专利名称：一种微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极及应用方法
技术领域：
本发明涉及一种智能集成电极及应用方法，尤其涉及一种微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极及应用方法。
背景技术：
近年来，电阻率探测、激发极化探测在隧道、矿山、边坡、大坝等岩石工程的地质勘查、质量检查、灾害调查、环境评价等领域的应用范围逐步扩大。与其他领域的探测相比，岩石工程的电法探测中存在一些特殊问题，给电阻率与激发极化探测提出了新的技术要求。在高密度电阻率和高密度激发极化探测中，测点高达几十个甚至上百个，由于岩石较为坚硬，且导电性较差，需要针对每个测点钻孔，然后将电极放入孔中并放入泥浆等导电材料，以实现电极与岩石之间的良好耦合。特别是对于高密度激发极化方法，需要在每个测点同时布置两根电极，即金属供电电极和不极化测量电极，需要钻取两个孔，再加上灌注泥浆等耦合材料，其工作量更大，耗时更长，同时因为漏浆等原因，耦合效果往往不佳，需要在探测过程中不断的对电极进行检查和维护。在岩石工程的电阻率与激发极化探测中，钻孔与电极布置的时间占到总工作时间的百分之六十以上，研制一种无须钻孔、易于布置、智能化与集成化程度高的新型电极具有重要意义。在岩石工程的电阻率与激发极化探测中，传统的电极存在如下问题(I)岩体上布置电极需专门钻孔，耗时长，工作量大，耦合效果不理想，需要提出一种无须钻孔且能够耦合良好、固定牢固的电极结构型式；(2)对于高密度激发极化法，在每个测点需要布置两根电极，即金属供电电极和不极化供电电极，工作效率较低，需要设计一种将金属电极和不极化电极集成一体的新型电极及其对应的快速选择与切换控制装置；(3)传统电极需要通过导线连接主机才能检测电压信号，只能依次串行测量，效率较低，需要提出一种在电极端实现电压信号检测和传输的装置，可以多个电极同时检测、并行采集，提高采集效率。为此，本发明提出了一种微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极，无需钻孔，能够与岩体实现牢固固定与良好耦合，且将不极化电极与金属电极集成一体，具有不极化电极与金属电极快速切换以及测量通信功能。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极及应用方法，它具有可在金属电极与不极化电极间快速切换、易于岩体面布置、且在电极端可检测电压并输出数字信号的优点。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种微型双极快切无损岩石稱合智能集成电极，它包括主支架结构，所述主支架结构的下缘与固定端结构连接，主支架结构上端设有控制器封装盖，控制器封装盖上固定不极化电极杆和金属电极杆，控制器封装盖内封装电极控制器，所述固定端结构设有粘合层，主支架结构内由绝缘隔板分割成两个独立的电极仓，分别放置金属电极和不极化电极，电极仓内还填充有电极岩体耦合材料，电极控制器与电极连接并与主机通信。所述主支架结构为“喇叭状”主支架结构，“喇叭状”主支架结构的下缘与固定端结构连接，所述“喇叭状”主支架结构上端设有控制器封装盖，所述主支架结构的“喇叭状”腔体由绝缘隔板分割成两个独立的电极仓。所述控制器封装盖通过管缝丝扣结构将金属电极杆与不极化电极杆联结固定在“喇叭状”主支架结构，并将电极引出线透过预留孔接入电机控制器。所述固定端结构包括工字骨架，工字骨架一面工字槽填充粘合层，另一面工字槽内插接主支架结构的边沿。所述电极控制器包括电极切换测压电路和处理器，所述电极切换测压电路与处理器连接，处理器配有供电的电源，所述电极控制器的处理器接收主机“供电”或“测量”指令，发出信号使电极切换测压电路选择金属电极或不极化电极通路，处理器将采集到的电压数字信号输送主机。所述电极切换测压电路包括电极控制继电器、逐次逼近寄存器SAR和输出缓冲器，所述电极控制继电器、逐次逼近寄存器SAR均与处理器连接，所述逐次逼近寄存器SAR与D/A转换器和输出缓冲器连接，D/A转换器与比较器负极输入端连接，比较器正极输入端输入被测电压模拟量。所述电极岩体耦合材料是由74%的金属银粉、17%环氧树脂、9%固化剂搅拌均匀后(均为质量份数)，填满仓体固化后制成，所述环氧树脂为酚醛环氧树脂，所述固化剂为YJG2015FST改性胺环氧树脂低温固化剂。所述粘合剂涂层为固体粘合剂，固体粘合剂由重砖粘胶泥、高标号水泥合理配比而成，重砖粘胶泥、高标号水泥配比为67:33 (质量比)，所述重砖粘胶泥为杭州固百特建材厂生产的GBT401粘胶泥，所述高标号水泥为p. 0-42. 5r水泥。所述电极控制继电器包括控制金属电极杆通路的金属电极控制继电器和控制不极化电极杆通路的不极化电极控制继电器。所述主支架结构及绝缘隔板为绝缘PVC材料注塑一体成型。基于微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极的应用方法，具体步骤为
