专利名称：矿井巷道电阻率法仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属勘探领域，涉及一种电阻率法仪，尤其涉及一种矿井巷道电阻率法仪。
背景技术：
电阻率法勘探是勘探地球物理学中的一个重要分支，其地球物理学基础是地壳中多数岩矿石之间存在的电学性质的差异。它通过观测和研究由电性差异引起的人工电场的空间分布规律及其变化特点，确定各种地质界面的空间位置和形态，对地下地质体进行综合评价，该方法无论是在金属、非金属矿产地质普查或构造研究方面，还是在水文地质及工程地质调查、能源地质勘探方面，均取得了良好的地质效果。电阻率法仪(简称电法仪)作为电阻率法勘探的主要工具与手段，其每一项技术的突破都极大推动了电法勘探理论、技术与方法的发展。目前代表国际先进水平的电法仪器产品比较多，以高密度电法仪为主，如美国 ZONGE公司的⑶P-32 II型多功能电法仪、日本OYO公司的McOHMProfiler_4型多通道高密度电法仪，德国DMT公司最新研发的RESECS II型高密度电法仪、国内的有重庆地质仪器厂生产的而K-2B高密度电法测量系统，北京地质仪器厂推出的DCX-I型电法层析成像数据采集系统等。这些先进仪器的共同特点是建立人工电场的供电回路功率大，人机交互大都基于通用PC104工控机并且数据采集通道数比较多，功耗高，体积大。这些仪器非常适合于地面工程地质勘探和环境地质勘探，但是很难满足煤矿本安型产品对仪器的功耗要求，因此不适合用于煤矿井下狭窄的巷道空间进行施工地质勘探。目前应用于煤矿井下的先进电法仪产品较少，只有煤炭科学研究院西安分院的 YDZ(A)型直流电法仪和YD32(A)型高分辨电法仪，这两种仪器的共同特点是功耗低、体积小和重量轻，都属于煤矿井下使用的本质安全型产品。其中，YDZ(A)型直流电法仪属较早期产品，只有一对供电电极和一对测量电极，且采用井下数据采集，井上数据分析的作业方式，单次电法作业跑极次数多、耗时长，且由于施工过程中需要频繁的移动电极容易造成人为的采集误差，探测与分析处理的准确性受到限制。YD32 (A)型高分辨电法仪是一款新型矿用高密度电法仪器，支持多电极布设方式，该仪器的基本结构如图1所示，其主要的功能单元主要包括1-电源单元、2-PC104工控机及其外设、3-数据采集单元、4-电极转换单元，该系统已经具备了地面高密度电法仪器的主要特点，使得巷道环境下的电法作业效率有所提高，但是其仍存在以下缺点(1)其供电电极的切换只能针对A极进行，且只具备4个切换通道，其供电电极B 仅有一路，无法进行切换，所以该仪器的高密度电法型式只能满足超前探测这单一装置型式的需要，对三极测深、四极测深等装置型式仍然只能采用人工跑极方式进行，应用范围受到限制。(2)仪器与铜电极之间均采用继电器进行连接、切换，且测量通道仅具备单个A/D 转换通道，如图2所示，由5-铜电极、6-继电器以及7-模数转换ADC构成，这种结构使得仪器在电位采样时需要频繁进行继电器的切换动作，很容易将继电器切换时的噪声引入到系统中，直接影响测量结果的准确性。(3)其采用通用的PC104工控机作为仪器主机单元硬件平台，虽然可以利用PC104 的成熟技术缩短开发周期，但由于PC104系列本身是主要面向工业控制领域的通用产品， 其在设计时功耗问题不是考虑的重点，而且板上存在有大量电法仪主机单元不需要的电路单元，这无形中增加了仪器的主机单元功耗，对于地面地质勘探工程中使用的高密度电法仪来讲，增加这些功耗可能影响不大，但是对于煤矿井下使用的矿井电法仪来讲，就有可能是致命的，这是因为矿用本安全型设备对功耗要求限制所导致的。综上所述，如何充分利用目前在地面工程地质和环境地质工程中使用的高密度电法仪的先进技术，并结合当今嵌入式系统及其低功耗设计技术，研究与开发可在煤矿井下易燃易爆气体环境使用的低功耗本质安全型高密度电法仪产品，是保证煤矿安全生产迫切需要解决的问题。
