专利名称：三维直流电法模拟实验观测装置及观测方法
技术领域：
，
本发明涉及一种直流电法地球物理勘探设备及观测方法，尤其是三维直流电 场电位差信号采集及观测方法的模拟实验教学仪器。
背景技术：
目前的电法仪器在完成三维电法物理模拟实验时都有不足，如传统的 DDC32等仪器每次供电后只能测量一个物理点的电位，要完成一个电极的一次 供电，其余255个电极对参考电极的电位差采集需要几个小时的时间， 一方面浪 费了人力资源，另一方面，在长时间的供电过程中，供电系统的稳定性及电极耦 合等因素的变化，都会对物理模拟实验结果造成不利的影响；DUK-2等高密度 测量系统可具有几十个 数百个观测通道，但其观测模式是固定不变的，数据采 集只能按其规定的装置模式进行，不能够实现一次供电后瞬间得到三维电法数 据，没有解决面积测量的问题；CN200610042681.3公开了一种"全自动多通道 多电极电法数据采集系统及其釆集方法"，只能一次测量同一条测线上MN间的 电势值。CN1073780A公开了一种"微机控制多路电极转换器"是将60个电极 按6种工作模式转换到电测仪主机的供电电缆A、 B和测量电缆M、 N上。 CN10卯936A公开了一种"分布式微机控制多路电极转换器"是将侧线上的电极 按七种模式转换到电测仪主机的供电和测量电缆上，即可进行高密度测量，也可 进行常规电法测量。CN2493933Y公开了一种"新型分布式高密度电测仪"测量 主机通过一根主电缆连接多个分控器，每个分控器连接一个电极。CN1616987A 公开了一种"分布式并行智能电极电位差信号采集方法和系统"是由若干个智能 电极构成，每个智能电极带8个工作电极，实现了并行采集，但仅能测量一次场 或二次场的电位差。
《煤炭科学技术》2004年第32巻第2期胡业林等公开了 "地质勘探工 程网络电测仪系统研究"使用SOC单片机CygnalC8051和数控恒流源、LCD 等组成系统主机，使用2051单片机和微型继电器组成电极工作分站，主机与电 极工作分站之间使用高速RS-485连接。通过主机对电极工作分站的控制，实现 电法勘探中电阻率法的二极、三极、四极、微分、偶极、复合多极等方法的任意 时空组合的数据釆集，为进行电阻率、激电值归位计算，反演地下电性层的构造 形态提供充分的数据。
《煤炭工程》2004年第7期胡业林等公开了 "工程电测CT仪系统研究" 通过单片机对数控恒流源和多电极转换板的控制，将电法勘探中电阻率法的二
4极、三极、四极、微分、偶极、复合多极等方法进行组合集成，采用图象处理与 电法勘探技术相融合，进行电阻率、激电值归位计算，反演地下电性层的构造形 态，完成电法CT剖面。
《煤炭科学技术》2006年第34巻第3期郑晓亮公开了 "并行采集电法仪器 的研制"直流电法勘探仪器是用于观测测量电极M,N间电位差AUMN和供电 电极A,B回路中电流强度IAB两个参数的专门仪器。该仪器设计为2级单片机 主从结构，由控制板主机和采集板从机组成，每块采集板带有8个可用电极，整 个仪器最大可带电极为64个，用户可根据实际情况具体选择使用电极的数量。
新型分布式智能化高密度电法仪(Schematic of new distributed multi2channel2D resistivity imaging meter)。主要由笔记本式计算机(或工控 机)、主机、主电缆和电极连接盒等组成。主机包括发送控制命令、接收信号等
部分；主电缆由10芯电线组成，主要作用是信号传输；电极连接盒根据主机的命 令进行电极转换和数据釆集、传输。由于是一根电缆覆盖所测量的剖面，并且使 用微机进行控制，使得每一个电极都可能成为A，B,M,N极，