步骤一将电极主支架结构边沿插入固定端结构槽内固定；
步骤二 对岩石表面进行适当的清洗除灰；
步骤三在固定端结构的另一面涂抹粘合剂涂层，调节电极杆长度，适量补充电极仓的耦合材料；
步骤四将电极固定于岩体表面；
步骤五电极控制器根据主机供电或接收指令，分别对应选择金属电极或不极化电极进行工作。所述步骤五的具体步骤为
(5-1)电极控制器的处理器接收主机“供电”或“测量”指令，指令电极切换电路选择电极杆；
(5-2)当处于“供电”状态时，处理器指令金属电极控制继电器闭合，不极化电极控制继电器器断开，金属电极杆向岩体进行供电；
(5-3)当处于“测量”状态时，处理器指令金属电极控制继电器断开，不极化电极控制继电器闭合，不极化电极杆测量工作，被测模拟电压Ux进入比较器，同时处理器指令逐次逼近寄存器，将逐次逼近寄存器SAR中递减的各级基准电压Urefn依次逐一送入D/A转换器，得到Urefn相应的模拟值，然后送至比较器与被测电压Ux逐一进行比较并反馈处理器调整基准电压Urefn ;当比较器中被测模拟电压Ux等于基准电压Urefx相应的模拟值时,处理器指令输出缓冲器将逐次逼近寄存器SAR传入值Urefx送出，得到此时的基准电压Urefn输出值Urefx，即得到被测模拟电压Ux的数字电压值。本发明的有益效果
(I)本发明提出了一种微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极，无需钻孔且能够与岩体实现牢固固定与良好耦合，将不极化电极与金属电极集成一体，且具有不极化电极与金属电极快速切换以及测量通信功能，使得岩石工程中电阻率探测与激发极化探测的工作效率提高一倍以上。(2)本发明提出了一种环形固定端结构，无需钻孔，将整个电极黏贴固定在岩石表面，并采用了柔性导电材料实现了电极与岩石的良好耦合，不仅大大节约了探测时间，而且改善了耦合效果，为获得高质量的数据提供了保障。(3)本发明将不极化测量电极和金属供电电极集成一体，可通过电极切换电路实现金属电极和不极化电极的切换，解决了传统探测方法中金属电极与不极化电极分体测量、效率低下和便携性差的问题。(4)本发明在电极端实现了电压信号的采集检测，多个电极可同时检测和采集，并行传输到主机，改变了传统电极依次串行测量而导致的效率较低下的问题。
图1为本发明的结构示意 图2为本发明结构不意图的正视 图3为本发明结构示意图的A-A剖面 图4为本发明结构示意图的B-B剖面 图5为工字骨架结构的结构示意图1 ;
图6为工字骨架结构的结构示意图1I ；
图7为管缝丝扣结构的结构示意 图8为管缝丝扣结构局部放大 图9为电极控制器组成框 图10为电极切换测压电路框图。其中，1.主支架结构，2.不极化电极杆，3.金属电极杆，4.管缝丝扣结构，5.电极控制器，6.控制器封装盖,7.电极仓,8.电极岩体稱合材料,9.固定端结构，10.粘合剂涂层，11.处理器，12.主机，13.电极切换测压电路，14.电源。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，本发明微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极的主支架结构I上装有I个不极化电极杆2，和I个金属电极杆3。安装或更换电极杆时，将控制器封装盖6上图7、图8所示的管缝丝扣结构4螺帽旋松管缝打开，拔出旧电极杆，将新电极杆插入，将电极杆引出线与控制器封装盖6中的电极控制器5相连，旋紧螺帽固定；当根据岩体表面耦合条件须调整电极杆长度时参照上述操作即可。在岩体上布置本发明时，预先调整好电极仓7中的电极杆，其后，在电极仓7内填充好用于电极杆与岩体接触面耦合的柔性固体电极岩体耦合材料8。为了进一步提高耦合效果，在实施探测时可对对电极粘结处的岩石表面进行清洗，并涂抹导电性良好的盐水。电极岩体耦合材料8是由金属银粉、环氧树脂、溶剂、固化剂搅拌均匀后，填满仓体固化后制成。填充电极岩体耦合材料8的电极仓7增大了电极杆与岩体的接触面积，提供了更好的耦合条件；同时，不同电极杆使用独立的绝缘PVC材料构成的电极仓7提高了工作的可靠性与安全性，所述控制器封装盖6通过管缝丝扣结构4将金属电极杆3与不极化电极杆2联结固定在“喇叭状”的主支架结构1，并将电极杆引出线透过预留孔接入电极控制器5，如图7所示为管缝丝扣结构4的结构示意图；图8为管缝丝扣结构4局部放大图。