一种扫描式瞬变电磁探测系统的制作方法

文档序号:11457873阅读:273来源:国知局
一种扫描式瞬变电磁探测系统的制造方法与工艺

本发明涉及一种基于瞬变电磁法的超前地质预报系统,具体来说是一种扫描式瞬变电磁探测系统。



背景技术:

隧道工程地质灾害是制约隧道施工的关键因素,往往由于隧道开挖前方地质情况不明,经常出现无法预料的地质灾害,如突水、突泥、坍塌等,为隧道施工带来了严重的安全问题和重大的经济损失。在井下进行煤矿开采过程中,也经常会遇到巷道突水等地质灾害,造成矿区水源枯竭、水与生态环境遭到破坏。所以隧道或坑道突水、透水事故给施工生产带来了重大灾难和经济损失,已经成为制约隧道或坑道等地下工程建设的瓶颈问题。隧道或坑道突、涌水源头(含水体)的超前探测是一直以来备受关注而未能解决的重大科技工程难题,尤其在含水体远距离三维定位与水量预测方面缺乏行之有效的技术与装备。因此,研制隧道或坑道掘进面前方含水体超前探测系统与装备具有重要的意义和价值。

瞬变电磁法(tem)是一种时间域的电磁探测方法,介质在一次电流脉冲场激励下会产生涡流,在脉冲间断期间涡流不会立即消失,在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场。二次磁场随时间衰减的规律主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深,以及发射电流的形态和频率。因此,可以通过接收线圈测量的二次场空间分布形态,了解异常体的空间分布。

现有的瞬变电磁探测系统只能进行点测,工作效率较低。针对该问题,本发明提供了一种可以进行连续测量的扫描式瞬变电磁探测系统。该系统的研发主要需要克服或解决以下几个关键问题:①供电电流关断不彻底普遍存在断电后电流甩尾巴现象和电流震荡现象;②信号影响因素改正不彻底问题,主要涉及斜阶跃改正、早期一次场改正和二次场中叠加由接收线圈的电感、匹配电阻、电容引起效应的改正;③连续扫描采集数据相比于传统逐点采集数据对仪器的稳定性提出了更高的要求。④海量数据的快速存储、读取、二、三维的实时显示和分析功能等。



技术实现要素:

本发明的目的就是为了解决上述问题,提供一种扫描式瞬变电磁探测系统,它是在现有的瞬变电磁探测系统的研究基础上进行一定的改进,结合了现有瞬变电磁仪器系统的一些特点和优点,它准确性与分辨率高,稳定性好,信息量丰富,改善了供电电流关断不彻底普遍存在断电后电流甩尾巴现象和电流震荡现象,能够更准确预报前方的不良的地质体和含水构造。

为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:

一种扫描式瞬变电磁探测系统,包括一个主机;所述的主机由电源供电,

所述主机主要由cpu模块、信号发射模块和信号接收模块组成;

所述的信号发射模块包括译码逻辑器、波形合成电桥、续流吸收电路、脉冲输出端;其中cpu控制译码逻辑器、波形合成电桥输出电路输出驱动电路;通过续流吸收电路加快在关断时泄放掉发射线圈储存的能量;

所述的信号接收模块包括输入放大器、陷波器、带通滤波器和adc转换器;接收信号依次通过输入放大器、陷波器、带通滤波器和adc转换器传入主机进行数字信号最终处理。

进一步的,所述的波形合成电桥由输出电流调整电路对其电流进行调整。

进一步的,所述的霍尔电流传感器通过比较器与cpu相连。

进一步的,信号发射模块还包括输出电流调整电路、霍尔电流传感器、比较器与adc转换器,其中,译码逻辑器输出信号中有一路输出驱动续流吸收电路,有一路控制波形合成电桥产生和驱动输出双极性脉冲测试信号,波形合成电桥连接霍尔电流传感器,霍尔电流传感器采集到输出脉冲信号,之后经过整流,得到整流输出信号;整流输出信号一路输出至adc转换器得到电流大小;一路输出给电压比较器与设定的保护基准电压比较,当超过基准电压时过流状态翻转输出c_ov信号,c_ov信号一路经发射信号逻辑译码器单元处理后关断波形合成电桥输出,另一路状态信号输送给主机cpu。

进一步的,所述的译码逻辑器的控制信号由主机cpu产生;在有发射信号输出时,续流吸收电路被关断不影响发射;在发射信号关断停止输出时,续流吸收电路开启接入发射端a/b,吸收掉发射线圈中的能量。