中国地质大学(武汉)研制生产的分布式高密度电法仪最多可进行240道电 极输入，原则上可方便地进行无限扩展(由于受导线电阻、工作电流、工作电压 和干扰的原因的限制,所以建议道数不要过分追求)，整套仪器体积小、重量轻;再 者,电极的连接是任意的，使用十分方便。
日本的0Y0公司、瑞典的ABEM公司、法国的IRIS公司、美国的AGI公 司生产的电法仪器价位均在6 7万美元(60个电极配置)，这些仪器大多数是将 电测仪与电极转换开关分开的，仅有美国的AGI公司2002年12月份新推出的 电法仪是将电测量主机与转换开关单元结合在一起的。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种三维直流电法模拟 实验观测仪器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
数据采集器通过导线分别与电极B、电极M和N连接，数据采集器通过导 线分别与电极B、电极M和N连接，数据采集器是由多路转换开关I一II连接 到多路转换开关III,多路转换开关III经浮点放大器与模数转换器连接，模数转换
器经三态缓冲器n—ni连接到三态缓冲器iv，逻辑控制单元分别与模数转换器的 ^、 5、 ^^连接，译码电路单元分别与多路转换开关i一m、三态缓冲
器I 一IV和逻辑控制单元连接。多路转换开关I分别与电极Ml-8排列的128个 电极相连接，多路转换开关II分别与电极M9-16排列的128个电极相连接。 三维直流电法模拟实验观测方法，包括以下顺序和步骤 a、首先将电极按设计的网格插入到物理模型上，并按照通道编排的顺序1一256用电缆线连接到对应的接口上；
b、启动采集软件，由微机发出供电电极的通道地址，在控制电路控制下通
过继电器将该通道与供电回路自动连接，同时将其他通道设置为接收通道，使接
收电极通过继电器与相应的16选1模拟开关相连接； C、由微机控制检査每个电极的接地电阻情况；
d、 微机发出采样指令，按照程序指定的通道顺序将每个接收电极与参考电 极的电位差值切入到浮点放大器进行放大，放大后的电压子样传送到16位模数 转换器上；
e、 在控制电路控制下，模数转换器完成电压子样的量化过程，并将3位增 益码和16位尾数锁存在数据锁存器的输出端上；
f、 由微机发出指令将数据锁存器输出端的数据通过缓冲电路按每4位一组 读入微机内存；
g、 由微机完成电压真值的运算和归一化运算后，将数据绘制在微机屏幕上；
h、 重复d g的步骤，完成每个接收通道的数据采集和绘i、 在所有接收通道的数据采集完成后，将数据存入微机硬盘。 本发明的目的还可以通过以下技术方案实现
浮点放大器是由绝对值变换电路经电压比较器、反向器与增益码编码器连 接，增益码编码器经AO、 Al、 A2分别与多路转换开关III和锁存器连接，多路转
换开关m连接二进制电阻和运算放大器，绝对值变换电路与运算放大器连接，二
进制电阻与电压比较器输入端连接，每个电压比较器对应一个二进制电阻。 浮点放大器设有8个增益台阶，分别是l、 2、 4、 8、 16、 32、 64、 128 。 多路转换开关I和多路转换开关II共设有八个输入接口，每个接口设有32 个接收通道，每个接收通道对应一个接收电极M，每个电极既能作为供电电极A、 B，又能作为接收电极M、 N。多路转换开关采用17片模拟开关芯片和1024个 继电器完成供电电极A极、B极和接收电极M极、N极的切换。
数据采集仪器与微机并行1/0接口相连接实现数据采集仪器的自动控制和数 据接收，微机并行I/O接口的数据信号DO-D7和控制信号DO-D4在数据采集仪器
的逻辑控制单元中通过电路进行逻辑组合形成16选i多路转换开关i 一ni的译
