断裂构造探测装置的制造方法

断裂构造探测装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种断裂构造探测装置，包括探针、信号电缆、前置输入模块、信号调理模块、DSP处理模块，前置输入模块通过两段信号电缆连接16根插入地表的探针以接收天然瞬变电磁波穿透地层在地面形成的分布电场信号并直接和通过信号调理模块传输到模数转换模块；DSP处理模块接收模数转换模块的输出数据并输出逻辑控制信号至模数转换模块、信号调理模块和前置输入模块的控制端；上位机读取探测数据经分析处理后提取断裂构造特征信息及参数进行分析。本实用新型的有益效果在于：根据从瞬变电磁波中提取的特征信息及参数可准确分析断裂构造的赋存深度、存在状态，探测结果唯一、定位精度高，可在工程建设、矿产开采中广泛应用。
【专利说明】
断裂构造探测装置
技术领域
[0001] 本专利涉及一种地球物理勘探用的探测仪器，尤其是一种探测地下断裂构造的探 测装置。
【背景技术】
[0002] 断裂构造又称断裂，是指组成地壳的岩体在地应力作用下发生变形，当应力超过 岩石的强度，岩体的完整性和连续性受到破坏而产生的大小不一的断裂。断裂构造是岩石 破裂的总称，包括劈理、节理、断层、深大断裂和超壳断裂等;断裂可以作为石油天然气二次 运移的良好通道，油气沿断裂通道运移比在岩石孔隙中运移更加容易。研究断裂构造对找 矿勘探、水文地质与工程地质以及了解区域构造特点均有实际意义。
[0003] 根据岩体断裂后两侧岩块相对位移的情况，断裂构造可分为节理(裂隙）和断层。 节理是岩石中的裂隙或破裂面，沿着节理面两侧的岩炔基本上没有发生过相对位移或没有 明显的相对位移;节理构造是地壳上部岩石中发育最广的一种地质构造，是地下水的运移 通道和储集场所;大量发育的节理常常引起水库的渗漏和岩体的不稳定，为水库、大坝和 各种工程带来隐患。断层是指岩体在构造应力的作用下发生断裂，且断裂面两侧岩体有明 显相对位移的构造现象，它是节理的扩大和发展;断层不仅对岩体的稳定性和渗透性、地震 活动和区域稳定有重大的影响，而且是地下水运动的良好通道和汇聚的场所;在规模较大 的断层附近或断层发育地区，常赋存有丰富的地下水资源。
[0004] 在断层分布密集的断层带内，岩层一般都受到强烈破坏，产状紊乱，岩体裂隙增 多、岩层破碎、风化严重、地下水多，从而降低了岩石的强度和稳定性；同时，沟谷斜坡崩塌、 滑坡、泥石流等不良地质现象发育。因此，在工程建设、矿产开采中，必需准确探测和查明断 裂构造的分布情况。（1)路基:断层破碎带的岩体松散，节理也很发育，常是地下水活动的通 道，加之断层面倾基，所以当挖方边坡与断层带平行时，极易产生滑塌;特别在安排河谷路 线时，要注意河谷地貌与断层构造的关系，当路线与断层走向平行，路基靠近断层破碎带 时，由于开挖路基，容易引起边坡发生大规模坍塌，直接影响施工和公路的正常使用。（2)桥 基:勘测时，要注意查明桥基部分有无断层存在，及其影响程度如何，以便根据不同情况，在 设计基础工程时采取相应的处理措施;应尽可能的避开断层破碎带，因桥基岩体破碎，易风 化渗水，受桥基和桥体荷载后出现沉陷，或沿断层破裂面错动的方向，使桥墩发生滑移或倾 斜;断裂面对岩质边坡、桥基稳定常有重要影响。（3)隧道：由于岩层的整体性遭到破坏，加 之地面水或地下水的侵入，其强度和稳定性都很差，容易产生洞顶坍落，影响施工安全，对 工程极为不利，宜选择绕避；当隧道轴线与断层走向平行时，应尽量避免与断层破碎带接 触，若不能绕避则应与断层构造线呈直交或近乎直交穿越;在确定隧道平面位置时，要尽量 设法避开大规模的断层破碎带。（4)地基：由于断层破碎带力学强度低、压缩性大，降低了地 基的强度和稳定性，建于其上的建筑物因地基的较大沉陷，易造成开裂或倾斜;跨越断裂构 造带的建筑物，由于断裂带及其两侧上、下盘的岩性均可能不同，易产生不均匀沉降；断裂 带在新的地壳运动的影响下，可能发生新的移动，从而影响建筑物的稳定。（5)矿带：以煤矿 为例，在遇到煤层缺失的时候，除了要考虑断层影响外，还应考虑相变的影响，即沉煤当时 的沉积环境不同而影响的；应该通过煤层的层间距、岩性组合、化石等特征进行综合分析， 避免盲目的掘进开采。（6)煤与瓦斯突出：研究表明煤层高突瓦斯带、低瓦斯带区域范围内 断裂构造的分形特征明显，服从分形规律，高突瓦斯带区域内断裂构造的盒维数大，低瓦斯 带区域内构造的维数小。（7)矿井突水:断层分维揭示了断裂构造的复杂程度，构造越复杂 的区域突水可能性越大;对于断裂构造十分发育矿区，发生以断裂构造为突水通道的风险 性增加。
