集站的硬件设计子采集站与电源控制板一样都作为系统的从机要与主机进行通信，都是通过系统提供的电源进行供电，并且子采集站在采集电压的同时电源控制板要对测量供电电源的电流进行采集，所以子采集站的单片机、通信、电源、距离、复位以及存储电路都与电源控制板完全相同。文档来自于网络搜索1）信号调理电路子采集站主要测量的是电压信号，并且对测量信号的频率范围要求严格，信号调理电路必须要有良好的频率选择性。要设计两级低通滤波电路，先经过50HZ的低通滤波，抑制50HZ以上频率的信号的干扰，然后再通过一级30HZ低通滤波电路，滤掉30Hz到50HZ间的干扰信号，剩下30HZ以下的低频信号。又由于采集的电压信号变化范围很大，可能从几个毫伏到几十甚至几百伏，考虑到A/D转换器的量程有限，所以电路要加入限幅电路，保证输入的信号不会超过A/D转换器的量程，损坏A/D转换器电路。文档来自于网络搜索信号调理电路是子采集站的重要部件，直接关系到采集数据的可靠性。放大器宜选用具有低失调电压、高输入阻抗的放大器，如LF444运算放大器，因它具有低失调电压（v-5uV）.超低失调电压温漂（0.01/uV/°C）、超低失调电压时漂（O.lluV/月）、较高的开环增益（＞120dB）、高输入阻抗及较高的共模抑制比（＞130dB）,和单片机电路相配套也有较好的适应性。文档来本系统的子采集站上设计带有16个工作电极，由一个A/D转换器完成对模拟量的转换。由于要求采样时所有电极同步对同一时刻的电压进行采集，即A/D转换器转换的模拟量必须是同一时刻的模拟量，但A/D转换器只能一个一个电极进行转换。所以要在A/D转换器前端的各个电极信号上加上采样保持电路，如LF398。文档来自于网络搜索2） 多路开关多路开关（多路模拟转换器）通常有N个模拟量输入通道和一个公共地的模拟输出端，并通过地址线上不同的地址信号把N个通道中任一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。文档来自于网络搜索3） 模拟数字转换器ADS1278是Burr-Brown产品中的一款新型、高精度、宽动态范围、△—工型8通道24位ADC。它通过SPI接口与外界进行信息交换，具有22位有效分辨率。文基于ADS1278的8通道24位数据采集器，适应更多的低频高精度数据采集应用尤其针对物探测量而设计了较多的模拟信号处理单元电路，包括前置放大工频陷波（50Hz150Hz和250Hz）高通滤波、低通滤波和主放大器。使用差分输入结构的前置放大器通常不能对差分输入信号设置过大的放大倍数，否则输入运算放大器会因为共模直流电压被放大后导致阻塞。（如连接的差分电极输入时自然电位会高达几〜几十mV，故此时一般将前置放大倍数设置在1或10而将主放大器设置为高增益如10或100等），ADS1278为24位模数转换器，在4.096V基准时的绝对精度为4uV。当前置放大器和主放大器对信号的放大倍数共为100时，模拟信号输入范围为40.96mV,分辨率为40nV。文档来自于网络搜索5）子采集站的工作过程：主要有两种工作方式：①单极供电：主机指定一个电极为供电电极，指定另一电极为公共地，其余在线电极均为采样电极。系统针对不同的测量要求，每次的在线电极数由实际情况决定。用户可在在线电极中选择一个电极作为供电电极，选择另一个电极为公共地，其余电极均作为采样电极，采集各自对于公共地的电压值。在这种工作方式下，若指定一个公共地电极，其余在线电极都要作一供电电极循环一遍，并且在每个电极作为供电电极的时候，除了供电电极和公共地电极，其余电极都要采集对地电压值并记录下来。为了以后解析数据进行对比，可以改变公共地电极，再按上述过程重复执行，得到多组数据。