实用新型内容为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种新型矿井巷道电阻率法仪，其不仅可以使电法仪器的功耗满足煤矿本安型产品要求，而且可以解决目前矿井电法仪器精度与布极方式单一带来的应用范围受限问题，此外，该仪器还具有体积小、 重量轻、精度高的优点，能够解决矿井巷道现场探测空间环境受限和施工场所较远所带来的问题。本实用新型的技术解决方案是本实用新型提供了一种矿井巷道电阻率法仪，其特殊之处在于所述矿井巷道电阻率法仪包括电源单元、主机单元、显示单元、数据采集单元以及电极转换单元；所述电极转换单元通过数据采集单元接入主机单元；所述显示单元以及电源单元分别接入主机单元；所述数据采集单元包括采样通道以及可编程逻辑门控制器；所述电极转换单元包括测量电极转换单元；所述测量电极转换单元通过采样通道接入可编程逻辑门控制器。上述采样通道包括低通滤波器、差分放大器以及24位ADC;所述低通滤波器、差分放大器以及24位ADC依次连接在一起；所述24位ADC接入可编程逻辑门控制器；所述测量电极转换单元接入低通滤波器。上述采样通道是16路差分模拟量输入通道。上述测量电极转换单元包括32通道的多路模拟开关，所述每路差分模拟量输入通道与4路模拟开关相连。上述主机单元是采用基于ARM体系结构的32位嵌入式的处理器。上述电源单元是锂电池组。上述显示单元是彩色TFT-LDC显示单元。上述显示单元是分辨率为800 X 600的彩色TFT-LDC显示单元。本实用新型的优点是本实用新型提供了一种矿井巷道电阻率法仪，与传统不同的是独特采用了可编程逻辑门控制器，当可编程逻辑门控制器FPGA收到指令后按照预先定义好的时序控制供电电极与测量电极转换单元，使得电极系排列成三极超前、三极测深或四极测深的装置型式，并控制24位ADC的读写时序控制采样通道接收测量电极上检测到的电压数据并读入，然后将数据经USB接口送回主机，主机收到测量数据后进行分析、处理，最后进行电法成图输出到LCD，本实用新型构成低功耗矿用本安型的电法仪器，用于探测矿井地质和工程地质构造，应用于矿井下易燃易爆气体环境，做到真正意义上的高密度电法装置，对三极、四极超前探测装置型式，三极、四极测深装置型式均可达到一次性布极，多组数据测量，极大的提高了巷道下电法作业的施工效率。短时间内样本数据获取数量大大提升，提高了采样结果的准确性，人机交互方式更加简单、便捷。本实用新型涉及一种应用于矿井巷道和道路隧道施工的电阻率法地质勘探仪器，其专门用于在煤矿巷道或道路隧道施工等狭窄地质环境下超前探测掌子面前方地质异常体(如工作面隐伏断层、破碎带、陷落柱、裂隙、采空区、小窑老空区、岩溶和富水带等)，以及巷道顶、底板和两侧邦方向一定范围内的岩性变化探测，预报潜在的灾害性地质构造，提前消除不安全生产因素，保证施工人员生命安全。
图1是现有的矿井下高密度电法装置结构示意图；图2是现有的电法仪采集通道结构示意图；图3是本实用新型所提供的矿井巷道电法仪结构示意图；图4是本实用新型所采用的电源单元组成结构示意图；图5是本实用新型所采用的数据采集单元组成示意图；图6是本实用新型所采用的单个采样通道的结构示意图；图7是本实用新型所采用的测量电极转换单元组成结构示意图；图8是本实用新型所采用的供电电极转换单元组成结构示意图；图9是本实用新型所采取的第一实施例结构示意图；图10是本实用新型所采取的第二实施例结构示意图；图11是本实用新型所采用的第三实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合结合附图和具体实施实例对本实用新型提供的矿井巷道电法仪进行详细说明。如图3所示，本使用新型提供的矿井巷道电法仪包括电源单元8、电法仪主机单元 9、可编程逻辑门控制器10、16路独立采样通道11、供电电极与测量电极转换单元12以及铜电极若干13。