一种用于室内模型实验的电极装置

本实用新型属于地球物理电法勘探领域，具体涉及一种用于室内模型实验的电极装置。

背景技术：

目前在地层勘探的方法中，电法勘探是最常用的方法，而电法勘探最常用的方法为电剖面法，电剖面法的主要工作原理是采用固定距离的电极，向电极通电后，通过一定深度或范围内电阻率沿剖面的变化从而去探测地层信息。一些在野外难以观测或者进行的实验，通过堆砌其缩小比例后的模型，来研究一些因素对其的影响，例如降雨对滑坡的影响，地下水抬升对土坝的影响等等室内模型实验。已有的电极装置在探测地层信息的时候会丢失很多关键部位的信息，无法将不同室内模型实验的不同地层信息全方位的呈现出来，不能灵活变化；且已有电极装置无法满足个性化需求，不能差异化的对待不同的室内模型实验的地层信息。所以，急需一种可以全方位探测的，能够用于室内模型实验的，而且能够灵活组合的电极装置。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于，提供一种用于室内模型实验的电极装置，以解决已有的电极装置在探测地层信息的时候会丢失很多关键部位的信息，无法将不同室内模型实验的不同地层信息全方位的呈现出来的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种用于室内模型实验的电极装置，包括多个同轴安装的电极感应单元和设在最下端的无电极柱体；

所述电极感应单元包括空心的柱体、设在柱体下端中心的螺柱、设在柱体侧壁的环形凹槽、安装在环形凹槽内的电极环以及设在柱体上端中心的带内螺纹的螺纹槽；所述螺柱和螺纹槽均与柱体同轴，且一个电极感应单元的螺柱能与相邻电极感应单元的螺纹槽配合螺接以将多个电极感应单元同轴连接；

所述螺柱的中轴线位置设有与柱体内中空连通的下部通孔，环形凹槽壁面设有与柱体内中空连通的侧壁通孔，螺纹槽底部设有与柱体中空连通的上部通孔；所述电极环连接单芯导线，且该单芯导线依次穿过侧壁通孔、柱体中空、上部通孔后穿过上一层电极感应单元的下部通孔进而从内部穿过多层电极感应单元后从最高一层电极感应单元的上部通孔引出后连接单芯插头。

本实用新型还包括如下技术特征：

具体的，所述无电极柱体与电极感应单元同轴设置，在无电极柱体顶部中心设有安装槽，该安装槽设有内螺纹，安装槽能与其上层的电极感应单元的螺柱配合安装。

具体的，所述柱体直径为10mm，柱体长度为0.3-1.5m，螺柱长5mm，螺纹槽深6mm，螺纹型号为m6。

具体的，所述电极环为由0.5mm²的铜质导线沿环形凹槽绕制10圈而制成。

具体的，所述环形凹槽的槽深为1mm，槽宽为3mm。

具体的，每个电极环连接的单芯导线从最高一层电极感应单元的上部通孔引出后分别通过单芯插头连接至电极线转换器，再通过电极线转换器连接至数据采集盒。

具体的，所述电极线转换器上设有多个单导线接口，每个电极感应单元的单芯导线上的单芯插头对应一个单导线接口；所述电极线转换器上还设有多个电极线转换器30pin接口，每个电极线转换器30pin接口对应30个所述单导线接口；数据采集盒上也设有与电极线转换器30pin接口相对应的多个数据采集盒30pin接口。

具体的，每个电极环连接的单芯导线从最高一层电极感应单元的上部通孔引出后分别通过单芯插头连接至电极线转换器的单导线接口，再通过该单导线接口所对应电极线转换器30pin接口经多芯导线连接至相应的数据采集盒30pin接口。

具体的，通过不同数量的电极感应单元与无电极柱体能组合成不同长度的电极装置，以探测和采集到不同组合状态下的地层信息。

所述单芯导线为单芯铜质导线；所述柱体和无电极柱体均为环氧树脂材料。

本实用新型与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)本实用新型的电极装置由可自由变化间距和数量的电极环组成，可满足不同室内模型实验的需求。