文档来自于网络搜②偶极供电：主机指定两个电极为测量供电电极（即A,B供电），同时指定另一电极为公共地，其余在线电极均为采样电极。其采样的过程与第一种测量方祛相同，在指定了公共地电极以后，供电电极要在所有在线电极中循环一遍，只是第一种方法是一个供电电极，而现在换成是两个供电电极，所以现在的循环的方法比第一种要复杂一些，可以让A供电电极不动，依次改变B测量供电电极的位置，也可以让B供电电极不动，依次改变A供电电极的位置。选择哪种方式可由用户在网络主机上进行设置。除了上违两种工作方式，用户还可以根据自己的需要对电极工作方式进行设定，组合成其他的测量方法进行测量。文档来自于网络搜索按照本系统硬件的特征，在野外进行电法测量时本系统具有以下功能：（1） 采集数据方式只有两种，即单极供电和偶极供电。单极供电时，A在探测区，B在无穷远，探测区其他电极均为M并与无穷远公共地N之间进行电压采集，也可以设定各自子采集站内部接地，进行各自相对的电压采集；偶极供电时，A,B在探测区，探测区其他电极均为M并与无穷远公共地N之间进行电压采集，也可以设定各自子采集站内部接地，进行各自相对的电压采集。子采集站将采集的电压时间序列由CAN总线送回主机，采集方式组合后共有6种。A、.单极供电公共地（快速勘探）；B、•偶极供电公共地；C、单、偶极完全采集公共地；D、单极供电单元地；E、.偶极供电单元地；F、单、偶极完全采集单元地。文档来自于网络搜索（2） 电极数在百道以上，三维任意布极。每个子采集站带16个电极，采用8位拨码开关作为子采集站地址编码器，则电极数为25X16=4096。文档来自于网络搜索（3） 直流电阻率、激发激化、频谱激电同时完成。在自然场、一次场、二次场电压时间序列转到主机后，主机进行数据解编，自然场与一次场的数据计算电阻率值；二次场与一次场数据计算极化率值、衰减时等激发极化参数；多周期正反相供电计算频谱激电参数。文档来自于网络搜索］（4） 海量数据与快速采集任选。将完整采集的时间序列，传到主机为海量数据方式，子采集站只送自然场、一次场、二次场的3个均值数据，节省数据通讯时间为快速采集方式。十二、三维电阻率采集系统工作过程主机----子采集站三维电阻率采集系统的工作，首先由主机通过CAN向所有子采集站广播,子采集站接受指令，进行各在线电极状态分配（A、B供电、N接地、M测量）。即2个电极为AB（构成人工电场），1个电极为N（构成公共比较电极AGND，即“地”），其他电极为M，测量与AGND的电位差），在同步命令下所有电极按已受指令各司其职，在AB供电前、中、后进行电流、电位差的连续测量，数据采集后，子采集站进行数据存储、统计计算，在接收主机的点名后，子采集站按照协议要求，各自将自己的数据返回主机，主机接收、存储、接编、计算、实时成图。系统主机准备进行下一次广播，如此循环。文档来自于网络搜索在勘探区内任意布置电极，在勘探区外布置2个无穷远电极一R,与一R就可以对勘探区进行电阻率法和激电法的所有参数进行快速测量，达到对工程勘探与环境监测的目的。文档来自于网络搜索］1、单电极供电，并行采集在勘探区将电极布置在一条测线上，电极数为n，供电电极A位于测线上，B置于无穷远（如图9所示）。通过网络电法系统，一次测量可实现二维电法和三维电法的所有装置的测量.文图六：单极供电直线测线电极布置图2、三维电极的布置在勘探区以任意电极布置测线，电极数为n测线为Z字形(图10所示)或环形等，测线上其他电极为M,参照电极为无穷远电极No文档来自干网络搜索图七：单极供电Z字形测线电极布置图3、测量实现过程子采集站的作用，相当干在每个电极上设计一个程控单刀双置开关，分供电档和测量档；当电极为A时，开关置向供电档，其他所有电极开关置向测量档，并通过节点方式与N电极相连，N相当于一个公共地，在A供电过程中，所有的M电极同时测量与N电极的电位差(如图ll)U]j、U]j值分为供电前、中、后3段内容，按照设定的采样时刻进行连续采样，Uj值实际上为一个时间序列。