电源单元8采用采用内置锂电池组供电，内置单节3. 7V/5Ah，3串3并外加保护板的锂电池组外接限流用功率电阻及分布式电源单元构成。其经低压差稳压单元形成士5V， +3. 3V电源为单元内部的ARM、FPGA各个单元供电，经DC-DC升压形成士 15V电压为运放， 模拟开关，MOS管驱动等供电，经逆变升压、整流稳压输出100V左右的高压作为建立人工电场的电压源，参见图4所示。电法仪主机单元9由基于ARM体系结构的32位嵌入式处理器及其扩展电路(晶振、复位、SDRAM、FLASH等)、电源管理电路、触摸屏驱动电路、IXD驱动电路和USB接口电路构成。其电源管理电路用于监控电源欠压、过流等故障发生，其USB接口电路用于与可编程逻辑器件IO(FPGA)之间进行大量的数据通信任务，用户通过触摸屏将采用的电法装置型式、测量参数等信息输入主机单元，主机接收命令并通过USB接口控制FPGA，FPGA收到指令后按照预先定义好的时序控制12供电电极与测量电极转换单元，使得电极系排列成三极超前、三极测深或四极测深的装置型式，并控制24位ADC的读写时序控制11采样通道接收测量电极上检测到的电压数据并读入，然后将数据经USB接口送回主机，主机收到测量数据后进行分析、处理，最后进行电法成图输出到LCD，供用户查看。该仪器包括有基于ARM9 体系结构32位嵌入式处理单元平台的主机单元，内嵌WINCE5.0实时多任务操作单元，在仪器的人机接口方面，采用触摸屏输入方式和LED背光800X600分辨率的TFT-IXD单元显示输出。不仅实现了数据采集、处理、成图一体化的电法仪主机，其与基于PC104工控机的主机单元相比具有硬件结构简单、功耗小、成本低和专用性强等特点。本实用新型所提供的电法仪是基于现场可编程逻辑器件(FPGA)的16路独立“硬件滤波器+程控运放+24位高速ADC”构成的数据采集单元，可完成16路并行方式/32路滚动方式采集数据，这种方案是综合了煤矿井下施工环境和吸纳高密度电法技术优越性的折衷考虑，满足矿井巷道电法勘探施工技术需要。具体施工时，各电极采用2 4米的等间距布设，则16或32个测量通道就可完成对30米以上范围内的巷道实施高密度电法测量， 使得仪器对巷道环境的适用性大大增强。各个通道之间的相对独立性设计不仅简化了单个数据采集通道的设计、提高通道之间抗串音能力，并且可以最大限度地减少仪器数据采集通道所产生噪声，从而在一定程度上提高了采集电压的信噪比和分辨率。采样通道11基本构成如图5所示，共有16路差分模拟量输入通道，单个采样通道如图6所示，由低通滤波器14、差分放大器15、24位ADC16构成，每条通道与测量电极转换器中的4路模拟开关相连，用于实现16路并行采集方式与32路滚动采集方式的切换动作， 其采集方式的切换由图6所示Ctrll和Ctrl2控制端控制。该仪器的电极转换单元包括有MOS管构成的供电电极转换器和由多路模拟开关构成的测量电极转换器，经多芯线缆与铜电极相连接。其上的直流电源输出端连接到供电电极转换器，而测量信号输入端则连接到测量电极转换器。由于去除了继电器这种硬开关的干扰因素，使得数据采样据结果更加稳定，准确。多电极转换单元12包括测量电极转换单元和供电电极转换单元，其中测量电极转换单元如图7所示由两块32通道的多路模拟开关构成，图7中DJx直接通过线缆与电极相连，按照采集方式不同可接入不同数量的测量电极，包括33只测量电极/32路滚动采集方式，和17只测量电极/16路并行采集方式两种。 供电电极转换单元如图8所示，电源单元产生的100V直流电压经逆变桥变成低频脉冲形的电压信号，经过多路电子开关与供电电极系相连，最多可接入32根供电电极A和32根供电电极B。利用本实用新型提供的矿井巷道电法仪进行井下电法作业，探测矿井巷道中含水地质构造、断层等的工作过程如下1、首先在待探测地表上相隔距离布设好电极，若实施三极超前探测则布极方式如图9所示，若实施三极测深探测则布极方式如图10所示，若实施四极测深探测则布极方式如图11所示，三组电极分别与电法仪主机电极转换单元12相连。