基于数字电极技术的电法测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明专利涉及勘探地球物理学一一地球物理仪器技术领域，尤其是电法勘探测量系统。
【背景技术】
[0002]在各类勘查地球物理方法中，电法测量是勘探地球物理学的重要分支，是变种和分支最多、应用面最广的方法，它的发展水平和工业生产技术、社会经济状况以及其他学科的技术进步密切相关。随着现代物理学、电子学、计算机和信号处理技术的突飞猛进的发展，电法测量无论在仪器研制，或是数据采集、处理技术与反演、解释方法的研宄，都融合了先进的科学理论和高新技术。然而，现有的高密度电法测量和层析成像系统仍存在一些不足之处，如测量装置单一(每次测量仅能设置为温纳、斯伦贝谢、三极、或偶极等装置)，测量的信息相对较少，现有高密度电法装置仅能使用2D或2.5D测量(拟3D测量)，仍无法满足3D测量等。
【发明内容】
[0003]目前的高密度测量系统测量时仅能以一种装置测量、信息量少，即同时测量温纳、斯伦贝谢、三级和偶极等装置，另外，可进行2D和3D测量等拟地震方式测量，针对现有电法测量系统亟待改进之处，分析了高密度测量系统的阵列电极技术和地震勘探的数字检波器思想，提出数字电极的概念，并设计了基于数字电极的电法测量系统。这种设计集成地球物理学、电子技术、通讯技术等于一体，实现电法勘探测量的一次创新；它不仅用于电阻率、激发极化、相位以及频谱激化(复电阻率)的等多种测量方法，而且可用于时间域或频率域中的2D、3D电法勘探，并同时测量多种装置的数据，实现拟地震方式的电法勘探数据采集。
[0004]
【发明内容】
包括数字电极设计和基于数字电极集成的电法测量系统等。
[0005]1、数字电极
数字电极的引入使新型多功能电法勘探系统设计得以实现，是新型多功能电法测量系统的核心，其结构方式和通道容限决定着系统的整体性能与功能。技术上主要体现在将信号采集、数据存储和通讯等功能分布在采集电极上。其设计思想来源于电阻率层析成像系统的阵列电极技术和现代地震勘探的数据采集系统。现代地震勘探数据采集系统采用数字检波器加先进的的网络通讯技术，在振幅校准、温度变化、重量、可靠性及时效的稳定性等方面远远优于常规动圈式检波器，由于全数字输出，有较好的电磁兼容性能，对于漏电不敏感，串音的影响也很小，能满足上万道的实时数据采集。数字电极融合了数字检波器和电阻率层析成像采集系统的特征，实现了电法勘探的数据采集系统的一次创新。
[0006]数字电极集成了微处理芯片、信号转换、现场总线、数据存储和通讯转发等模块于一体，其结构见说明书附图1所示。数字电极和主机形成主从关系，接收主机指令，完成电极工作方式设定、数据采集和数据传输等功能.数字电极技术相当于地震勘探系统的数字电极，多道协同采集，不仅能够实现直流高密度电法勘探的数据采集，而且能够实现多种频率域的数据采集，从而测量激发极化、相位、复电阻率的测量.数字电极与电阻率层析成像系统的阵列电极不同。层析成像系统阵列电极的开关盒仅接收主机开关指令码，切换电极与电缆系统导通或断开，从而实现电极通过电缆与测量主机的A、B、M或N极的连接；主机的的采集模块实现信号调理、转换、处理和数据存储等。而数字电极不仅实现不同电极间的切换，而且也实现信号采集和存储功能，主机与数字电极之间集成为主从网络结构；由于数字电极单道完成信号调理、转换、处理等工作，抗电磁干扰能力大大增强，几乎没有串音干扰；另外，数字电极与主机之间完全数字通讯，克服了传统的层析成像系统的长距离信号衰减、丢失和抗干扰等问题；此外，数字电极观测装置设定非常灵活，不仅可以满足传统的测量方法，而且每个数字电极能够就是一个小型测量系统，并把所有数字电极测量数据传回主机，解析出多种测量装置的数据，实现多装置、多参数的测量方法。
[0007]2、基于数字电极的电法测量系统
数字电极有独立的地址；测量方式有两种，一种是数字电极接收主机命令并控制多路开关接通测量大线中A、B、M极或断开，数字电极自身接入大地一端为义极(η为数字电极的编号)，数字电极通过测量M N η之间电位差Usfa (可看做Um、UM2、UM3、Um4等)，并通过通讯系统传回主机；另一种方式是所有数字电极测量与Α、B、Μ之间的电位差，经过简单的运算处理得到任意两个电极之间电位差。
[0008]本发明专利的有益效果是:多个数字电极同时测量，主机通过简单的运算处理可以获得多种测量装置(温纳、斯伦贝谢、三极或偶极等装置)的信息，若数字电极同步性能一致(通过现场总线实时性能达到数字电极晶振时钟一致)和不同的激发源(AB供电方式)，还可以测量相位差、激发极化和频谱激化(复电阻率)等参数。利用一条测线可以进行2D测量成像，若将AB任何一极放置无穷远处，采用多条测量方法，可以进行3D测量成像。
【附图说明】