图2为本发明结构示意图的正视图；图3为本发明结构示意图的A-A剖面图；图4为本发明结构示意图的B-B剖面 如图5、图6所示，固定端结构9中环形工字骨架的工字槽卡住“喇叭状”的主支架结构I的“喇叭口”边沿固定后，另一面粘合剂涂层10将集成电极整体固定于岩体表面。在粘合之前，可对岩石表明进行适当清洗，清除灰尘，以提高粘结效果，增加牢固程度。粘合剂涂层10为固体粘合剂，固体粘合剂由重砖粘胶泥、高标号水泥及细滑料合理配比而成。所述电极岩体耦合材料是由74%的金属银粉、17%环氧树脂、9%固化剂搅拌均匀后(均为质量份数)，填满仓体固化后制成，所述环氧树脂为酚醛环氧树脂，所述固化剂为YJG2015FST改性胺环氧树脂低温固化剂。所述粘合剂涂层为固体粘合剂，固体粘合剂由重砖粘胶泥、高标号水泥合理配比而成，重砖粘胶泥、高标号水泥配比为67:33 (质量比)，所述重砖粘胶泥为杭州固百特建材厂生产的GBT401粘胶泥，所述高标号水泥为p. 0-42. 5r水泥。如图9所述，所述电极控制器5包括电极切换测压电路13和处理器11，所述电极切换测压电路13与处理器11连接，处理器11配有供电的电源14，所述电极控制器5的处理器11接收主机12 “供电”或“测量”指令，发出信号使电极切换测压电路13选择金属电极或不极化电极通路，处理器11将采集到的电压数字信号输送主机12，所述处理器11为单片机或DSP处理器。如图10所示，本发明在工作时，电极控制器5接收主机12指令后由处理器11控制电极控制继电器关合状态，切换不极化电极杆2或金属电极杆3，当用于测量的不极化电极杆2工作时，被测模拟电压Ux进入比较器，同时处理器指令逐次逼近寄存器，将逐次逼近寄存器SAR中递减的各级基准电压Urefn依次逐一送入D/A转换器，得到Urefn相应的模拟值，然后送至比较器与被测电压Ux逐一进行比较并反馈处理器调整基准电压Urefn。当比较器中被测模拟电压Ux等于基准电压Urefx相应的模拟值时，处理器指令输出缓冲器将逐次逼近寄存器SAR传入值Urefx送出，得到此时的基准电压Urefn输出值Urefx，即得到被测模拟电压Ux的数字电压值。所述电极控制继电器包括控制金属电极杆通路的金属电极控制继电器和控制不极化电极杆通路的不极化电极控制继电器。
基于微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极的应用方法，具体步骤为
步骤一将电极的主支架结构I边沿插入固定端结构9的工字槽内固定；
步骤二 对岩石表面进行适当的清洗除灰；
步骤三在固定端结构9的另一面涂抹粘合剂涂层10，调节电极杆长度，适量补充电极仓的电极岩体耦合材料8;
步骤四将电极杆固定于岩体表面；
步骤五电极控制器5根据主机12供电或接收指令，分别对应选择金属电极杆3或不极化电极杆2进行工作。所述步骤五的具体步骤为
(5-1)电极控制器5的处理器11接收主机12 “供电”或“测量”指令，指令电极切换电路12选择电极杆；
(5-2)当处于“供电”状态时，处理器11指令金属电极控制继电器闭合，不极化电极控制继电器器断开，金属电极杆3向岩体进行供电；
(5-3)当处于“测量”状态时，处理器11指令金属电极控制继电器断开，不极化电极控制继电器闭合，不极化电极杆2测量工作，，被测模拟电压Ux进入比较器，同时处理器11指令逐次逼近寄存器，将逐次逼近寄存器SAR中递减的各级基准电压Urefn依次逐一送入D/A转换器，得到Urefn相应的模拟值，然后送至比较器与被测电压Ux逐一进行比较并反馈处理器调整基准电压Urefn ;当比较器中被测模拟电压Ux等于基准电压Urefx相应的模拟值时，处理器11指令输出缓冲器将逐次逼近寄存器SAR传入值Urefx送出，得到此时的基准电压Urefn输出值Urefx，即得到被测模拟电压Ux的数字电压值。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。
权利要求
1.一种微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极，其特征是，它包括主支架结构，所述主支架结构的下缘与固定端结构连接，主支架结构上端设有控制器封装盖，控制器封装盖上固定不极化电极杆和金属电极杆，控制器封装盖内封装电极控制器，所述固定端结构设有粘合层，主支架结构内由绝缘隔板分割成两个独立的电极仓，一个电极仓内放置不极化电极，另一个电极仓内放置金属电极，电极仓内还填充有电极岩体I禹合材料，电极控制器与电极连接。
