一种便携式超高分辨率多远电极阵列电法测量装置及方法与流程

本发明涉及高密度电法领域，具体地而言为一种便携式超高分辨率多远电极阵列电法测量装置及方法。

背景技术：

高密度电法起源20世纪70年代末期的阵列电法探测思想，高密度电法装置由于高效率、可以一次性获得更多地电信息而被广泛应用于堤防隐患探测，水文、工程、环境的地质勘探，煤矿采空区、人防工程及卡斯特地区的溶洞等勘探，厂房地基、高速公路、桥梁、铁路、山体滑坡等地质灾害勘探，金属与非金属矿产资源勘探、地热勘探等领域。

高密度电法装置主要包括发射装置、电极转换装置、接收装置、通信装置、上位机等部分。根据发射装置可以分为直流电法和交流电法以及激发极化法。国内高密度电法仪电极转换开关己具有机械式、电子式、分布智能式等多种形式。接收装置，高密度电法采用多通道同步采集的方式加快测量速度，提高测量效率。

但是现在的高密度电法仪，分辨率大部分在3m左右，分布范围大约在300m以上，不能够进行小型物体的探测，例如德国4p考古专用高密度电法仪，分辨率为3米，测量距离350m，该仪器只能用于考古前文物分布估计，而不能用于出土文物过程、地下小型金属检测等方面的应用。除此之外，现在高密度电法的测量方式中共温纳四极、施伦贝尔、偶极装置、微分装置、联剖装置、单边三极连续滚动式测深方法等多种测量模式，其中单边三极连续滚动式测深装置都是将发射电极b置于无穷远处，用这种方式让电场分布在地下较深部，以增大测量体积。但是，通常情况下，布置远电极难度较大，大约需要电极间距的50倍左右。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种便携式超高分辨率多远电极阵列电法测量装置及方法。减小阵列式电法体积，缩小阵列式电法电极间距，提高高密度电法装置分辨率，并且通过加入多个远电极的方法，减小测量过程中误差，增大测量体积，增加分辨率。

本发明是这样实现的，

一种便携式超高分辨率多远电极阵列电法测量装置，该装置包括：发射电路、节点板组、远电极板以及接收电路，其中，

发射电路为节点板组和远电极板提供1a/24w直流信号或者幅值1a/24w方波信号；

接收电路采集节点板组和远电极板上电极的电信号；

节点板组包括x*y个节点板形成的矩阵结构，每个节点板包括四个节点电极和12个电极转换开关，每3个电极转换开关控制一个节点电极分别与恒流源输出端、接收电路的采集端以及地端连接，通过节点电极向地面发射直流或交流电信号；

远电极板包括一列2y个远电极板，作为发射电极。

进一步地，其中发射电路中包括发生恒流源以及逆变器，由恒流源提供直流发射电流，直流发射电流经逆变器变为交流信号，为电极提供直流电法或交流电法。

进一步地，所述节点板组阵列式放置，则共4x*y个节点电极，阵列节点电极节点板最边缘电极相对远，放置远电极板，远电极板上2*y个电极，其电极与节点板阵列节点电极对齐平行放置，保证远电极每个电极与多个节点板上位于同一直线上的节点电极对齐。

进一步地，所述相对远指的是电极间距的60倍以上。

进一步地，所述电极之间的间距为5cm，节点板上四个电极位于正方形四个顶点上。

进一步地，位于同一直线上的节点板节点电极与一个对应的远电极板形成一条测线，远电极为发射电极b，电极板上节点电极作为发射电极a和接收电极m以及接收电极n，首先由测线上xn位置处电极作为发射电极a，xn-1位置电极和xn-2位置电极作为接收电极m和接收电极n，之后以xn-2位置电极和xn-3位置电极作为接收电极m和接收电极n，依次滚动，直到x2位置电极和x1位置电极作为接收电极m，接收电极n；之后以测线上xn-1位置电极作为发射电极a，重复上述滚动过程，直到x3位置处电极作为发射电极，完成一条测线测量过程。

