一种可无级调压激励的激发极化系统及方法

本发明属于激发极化设备，涉及一种可无级调压激励的激发极化系统及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、随着隧道(洞)工程的飞速发展，复杂的地质条件和频发的地质灾害成为隧道(洞)工程施工期面临的巨大挑战。其中，突涌水灾害往往导致隧道(洞)被埋、重大人员伤亡与恶劣的社会影响，突涌水灾害源(含水地质构造)的超前探测理论与技术已经成为隧道等地下工程建设亟待解决的关键科学难题。

3、激发极化方法作为一种电法类超前预报探测方法，被证明对水体的空间位置和水量大小有较好的反应，为解决隧道等地下工程施工中突水灾害源超前预报三维定位和水量预测难题提供了可行有效的途径。

4、激发极化法，是以不同地质介质之间的激电参数差异为物质基础，可以测量电阻率、极化率、半衰时、衰减度等参数，其中，激发极化半衰时与地质中含水体的位置及大小密切相关，是获取地质情况的关键数据。通常，半衰时采用直接计算的方法，即u(tsd)＝us/2。但在工程实践中，这种方法存在如下问题：(1)二次电场初始信号较弱，且含有大量噪声，信号信噪比低，所以，二次电场初始信号的准确测量存在困难；(2)二次电场的衰减是一个缓慢的过程，为获得准确的数据，需要测量二次电场衰减的全过程；(3)由于被测岩体天然的存在自然电位，自然电位本身是波动的，探测时注入的电荷又会加剧这种波动；因此，对于激发极化法中激励源的稳定性有了很高的要求，且对于二次场电压的精确采集依然是此类仪器最大的难点。

5、传统激发极化法探测之前需先进行接地电阻的测量，接地电阻即通过向地下供入一次激励电压，通过接收电极的电压信息进行电极的接地电阻阻值的计算，根据接地电阻阻值再进行激励电压等参数的设定，此方法探测效率低，且无法做到激励源的精准激发。

6、同时，在数据采集方面，由于激发极化一次场电压一般为较强信号，而二次场电压信号一般较小，为适应不同电压范围的采集需求，现有同类激发极化仪器采集方面多采用分档分压采集的方式，该方法可在其一定电压范围内有效提高采集精度，但终究受其有限档位的限制，难以真正做到适应任意范围内的高精度电压采集需求。

7、综上所述，目前适用于隧道突水突泥灾害源激发极化超前探测仪器面临以下难题：

8、1、传统激发极化仪器激励来源多为分档电压激励，且大多档位较少，难以适用于不同接地电阻的激励需求，还会产生不必要的功率损耗；传统激发极化法探测之前需进行接地电阻阻值的测量，再根据接地电阻阻值进行激励电压等参数的设定，此类方法影响探测效率，且无法精准判别所需设定的激励电压等参数。

9、2、激发极化法需测量一次场与二次场的电压信号，且一次场与二次场信号相差往往较大，传统仪器分压分档的量程划分方式，无法适应任意范围内的高精度电压采集需求。

10、3、由于噪声和自然电位的影响，对同一岩体多次测量的结果偏差大；主要是自然电位的影响，每次测量时都会对岩体注入电荷，电荷不会迅速消散，故测量一次自然电位就会变化一次，且变化是随机的，由此，目前的半衰时的测量存在耗时长、不准确和重复性差的问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种可无级调压激励的激发极化系统及方法，本发明具有能够实现不同接地电阻电阻下激励电压的自适应调节，且无需设置激励电压值，自动调节输出电压，提高激励源的稳定性，并提高探测效率；采用量程自适应模块对采集电压进行量程自适应调节，提高一次场与二次场电压的采集精度等优点，满足复杂条件下的激发极化探测需求。

2、根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

3、一种可无级调压激励的激发极化系统，包括工控机、探测主机、极化电缆和电极，其中，所述探测主机和工控机连接，并通过若干路极化电缆，每路极化电缆连接多个电极，所述电极包括供电电极和测量电极；

4、所述探测主机用于响应工控机的控制指令，输出激励电压，根据控制指令选通供电电极与测量电极，通过供电电极向隧道岩层注入激励电压，获取除供电电极外所有剩余电极与参考电极之间的电压信号，并将获取的数据输送至工控机；

5、所述工控机用于对数据进行处理，分析视电阻率以及视极化率，预报隧道工作面前方含水情况。

6、作为可选择的实施方式，所述探测主机包括电源模块、连续可调激励电压源、主控模块、电极矩阵单元、量程自适应模块、多通道同步采集模块和数控采集卡，其中：

7、所述电源模块，用于为其他模块提供电能；

8、所述数控采集卡，和工控机连接，用于根据工控机的控制指令实现电极的切换、数据采集和激励源输出控制；

9、所述主控模块，用于响应所述数控采集卡的控制命令，驱动控制电极矩阵单元的电极切换功能；

10、所述电极矩阵单元，用于连接供电电极、测量电极，并控制各电极的工作，并获取电极数据；

11、所述量程自适应模块，用于接收电极矩阵单元的测量电压，对其电压进行最高灵敏度匹配，实现激发极化一次场电压与二次场电压采集的的自适应调节；

12、所述多通道同步采集模块，连接所述量程自适应模块，用于获取各电极的数据，并传输给数据采集卡；

13、所述连续可调激励电压源，受控于数控采集卡，用于根据数控采集卡的控制命令，进行激励电压的输出。

14、进一步的，所述电极矩阵单元包括继电器阵列，所述继电器阵列中，包括方向继电器、测量继电器、单双电极供电继电器和接地电阻继电器，所述单双电极供电继电器将连续可调激励电压源与供电电极连接，并通过方向继电器进行输出方向的控制；

