一种分层土壤电阻率监测数据的采集装置的制作方法

本实用新型属于地球物理测量技术领域，更具体地，涉及一种分层土壤电阻率监测数据的采集装置。

背景技术：

电法勘探是通过人工建立的大地电流场，研究地壳下矿石的导电性差异从而进行地层结构分析的一种勘探方法。电法勘探广泛应用于矿井地质、水文地质和工程地质勘探。土壤电阻率作为电法勘探中的重要参数，在气象、地质和电力等领域具有一定的应用价值。在接地工程中，土壤电阻率值的大小决定了接地装置的设计与施工。在地质勘探中真实的土壤电阻率值可以反映出土壤真实的层次结构，从而为建筑设计和矿产勘测等提供基础数据。此外，不同深度层次的土壤电阻率值还会对雷电的定位精度、雷击位置以及雷电流在土壤中的泄放路径产生较大的影响。所以准确测量土壤的电阻率值至关重要。

国外在地面电法勘探方面一直处于领先地位。例如：美国AGI公司研发的SuperStingR8/IP型高密度电法仪、德国DMT公司开发的高密度电法仪RESECSII、法国II公司开发的Syscal/Syscal Switch系列高密度电法仪、日本研发的McOHMProfiler高密度电法仪、加拿大开发的V8多功能电测仪等，都可完成复杂电阻率以及多项地电参数的测量。国内研究和生产高密度电法仪的厂家主要有中国地质装备总公司重庆地质仪器厂、矫鹏科技(北京)有限公司、中国地质大学(武汉)等多家科研院所。重庆地质仪器厂的DUK-2A集中式高密度电法测量系统、矫鹏E60系列分布式高密度电法仪、中煤科工集团西安研究院有限公司的YD32(A)高分辨电法仪、北京华安奥特科技有限公司研发YDJ256矿用绕封兼本安型高密度电法仪等，已在多个地区取得一定的应用效果。

目前现有的测量仪器系统虽然可以实现土壤电阻率测量，但精度和分辨率都不高，且在复杂多干扰的环境下，为得到幅值较大的地电位信号，多采用大功率发射电流，造成存在野外设备笨重、工作时间短等问题，工作效率大大降低。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种分层土壤电阻率监测数据的采集装置，其目的在于基于串口总线双向通讯能够对分层土壤电阻率实时进行监测，进一步提高精度和灵敏度，由此解决现有技术中测量精度低、分辨率低的技术问题。

本发明提供了一种分层土壤电阻率监测数据的采集装置，包括：上位机、发射机、主控采集单元、m个测量电极和n个信号电缆；所述上位机连接主控采集单元,所述主控采集单元连接所述发射机并通过n个信号电缆依次连接m个测量电极；m、n均为大于等于2的正整数，且m大于等于n。

更进一步地，发射机包括：高压DC-DC模块，根据不同的指令产生不同大小的高压激励信号。

更进一步地，主控采集单元包括：控制器、模数转换单元、放大器和数模转换单元；所述放大器的输入端用于接收土壤电位模拟信号；模数转换单元的输入端连接所述放大器的输出端，控制器的控制端连接至模数转换单元的输入输出控制端，控制器的第一控制端连接至数模转换单元的输入端，数模转换单元的输出端连接至所述放大器的控制端，控制器的第二控制端连接至所述上位机。

更进一步地，控制器为STM32控制器，所述模数转换单元为24位高精度的模数转换器，所述数模转换单元为16位高精度的数模转换器。

更进一步地，还包括：上位机接口电路，其输入端连接所述上位机，输出端连接所述主控采集单元。

更进一步地，信号电缆由TXD和RXD两条信号传输线构成，负责所述上位机与所述主控采集单元之间的数据通信。

本实用新型提供的分层土壤电阻率监测数据的采集装置具有较高的勘探精度，野外抗干扰能力强，主控采集单元与上位机仅通过两根信号传输线连接，方便野外操作，提高工作效率。

附图说明

图1为本实用新型提供的分层土壤电阻率监测数据的采集装置结构框图。

图2为本实用新型提供的分层土壤电阻率监测数据的采集装置中发射机的结构框图。

图3为本实用新型提供的分层土壤电阻率监测数据的采集装置中主控采集单元的结构框图。

图4为本实用新型提供的分层土壤电阻率监测数据的采集装置中上位机工作流程图。

图5为本实用新型提供的分层土壤电阻率监测数据的采集装置中主控采集单元工作流程图。

图6为本实用新型分层土壤电阻率监测仪布置一实施例示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为上位机，2为发射机，3为主控采集单元，4为采集盒单元，5为信号电缆线，6为上位机接口电路，7为STM32控制器，8为24位高精度模数转换电路，9为前置放大器电路，10为16位高精度数模转换电路，11为高压DC-DC模块。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型涉及一种基于采用地电位测量方法对分层土壤电阻率实现实时监测的地球物理测量。本实用新型提供了一种基于串口总线双向通讯、能够对分层土壤电阻率实时进行监测的数据采集系统，进一步提高精度和灵敏度。

图1示出了本实用新型提供的分层土壤电阻率监测数据的采集装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分，详述如下：

本实用新型中，分层土壤电阻率监测数据的采集装置包括：上位机1、发射机2、主控采集单元3、m个测量电极4和n个信号电缆5；上位机1连接主控采集单元3,主控采集单元3连接发射机2并通过n个信号电缆5依次连接m个测量电极4；通过上位机1控制各部分协调工作。其中m、n均为大于等于2的正整数，且m大于等于n。