[0005] 由于断裂构造影响工程建设施工、威胁着矿山安全生产，故而做好断裂构造勘查 一直是工程建设、矿产开采中的一个重点研究课题，而做好断裂构造勘查工作的基础性内 容就是要探明断层的分布及富水情况。目前，用于断裂构造勘查的物探方法主要包括瞬变 电磁法、直流电法和大地电磁法等;其共同点是在人工场作用下进行测量，把寻找固体矿产 的物探方法应用在断裂构造探测上。地面仪器测量值反映的是地质体物性综合值，这个物 理量所显示的是地下的那种固体矿产或断裂构造全凭解释者的主观经验。所以上述方法探 测断裂构造的成功率不高，其根源在物探曲线的多解性。能否发明一种将断裂构造与地下 固体矿产资源区分开来的方法及物探仪器，目前国内外科技界一直没有解决，尚无相关的 研究成果和产品报道。

【发明内容】

[0006] 为了克服上述技术问题，本实用新型公开了一种断裂构造探测装置。
[0007] 本实用新型的技术方案是:一种断裂构造探测装置，包括探针、信号电缆、前置输 入模块、信号调理模块、DSP处理模块，其特征在于:所述前置输入模块通过两段信号电缆连 接16根插入地表的探针以接收天然瞬变电磁波穿透地层在地面形成的分布电场信号并直 接和通过信号调理模块传输到模数转换模块;所述DSP处理模块接收模数转换模块的输出 数据并输出逻辑控制信号至模数转换模块、信号调理模块和前置输入模块的控制端;上位 机读取DSP处理模块保存的探测数据经分析处理后提取断裂构造特征信息及参数并据此分 析断裂构造的赋存深度、存在状态。
[0008] 本实用新型中，探针包括探针引线(2-1)、探测杆连接器(2-2)、探测杆(2-3)，所述 探针引线为连接信号电缆与探针的单芯屏蔽线，芯线用于传输探针接收的瞬变电磁波信 号，屏蔽层在正常探测时与装置内部模拟地连接、在探针连接状态检测时传输检测信号;所 述探测杆连接器内含有磁珠(2-4 )、电容(2-5 )和二极管(2-6 )，磁珠串接在探针引线的芯线 与探测杆连接器的中心插孔之间，二极管与电容并联后串接于探针引线的屏蔽层与探测杆 连接器的外壳之间;所述探测杆为一顶部中心安装有与杆体电连接插针的良导电性细长金 属圆柱体，通过插接卡紧方式连接到探测杆连接器并将其的中心插孔与外壳短路。
[0009] 本实用新型中，信号电缆包括连接器(3-1)、电缆本体(3-2)、引线加固环(3-3)，长 度为7.5D的8根单芯屏蔽线绕包外隔离层并总屏蔽编织后挤压外护套而成的电缆本体(3-2)与连接器(3-1)电连接并在其上均匀分布相距为D的8个用于加固探针引线（2-1)的引线 加固环(3-3)，第一个引线加固环与连接器的距离为0.5D，在每个引线加固环处剪断1根单 芯屏蔽线并从靠近连接器一方引出用于连接探针的探针引线(2-1)。
[0010] 本实用新型中，前置输入模块包括A组和B组信号电缆接口、二极管Dl~D16、微型继 电器JD1、四运放ICl~IC15、单运放IC16、数字控制电位器PRl~PR15、电阻Rl~R155、电容Cl~ C60,实现15通道探针接收信号的程控差分放大、高通滤波和双极性转换，以及信号电缆接 入检测、探针连接状态检测和输入限幅保护。
[0011]本实用新型中，信号调理模块包括15个通道的工频陷波器、低通滤波器、可编程带 通滤波器和程控后增益放大器，每个通道的信号调理电路由1个四运放IC17、1个开关电容 滤波芯片IC18、1个数字控制电位器PR16、15个电阻R156~R170、8个电容C61~C68-起实现。 [0012]本实用新型中，模数转换模块由1个16通道模数转换芯片IC19、8个双四选一模拟 开关IC20~IC27组成，可在DSP处理模块控制下实现模数转换器对电缆接入信号、探针连接 状态信号、前置输入模块的输出信号、可编程带通滤波器输出信号、程控后增益放大器输出 信号的转换。