(2)目前还没有一种专门用于室内模型实验的装置，所以本实用新型提出了一种适用于室内模型实验的电极装置。

(3)本电极装置与传统电极装置相比，提出一种孔内探测的新型探测方法，将电极环通过凹槽固定在环氧树脂柱体上。

(4)本电极装置突破传统电极装置测量方式，且可以解决传统电极装置测地层信息时关键信息缺失的缺点，本电极装置可以全方位更精确的测得土层信息。

(5)每个电极环通过独立导线引出，相互之间的扰动更小，使得所采集的数据更加精确。

(6)环氧树脂柱体上设有凹槽，能更好的固定电极环的位置，防止在实验过程中因电极环脱落造成数据的不精确。

(7)每个电极环和与其所对应的柱体都是一个独立的单元，每个单元之间可通过螺纹连接，以便实现柱体长度的等距离变化，方便适用于不同的室内模型实验。

(8)该电极装置方便组装拆卸且采用轻质的环氧树脂作为柱体，在保证质量的同时也减轻了该电极装置的重量，方便运输和安装。

附图说明

图1为本实用新型电极装置整体结构示意图。

图2为本实用新型电极装置整体结构剖面图。

图3为本实用新型柱体剖面图。

图4为本实用新型电极感应单元示意图。

图5为本实用新型电极装置工作状态示意图。

附图标号含义：

1.电极感应单元，2.电极线转换器，3.数据采集盒，4.无电极柱体，5.单芯导线；

11.柱体，12.电极环，13.单芯插头，14.螺柱，15.环形凹槽，16.螺纹槽，17.下部通孔，18.侧壁通孔，19.上部通孔；

21.单导线接口，22.电极线转换器30pin接口。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施方式

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

实施例1：

如图1至图5所示，一种用于室内模型实验的电极装置，包括多个同轴安装的电极感应单元1和设在最下端的无电极柱体4。

电极感应单元1包括空心的柱体11、设在柱体11下端中心的螺柱14、设在柱体11侧壁的环形凹槽15、安装在环形凹槽15内的电极环12以及设在柱体11上端中心的带内螺纹的螺纹槽16；螺柱14和螺纹槽16均与柱体11同轴，且一个电极感应单元1的螺柱14能与相邻电极感应单元1的螺纹槽16配合螺接以将多个电极感应单元1同轴连接。

螺柱14的中轴线位置设有与柱体11内中空连通的下部通孔17，环形凹槽15壁面设有与柱体11内中空连通的侧壁通孔18，螺纹槽16底部设有与柱体11中空连通的上部通孔19；电极环12连接单芯导线5，且该单芯导线5依次穿过侧壁通孔18、柱体中空、上部通孔19后穿过上一层电极感应单元1的下部通孔17进而从内部穿过多层电极感应单元1后从最高一层电极感应单元1的上部通孔19引出后连接单芯插头13。

无电极柱体4与电极感应单元1同轴设置，在无电极柱体4顶部中心设有安装槽，该安装槽设有内螺纹，安装槽能与其上层的电极感应单元1的螺柱14配合安装。

柱体11直径为10mm，柱体11长度为0.3-1.5m，具体的在本实施例中，柱体11长度为30cm，螺柱14长5mm，螺纹槽16深6mm，螺纹型号为m6。

电极环12为由0.5mm²的铜质导线沿环形凹槽15绕制10圈而制成。

环形凹槽15的槽深为1mm，槽宽为3mm。

每个电极环12连接的单芯导线5从最高一层电极感应单元1的上部通孔19引出后分别通过单芯插头13连接至电极线转换器2，再通过电极线转换器2连接至数据采集盒3。

电极线转换器2上设有多个单导线接口21，每个电极感应单元1的单芯导线5上的单芯插头13对应一个单导线接口21；电极线转换器2上还设有多个电极线转换器30pin接口22，每个电极线转换器30pin接口22对应30个单导线接口21；数据采集盒上也设有与电极线转换器30pin接口22相对应的多个数据采集盒30pin接口。

每个电极环12连接的单芯导线5从最高一层电极感应单元1的上部通孔19引出后分别通过单芯插头13连接至电极线转换器2的单导线接口21，再通过该单导线接口21所对应电极线转换器30pin接口22经多芯导线连接至相应的数据采集盒30pin接口。

通过不同数量的电极感应单元1与无电极柱体4能组合成不同长度的电极装置，以探测和采集到不同组合状态下的地层信息。也可以等距离的变换相邻电极环的中心距离，通过增加一定数量的无电极柱体来增加相邻电极环的中心距离。

单芯导线为单芯铜质导线；柱体和无电极柱体均为环氧树脂材料。

电极感应单元可以灵活组合，且可以适用于不同深度面积的模型实验，因其可以组合成任意长度，故可更加精准的探测模型更深位置的土层信息。且多个电极装置可以进行不同的布设，既可以只精准的测得一个点的地层信息，又可以通过横纵轴的组合形成一个全方位的探测系统，能够立体化的呈现出室内模型实验中土层信息，且突破传统测量方式，能够解决传统测量方式对土层信息测量不完全的弊端，本申请提出的电极装置可以全方位更精准的探测土层信息。

