一种新型分布式跨孔CT探测系统的制作方法

本发明涉及探测领域，具体涉及一种新型分布式跨孔CT探测系统。

背景技术：

众所周知，随着国民经济的发展，煤炭需求量越来越大，然而在煤矿的开采过程中往往伴随着一些事故，其中矿井水灾害已成为影响煤矿安全生产的主要因素，灾害的发生往往会造成人员伤亡和经济损失。因此，准确掌握所要掘进采煤层的水文地质条件，查明地质异常体(如含水构造体)的准确位置，为下一步煤层灌浆打好坚实基础，保障矿井安全高效开采很有必要。

目前，跨孔电阻率探测的方法主要有：(1)电剖面法，这种方法具有较好的水平分辨率，异常明显等特点，但缺点是探测深度不大。(2)电测深法、具有良好的垂直分辨率，能够勘察较深的地层，缺点是随勘测深度的增加，所需要的电极也多，水平工作效率不是很高。(3)中间梯度法，测量时供电电极固定，测量局限性大，数据量少，通常只有几十到几百个数据，不能完整的表达地质信息。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种新型分布式跨孔CT探测系统，该探测系统可以快速的采集大量的数据，获取了较丰富的地电断面的地质构造特征信息，完成电阻率、自然电位等多项物性参数的测量，从不同电性角度刻画地下结构。

实现本发明目的的技术方案为：

一种新型分布式跨孔CT探测系统，包括计算机系统、双核处理器、发射机、从机、电压采集系统和发射电流采集系统，所述计算机系统与双核处理器连接，双核处理器与发射机、从机连接，发射电流采集系统与发射机连接，同时电压采集系统和发射电流采集系统均与从机连接。

所述从机包括5个，其中从机1至从机4与电压采集系统连接，从机5与电流采集电路连接。

所述电压采集系统包括顺序连接的电极、通道选择开关、双限比较器、程控放大器、单端转差分电路和A/D转换器，其中，A/D转换器还与从机连接，电极接入大地中。

所述电压采集系统还包括匹配电路，所述匹配电路设于通道选择开关与双限比较器之间，匹配电路用于防止电极的电压过大而导致A/D转换器被烧坏。

所述双核处理器为M3和DSP双核处理器。

所述发射机内设有大功率发射模块，大功率发射模块包括相连接的驱动板和IGBT功率桥路，其中驱动板与双核处理器连接，IGBT功率桥路一端与驱动板连接，IGBT功率桥路另一端与发射电流采集系统连接，驱动板从双核处理器中接收到同步控制信号后，控制桥路产生双极性电流归零信号。

所述发射电流采集系统包括顺序连接的霍尔电流互感器、绝对值电路以及第一A/D转换器，所述A/D转换器为24位Σ-Δ型A/D转换器。

一种新型分布式跨孔CT探测方法，利用上述的新型分布式跨孔CT探测系统进行探测，包括如下步骤：

(1)双核处理器提供的同步控制信号接入到发射机的驱动板中，控制桥路产生双极性电流归零信号，在系统中加入电流互感器，用于监测发射机发射信号的电流大小，发射机的发射电流信号由电流互感器感应并转换为电压信号，由于发射信号是双极性的直流，再经过绝对值电路输入至24位A/D转换器中进行转换，转换后的数据传给从机5，经过从机5的换算之后，得出电流值，电流值在计算机系统上实时显示。

(2)电极的电压信号经过双限比较器分为3个电压范围，每个范围会输出相应的编码信号给对应的从机，由从机输出控制信号给程控放大器，对信号进行自适应放大，经过单端转差分后，信号输入AD转换器，用于保证电压数据的有效转换；

(3)得到各电极的电压以及发射电流后，根据公式可以算出大地的视电阻率值，把求得的视电阻率值经过反演算法处理即可得出地质构造信息。式中ρ为视电阻率，ΔU_MN为供电电极A、B在公共电极M与任意电极N之间的电位差，I为供电电流，k为电极装置系数，计算公式为AM为供电电极A与公共电极M的距离，BM为供电电极B与公共电极M的距离，AN为供电电极A与电极N的距离，BN为供电电极B与电极N的距离。

本发明具有如下几个特点：

1.基于静电场理论,融合了电阻率剖面、电阻率测深、中间梯度法等多种方法，不同探测方向相辅相成。

2.所有电极一次性布设，通过通道选择开关控制可以很方便的控制电极转换，降低数据采集过程中因电极设置引起的干扰和测量误差。采集的数据可以自动存储到计算机，数据采集速率快，采用24位Σ-Δ型A/D转换器，使得数据采集精度高。