码信号AO-A3和选片信号EN、模数转换器的控制信号^、 5、 CO腐r和三 态缓冲器的选片信号5，数据采集仪器输出的每一个数据由3位浮点增益码和 16位二进制尾数组成，通过微机I/O接口的状态信号D4-D7完成数据向微机内 存的传送，由逻辑控制单元逐次生成三态缓冲器I一IV的选片信号，每一次传送 4位二进制数码，首先传送浮点增益码，然后再分4次传送16位尾数，16选l 多路转换开关是由16个数据输入端S1-S16， 1个数据输出端0UT、 4个译码信号 A0-A3和1个选片信号EN组成，当EN信号有效时，由4个译码信号的状态决定
6那一个数据输入端与数据输出端相连通。
有益效果利用三维直流电场观测仪器可开展面积观测、二维观测、四极观 测和高密度观测等。面积观测时最大网格为16X 16，网格上的任意l个电极均可作 为供电电极使用，每个电极都有一次被作为供电电极，最大观测物理点为255个， 256个电极布设后，任意一个电极供电，其余255个电极对参考电极的电位观测， 或任意一对电极供电后，其余254个电极中任何2个电极间电位差的数据采集，不 仅保存了常规电法仪器的测量功能，其多通道并行式的接收方式使该仪器不仅能 够完成单电极供电，多电极面积接收的测量方式。该仪器测量时间短，自动化程 度高，比常规电法仪器的观测效率提高数百倍，而且测量期间参数变化小，数据 分辨率高，所以得到的数据真实可靠。还可以根据不同实验目的的要求完成多电 极供电多电极接收的特殊方法研究。该仪器不仅能作为三维电法物理模型实验使 用，也能作为三维电法勘探的野外观测仪器。
附图l三维直流电法模拟实验观测仪器结构框图。 附图2为附图l数据采集器结构框图。 附图3为附图2浮点放大器结构框图。
附图4三维直流电法物理模拟实验观测仪器16选1通道切换电路图。 A、 B—供电电极，M—接收电极，N—参考电极。
具体实施例方式
数据采集器通过导线分别与电极B、电极M和N连接，数据采集器是由三态缓 冲器I通过数据线连接三态缓冲器VI、逻辑控制单元、译码电路单元、多路转换
开关ni，译码电路单元并联多路转换开关n和多路转换开关i ，多路转换开关ni 经浮点放大器与模数转换器连接，模数转换器经三态缓冲器ii和三态缓冲器in连 接三态缓冲器iv，逻辑控制单元分别与模数转换器的^、 ^、 coivrar连接， 译码电路单元分别与三态缓冲器m、三态缓冲器n、三态缓冲器i和三态缓冲器
IV连接，译码电路单元与逻辑控制单元连接，多路转换开关I分别与电极M 1-8 排列的128个电极相连接，多路转换开关II分别与电极M9-16排列的128个电极相 连接。
浮点放大器是由绝对值变换电路经电压比较器、反向器与增益码编码器连 接，增益码编码器经AO、 Al、 A2分别与多路转换开关和锁存器连接，多路转换 开关连接二进制电阻和运算放大器，绝对值变换电路与运算放大器连接，二进制 电阻与电压比较器输入端连接，每个电压比较器对应一个二进制电阻。
浮点放大器设有8个增益台阶，分别是l、 2、 4、 8、 16、 32、 64、 128 。 多路转换开关I和多路转换开关n共设有八个输入接口，每个接口设有32 个接收通道，每个接收通道对应一个接收电极M，每个电极既能作为供电电极A、B，又能作为接收电极M、 N。多路转换开关采用17片模拟开关芯片和1024个 继电器完成供电电极A极、B极和接收电极M极、N极的切换。