进一步的,接收线圈感应的信号以差分形式接入输入放大器,输入放大器后加入陷波器,再通过带通滤波器,滤波器输出级后插入可变增益放大器,增益级输出的单端信号需要转换为差分信号,adc转换器设定为差分输入模式,转换得到的数据由cpu缓冲、处理后输出给上位机。

进一步的,所述主机cpu采用高速工业级单片机c8051f120采集发射级的输出电压和发射电流;采用128k字节的sram,多于100k字节的部分用于cpu数据变量的存储空间。

进一步的,所述译码逻辑器、波形合成电桥组成的输出电路变换极性驱动器使用ir2110驱动发射不同的输出电压和发射电流,输出电压分为12v、24v和36v三档,发射电流最大值为10a。

进一步的,所述续流吸收电路在发射输出接口处加载适当的泄放回路,减小输出级的关断时间,降低一次场对二次场的干扰。

进一步的,所述输入放大器输入前置级电路形式为差分输入形式,以适应输入信号的接入要求,本级增益为2.7倍。

进一步的,所述带通滤波器与输入放大器相连,输入信号经过前置级放大后,插入50hz陷波器和270khz的低通滤波器。陷波器对50hz的衰减量大于30db,增益为1倍;低通滤波器为4阶巴特沃斯滤波器,保证通带内信号平坦,降低噪声和提高信噪比,增益为2.576倍。

进一步的,所述可变增益放大器由数字电位器或模拟开关与运放组成。增益调整为0db、6db、12db、18db、24db、30db、36db、42db共7级,每级以2的指数形式递增。增益调整输出时转换为差动形式输出,信号不做1/2衰减,故可以视为差动输出有2倍的增益,其折算到前置级输入相当于前置级提供5.4倍增益。

进一步的,所述adc转换器ads1610的转换率可以由公式10*(fclk/60mhz)决定。在输入48mhz时钟时,转换速率为8msps,相当于8msps/16bit=500khz的采样速率,满足2μs的采样时间要求。

本发明还提供了一种扫描式瞬变电磁系统的使用方法,采用下述技术方案:

1>连接主机、锂电池组、发射线圈与接收线圈;

2>启动主机,打开控制软件,设置测线号。

3>设置基本参数:频率、叠加次数、发射面积、发射匝数、接收面积等。

4>开始系统测试,进行校准检查;

5>由信号发射模块进行发射,由信号接收模块进行采样;

6>保存和打开曲线数据。

7>退出程序。

本发明的功能如下:

(1)实现扫描式瞬变电磁探测,可对测量数据进行连续采集与接收。

(2)仪器系统为一体机,即发射模块和接收模块集成在一起。此外,一体机与供电电源分离。供电电源的设计应满足锂电池和铅酸蓄电池均通用,但研发的样机或成机应配锂电池组。

(3)具有过流和极性保护装置,较好的工频抗干扰性能。

(4)一体机的接收接口应设计成既可以用探头接收,也可以用线圈接收。另外,发射电流可在一定范围内进行自由调节。

(5)在工作过程中,仪器的供电电压应在面板上实时显示。数据采集过程中的发射电流也应实时显示。

(6)数据采集方式为点测,采集时物理点的编号可以设置为自动递增或递减,也可以手动编辑点。

(7)数据采集可以自动保存在指定的目录或指定的文件中。

(8)采集的数据可显示成三种刻度类型的坐标曲线图:对数坐标图,半对数坐标图和等间距坐标图等。

(9)采集的数据应具有回放显示和初步编辑功能:不同物理点的数据可以作对比分析,如数据表格显示对比,数据曲线成图对比等;可以对数据点和采样点进行删除、修改及删除、修改后的文件保存。

(10)数据的输出应做到可以用u盘直接拷贝,也可以通过无线传输。

(11)采集系统软件应该做到稳定,不易感染病毒,可手动恢复或修复,而且有相应的备份。

本发明在相关试验测试中效果良好,成果显著,具体成果见附图。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的整体结构逻辑图;

图2是本发明的发射电路信号合成逻辑图;

图3是信号接收电路逻辑图;

图4是本发明应用中某测线感应电动势衰减曲线图

图5是本发明应用中某测线感应电动势剖面图

图6是本发明应用中某测线视电阻率等值线剖面图

其中,1.主机cpu,2.译码逻辑器,3.波形合成电桥,4.输出电流调整电路,5.续流吸收电路,6.霍尔电流传感器,7.比较器,8.可变增益放大器,9.输入放大器,10.adc转换器,11.发射线圈,12.接收线圈,13.整流,14.基准电压,15.陷波器,16.带通滤波器。