[0013] 本实用新型中，DSP处理模块包括DSP处理器、时钟与复位、CPLD、RAM、ROM、闪盘、 USB接口、IXD触摸显示组件，DSP处理器在时钟与复位电路的驱动控制下通过总线与CPLD、 RAM、ROM、闪盘、USB接口、模数转换模块、LCD触摸显示组件交换数据，还通过CPLD输出逻辑 控制信号至RAM、R0M、闪盘、IXD触摸显示组件、前置输入模块、信号调理模块和模数转换模 块的控制端;探测装置的设置、检测、探测功能均在LCD显示提示下通过触摸操作实现。
[0014] 本实用新型的有益效果在于:根据从瞬变电磁波中提取的特征信息及参数可准确 分析断裂构造的赋存深度、存在状态，探测结果唯一、定位精度高，可在工程建设、矿产开采 中广泛应用。
【附图说明】
[0015] 下面结合附图和实施例对本实用新型专利作进一步说明。
[0016] 图1是本实用新型的探测装置结构示意图；
[0017] 图2是本实用新型的探针原理示意图；
[0018] 图中：2-1探针引线，2-2探测杆连接器，2-3探测杆，2-4磁珠，2-5电容，2-6二极管
[0019] 图3是本实用新型的信号电缆结构示意图；
[0020] 图中：3_1连接器，3-2电缆本体，3-3引线加固环，2-1探针引线 [0021 ]图4是本实用新型的前置输入模块电路原理图；
[0022]图5是本实用新型的信号调理模块结构图；
[0023]图6是本实用新型的单通道信号调理电路原理图；
[0024]图7是本实用新型的模数转换模块电路原理图；
[0025]图8是本实用新型的DSP处理模块结构图；
[0026] 图9是本实用新型的四维物探剖面图。
【具体实施方式】
[0027] 参见附图，图1是本实用新型的探测装置结构框图。断裂构造探测装置包括探针、 信号电缆、前置输入模块、信号调理模块、DSP处理模块，每个探测装置可两段信号电缆，两 段信号电缆分别用护套颜色标记:蓝色为A组信号电缆，黑色为B组信号电缆;每段信号电缆 可连接8根探针，共16根。前置输入模块通过两段信号电缆连接16根插入地表的探针以接收 天然瞬变电磁波穿透地层在地面形成的分布电场信号并直接和通过信号调理模块传输到 模数转换模块，直接传输方式用于探针连接状态检测，通过信号调理模块传输方式用于正 常探测。DSP处理模块是探测装置的核心，它接收来自模数转换模块的探测数据并保存，同 时输出逻辑控制信号至模数转换模块、信号调理模块和前置输入模块的控制端，以实现装 置的自检、正常探测和参数设置等功能。上位机读取DSP处理模块保存的探测数据经分析处 理后提取断裂构造特征信息及参数并据此分析断裂构造的赋存深度、存在状态。
[0028] 在附图2中，探针包括探针引线（2-1)、探测杆连接器(2-2)、探测杆(2-3)等三个部 分。探针引线（2-1)为一单芯屏蔽线，长度约0.6m左右，芯线用于传输探针接收的瞬变电磁 波信号到信号电缆的对应芯线上，屏蔽层在正常探测时与装置内部模拟地连接、在探针连 接状态检测时传输检测信号。探测杆连接器(2-2)外壳由铝、铜或不锈钢等金属材料经机加 工而成，底部中心安装有一个铜镀金的与外壳绝缘的插孔，中部空腔内含有磁珠(2-4)、电 容(2-5)和二极管(2-6)，磁珠串接在探针引线的芯线与探测杆连接器的中心插孔之间，二 极管与电容并联后串接于探针引线的屏蔽层与探测杆连接器的外壳之间。探测杆(2-3)为 一具有良导电性的金属材质细杆，顶部中心安装有一个铜镀金的与杆体连接的插针，上端 部分加工有用于与探测杆连接器连接的插槽和卡紧销，下端部分的圆锥体可使探测杆插入 泥土更为容易，中间为细长圆柱体;当探测杆通过插接卡紧方式连接到探测杆连接器上，会 将探测杆连接器的中心插孔与外壳短路。探测杆用于接收天然电场信息，在探测过程中它 既接收地壳内场信号，不可避免地也接收了空间的电磁干扰信号；为避免空间电磁干扰对 探测的影响，在探针引线的屏蔽层与探测杆连接器的外壳之间串接高频特性较好的瓷片电 容（2-5)(优选高频零温漂黑点瓷片电容）。由于天然电场的信号频段在甚低频(3~30KHz) 范围，为有效的提取天然电场信息，在探针引线的芯线与探测杆连接器的中心插孔之间串 接有高频滤波磁珠(2-4 )。