專利名稱：隧道或坑道超前地質預報激發(fā)極化時域接收機設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種隧洞或者坑道中基于激發(fā)極化的時域超前預報技術，具體地說是一種隧 道或坑道超前地質預報激發(fā)極化時域接收機設備。
背景技術：
我國水利水電、交通領域中有大量隧道工程，隧道工程地質災害是制約隧道施工的關鍵 因素，往往由于隧道開挖前方地質情況不明，經常出現無法預料的地質災害，如突水、突泥、 坍塌等。在井下進行煤礦開采過程中，經常也會遇到老空水等地質災害，這些地質災害造成 的后果是輕則沖毀機具，淹沒隧道，正常施工被迫中斷；重則造成重大人員傷亡，產生巨大 的經濟損失，甚至有些地下工程會因此被迫停建或改線。所以，對于這些地質災害做出超前 探測或預報就顯得很有必要，也很有意義。
激發(fā)極化(IP， Introduced Polarization )法作為一種重要的電磁勘探方法，以其獨特的優(yōu) 點(經濟、無損、快速及信息豐富等)廣泛應用于資源勘探與工程勘察中。激發(fā)極化法是通過 接收和分析各種異常體的激發(fā)極化效應來達到探測預報的目的。它有對隧道不良水體反映靈 敏的特點，可用來預報工作面前方突水異常體及其涌水量情況。在隧道及地下坑道的超前地質 預報中，激發(fā)極化法對隧道水體不良地質體的預報具有明顯的效果?？梢哉f，激發(fā)極化是目 前所有超前探測方法中最有發(fā)展前景的一種方法之一。
時間域激發(fā)極化法直接找水是我國物探工作者于上世紀70年代中期集體發(fā)明的具有我 國自主知識產權的方法。它主要是利用地下水激發(fā)極化機制，形成的一個新方法。其原理是 在地面向地下供給一個較大電流，它將會使地下不同的巖石或水體受激發(fā)產生極化，極化的 巖體或水體極化二次電場，通過接收得到極化率和極化電流的衰減系數等參數。上世紀80年 代中期，出現了激發(fā)極化二次時差法。該方法是向地下分別供入不同大小的電流作為激發(fā)電 流，分別測取極化電位的半衰時，測出大電流供電的極化半衰時和小電流供電極化的半衰時 之差，含自由水的含水層的差值為正值，且含水量越大，二次時差值越大。通過己知條件的
測值相關，可以計算出含水量。經過幾十個工地，上百個鉆孔均獲得成功。
為了預報工作面前方水體及其涌水量，激發(fā)極化的接收機是很關鍵的一部分，它影響到 數據的采集及最終預報成果的解釋。雖然激發(fā)極化在地面上的應用已經比較成熟，但在地下 隧道或坑道上的應用也總的來說只是一個初步嘗試，由于隧道與地面的探測環(huán)境不同，地面 探測的基本上是一個半空間的解釋問題，這有利于激發(fā)極化的處理與解譯；而大部分隧道中 的探測則相當于一個近全空間解釋問題，這就增加了激發(fā)極化的多解性，很不利于各種異常 的判斷；另外，由于激發(fā)極化的二次場信號很微弱且易受干擾，使得測量精度受到影響，需要做各種各樣的處理，但其最終的解釋結果會受到很大的影響。因此，適合于隧道超前預報 的激發(fā)極化時域接收機設備的研制就成了一個關鍵
發(fā)明內容
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本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種隧道或坑道超前地質預報激發(fā)極化時域 接收機設備，它是在現有激發(fā)極化發(fā)射機的研究基礎上對其進行一定的改進，試圖提高激發(fā) 極化時域接收機設備的性能，具有更強的抗干擾能力，更加適應于隧道中的探測，提高隧道 超前地質預報的準確性。
為實現上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案