文档来自于网络搜索测量方法：首先供电电极A置于1.号电极，其余n-1个电极同时测量与参照电极G(N)之间电压时间序列Uy记录电流II(I=1)和每个测量电极的电压UIJ(j=2,3,4,n-1),子采集站保存并处理电压数据，最后将按照设定数据格式将数据上传主机，•然后供电电极A移到2号电极，记录电流I和每个测量电极的电压UIJ(I=2,j=1,3,4,n-1),依次类推，直到供电电极A移到n电极，供电电极A每移到一个电极(I号电极)，记录电流IAB，所有测量电极的电位。图八：单极供电并行测量示意图4、数据存储原始记录数据传到主机后，按照供电时序的电极排列进行数据解编，若 分别为自然场、一次场、二次场的电位均值，则利用下公式计算并记录对应点的视电阻率p极化率n，以及其它特性参数。文档来自于网络搜索pn( )n（ ）0 ）数据按照 ，，为电极序号， ，记录每次供电时供电电极所处的电极序号，供电电流，每个测量电极的电位，对应点的视电阻率。DMT公司RESECII高密度电法仪RESECSII是一个由PC机控制的直流电阻率仪器，用于高分辨探测、层析成像和动态监测等领域。RESECS的系统软件在MS-Windows下运行。可寻址的电极数目最高达960个，这些电极由一根七芯电缆连接。任何一对电极都可被选为供电电极。最多达6对的其他电极可同时被用作电位电极（应说明，这种6通道的测量仅对具有6通道RESECS硬件板的仪器才适用）。由软件控制的快速电极转换保证了高速数据采集—每小时可高达数千个米样点。文档来自于网络搜索一、 主要特点：所有的解码器串/解码器单元可以彼此连接，并一起使用多至960个电极。带有16个解码器盒的解码器串。两盒间距最大为2.5m。四个解码器亚串A、B、C、D,每个有4个解码器盒（四个解码器亚串必须相连并同时使用）。两盒间距最大为10m文档来自于网络搜索相对于常规电阻率法而言，它具有以下特点：1、 电极布设一次完成，这不仅减少了因电极设置而引起的故障和干扰。而且为野外数据的快速和自动测量奠定了基础。文档来自于网络搜索2、 能有效的进行多种电极排列方式的扫描测量。因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。3、 野外数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快（大约每一测点需2〜5s），而且避免了因为手工操作所出现的错误。文档来自于网络搜索4、可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态，脱机处理后还可自动绘制和打印各种成果图件。5、 与传统电阻率法相比，成本低、效率高，信息丰富，解释方便，探测能力显著提高。二、 技术参数：主机输入通道单通道戒通道测量电压范围 单通道测量电流最大 （主机自带防水键盘及防水鼠标）文档来自于网络搜索前置放大倍数：1、1、010、01000采样率：50个0/秒/通道脉冲持续时间：0.3秒-4分辨率：微伏（|J），微安（|J）输入阻抗：输出电压：外置最大 （可选）内置电脑配置： 硬盘显示器调节模式：自动和手动显示器尺寸： 高分辨率液晶外壳接口：US，（2x）,COM,LAN,VGA操作系统：W，ndowsXP

6・3・5DZD-6A电法仪简介该仪器由中装集团重庆地质仪器厂生产。一、 仪器主要特点实现了大功率发送，加大了探测距离；可现场实时处理、及时显示测量曲线；抑制干扰效果好，精度高，结果准确；施工效率高，