磁珠等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化， 它比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围 内保持较高的阻抗，从而提高滤波效果;磁珠由铁氧磁体组成，电感由磁芯和线圈组成，磁 珠把交流信号转化为热能，电感把交流存储起来，缓慢的释放出去;铁氧体磁珠不仅可用于 电路中滤除高频噪声，还可广泛应用于其它电路，其体积可以做得很小;特别是在数字电路 中，由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波，也是电路高频辐射的主要根源，所以可在这种 场合发挥磁珠的作用。二极管(2-6)具体工作过程如下：（1)在探针连接状态检测时，由DSP 处理模块经前置输入模块输出探针检测信号TZJC到探针引线（2-1)的屏蔽层，探针检测信 号经二极管(2-6)、探测杆(2-3)、磁珠(2-4)到探针引线(2-1)的芯线，经信号电缆返回前置 输入模块，DSP处理模块根据返回的检测信号判断并给出探针的连接状态以及信号电缆的 通断情况；（2)在正常探测情况下，探针引线(2-1)的屏蔽层通过前置输入模块内部接信号 地，此时，二极管(2-6)的阳极接信号地，与前置输入模块内部的阴极接电源VCC的二极管一 起用于限幅探针输入信号以保护内部电路，探测杆(2-3)接收的信号经磁珠(2-4)到探针引 线(2-1)的芯线，经信号电缆连接到前置输入模块。
[0029]在附图3中，信号电缆包括连接器(3-1)、电缆本体(3-2)、引线加固环(3-3)。电缆 本体(3-2)由8根单芯屏蔽线总绞成缆，线芯由铜丝或镀锡铜丝绞合而成，截面积为0.3mm2、 均采用F46绝缘，并由绝缘的颜色加以区分，如：白、蓝、红、黑、棕、灰、黄、绿;并在成缆好的 线芯上绕包一层聚酯带，搭盖率不小于15%，将总成缆好的线芯上采用Φ0.12mm的铜丝或镀 锡铜丝编织而成，密度不小于90%，采用105°C阻燃丁晴聚合物挤压而成，成品颜色：蓝色和 黑色两种(蓝色用于制作A组信号电缆，黑色用于制作B组信号电缆），外径：11.8±0.3_，所 有绝缘线芯工频火花试验电压为4KV不击穿，电缆工作环境温度-40~+75度。引线加固环 (3-3)经加模注塑而成，用于固定信号电缆上的8根探针引线(2-1)，第一个引线加固环与连 接器的距离为0.5D(其目的是：当使用两段信号电缆同时探测时，置探测装置于中间，两段 信号电缆的首探针间距为D)，其余引线加固环均匀分布且两两相距为D，则每段信号电缆的 总长度为7.5D，这里D极距（即两根探针之间的距离），若取极距D=IO米，信号电缆的总长度 为75米;实际应用中，需根据探测工程的具体要求选择合理的极距D，在每个引线加固环处 剪断1根信号电缆的单芯屏蔽线并从靠近连接器一方引出用于连接探针的探针引线(2-1)。 连接器(3-1)为12针航空插头，针对A组和B组信号电缆的接线定义见下表：
[0031]结合上表与附图4,本专利探测装置的自检工作过程如下：（1)电缆接入检测，DSP 处理模块输出检测控制信号JCKZ=O，微型继电器JD1将A组和B组信号电缆接口的第10引脚 与内部模拟地连接;此时，若有A组信号电缆(A组信号电缆制作时将连接器的第9、10针短路 并连接到电缆芯线的屏蔽层上)接入A 口，DSP处理模块将通过模数转换模块检测到DLJCA为 低电平，若有B组信号电缆(B组信号电缆制作时将连接器的第10、11针短路并连接到电缆芯 线的屏蔽层上)接入B 口，DSP处理模块将通过模数转换模块检测到DLJCB为低电平，若是连 接错误或未连接，DSP处理模块将检测到对应的DLJCA或DLJCB为高电平（内部上拉为高电 平）。