3.系统有64个电极，其中有两个电极作为供电电极，一个为公共电极。这使得它可以在 AB供电一次的情况下同时采集61组电压数据。仪器采用61个电压通道采集数据，不仅数据采集速度比传统仪器快而且数据量也要大很多，一小时之内就可以采集6万多个数据，极大的丰富了地电断面的地质构造特征信息。

4.采用归零双极性方波发射方式，有效的抑制了工频干扰。

本发明的有益效果是：本发明通过多通道的同步数据采集，可以快速的采集大量的数据，获取了较丰富的地电断面的地质构造特征信息，完成电阻率、自然电位等多项物性参数的测量，从不同电性角度刻画地下结构。为煤矿工作人员提供可靠的地下结构信息，方便提前应对在开采过程中可能发生的灾害，能够很好的保证开采过程的安全，减少人员伤亡和经济损失。

附图说明

图1为本发明跨孔CT探测系统框图；

图2为本发明中大功率发射模块框图；

图3为本发明从机1-从机4接收电压采集系统框图；

图4为本发明从机5的发射电流采集系统框图。

具体实施方式

参见图1，一种新型分布式跨孔CT探测系统，包括计算机系统、双核处理器、发射机、从机、电压采集系统和电流采集电路，所述计算机系统与双核处理器连接，双核处理器与发射机、从机连接，电压采集系统和电流采集电路均与从机连接。其中，双核处理器M3和DSP双核处理器。本发明中，具有5个从机，其中从机1至从机4与电压采集系统连接，从机5与电流采集电路连接。

电压采集系统包括顺序连接的电极、通道选择开关、匹配电路、双限比较器、程控放大器、单端转差分电路和A/D转换器，其中，A/D转换器还与从机连接，电极接入大地中。

系统原理：系统自动将64个电极分为奇数组和偶数组各32个，在这两组电极中各选取一个电极作为供电电极A和B，在一次通电过程中同时测量其它电极相对于某一电极M的电位差，就可得到61个电位差数据。而奇数组32个电极和偶数组32个电极相互配对供电，即有32×32＝1024次供断电过程，每次供电可同时采集61个电位差数据，因此总的数据量应为32×32×61＝62464个。6万多个数据经过反演即可得出地质构造信息。根据系统框图可知，计算机系统通过以太网口发出控制信号给双核处理器，处理器接收到控制信号后，反馈应答信号并向从机发送采集数据准备信号，从机接收到信号后准备采集数据，从机准备好后，回传数据采集就绪信号给双核处理器，处理器给出采集信号从机即可开始数据采集，双核处理器与从机之间通过SPI总线通信，整个数据的采集过程是由SYNC1和SYNC2两个信号进 行同步。

参见图2，大功率发射模块是发射机的核心，本仪器采用串联均压的方式，即由独立电源为每个桥路供电，各桥路上的IGBT(绝缘栅双极晶体管)承受的电压是相互独立的,这样就保证了IGBT串联时不会因为电压分配不均匀而导致器件损坏的问题,进而保证了功率器件稳定可靠的工作。由双核处理器提供的同步控制信号接入到驱动板中，控制IGBT功率桥路产生双极性电流归零信号，此信号通过发射电极通入大地可以很好的抑制大地的50Hz工频干扰,很好的保证采集数据的有效性。参见图4，霍尔电流互感器、绝对值电路以及A/D转换器组成发射电流采集系统，在系统中加入霍尔电流互感器的作用是用于检测发射机发射信号的电流大小，方便调整发射电流的大小来保证电流在整个工作过程中的一致性。线圈中的电流由霍尔电流互感器感应并转换为电压信号，由于发射信号是双极性的直流，所以需要经过绝对值电路才能输入24位A/D转换器，转换后的数据输出至从机5，经过从机5换算处理后，得出发射电流值，电流值实时显示在计算机系统上。

参见图3，从机1-4分别控制16路通道，电极通道打开的时候，此时通道选择开关与匹配电路连接，匹配电路的作用是防止电极的电压过大而导致A/D转换器被烧坏，电极的电压信号经过双限比较器可分为3段即3个电压范围，由于每个电压范围输出的编码不同，每个范围会输出相应的编码信号给对应的从机，让从机知道电压信号是在哪个范围的，进而输出控制信号给程控放大器，对信号进行自适应放大，经过单端转差分电路后，信号输入A/D转换器，这样保证了数据的有效转换，因为A/D的有效转换范围为基准电压的10％-90％。

得到各电极的电压以及发射电流后，根据公式可以算出大地的视电阻率值，把求得的视电阻率值经过反演算法处理即可得出地质构造信息。式中ρ为视电阻率；k为电极装置系数，计算公式为ΔU_MN为供电电极A、B在公共电极M与任意电极N之间的电位差；I为供电电流；AM为供电电极A与公共电极M的距离，BM为供电电极B与公共电极M的距离，AN为供电电极A与电极N的距离，BN为供电电极B与电极N的距离。