一种便携式超高分辨率多远电极阵列电法测量方法，

步骤1：在一条直线上设置多个等间距节点电极，在距离等间距电极的端部距离为两个节点电极间距的60倍以上设置远电极，并与多个等间距节点电极处在同一直线作为一条测线；

步骤2，按照步骤1等间距设置多条测线；

步骤3，在每条测线上远电极作为发射电极b，节点电极作为发射电极a和接收电极m以及接收电极n，首先由测线上xn位置处电极作为发射电极a，xn-1位置电极和xn-2位置电极作为接收电极m和接收电极n，之后以xn-2位置电极和xn-3位置电极作为接收电极m和接收电极n，依次滚动，直到x2位置电极和x1位置电极作为接收电极m，接收电极n；之后以测线上xn-1位置电极作为发射电极a，重复上述滚动过程，直到x3位置处电极作为发射电极，完成一条测线测量过程；

步骤4，按照步骤3的方法完成其他测线测量。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明提以缩小装置电极间距，增加多个相对远电极，节点板组合放置组成阵列的方式缩小仪器体积，增大仪器分辨率，并且增加多个远电极可以减小联剖测量过程中的由于单个远电极引起的由于发射电极与接收电极不在同一直线上引起的方向与距离差异引起的测量误差。

附图说明

图1本发明便携式超高分辨率多远电极阵列电法测量装置整体原理框图；

图2本发明节点板尺寸及四电极分布图

图3本发明恒流源电路基本原理图；

图4本发明逆变器原理图；

图5本发明伸缩电极的基本结构图；

图6本发明节点板上的电极及远电极板上的电极分布图；

图7本发明电极空间布置基本方法。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

参见图1所示，该系统包括发射电路1、节点板2、远电极板3、接收电路4、时序控制电路5五部分。其框图如图1所示，该系统可选择直流电法、交流电法两种方式，其中发射电路包括可提供1a/24w直流信号或者幅值1a/24w方波信号。节点板2包括x*y个节点板形成的矩阵结构，发射电路为x*y个节点板提供电流，其中每个节点板包括四个相互等间距设置的节点电极和12个电极转换开关，每3个电极转换开关控制一个节点电极分别与恒流源输出端、以及接收电路的采集端与地端连接，作为电法的发射电极a和接收电极m，接收电极n任意切换，其中节点板尺寸及四电极分布图如图2所示，电极的节点板尺寸为a*a。节点板阵列安装后，所有节点板上电极间距一致为a/2。设置a＝10cm，每个电极间距为5cm，则测量的分辨率最大可以达到5cm，x*y个节点板构成阵列电极，该装置最大体积为1.5m*0.3m，通过节点板向地面发射直流或交流电信号。

远电极板包括一排2*y个电极，作为发射电极b，接收电路包括放大电路和采集板，采集接收电极上的电信号，系统的整体运行状态由时序控制电路控制。该系统由多个远电极作为发射电极b，可以实现多远电极联剖测量。

其中发射电路中包括发生恒流源、逆变器两部分，由恒流源提供发射电流，发射电流经逆变器变为交流信号。其中恒流源电路为dc/dc恒流源，其基本原理图如图3所示，该恒流源可输出功率最大为24w，输出电流为1a，该恒流源电路包括基准电压电路u0，放大电路a，反馈电路f，采样电阻rs。该电路的输出电流公式为：