（2)探针连接状态检测，仅对连接正确信号电缆上的探针进行检测，DSP处理模块输出 检测控制信号JCKZ=I并将数字控制电位器PR1-PR15的抽头置为断开状态(此时15个通道差 分输入放大器相当于信号缓冲器），微型继电器JDl将A组和B组信号电缆接口的第10引脚与 所加的测试信号JCXH连接，测试信号JCXH经探针内部二极管（2-6)返回到A组和B组信号电 缆接口的相应引脚上，DSP处理模块将通过模数转换模块检测到探针连接返回信号TZA8、 TZA7……TZB7、TZB8并根据信号电压大小判断各探针的连接状态;在此连接方式下，还可 通过改变测试信号JCXH的类型以测试各通道电路的性能。（3)正常探测，DSP处理模块输出 检测控制信号JCKZ=O并将数字控制电位器PR1-PR15的触头置在相应位置以确定15个通道 差分输入放大器的放大倍数，微型继电器JDl将A组和B组信号电缆接口的第10引脚与内部 模拟地连接;DSP处理模块根据电缆、探针的连接情况，仅对连接状态正常的探针接收信号 进行米集。
[0032]在附图4中，前置输入模块包括A&B两组信号电缆接口、二极管Dl~D16、微型继电器 JD1、四运放ICl~IC15、单运放IC16、数字控制电位器PRl~PR15、电阻Rl~R155、电容C1~C60， 实现15通道探针检测信号的程控差分放大、高通滤波和双极性转换，以及信号电缆接入检 测、探针接入状态检测和输入限幅保护。A&B两组信号电缆接口用于分别连接A、B两组信号 电缆，二极管D1-D16与相应探针内部的二极管(2-6)-起组成限幅保护电路，防止探针输入 信号超出测量范围而损坏探测装置。微型继电器JDl在DSP处理模块的控制下实现电缆接入 检测、探针连接状态检测和正常探测等工作情况的信号连接转换，电阻R153用于测试信号 JCXH的输出限流，电阻Rl 54、Rl 55用于电缆接入检测DLJCA、DLJCB的上拉，以配合A、B两组信 号电缆的不同接线方式实现电缆接入检测判断。单运放IC16和电阻R154、R155-起组成双 极性信号参考电压Vref设置电路，15个通道的探针检测信号程控差分放大、高通滤波和双 极性转换电路是一致的，只是输入来自的探针不同和输出连接的通道不同，每个通道的探 针检测信号程控差分放大、高通滤波和双极性转换电路均由1片四运放、10个电阻、4个电容 和1个数字控制电位器组成。以通道1为例，由1(：1(：、1(：10、1?1、1?2、(：1、02、？1?1组成的电路在正 常测试情况下是一个全差分放大器，其输出增益由数字控制电位器PRl调节(R1=R2)，增益 A=1+(R1+R2)/PR1;在探针连接状态检测时，将数字控制电位器PRl的抽头设置为开路，电路 相当于两个缓冲器，直接将探针上的检测电压缓冲到模数转换模块;C1 = C2为高频滤波电 容，优选高频特性较好的瓷片电容。IClB、R3~R6、C3、C4组成一个高通滤波与直流偏移修正 电路(其中，1?3 = 1?4、1?5 = 1?6、03 = 04)，用于消除输入信号中的直流偏移、滤除测试范围以外 的低频成分，高通滤波截止频率€=1/2311?503。1(：14、1?7~RlO组成双极性转换放大电路，其中 R7 = R8 = R9 = R10,双极性信号的参考点电压由Vref决定。本专利中，前置输入模块的四运 放为低功耗、低噪声的单电源运放，可选型号有:408574、110274、1^1016等，单运放优选低 功耗、低噪声的单电源运放AD8599、OP285、OP297等;数字控制电位器用的是XI⑶R公司的 X9241，还可选嫩乂^0、03、041'等公司的同类产品；微型继电器选用46吧1003或46吧0003。
[0033]综合附图，图5是本实用新型的信号调理模块结构图，图6是本实用新型的单通道 信号调理电路原理图。信号调理模块包括15个通道的工频陷波器、低通滤波器、可编程带通 滤波器和程控后增益放大器，这15个通道的信号调理电路是一致的，每个通道的信号调理 电路都是由1个四运放、1个开关电容滤波芯片、1个数字控制电位器、15个电阻、8个电容组 成。以通道 1 为例，IC17 B、IC17C、R156~R160(其中，R156 = R157 = 2R158)、C61~C63(其中， C61 = C62 = C63/2)组成一个深度负反馈的高Q值陷波器，陷波频率f=l/2JiR156C61(需合理 选择R156、C61，使f = 50Hz)，调节R159与R160之比值以改变陷波器Q值。