[0009]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0010]图1是本发明的电路原理结构图。
[0011]图2基于数字电极的电法测量系统示意图。
[0012]图3基于数字电极的电法测量系统的采集方式说明图。
[0013]图4测量电缆线结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]在图1中，中央处理器(arm、DSP或51等单片机)为核心(类似电脑的CPU部分)，他通过现场总线接收主机发送的命令，根据主机命令，中央处理器切换多路转换开关使得接地电极与测量大线中的ABMN等端子接通，若多路开关接通了 N端子，中央处理器控制AD模块测量N与A、B、M等端子之间的电位差，并暂存之Flash存储器中，最后利用现场总线收发器通过现场总线发送至主机。
[0015]图2是基于数字电极的电法测量系统，其中测量主机为PC机，主要功能包括人机交互、数据存储、和野外测量数据预处理等，电源发生器主要产生电法测量中的供电电源等(AB供电部分)，根据测量需要采用直流方法、方波(频谱、复电阻率方法等)或双频激发等，控制箱体为数字电极、PC主机与电源发生器的适配器的功能。
[0016]图3为基于数字电极的电法测量方式的举例说明示意图。数字电极2接通A，数字电极9接通B，数字电极4接通M，其他数字电极与大线A、B、M断开，其他任意数字电极可做N并测量M N之间的电位差；或者所有数字电极测量与A、B、M之间的电位差，数字电极I测量值为UalUblUml,同样道理，其他数字电极测量Ua2Ub2Um2 ；Ua3Ub3Um3 ；…UalOUblOUmlO等;则数字电极3与6之间的电位差为:Ua3_Ua6 Ua3_Ua6或Um3_Um6 ;以此类推，可以同时得到任意两个数字电极组合之间的电压差。因此，通过所有电极的测量并通过简单的计算，可同时获得得到温纳装置(A-M-N-B，电极之间间距相等)、斯伦贝谢装置(A-MN-B, AB间距变化，丽间距不变)，偶极(AB-MN)等测量的数据。若把A极或B极通过延长线放置无穷远处，可以获得3极测量方法，多个平行测线可以进行3D测量成像等。
[0017]图4为测量电缆线构图，电缆共有九根，两根用作供电回路A、B的动力电缆，四根为供电与通信一体、同步性能高、抗干扰能力强(屏蔽层)现场总线(如DeviceNet现场总线技术)用作供给数字电极的工作电源，必要的时候设置中继站(通讯和供电扩展)，G为现成总线的屏蔽层，另外两根分别命名为MN。
【主权项】
1.基于数字电极的高密度测量系统，包括数字电极(I)、连接在测量大线(2)和测量主机(3)，其特征在于:所述测量电极包括多个切换开关、继电器、过载检测电路、比较放大电路、控制电路、指示电路和延时复位电路，过载检测电路包括电流互感器(等)、MCU、电压测量模块和通讯模块等，工作时接收主机发送的命令，切换接地电极与测量大线的不同电缆芯；电缆芯即包括电法勘探供电电极A、B芯，也包括测量电极M、N，亦包括基于现场总线技术的通讯线缆(CAN总线或DevceNet总线等)；主机主要功能包括:人机交互、管理数字电极、管理电法勘探的大地供电电源AB、测量数据运算等功能。
2.数字电极是核心部分通过接收主机命令实现不同功能，主要包括切换至供电芯A、B、M、N或无穷远的公共极等，若接通电缆A芯，则改电极为电法勘探的A极，电压测量模块测量该电极与公共电极、B、M、N之间的电位差；同样道理，改电极若接通B、M、N或无穷远的公共极，改电极就是相应的电法勘探电极，电压测量模块分别测量与不同的电极的电位差；然后，测量电极将测量的信号通过电缆的通讯线传输至主机，主机通过运算，可以分别获得电法勘探的多种测量装置的数据，提供测量效率；数据电极可以无限扩展，每个电极具有独立的识别号，并与测点对应；若多条测线，可以实现电法勘探3D空间测量，获得测区的立体测量资料。
【专利摘要】基于数字电极技术的电法测量系统。根据电阻率层析成像系统的阵列电极的特征和现代地震勘探采集系统的数字检波器技术，提出了基于数字电极的电法测量系统设计，这种设计将实现电法测量的创新；说明书讨论了数字电极的电路结构、系统的总体设计、控制通信网络拓扑结构和其他关键技术，基于数字电极的电法测量系统不仅用于可电阻率、激发极化、相位以及复电阻率的等多种方法，而且可用于时间域或频率域中的3D电法勘探，由于每个数字电极都参与采集工作，所以可以同时测量多种测量装置的数据，大大提高数据采集效率，从而实现拟地震方式的勘探。
【IPC分类】G01V3-00
【公开号】CN104656145
【申请号】CN201410663818
【发明人】李晓斌, 冯磊, 赵秋芳, 王恩营, 刘彦
【申请人】河南理工大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年11月20日