2.如权利要求1所述微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极，其特征是，所述主支架结构为“喇叭状”主支架结构，“喇叭状”主支架结构的喇叭大口与固定端结构连接，所述“喇叭状”主支架结构的喇叭小口与控制器封装盖连接，所述“喇叭状”主支架结构的喇叭大口内由绝缘隔板分割成两个独立的电极仓。
3.如权利要求1所述微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极，其特征是，所述控制器封装盖通过管缝丝扣结构将金属电极杆与不极化电极杆联结固定在“喇叭状”主支架结构，并将电极引出线透过预留孔接入电机控制器。
4.如权利要求1所述微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极，其特征是，所述固定端结构包括工字骨架，工字骨架一面工字槽填充粘合层，另一面工字槽内插接主支架结构的边沿。
5.如权利要求1所述微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极，其特征是，所述电极控制器包括电极切换测压电路和处理器，所述电极切换测压电路与处理器连接，处理器配有供电的电源，所述电极控制器的处理器接收主机“供电”或“测量”指令，发出信号使电极切换测压电路选择金属电极或不极化电极通路，处理器将采集到的电压数字信号输送主机。
6.如权利要求5所述微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极，其特征是，所述电极切换测压电路包括电极控制继电器、逐次逼近寄存器SAR和输出缓冲器，所述电极控制继电器、逐次逼近寄存器SAR均与处理器连接，所述逐次逼近寄存器SAR与D/A转换器和输出缓冲器连接，D/A转换器与比较器负极输入端连接，比较器正极输入端输入被测电压模拟量。
7.如权利要求1所述微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极，其特征是，所述主支架结构及绝缘隔板为绝缘PVC材料注塑一体成型。
8.一种基于权利要求1所述的微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极的应用方法，其特征是，具体步骤为 步骤一将电极主支架结构边沿插入固定端结构槽内固定； 步骤二 对岩石表面进行适当的清洗除灰； 步骤三在固定端结构的另一面涂抹粘合剂涂层，调节电极杆长度，适量补充电极仓的耦合材料； 步骤四将电极固定于岩体表面； 步骤五电极控制器根据主机供电或接收指令，分别对应选择金属电极或不极化电极进行工作。
9.如权利要求9所述微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极的应用方法，其特征是，所述步骤五的具体步骤为(5-1)电极控制器的处理器接收主机“供电”或“测量”指令，指令电极切换电路选择电极杆； (5-2)当处于“供电”状态时，处理器指令金属电极控制继电器闭合，不极化电极控制继电器器断开，金属电极杆向岩体进行供电； (5-3)当处于“测量”状态时，处理器指令金属电极控制继电器断开，不极化电极控制继电器闭合，不极化电极杆测量工作，，被测模拟电压Ux进入比较器，同时处理器指令逐次逼近寄存器，将逐次逼近寄存器SAR中递减的各级基准电压Urefn依次逐一送入D/A转换器，得到Urefn相应的模拟值，然后送至比较器与被测电压Ux逐一进行比较并反馈处理器调整基准电压Urefn ;当比较器中被测模拟电压Ux等于基准电压Urefx相应的模拟值时,处理器指令输出缓冲器将逐次逼近寄存器SAR传入值Urefx送出，得到此时的基准电压Urefn输出值Urefx，即得到被测模拟电压Ux的数字电压值。
全文摘要
本发明公开了一种微型双极快切无损岩石耦合智能集成电极，它包括主支架结构，所述主支架结构与固定端结构连接，所述主支架结构的喇叭小口与控制器封装盖连接，控制器封装盖上端固定不极化电极杆和金属电极杆，控制器封装盖内封装电极控制器，所述固定端结构设有粘合剂涂层，主支架结构的喇叭大口内由PVC绝缘隔板分割成两个独立的电极仓，电极仓内还填充有电极岩体耦合材料，电极控制器与电极连接，并公开了一种应用方法。本发明使得岩石工程中电阻率探测与激发极化探测的工作效率提高一倍以上，不仅大大节约了探测时间，而且改善了耦合效果，为获得高质量的数据提供了保障。
文档编号G01R19/25GK103063894SQ20121058106
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者刘斌, 李术才, 郝亭宇, 聂利超, 王静, 孙怀凤, 宋杰, 刘征宇, 许新骥, 王传武, 徐磊, 周浩, 林春金, 牛健, 张孝健 申请人:山东大学