IC17D、R161~R162 (其中，R161=R162)、C64~C65(其中，C64 = C65)组成一个二阶低通滤波器，用于滤除测试范 围之外的高频成分，低通滤波截止频率f=l/2JiR161C64。由由开关电容滤波芯片IC18、电阻 R163-R168、电容C66和C67组成的四阶带通频率可控滤波电路，电路中C66、C67为电源去耦 电容，取电阻町63 = 1?166、1?164 = 1?167、1?165 = 1?168，带通滤波中心频率由05?处理器经0?〇) 输出的fBPaiix(15路可相同，也可各不相同）决定fBpx = fBpaKx/100，Q值= R165/R164,电路放 大倍数A=[ R165/R163]2;在电路参数选择时，将15个带通滤波器的放大倍数设置一致(放 大倍数可在1-10之间选取），通过选取不同的R164使15个带通滤波器具有不同或相同的Q 值。由运放IC17A、数字控制电位器PR16、电阻R169和R170、电容C68组成的反相放大电路，数 字控制电位器PR16用于调节放大倍数A=R170/PR16(放大倍数可在1-100之间进行调节）， R169为输入适配电阻取R169=R170，C68为高频滤波电容；由于该电路于15个带通滤波器之 后，而前置信号经15个带通滤波器选频后的输出大小不一，故需调节数字控制电位器PR16， 使信号既不失真又能满足模数转换器分辨率较高的要求。本专利中，信号调理模块的四运 放为低功耗、低噪声的单电源运放，可选型号有:AD8574、TLV2374等，开关电容滤波芯片可 选MAX頂公司的MAX749UMAX7490或其它公司的同类产品。
[0034]在附图7中，模数转换模块由1个16通道模数转换芯片IC19、8个双四选一模拟开关 IC20~IC27组成，可在DSP处理模块控制下实现模数转换器对电缆接入信号、探针连接状态 信号、前置输入模块的输出信号、可编程带通滤波器输出信号、程控后增益放大器输出信号 的转换。8片双四选一模拟开关IC20~IC27与1片16通道模数转换芯片IC19 一起组成一个具 有64路信号输入的模数转换模块，DSP处理模块输出的控制码KZM2、KZMl、KZMO的控制下有 序地进行信号转换。控制码中KZM2为使能信号，当KZM2=1模拟开关不工作，KZM2 = 0使能 模拟开关，由KZMl、ΚΖΜ0决定选择通道信号；当KZMl、ΚΖΜ0 = 00，16根探针的连接状态信号选 通到16通道模数转换器，以实现探针连接状态的检测和判断；当KZMl、KZM0 = 01，15个前置 输入模块的输出信号与A组电缆接入检测信号一起选通到16通道模数转换器，以实现对15 个前置放大器的增益整定和A组电缆接入检测；当KZMl、KZM0 = 10，15个可编程带通滤波器 输出信号与B组电缆接入检测信号一起选通到16通道模数转换器，以实现对15个可编程带 通滤波器的Q值、增益、中心频率调整和B组电缆接入检测；当KZMl、KZM0 = 11，15个程控后增 益放大器输出信号与双极性信号参考电压Vref-起选通到16通道模数转换器，以实现对15 个程控后增益放大器的增益整定和双极性信号参考电压Vref检测。正常探测时，设置控制 码1(212、1(211、1(210 = 011，连续采集16通道模数转换器输出，并将15个程控后增益放大器输 出信号的采集值减去Vref的采集值以15个通道输出的双极性数字信号。本专利中，双四选 一模拟开关可选MAX4782、⑶4052、ADG709等芯片;模/数转换电路的ADC可选采用TI公司生 产的 16通道的ADS7953(12-bit)、ADS7957(10-bit)、ADS7961(8-bit)系列芯片，模拟电源 电压为2.7V~5.25V、数字电源电压为1.7V~5.25V，采样率高达IMHz，20MHz的SPI接口；它 具有精度高、体积小、通道多、使用灵活等特点。模/数转换电路将模拟信号转换成数字信 号，并将数字信号传输至DSP处理模块，同时DSP可根据模/数转换器输出值，通过CPLD对后 前置增益放大电路、后增益放大电路进行自动控制和调节，以保证测量数据的分辨率和测 量精度。