数据采集仪器与微机并行I/O接口相连接实现数据采集仪器的自动控制和数 据接收，微机并行I/O接口的数据信号D0-D7和控制信号DO-D4在数据采集仪器 的逻辑控制单元中通过电路进行逻辑组合形成16选1，多路转换开关I—III的 译码信号A0-A3和选片信号EN、模数转换器的控制信号^、 5、 CO愿r禾口 三态缓冲器的选片信号^ ，数据采集仪器输出的每一个数据由3位浮点增益码和 16位二进制尾数组成，通过微机I/O接口的状态信号D4-D7完成数据向微机内 存的传送，由逻辑控制单元逐次生成三态缓冲器I一IV的选片信号，每一次传送 4位二进制数码，首先传送浮点增益码，然后再分4次传送16位尾数，:16选1 多路转换开关是由16个数据输入端Sl-S16， 1个数据输出端0UT、 4个译码信号 A0-A3和1个选片信号EN组成，当EN信号有效时，由4个译码信号的状态决定 那一个数据输入端与数据输出端相连通。
三维直流电法模拟实验观测方法
a、 首先将电极按设计的网格插入到物理模型上，并按照通道编排的顺序1 —256用电缆线连接到对应的接口上；
b、 启动采集软件，由微机发出供电电极的通道地址，在控制电路控制下通 过继电器将该通道与供电回路自动连接，同时将其他通道设置为接收通道，使接 收电极通过继电器与相应的16选1模拟开关相连接；
C、由微机控制检査每个电极的接地电阻情况；
d、 微机发出采样指令，按照程序指定的通道顺序将每个接收电极与参考电
极的电位差值切入到浮点放大器进行放大，放大后的电压子样传送到16位模数 转换器上；
e、 在控制电路控制下，模数转换器完成电压子样的量化过程，并将3位增 益码和16位尾数锁存在数据锁存器的输出端上；
f、 由微机发出指令将数据锁存器输出端的数据通过缓冲电路按每4位一组 读入微机内存；
g、 由微机完成电压真值的运算和归一化运算后，将数据绘制在微机屏幕上；
h、 重复d g的步骤，完成每个接收通道的数据采集和绘i、 在所有接收通道的数据采集完成后，将数据存入微机硬盘。 三维直流电场模拟实验观测仪器是由微机、直流电源、直流供电电源和256
个通道数据采集仪器组成，其中256通道数据采集仪器为本发明的技术核心，为
保证技术方案的有效实现，采用如下10项技术措施
1、数据采集仪器采用微机并行接口进行数据传输和通道控制，利用地址扩
展手段实现256个端口 ，可扩展为512个端口的地址译码和数据传输端口的地址译码；
2、 设有3条公共连接线，分别为2条供电线(A极或B极)和一条参考线(N 极)，公共连接线可作为常规测量时使用；
3、 多路转换开关采用17片AD公司生产的模拟开关芯片ADG506A和1024个 继电器完成供电电极(A极或B极)和接收电极(M极或N极)的切换，16选l 通道切换电路原理见附图4所示；
4、 设置8个通道输入接口，每个接口完成32个通道与电极的连接；
5、 每个电极既可作为供电电极(A/B)，又可作为接收电极(M/N)，每一个 接收电极(M极)对应l个接收通道；
6、 采用公共浮点放大器完成离散子样的放大，浮点放大器设有8个增益台 阶，分别是l、 2、 4、 8、 16、 32、 64、 128;
7、 高速模数转换器采用1片16位数据分辨率的高速模数转换器芯片AD7884 完成模拟子样的数字量化；
8、 采用多路转换开关作为输入通道与浮点放大器间的切入器件，每16个通 道使用1片16选1多路转换开关完成16路合1功能，共使用17片16选1多路 开关完成256路合l功能；
9、 每个采集的电压值由3位浮点增益码和16位尾数组成，由时序逻辑电路 控制将3位浮点增益码和16位尾数写入静态存储器或直接写入计算机硬盘；
10、 通过软件编程完成255个通道对参考电极的电位显示和图像绘制或任意 两个接收通道的电位差显示。