实施例2：

本实施例给出一种用于室内模型实验的时空四维电法探测系统，包括电极装置、电极线转换器2和数据采集盒3；电极装置连接至电极线转换器2，电极线转换器2连接至数据采集盒3，多路转换器2能将多个电极装置依次与数据采集盒3连通进行测试，实现电法的多点大范围不间断探测。

电极线转换器2包括用于插接单芯插头13的单导线接口21以及多个电极线转换器30pin接口22；多芯电缆一端插入电极线转换器30pin接口22，多芯电缆另一端接入数据采集盒3；电极线转换器的作用是为了将模型试验布设的大量电极装置依次与数据采集盒连通测试，实现电法的多点大范围不间断探测，提升测量效率。

数据采集盒3包括计算机和控制元件，控制元件包括电极切换控制模块、ab供电控制模块、mn测量控制模块和abmn控制模块；电极切换控制模块能控制任意四个电极环接入电路分别作为a、b、m、n电极，ab供电控制模块能为a、b电极供电并测量流经的电流值，mn测量控制模块能测量m、n电极两端的电压值；当a、b、m、n电极完成测量后，通过电极切换控制模块能接入下一组四个电极环12，从而依次完成测量得到一系列电阻率数据。

电极装置最多能30根同时工作，若每个电极装置上设有四个电极环，则共能接出120个单芯插头13。

电极线转换器2上为120个整齐排列的单导线接口21，最多可接入120个电极环12，每块5×6的共计30个单导线接口21在电极线转换器2内部通过导线焊接在一起，形成1个30芯的电极线转换器30pin接口22，120个单导线接口21最终在电极线转换器2形成四个等距排列的30芯的电极线转换器30pin接口22。

计算机为单片机，能进行运算、储存和显示。

控制元件通过多个电阻、电容、放大器及相应的芯片等组成的电路图，实现如上所说的功能。控制元件电路：注有in的前级放大器提高输入阻抗，接受mn电极信号；rc和u13组成低通滤波器滤除高频干扰信号，提高信噪比；标有cr的运算放大器和标有x的多路模拟开关组成可控增益放大器，将弱信号放大，提高测量信号精度；标有p(109)的模数转换器把模拟量转换为数字信号；标有wr的单片机控制电路的工作，并保存数据。

通过计算机程序控制系统，可以分别向不同的两个电极进行通电，从而向土层提供电流，然后计算机会量测出这两个电极之间的电位差(电压)，从而即可求出这两个电极之间的电阻率，这个电阻率即是土层的电阻率，然后通过向不同的两个电极供电，可以测出多层土层的电阻率，根据实测的电阻率剖面进行计算、分析，便可得到岩土层中电阻率的分布情况，从而可以划分地层，确定异常地层。

采用本电法探测系统测量土体地层信息工作过程如下：根据所测得土体的体积，选择合适的数量、合适长度的电极感应单元组合成不同长度的电极装置；在向模型箱倒置土样之前，将组装好的电极装置按照实际需求布置到相应位置，可以采用横纵布置或是只针对单个点进行布置。进一步的，将每个电极单元的独立导线通过预留孔引入环氧树脂柱体中，然后在电极装置顶部合并为多芯导线再分别通过每根独立导线的接头连接至电极线转换器。最后，将模型实验所需要的土倒入模型箱中，然后通过数据采集盒去采集模型实验中所需的地层信息。

实施例3：

本实施例提供一种用于室内模型实验的时空四维电法探测方法，该方法基于探测系统，包括以下步骤：

步骤1，布线：将电极装置按模型尺寸等间距垂直放入模型箱中，要求电极装置隔开边界一定距离，用于排除边界效应的影响，且电极装置最多为30根；

步骤2，模型堆填：至下而上分层按需求将土体堆入模型箱中，堆填过程中不碰倒放入的电极装置，确保电极装置位置不变且与土体接触紧密；

步骤3，设备接入：将所有电极装置顶端接出的单芯插头按顺序依次接入电极线转换器中，用多芯电缆将电极线转换器与数据采集盒相连以将电极装置接入数据采集盒中，将高压升压器接入室内电源，并用连接线将高压升压器与数据采集盒相连；

步骤4，开机及程序设置：将数据采集盒开机，设置好接入传感器个数，编制好跑极方式及测量周期；

步骤5，设备检测及测量：首先在程序中检测所有电极环是否正常接入，若没有则需重新堆填模型；待所有电极环正常接入后点击开始测量；此时控制元件按照设定好的跑极方式依次接入四个一组的电极环，直到完成所有测量后停止；在间歇设定的时间后，第二个测量周期开始，重复上步测量，依次类推，直到完成所有测量周期测量，从而获得适用于描述模型试验中地质结构体时空演化的高精度四维电法数据。