[0035] 在附图8中，DSP处理模块包括DSP处理器、时钟与复位、CPLD、RAM、R0M、闪盘、USB接 口、IXD触摸显示组件，DSP处理器在时钟与复位电路的驱动控制下通过总线与CPLD、RAM、 ROM、闪盘、USB接口、模数转换模块、IXD触摸显示组件交换数据，还通过CPLD输出逻辑控制 信号至RAM、R0M、闪盘、IXD触摸显示组件、前置输入模块、信号调理模块和模数转换模块的 控制端；探测装置的设置、检测、探测功能均在LCD显示提示下通过触摸操作实现。DSP (Digital Signal Processor数字信号处理器)是一种用于实时完成数字信号处理的微处 理器，DSP可选用TI公司TMS320系列的C3X或C67X浮点处理器、AD公司的ADSP21XXX浮点处理 器、AT&T公司的DSP32XX浮点处理器、MOTOROLA公司的MC960XX浮点处理器、NEC公司的 UPD772XX浮点处理器，本专利采用TI公司TMS320系列的C672X浮点DSP。时钟与复位电路分 别为DSP提供工作时钟和上电复位信号;ROM用于保存装置的执行程序和参数;RAM用于保存 装置程序运行过程的中间数据;CPLD(Complex Programmable Logic Device)采用了静态 功耗极低的ispMACH4000Z系列复杂逻辑可编程器件，是装置其它电路与DSP的逻辑输入输 出接口，完成本装置的地址译码、数据传输、控制输出、信息加密等功能。信号处理模块的 DSP可根据用户指令，通过CPLD向前置接口模块发出控制信号，以实现电缆接入检测、探针 连接状态检测和正常探测的选择；同时，DSP接收模/数转换电路所传输过来的数字信号，进 行分析处理后产生增益控制信号并通过CPLD控制前置输入增益、后增益放大电路，实现了 对不同大小信号的自适应放大;完成以上的自检和设置控制之后，DSP通过模/数转换器对 探针所获取的天然电磁波在地表形成的分布电场信号进行采集，并结合增益控制码将采集 的数字信号转换为探针所获取的实际值并保存到闪盘中（以供上位机通过USB接口或DSP通 过内部总线读取分析处理)和送LCD触摸显示屏显示；综合考虑可视度、可操作性和低功耗 等因素，LCD触摸显示屏尺寸应在3英寸到6英寸之间选择;仪器的自检和正常探测均可在 LCD触摸显示屏的显示提示下通过触摸操作实现。探测结束，上位机经USB接口读取探测装 置内部闪盘中的探测数据，上位机软件对数据进行数字抗混滤波、FFT变换与频谱细化、谱 线搜索、特征信息识别等法处理后可得到附图9所示的测线四维物探剖面图。
[0036]附图9是本专利在某矿区现场探测的测线四维物探剖面图，探测中使用了两段信 号电缆、共16根探针，探针的两两间距为10m(即极距D=10m，点距可由仪器编程调节，图中也 是IOm)，探测频段频率为30Hz、40Hz、55Hz、75Hz、95Hz、125Hz、165Hz、225Hz、305Hz、385Hz、 505Hz、625Hz等12个频段，可由公式深度11 = 1591.58(1/%)°'5换算为对应的探测深度。图9 中，横坐标为测线范围、共150m，纵坐标为天然电磁波穿透不同地层后反映到地表的电性 值，图中每一条曲线表示一个深度的地层电性值变化情况(每个层次用不同颜色、不同线型 的曲线表示），再将地下特征信息(动态信息A、裂隙信息O等)标注到相应深度地层的电性 值曲线上，故称四维物探剖面图。由图9明显可见在探针B1B2之间地层电性曲线整体低值异 常，说明在探针B1B2之间存在断裂构造，其赋存深度可根据各地层电性曲线的主频频率f z 计算h = 1591.58(1/fz，5,另可根据是否存在动态信息Δ、裂隙信息〇以及地层电性曲线 的主频幅值等分析断裂带是处于填充、塌陷、充水等状态。
[0037]综上所述，本实用新型的断裂构造探测装置通过两段信号电缆连接16根探针以接 收天然电磁波在地表形成的分布电场信号，从中提取断裂构造的特征信息并分析其赋存深 度、存在状态，有效的解决了传统物探工程中测线布置工程量大、探测效率低、成果解释困 难的问题;探测装置抗干扰能力强、接收信号稳定、探测结果唯一、定位精度高，可在工程建 设、矿产开采中广泛应用。