在供电方式上，可进行人工供电、单电极自动供电或多电极自动供电。 一是 采用外部供电时，由人工将供电电极和参考电极设置在模型的任意部位，仪器的 256个通道作为接收通道，并同时处在接收状态，可一次观测256个物理点的电 位差；二是仪器内部自动供电时，由微机发出供电通道地址码，选中排列上256 个通道中任意1个通道作为供电通道，在程序控制下通过继电器将供电通道与接 收通道断开并与供电回路相连接，参考电极可由人工设置在模型的任意位置，此 时除供电通道以外的其余255个通道均作为接收通道，并同时处在接收状态，可 一次观测完成255个物理点的电位差采集；三是在自动供电时，如果供电电极和 参考电极均在排列上，由微机发出供电通道地址码，选中排列上256个通道中任 意1个通道作为供电通道，选中除供电通道以外的其余255个通道中任意1个通 道作为参考通道，此时接收通道为254个，并同时处在接收状态，可一次观测完 成254个物理点的电位差采集；四是在特殊观测方法研究中，还能通过程序控制 将多个通道设置为供电通道。
在观测方式上，可开展面积观测、二维观测、四极观测和高密度观测等。面 积观测时最大网格为16X16,网格上的任意1个电极均可作为供电电极使用，每个电极都有一次被作为供电电极，最大观测物理点为255个。
在二维观测时测线上最大通道数为256个，可采用1个通道作为供电通道， 如果参考电极设置在排列之外时，可将其余255个通道同时作为接收通道；四极 观测时，通过程序控制256个电极上任意一对作为供电电极(A极或B极)，选 中相应通道作为测量通道(M极或N极)；高密度观测时可通过软件设置相应的 装置类型，控制对应通道的供电和接收。
在电极连接方式上，256个通道分为8个32芯接口，每个接口由32芯电缆 线与电极相连接，选用的电缆线荷载大于2安培。
为了满足模型实验中各接收电极对参考电极间电压差变化大的特点，为了提 高动态范围，设计了浮点放大器，浮点放大器原理见附图3所示。浮点放大器由 8片高速电压比较器、二进制电阻、1片编码器、1片多路转换开关和1片高精 度运算放大器组成，输入的电压子样通过绝对值变换电路取绝对值后加到8个电 压比较器的反相输入端，电压比较器将该子样与经过二进制电阻分压后加到同相 输入端的参考电压相比较，电压比较器的输出端连接到增益码编码器的输入端， 由电压比较器输出端的状态0或1和增益码编码器确定出对电压子样的放大倍 数。该浮点放大器只需要1次比较就可确定出增益台阶。
权利要求
1、一种三维直流电法模拟实验观测装置，是由供电电源通过导线连接数据采集器，再通过传输线与微机连接，供电电极通过导线连接电极A构成，其特征在于，数据采集器通过导线分别与电极B、电极M和N连接，数据采集器是由多路转换开关I-II连接到多路转换开关III，多路转换开关III经浮点放大器与模数转换器连接，模数转换器经三态缓冲器II-III连接到三态缓冲器IV，逻辑控制单元分别与模数转换器的<overscore>RD</overscore>、<overscore>CS</overscore>、<overscore>CONVS</overscore>连接，译码电路单元分别与多路转换开关I-III、三态缓冲器I-IV和逻辑控制单元连接，多路转换开关I分别与电极M1-8排列的128个电极相连接，多路转换开关II分别与电极M9-16排列的128个电极相连接。
2、 按照权利要求1所述的三维直流电法模拟实验观测装置，其特征在于， 浮点放大器是由绝对值变换电路经电压比较器、反向器与增益码编码器连接，增 益码编码器经A0、 Al、 A2分别与多路转换开关和锁存器连接，多路转换开关连 接二进制电阻和运算放大器，绝对值变换电路与运算放大器连接，二进制电阻与 电压比较器输入端连接，每个电压比较器对应一个二进制电阻。
3、 按照权利要求2所述的三维直流电法模拟实验观测装置，其特征在于， 浮点放大器设有8个增益台阶，分别是l、 2、 4、 8、 16、 32、 64、 128 。