一種隧道或坑道超前地質預報激發(fā)極化時域接收機設備，它包括依次連接的被測信號輸 入端、抗干擾及陷波電路、可變增益差分輸入放大器、陷波低通濾波器、第二級增益放大器、 極性判別及信號極性翻轉電路、光電隔離電路、CPU及工業(yè)級PC機；同時，光電隔離電路還
分別通過第一級增益控制器控制可變增益差分輸入放大器，通過第二級增益控制器控制第二
級增益放大器；CPU接收來自發(fā)射設備的停止脈沖。 ' 所述抗干擾及陷波電路包括共模/差模抑制電路和一級陷波電路，其中，共模/差模抑制
電路吸收高頻信號的干擾； 一級陷波電路為無源50Hz陷波電路，衰減量不小于-42dB。 所述陷波低通濾波器為二級無源50Hz陷波電路，其衰減量不小于-42dB。 所述光電隔離電路由模擬線性光電隔離和數字光電隔離兩部分組成。 所述極性判別及信號極性翻轉電路自動將負極性信號轉換為正極性信號，同時輸出代表
正負極性的標志位。
所述工業(yè)級PC機進行數據分析、繪圖和保存，采樣前設置放電時間和采樣間隔，顯示充 電、放電曲線；顯示可以顯示放電參數極化率、衰減度、激發(fā)比、半衰時采樣值，并在曲 線上標注半衰時，并且提供5個顯示量程；保存放電曲線和充放電采樣值且打開已經保存的
文件，查看采樣值、放電曲線、工程名稱、檔位、放電參數等信息。 '
本發(fā)明的激發(fā)極化時域接收機設備，其硬件電路包括共模/差模抑制電路、 一級50Hz陷 波電路、可變增益差分輸入放大器、二級50Hz陷波電路、8階10Hz低通濾波器、二級增益 放大器、極性判別及信號極性翻轉電路、光電隔離電路、CPU、 RS232接口等，另外工業(yè)級PC 機負責數據的分析、繪圖、保存等。
共模/差模抑制電路主要是吸收高頻信號的干擾。
50Hz陷波電路， 一級無源50Hz陷波電路，衰減量不小于-42dB;在第一級放大器后插入 第二級無源50Hz陷波電路，其衰減量不小于-42dB。因此，直流放大器對50Hz工頻信號有 -84bB -4dB的衰減量。
可變增益差分輸入放大器，被測信號的幅度從幾十微伏到幾伏，跨度范圍達到80dB(10000 倍)。很顯然使用固定增益來測量如此大變化范圍的信號是有很大難度的。因此，設計了自適應增益放大電路。系統(tǒng)根據測得的數據分析后自動控制增益的增大還是減小，使12位的ADC 轉換器相當于261/2位分辨率的ADC,最小分辨電壓達到了 0. 051uV。
光電隔離電路為避免數字處理部分對放大器部分的干擾，數字部分與模擬部分之間采用 模擬光電隔離技術；同時數字與模擬部分分別采用獨立的電源。
極性判別及信號極性翻轉電路，因輸入信號可能具有雙極性，放大器設置了極性自動識 別電路，自動將負極性信號轉換為正極性信號，同時輸出代表正負極性的標志位。
工業(yè)級PC機的分析、繪圖和保存，采樣前可以設置放電時間和采樣間隔(缺省30s和 500ms)，顯示充電、放電曲線；顯示可以顯示放電參數極化率、衰減度、激發(fā)比、半衰時 等采樣值，并在曲線上標注半衰時，并且可以選擇5個顯示量程；可以保存放電曲線和充放 電采樣值且可以打開已經保存的文件，查看采樣值、放電曲線、工程名稱、檔位、放電參數 等信息。
如表1所示五個檔位的測量范圍.-
輸入信號峰值范圍放大倍數與上以級增益增加值(dB)
200mV 2000mV0
20mV 200mV1020
2mV 20mV10020
200uV 2mV100020
20uV~200uV1000020
本發(fā)明的實際應用過程操作簡單:
1〉打開終端顯示界面，填寫"工程名稱"
2〉打開端口——"打開端口"按鈕，建立和采集系統(tǒng)的通信連接按鈕變?yōu)?關閉端口" "操作提示"顯示連接情況成功或失敗，按鈕上面圖標顏色顯示當前狀態(tài)(紅關閉，綠 打開)