其中i为输出电流值，通过控制基准电压，反馈倍数、采样电阻可控制输出电流的大小。逆变器中包括mos管发射桥路和驱动电路两部分，通过开关控制发射桥路mos管通断，逆变器原理图如图4所示，包括电源输入端，输入恒流电流给四个场效应管q1、场效应管q2、场效应管q3、场效应管q4，场效应管的型号为c2m0080120d，通过四个hcpl-3120-060e驱动芯片驱动场效应管通断，当控制口1、3导通时、控制口2、4断开时，输出端out1为高电平，out2为低电平，当控制口1、3断开时、控制口2、4导通时，输出端out1为低电平，out2为高电平，因此可以将输入的直流信号变为交流信号，当发射桥路开关mos管状态不变时，输出电流为直流信号。当发射桥路输出直流信号时，可以实现直流电法，当控制mos管状态变化，实现逆变器功能，可以输出交流信号，实现交流电法。其中，mos管采用c2m008-0120d型mos管，采用hcpl-3120-060e作为开关驱动芯片。

该系统中的每个节点板包括四个电极，电极间距为5cm，可以实现的最小分辨率为5cm，共包括x*y个节点板，节点板包括电极转换开关和电极两部分，能够实现电极状态可控切换，使任意网格点发射、接收电流。节点板采用mbi5024作为切换电极开关，内建的cmos位移缓存器与栓锁功能，可以将串行的输入数据转换成平行输出数，方便控制。采用aqy212作为光耦隔离，电流量程为1a，电极采用可伸缩弹簧金属装置，可伸缩电极的基本结构如图5所示，包括维持弹簧21、可缩结构22、内缩外壳23，当电极触碰到地下异物时，可缩结构22会内缩进内缩外壳23处，当没有异物时，维持弹簧21可维持电极正常状态，能够起到保护小型探测物的作用。

为了实现多远电极阵列电法测量方法，该系统增加多个远电极，利用远电极作为发射电极b，采用多个远电极联用的方式实现多远电极单边三极连续滚动式测深装置测量模式。该系统共包括4*x*y个电极(见图7)，布置2y个远电极，全部作为发射极b，保证发射极ab与接收极mn在一条直线上，其节点板上的电极及远电极板上的电极分布如图6所示。利用该电极分布实现多远电极单边三极连续滚动式测深装置测量模式，其中，图中的相对远是相当于电极的间距而言的，约为电极间距的60倍以上。装置共包括m条测线，对测线1测量过程进行分析，远电极板置于无穷远处，全部作为发射电极b，电极板上电极作为发射电极a和接收电极m，n。首先由测线1上xn位置处电极作为发射电极a，xn-1和xn-2作为接收电极m，n，远电极板中的b1作为接收b电极。之后以xn-2和xn-3作为接收电极m，n，依次滚动，直到x2和x1作为接收电极m，n。之后以测线1上xn-1位置处电极作为发射电极a，重复上述滚动过程，直到x3位置处电极作为发射电极，完成测线1测量过程。在进行测线2测量时，以b2作为接收b电极，完成测量，直到测量完测线m，完成测量。通过多远电极，减小单电极作为阵列中所有电极发射电极b时，方向和距离引起的测量误差。

因此，电极板的具体分布方式如图7所示，每个节点板4个电极，共x*y个节点板，节点板阵列式放置，则共4x*y个电极，阵列式布置，阵列电极节点板相对远，放置远电极板，远电极板上2*y个电极，其电极与节点板阵列电极对齐平行放置，保证远电极每个电极与多个节点板上电极对齐。

接收电路包括程控放大器、采集板两部分。通过电极转换开关，将接收电极连接到程控放大器上，将接收电流信号放大，其中，程控放大器采用ltc1564可编程放大器，截止频率(fc)和增益都是可编程的，放大倍数g从1到16倍连续可调，截止频率fc从15k到150k倍连续可调。采集板采用net0824以太网数据采集卡，可实现24位采样精度，105.469khz采样频率，并且可以实现8物理通道同步采集。

时序控制电路包括msp430控制器，通信电路两部分，msp430控制器能够提供控制io口，控制系统工作时序，通信电路采用rs485电路和路由器，采用rs485与路由器连接，由路由器与上位机进行通信。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。