(测量电极也可采用17 个电极的布设方式)2、用户通过触摸屏选择当前所要实施的采集策略(三极超前、三极测深或四极测深)及控制参数，通过嵌入式单元平台9接收到用户指令后进行解析，并通过约定协议将用户指令传达给可编程逻辑控制器10。3、可编程逻辑控制器10接收到来自9的指令后，可编程逻辑控制器10控制供电电极转换器20、21中相应的电子开关做闭合动作，控制测量电极转换器18、19中相应的模拟开关做闭合动作。4、可编程逻辑控制器10控制开关22导通，使供电电极转换器接通直流电压V，并通过23控制供电电压发射频率。5、可编程逻辑控制器10控制测量通道程控运放的放大倍数和ADC转换器的读写时序将两两测量电极之间的电位差测量结果读入。6、可编程逻辑控制器10将ADC转换结果通过USB接口送回主机。7、单元平台9接收到数据后，根据正负供电时分别测量到的电位差和供电电流及电极位置计算出的装置系数而计算出视电阻率。8、单元平台9根据计算出的视电阻率绘制出结果曲线、成图并输出至LCD。9、单元平台9保存所有原始数据及数据处理结果。
权利要求1.一种矿井巷道电阻率法仪，其特征在于所述矿井巷道电阻率法仪包括电源单元、 主机单元、显示单元、数据采集单元以及电极转换单元；所述电极转换单元通过数据采集单元接入主机单元；所述显示单元以及电源单元分别接入主机单元；所述数据采集单元包括采样通道以及可编程逻辑门控制器；所述电极转换单元包括测量电极转换单元；所述测量电极转换单元通过采样通道接入可编程逻辑门控制器。
2.根据权利要求1所述的矿井巷道电阻率法仪，其特征在于所述采样通道包括低通滤波器、差分放大器以及24位ADC ；所述低通滤波器、差分放大器以及24位ADC依次连接在一起；所述24位ADC接入可编程逻辑门控制器；所述测量电极转换单元接入低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的矿井巷道电阻率法仪，其特征在于所述采样通道是16路差分模拟量输入通道。
4.根据权利要求3所述的矿井巷道电阻率法仪，其特征在于所述测量电极转换单元包括32通道的多路模拟开关，所述每路差分模拟量输入通道与4路模拟开关相连。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的矿井巷道电阻率法仪，其特征在于所述主机单元是采用基于ARM体系结构的32位嵌入式的处理器。
6.根据权利要求5所述的矿井巷道电阻率法仪，其特征在于所述电源单元是锂电池组。
7.根据权利要求6所述的矿井巷道电阻率法仪，其特征在于所述显示单元是彩色 TFT-LDC显示单元。
8.根据权利要求7所述的矿井巷道电阻率法仪，其特征在于所述显示单元是分辨率为800X600的彩色TFT-LDC显示单元。
专利摘要本实用新型涉及一种矿井巷道电阻率法仪，包括电源单元、主机单元、显示单元、数据采集单元以及电极转换单元；电极转换单元通过数据采集单元接入主机单元；显示单元以及电源单元分别接入主机单元；数据采集单元包括采样通道以及可编程逻辑门控制器；电极转换单元包括测量电极转换单元；测量电极转换单元通过采样通道接入可编程逻辑门控制器。本实用新型提供了一种新型矿井巷道电阻率法仪，其不仅可以使电法仪器的功耗满足煤矿本安型产品要求，而且可以解决目前矿井电法仪器精度与布极方式单一带来的应用范围受限问题，此外，该仪器还具有体积小、重量轻、精度高的优点，能够解决矿井巷道现场探测空间环境受限和施工场所较远所带来的问题。
文档编号G01V3/18GK202102124SQ201120202810
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月16日 优先权日2011年6月16日
发明者张奇 申请人:西安思坦仪器股份有限公司