主控采集单元3首先接受上位机1的控制信号，决定发射机2的激励信号类型及激励时间，然后根据相应的控制命令采集电位数据，并通过上位机接口电路6传输至上位机1。

上位机1运行监控软件，用于对采集过程的控制和数据的呈现，在完成电位及相关数据获取的基础上完成勘探参数的计算。

如图2所示，发射机2包括：高压DC-DC模块，根据不同的指令产生不同大小的高压激励信号。

如图3所示，主控采集单元3包括：放大器9、模数转换单元8、控制器7和数模转换单元10，完成土壤电位信号的采集和上传。

在本实用新型中，上位机1可以通过上位机接口电路6连接主控采集单元3。主控采集单元3是由上位机接口电路6经STM32控制器7分别与24位高精度的模数转换电路8、16位高精度的数模转换电路10相连接，前置的放大器9与24位高精度的模数转换电路8、16位高精度的数模转换电路10构成。

测量电极4由不极化电极构成，通过信号电缆5依次与主控采集单元3连接。

信号电缆5由RXD和TXD两条信号传输线构成，负责上位机1与主控采集单元3之间的数据通信。

本实用新型采用集中式设计，主控采集单元通过数传电缆连接多个测量电极组成一个完整的测试网络。数据采集完成之后通过数传电缆将采集单元所测的数据上传至上位机中，同时结合相关微弱地电位信号提取技术，提高整个测网的信噪比。

为了更进一步的说明本实用新型，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说详细明：

如图1、图2和图3所示，分层土壤电阻率监测数据的采集装置是由上位机1经上位机接口电路6连接主控采集单元3，主控采集单元3连接发射机2并通过信号电缆5依次连接测量电极4。发射机2由高压DC-DC模块构成。主控采集单元3是由上位机接口电路6经STM32控制器7分别于24位高精度模数转换电路8、16位高精度数模转换电路10相连接，前置放大器电路9与24位高精度模数转换电路8、16位高精度数模转换电路10连接构成。

由上位机1经上位机接口电路6连接主控采集单元3，测量电极4经过信号电缆线5与主控采集单元3相连接后，形成一个完整的测试网络。组网成功后，上位机1向主控采集单元3发送高压激励类型、激励时间等命令，主控采集单元3在接收到该命令后，按指令配置相应参数等待执行数据采集命令，再向下面连接的发射机2发送相应指令，发射机2在接收到该指令后自动配置相应参数等待执行发射命令。接受指令配置成功后，主控采集单元3将配置信息经过上位机接口电路6传递给上位机1。在进行数据采集时，上位机1向主控采集单元3发送采集指令，主控采集单元3接收到该指令后开始进行数据采集。当采集过程结束后，主控采集单元3将所采集的数据通过上位机接口电路6传递给上位机1中。

上位机1通过上位机接口电路6与主控采集单元3连接，负责向主控采集单元3发送命令和接收主控采集单元3传递上来的数据。发射机2与主控采集单元3连接，根据接收到主控采集单元3的指令产生高压激励信号。主控采集单元3主要负责数据的采集工作、控制与管理发射机2以及与上位机1的数据通讯。工作状态以及采集到的数据通过上位机接口电路6实时传递给上位机1，并在上位机1中实现采集数据的实时监控。

如图4所示为本实用新型上位机工作流程图；上位机的具体工作过程为：

(1)全局变量定义和动态连接库声明；

(2)系统初始化；

(3)向下位机发送控制命令和系统采集配置参数；

(4)等待和接收主控采集单元发送的采集数据；判断数据是否发送完毕，若是，则执行下一步，否则转到步骤(3)；

(5)储存数据。

如图5所示为本实用新型主控采集单元工作流程图；采集盒的具体工作过程为：

(1)系统初始化并进行自检；

(2)自检成功转到执行下一步，否则执行步骤(1)；

(3)加入测试网络；

(4)等待上位机发送来的采集控制命令和系统配置参数；

(5)如果有控制命令到来，首先判断该命令是不是系统配置参数指令，转到执行下一步，否则做相应处理后转到第(4)步等待上位机控制指令；

(6)启动A/D转换，将经过信号调理之后的电位信号转换为数字信号；

(7)判断A/D转换是否完成，未完成则等待其转换完成，转换完成后执行下一步；

(8)启动D/A转换，经A/D转化后的数字信号转化为模拟信号输入给前置放大器的参考电压端口，进行自然电位补偿；

(9)再次启动A/D转换，将经过信号调理之后的电位信号转换为数字信号；

(10)将所采集到的数据通过上位机接口电路发送给上位机。

如图6所示为本实用新型采集盒一实施例安装结构示意图。仪器安装结构包括箱体12，电源接口13，信号电缆接口14，数据采集控制板卡15。电源接口13位于箱体12的前面板上，控制着整个采集盒的电源；信号电缆接口14位于箱体12的前面板上，并通过同轴电缆与数据采集控制板卡15相连。

在本实用新型的实施例中，主控采集单元3可以采用STM32器件，器件具有合适的逻辑资源、管脚资源和存储器资源。信号采集过程的控制与数据的缓存在一片STM32器件中完成，器件的资源得到最充分的利用，性能达到最优。

本实用新型提供的分层土壤电阻率监测数据的采集装置具有较高的勘探精度，野外抗干扰能力强，主控采集单元与上位机仅通过两根信号传输线连接，方便野外操作，提高工作效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。