【主权项】
1. 一种断裂构造探测装置，包括探针、信号电缆、前置输入模块、信号调理模块、DSP处 理模块，其特征在于:所述前置输入模块通过两段信号电缆连接16根插入地表的探针以接 收天然瞬变电磁波穿透地层在地面形成的分布电场信号并直接和通过信号调理模块传输 到模数转换模块;所述DSP处理模块接收模数转换模块的输出数据并输出逻辑控制信号至 模数转换模块、信号调理模块和前置输入模块的控制端;上位机读取DSP处理模块保存的探 测数据经分析处理后提取断裂构造特征信息及参数并据此分析断裂构造的赋存深度、存在 状态。2. 根据权利要求1所述的断裂构造探测装置，其特征在于：所述的探针包括探针引线 (2-1)、探测杆连接器(2-2)、探测杆(2-3)，所述探针引线为连接信号电缆与探针的单芯屏 蔽线，芯线用于传输探针接收的瞬变电磁波信号，屏蔽层在正常探测时与装置内部模拟地 连接、在探针连接状态检测时传输检测信号;所述探测杆连接器内含有磁珠(2-4)、电容(2-5)和二极管(2-6)，磁珠串接在探针引线的芯线与探测杆连接器的中心插孔之间，二极管与 电容并联后串接于探针引线的屏蔽层与探测杆连接器的外壳之间;所述探测杆为一顶部中 心安装有与杆体电连接插针的良导电性细长金属圆柱体，通过插接卡紧方式连接到探测杆 连接器并将其的中心插孔与外壳短路。3. 根据权利要求1所述的断裂构造探测装置，其特征在于:所述的信号电缆包括连接器 (3-1)、电缆本体(3-2)、引线加固环(3-3)，长度为7.f5D的8根单芯屏蔽线绕包外隔离层并总 屏蔽编织后挤压外护套而成的电缆本体(3-2)与连接器(3-1)电连接并在其上均匀分布相 距为D的8个用于加固探针引线(2-1)的引线加固环(3-3)，第一个引线加固环与连接器的距 离为0.5D，在每个引线加固环处剪断1根单芯屏蔽线并从靠近连接器一方引出用于连接探 针的探针引线(2-1)。4. 根据权利要求1所述的断裂构造探测装置，其特征在于:所述的前置输入模块包括A 组和B组信号电缆接口、二极管D1~D16、微型继电器JD1、四运放IC1~IC15、单运放IC16、数字 控制电位器PR1~PR15、电阻R1~R155、电容C1~C60,实现15通道探针接收信号的程控差分放 大、高通滤波和双极性转换，以及信号电缆接入检测、探针连接状态检测和输入限幅保护。5. 根据权利要求1所述的断裂构造探测装置，其特征在于:所述的信号调理模块包括15 个通道的工频陷波器、低通滤波器、可编程带通滤波器和程控后增益放大器，每个通道的信 号调理电路由1个四运放IC17、1个开关电容滤波芯片IC18、1个数字控制电位器PR16、15个 电阻R156~R170、8个电容C61~C68-起实现。6. 根据权利要求1所述的断裂构造探测装置，其特征在于:所述的模数转换模块由1个 16通道模数转换芯片IC19、8个双四选一模拟开关IC20~IC27组成，可在DSP处理模块控制下 实现模数转换器对电缆接入信号、探针连接状态信号、前置输入模块的输出信号、可编程带 通滤波器输出信号、程控后增益放大器输出信号的转换。7. 根据权利要求1所述的断裂构造探测装置，其特征在于:所述的DSP处理模块包括DSP 处理器、时钟与复位、0卩〇)、1^1、1?01、闪盘、1^8接口、^：0触摸显示组件，03?处理器在时钟与 复位电路的驱动控制下通过总线与CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、模数转换模块、IXD触摸 显示组件交换数据，还通过CPLD输出逻辑控制信号至RAM、R0M、闪盘、IXD触摸显示组件、前 置输入模块、信号调理模块和模数转换模块的控制端;探测装置的设置、检测、探测功能均 在LCD显示提示下通过触摸操作实现。
【文档编号】G01V3/12GK205427206SQ201620225554
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月23日
【发明人】黄采伦, 王靖, 吴亮红, 曾照福, 范小春, 南茂元
【申请人】湖南科技大学