15、所述测量继电器用于连接测量电极，进行不同电极测量通道的切换；

16、所述接地电阻继电器用于电极间接地电阻的测量。

17、进一步的，所述电极单双供电继电器采用时分复用方式，根据控制指令选择单号电极或双号电极进行供电。

18、使电极矩阵单元的继电器数量减少了50％，提高了集成度，所述电极矩阵单元能够准确快速地连通所需要的电极，提高激发极化探测效率。

19、进一步的，所述数控采集卡，用于接收工控机的电极切换控制命令并下发给主控模块，主控模块根据指令驱动电极矩阵单元，实现对供电电极和测量电极的选择，所述数控采集卡还用于将工控机的数字控制信号转换为模拟电压信号输出至连续可调激励电压源，控制连续可调激励电压源的电压输出信号，并用于将供电电极与测量电极进行电压信号的采集，转换为数字信号至工控机进行存储和数据处理。

20、进一步的，所述连续可调激励电压源内置有交直流转换模块，用于根据激励控制信号将交流电压转换为直流电压，所述连续可调激励电压源被配置为采用pid控制算法调节。

21、进一步的，所述连续可调激励电压源设置有尖峰抑制模块，所述尖峰抑制模块用于抑制二次供电过程中电压信号产生的尖峰，为高压能量提供泄放回路，尖峰抑制模块连接连续可调激励电压源的输出正极。

22、进一步的，所述主控模块包括串并行转换模块和逻辑驱动模块，所述串并行转换模块包括多个多位串行输入、并行输出的位移缓存器，用于将数控采集卡的串行信号转为并行信号进行输出；

23、转换出的并行信号到逻辑驱动模块，逻辑驱动模块包括多个译码器电路，用于接收多位高有效二进制地址输入,提供低有效输出。

24、进一步的，所述量程自适应模块，用于利用最高灵敏度法，对接收的电极矩阵单元的测量电压进行增益调节，自动匹配采集最大量程，并将增益系数传递给数控采集卡，数控采集卡根据增益系数还原实际电压信号，实现激发极化一次场电压与二次场电压采集的的自适应调节。

25、作为可选择的实施方式，所述工控机配置有滤波模块，用于采用多种小波基对二次电场衰减曲线进行滤波，依据平均曲率选取最佳滤波后曲线，并对该曲线采用中值滤波进行平滑处理；基于阻容放电模型，对滤波后曲线进行指数拟合，并得到拟合曲线和时间常数，求得激发极化半衰时。

26、作为可选择的实施方式，所述极化电缆包括多条，每条电缆上设置有多个电极，每条电缆上的电极根据探测需求设置为供电电极或测量电极；

27、还包括一参考电缆，用于连接参考电极，探测主机通过参考电极为测量电极提供参考电压信号。

28、作为可选择的实施方式，所述工控机被配置为采用激励源无级调压，控制探测主机的连续可调激励电压源输出一定值的直流电压，并通过供电电极供入岩体，根据采集供电电极电流值得出供电电极之间的接地电阻值，切换电极依次进行供电，计算得到所有电极之间的接地电阻值。

29、作为可选择的实施方式，所述工控机被配置为接地电阻值第一区间时，激励恒定输出电压为设定值，当接地电阻在第二区间时，激励输出电压为选择供电电极的接地电阻值和比例系数的乘积。

30、基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

31、探测主机用于响应工控机的控制指令，输出激励电压，根据控制指令选通供电电极与测量电极，通过供电电极向隧道岩层注入激励电压，获取除供电电极外所有剩余电极与参考电极之间的电压信号，并将获取的数据输送至工控机；

32、工控机对数据进行处理，分析视电阻率以及视极化率，预报隧道工作面前方含水情况。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

34、本发明的工控机的数据处理采用小波变换与拟合算法进行激发极化半衰时的快速计算，可减少探测耗时，提高探测效率，而且能够提高半衰时计算的准确性和稳定性。

35、本发明的工控机采用激励源无级调压技术，无需设置激励电压值，可根据内部算法自动输出最佳激励电压，可自动调节输出电压，不同供电电极之间的电流波动较小，在激发极化模式下起到更好的探测效果。

36、本发明的探测主机中的电极矩阵单元包括多个继电器，其中电极单双供电继电器采用时分复用技术，根据指令进行单号电极和双号电极的供电通道切换，使电极控制矩阵的继电器数量减少了50％，提高了集成度。使得在隧道施工环境下具有更高的便携性。

37、本发明的探测主机中的量程自适应模块通过采用最高灵敏度法，可根据不同测量电压自动匹配最大采集量程，在激发极化探测条件下，实现对一次场电压与二次场电压的有效采集，提高了采集精度和准确度。实现了隧道掌子面前方含水构造等突水突泥灾害源的有效探测，满足隧道施工对经济效益和安全性的需要。

38、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。