具体实施方式

应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示,一种扫描式瞬变电磁探测系统,包括主机(发射与接收模型一体)、发射电缆和接收电缆、锂电池组以及配套软件系统,所述主机主要由脉冲输出级(包括译码逻辑器、波形合成电桥、输出电流调整电路、续流吸收电路等),接收级(包括输入放大器、陷波器、带通滤波器、可变增益放大器、adc转换器等)组成;其中主机控制译码逻辑器、波形合成电桥输出电路输出驱动电路;通过续流吸收电路加快在关断时泄放掉发射线圈储存的能量;接收信号依次通过输入放大器、陷波器、带通滤波器、可变增益放大器和adc转换器传入主机进行数字信号最终处理。

图2中,发射单元主要由译码逻辑器2、波形合成电桥3、输出电流调整电路4、续流吸收电路5、霍尔电流传感器6、比较器7与adc转换器10等组成,其中,译码逻辑器2输出信号中有一路输出驱动续流吸收电路5,有一路控制波形合成电桥产生和驱动输出双极性脉冲测试信号,霍尔电流传感器6采集到输出脉冲信号,之后经过整流13,得到整流输出信号。整流输出信号一路输出至adc转换器10得到电流大小;一路输出给电压比较器7与设定的保护基准电压14比较,当超过基准电压14时过流状态翻转输出c_ov信号,c_ov信号一路与发射信号逻辑译码器2单元逻辑后关断波形合成电桥3输出,另一路状态信号输送给主机cpu1。

所述的译码逻辑器2的控制信号si1、si2、pi由主机cpu1产生;在有发射信号输出时,续流吸收电路5被关断不影响发射;在发射信号关断停止输出时,续流吸收电路5开启接入发射端a/b,吸收掉发射线圈12中的能量,吸收电路响应时间小于500ns,等效内阻小于0.2欧姆。

译码逻辑器2、波形合成电桥3组成的输出电路变换极性驱动器使用ir2110驱动发射不同的输出电压和发射电流,输出电压分为12v、24v和36v三档,发射电流最大值为10a。

所述续流吸收电路5在发射输出接口处加载适当的泄放回路和器件,并接泄放电阻、瞬态抑制管tvs、低阻抗泄放器件、火花抑制电路等,减小输出级的关断时间,降低一次场对二次场的干扰。

图3中,信号接收单元主要包括输入放大器9、陷波器15、带通滤波器16、可变增益放大器8与adc转换器10等组成,其中,接收线圈感应的信号以差分形式接入输入放大器9,输入放大器9后加入50hz陷波器15,再通过带通滤波器16,滤波器16输出级后插入可变增益放大器8,增益级输出的单端信号需要转换为差分信号,adc转换器10设定为差分输入模式,转换得到的数据由cpu缓冲、处理后输出给上位机。

所述的输入放大器9由三只高精密、低噪声放大器组成差分放大器,对由接收线圈输入的响应信号放大,抑制掉由接收线圈输入的共模干扰信号,输出信号转换为单端信号输出。

所述的陷波器15每一级产生不小于30db(32倍)的衰减,经过两级衰减可以达到60db的衰减。

所述的可变增益放大器8增益可在1-128倍(0到42db)之间设定。

所述的扫描式瞬变电磁探测系统,所述主机cpu采用高速工业级单片机c8051f120采集发射级的输出电压和发射电流;采用128k字节的sram,多于100k字节的部分用于cpu数据变量的存储空间。

所述输入放大器输入前置级电路形式为差分输入形式,以适应输入信号的接入要求,本级增益为2.7倍。

所述带通滤波器与输入放大器相连,输入信号经过前置级放大后,插入50hz陷波器和270khz的低通滤波器。陷波器对50hz的衰减量大于30db,增益为1倍;低通滤波器为4阶巴特沃斯滤波器,保证通带内信号平坦,降低噪声和提高信噪比,增益为2.576倍。

所述可变增益放大器由数字电位器或模拟开关与运放组成。增益调整为0db、6db、12db、18db、24db、30db、36db、42db共7级,每级以2的指数形式递增。增益调整输出时转换为差动形式输出,信号不做1/2衰减,故可以视为差动输出有2倍的增益,其折算到前置级输入相当于前置级提供5.4倍增益。

所述adc转换器ads1610的转换率可以由公式10*(fclk/60mhz)决定。在输入48mhz时钟时,转换速率为8msps,相当于8msps/16bit=500khz的采样速率,满足2μs的采样时间要求。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

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