3〉設置采樣時間——"設置采樣時間"按鈕，設置放電的采樣時間按鈕上面圖標顏色 顯示當前狀態(tài)(藍未設覽，綠已設置)缺省值為30S ,
4〉設置采樣間隔——"設置采樣間隔"按鈕，設置放電和充電采樣的時間間隔按鈕上 面圖標顏色顯示當前狀態(tài)(藍未設置，綠已設置)缺省值為500ms
5〉開始采樣——"開始采樣"按鈕，對充電過程進行采樣按鈕變?yōu)?結束采樣"；按鈕 上面圖標顏色顯示當前狀態(tài)(紅關閉，綠打開)，這時a)啟動采集系統(tǒng)進行采樣，顯示 充電采樣值和充電曲線；b)當充電完畢之后,采集系統(tǒng)反饋放電開始信號，自動進入放電狀態(tài) c)當點狀態(tài)下，顯示放電采樣值和放電曲線，并計算并顯示放電參數d)當放電完畢之后，
采集系統(tǒng)反饋放電結束信號，停止接受采樣值
6M亭止采樣——停止采樣動作，以便于保存曲線和采樣值停止采樣系統(tǒng)的采樣動作； 7〉保存曲線和數據——"保存數據"按鈕，此時可以保存放電曲線和充放電的采樣值，
5保存在"d:\" d盤根目錄下，名為-
曲線"工程名"+ "當前日期"+—+ "測量次數"+ curve+。 jpg 數據"工程名"+ "當前日期"+ + "測量次數"+_data+.Xls 8〉結束一次測量過程——"清除屏幕"、"關閉端口"
清除屏幕——清除采樣值和采樣曲線 ，
關閉端口——斷開和采集系統(tǒng)的通信 9>退出程序——"退出"按鈕注在觀察放電曲線的時候，隨時可以改變觀察量程 在"關閉端口"的狀態(tài)下可以打開已保存的文件(數據文件或者圖片文件)，這時可以回
復保存前的狀態(tài)充電放電采樣值、放電曲線、觀察量程、工程名稱以及各個放電參數
本發(fā)明的有益效果是該設備可以自動實現極化補償，系統(tǒng)加電后自動跟蹤輸入的初始
極化電壓的變化調整調零信號，使放大器的直流工作點始終保持在o軸上，當系統(tǒng)正式啟動
工作時，停止跟蹤調整并保持在啟動前最新一次的跟蹤點上。該設備抗干擾能力強，電路的
輸入級有一級無源50Hz陷波電路，在第一級放大器后插入第二級無源50Hz陷波電路，可以 極大的壓制50Hz工頻信號的干擾；輸入級設有高頻共模/差模高頻干擾抑制電路吸收高頻信 號的干擾；同時電路中設有8階巴特沃茲低通濾波器，另外，數字部分與模擬部分之間采用 模擬光電隔離技術并分別采用獨立的電源，可以好好的避免數字處理部分對放大器部分的干 擾。該設備測量量程大，測量精度高，信號電壓增益為1 (OdB) 10000倍(80dB)，可以 放大土20uV 士2000mV的直流信號。該設備方面有效，放大器設置了極性自動識別電路， 自動將負極性信號轉換為正極性信號，輸出代表正負極性的標志位。此外該設備以此同步脈 沖時刻的采樣數據計算相應的參數在屏幕上顯示并實時顯示充放電曲線，同時保存原始數據 和放電曲線，方面用戶判斷數據的真實性。
圖1是本發(fā)明時域接收設備系統(tǒng)構建原理圖。
其中，l.被測信號輸入端，2.抗干擾及陷波電路，3.可變增益差分輸入放大器，4.陷 波低通濾波器，5.第二級增益放大器，6.極性判別及信號極性翻轉電路，7。光電隔離電路; 8. CPU， 9.工業(yè)級PC機，10.第一級增益控制器控制，11.第二級增益控制器，12.停止 脈沖。
具體實施例方式
下面結合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明。
圖1中，它包括依次連接的被測信號輸入端1、抗干擾及陷波電路2、可變增益差分輸入 放大器3、陷波低通濾波器4、第二級增益放大器5、極性判別及信號極性翻轉電路6、光電 隔離電路7、 CPU8及工業(yè)級PC機9;同時，光電隔離電路7還分別通過第一級增益控制器10控制可變增益差分輸入放大器3，通過第二級增益控制器11控制第二級增益放大器5; CPUS