4、 按照权利要求1所述的三维直流电法模拟实验观测装置，其特征在于， 多路转换开关I和多路转换开关II共设有八个输入接口，每个接口设有32个接 收通道，每个接收通道对应一个接收电极M，每个电极既能作为供电电极A、 B， 又能作为接收电极M、 N。
5、 按照权利要求1所述的三维直流电法模拟实验观测装置，其特征在于， 多路转换开关采用17片模拟开关芯片和1024个继电器完成供电电极A极、B极 和接收电极M极、N极的切换。
6、 按照权利要求1所述的三维直流电法模拟实验观测装置，其特征在于， 数据采集仪器与微机并行I/O接口相连接实现数据采集仪器的自动控制和数据 接收，微机并行I/O接口的数据信号D0-D7和控制信号D0-D4在数据采集仪器的 逻辑控制单元中通过电路进行逻辑组合形成16选1多路转换开关I 一III的译码 信号A0-A3和选片信号EN、模数转换器的控制信号^、 5、 CCWrar和三态 缓冲器的选片信号^，数据采集仪器输出的每一个数据由3位浮点增益码和16 位二进制尾数组成，通过微机I/O接口的状态信号D4-D7完成数据向微机内存的 传送，由逻辑控制单元逐次生成三态缓冲器I一IV的选片信号，每一次传送4位 二进制数码，首先传送浮点增益码，然后再分4次传送16位尾数，
7、 按照权利要求6所述的三维直流电法模拟实验观测装置，其特征在于，16选1多路转换开关是由16个数据输入端SI-S16， 1个数据输出端0UT、 4个 译码信号A0-A3和1个选片信号EN组成，当EN信号有效时，由4个译码信号的 状态决定那一个数据输入端与数据输出端相连通。
8、按照权利要求1所述的三维直流电法模拟实验观测方法，其特征在于， 包括以下顺序和步骤a、 首先将电极按设计的网格插入到物理模型上，并按照通道编排的顺序1 一256用电缆线连接到对应的接口上；b、 启动采集软件，由微机发出供电电极的通道地址，在控制电路控制下通 过继电器将该通道与供电回路自动连接，同时将其他通道设置为接收通道，使接 收电极通过继电器与相应的16选1模拟开关相连接；C、由微机控制检査每个电极的接地电阻情况；d、 微机发出采样指令，按照程序指定的通道顺序将每个接收电极与参考电极的电位差值切入到浮点放大器进行放大，放大后的电压子样传送到16位模数 转换器上；e、 在控制电路控制下，模数转换器完成电压子样的量化过程，并将3位增 益码和16位尾数锁存在数据锁存器的输出端上；f、 由微机发出指令将数据锁存器输出端的数据通过缓冲电路按每4位一组 读入微机内存；g、 由微机完成电压真值的运算和归一化运算后，将数据绘制在微机屏幕上;h、 重复d g的步骤，完成每个接收通道的数据采集和绘图；i、 在所有接收通道的数据采集完成后，将数据存入微机硬盘。
全文摘要
本发明公开一种三维直流电法模拟实验观测仪器及观测方法的模拟实验教学仪器。是由微机、直流供电电源和256个通道数据采集仪器组成。能开展面积观测、二维观测、四极观测和高密度观测。不仅保存了常规电法仪器的测量功能，其多通道并行式的接收方式还使该仪器能够完成单电极供电，多电极面积接收。观测方法简单，易操作，测量时间短，自动化程度高，比常规电法仪器的观测效率提高数百倍，数据分辨率高，所以得到的数据真实可靠。可根据不同实验目的完成多电极供电多电极接收的特殊方法研究。该仪器不仅能作为三维电法物理模型教学实验使用，也能作为三维电法勘探的野外观测仪器。
文档编号G09B25/00GK101561513SQ200910067038
公开日2009年10月21日 申请日期2009年6月2日 优先权日2009年6月2日
发明者孙建国, 梁铁成, 建 薛 申请人:吉林大学