接收來自發(fā)射設備的停止脈沖12。
抗干擾及陷波電路2包括共模/差模抑制電路和一級陷波電路，其中，共模/差模抑制電
路吸收高頻信號的干擾； 一級陷波電路為無源50Hz陷波電路，衰減量不小于-42dB。 陷波低通濾波器4為二級無源50Hz陷波電路，其衰減量不小于-42dB。 光電隔離電路7由模擬線性光電隔離和數字光電隔離兩部分組成。
極性判別及信號極性翻轉電路6自動將負極性信號轉換為正極性信號，同時輸出代表正 負極性的標志位。
工業(yè)級PC機9進行數據分析、繪圖和保存，采樣前設置放電時間和采樣間隔，顯示充電、 放電曲線；顯示可以顯示放電參數極化率、衰減度、激發(fā)比、半衰時采樣值，并在曲線上 標注半衰時，并且提供5個顯示量程；保存放電曲線和充放電采樣值且打開已經保存的文件， 査看采樣值、放電曲線、工程名稱、檔位、放電參數等信息。
權利要求
1.一種隧道或坑道超前地質預報激發(fā)極化時域接收機設備，其特征是，它包括依次連接的被測信號輸入端、抗干擾及陷波電路、可變增益差分輸入放大器、陷波低通濾波器、第二級增益放大器、極性判別及信號極性翻轉電路、光電隔離電路、CPU及工業(yè)級PC機；同時，光電隔離電路還分別通過第一級增益控制器控制可變增益差分輸入放大器，通過第二級增益控制器控制第二級增益放大器；CPU接收來自發(fā)射設備的停止脈沖。
2. 如權利要求1所述的隧道或坑道超前地質預報激發(fā)極化時域接收機設備，其特征是， 所述抗干擾及陷波電路包括共模/差模抑制電路和一級陷波電路，其中，共模/差模抑制電路 吸收高頻信號的干擾； 一級陷波電路為無源50Hz陷波電路，衰減量不小于-42dB。
3. 如權利要求1所述的隧道或坑道超前地質預報激發(fā)極化時域接收機設備，其特征是， 所述陷波低通濾波器為二級無源50Hz陷波電路，其衰減量不小于-42dB。
4. 如權利要求i所述的隧道或坑道超前地質預報激發(fā)極化時域接收機設備，其特征是， 所述光電隔離電路由模擬線性光電隔離和數字光電隔離兩部分組成。
5. 如權利要求1所述的隧道或坑道超前地質預報激發(fā)極化時域接收機設備，其特征是， 所述極性判別及信號極性翻轉電路自動將負極性信號轉換為正極性信號，同時輸出代表正負 極性的標志位。
6. 如權利要求1所述的隧道或坑道超前地質預報激發(fā)極化時域接收機設備，其特征是， 所述工業(yè)級PC機進行數據分析、繪圖和保存，采樣前設置放電時間和采樣間隔，顯示充電、 放電曲線；顯示可以顯示放電參數極化率、衰減度、激發(fā)比、半衰時采樣值，并在曲線上 標注半衰時，并且提供5個顯示量程；保存放電曲線和充放電采樣值且打開已經保存的文件， 查看采樣值、放電曲線、工程名稱、檔位、放電參數信息。
全文摘要
本發(fā)明是一種隧道或坑道超前地質預報激發(fā)極化時域接收機設備。它提高了激發(fā)極化時域接收機設備的性能，具有更強的抗干擾能力，更加適應于隧道中的探測，提高隧道超前地質預報的準確性。其結構為它包括依次連接的被測信號輸入端、抗干擾及陷波電路、可變增益差分輸入放大器、陷波低通濾波器、第二級增益放大器、極性判別及信號極性翻轉電路、光電隔離電路、CPU及工業(yè)級PC機；同時，光電隔離電路還分別通過第一級增益控制器控制可變增益差分輸入放大器，通過第二級增益控制器控制第二級增益放大器；CPU接收來自發(fā)射設備的停止脈沖。
文檔編號G01V3/02GK101672930SQ20091001898
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權日2009年9月22日
發(fā)明者斌 劉, 李利平, 李術才, 李樹忱, 聶利超, 許振浩 申請人:山東大學