專利名稱：分布式電位梯度并行觀測電極的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種井-地地球物理勘探儀器，特別涉及一種分布式電位梯度并行觀測電極。
背景技術：
傳統(tǒng)的井地電阻率法觀測中，通過專用的電阻率儀或電位觀測設備，使地面兩個電極間形成電回路，以觀測兩個電極間的電位差，一次觀測完成可得到兩點間的電位差，觀測完成后再逐次移至下一個測點。為了提高效率，前人研制了高密度電法儀，是由電測儀、電極轉換盒等組成?？稍诘孛嫱瑫r布置若干個電極，在高密度電阻率儀的控制下，依次觀測兩個電極間的電位差。這種觀測方式，雖然一次布置了很多電極，但電極間的電位差觀測仍是串行的，觀測時間與電極數正相關，隨著電極數量的增加，野外施工時間也同步增加，影響野外施工效率，同時該設備觀測電極所受時變的地下游散電流影響因串行工作方式難以消除，且電纜連接電極的接頭間距固定，不適應山區(qū)地形；電纜每一根芯線對應一個電極，造成設備比較笨重，觀測效率不高。為了提高井地電阻率法的工作效率，有效消除時變游散電流對電阻率觀測的影響，研制分布式并行電極顯得非常必要。
01205376. 7專利“新型分布式高密度電測儀”介紹了一種電法儀器及其電極轉換方法，用一根少于10芯的主電纜就可以覆蓋整個剖面，連接的電極數原則上沒有上限。該設備實現了一次性布極，由電極轉換裝置自動實現電極串行測量方式；但是，每一對電極供電，只能有一對電極測量電壓，其他電極處于空閑狀態(tài)，實際數據采集過程需要大量的時間去等待依次供電測量過程的循環(huán)，工作效率不高。200410014020. 0專利“分布式并行智能電極電位差信號采集方法和系統(tǒng)”介紹了一種并行采集電法儀器，儀器設計為2級單片機的主從結構，由控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)組成，有8個工作電極與采集系統(tǒng)相連，若干組智能電極所帶的所有工作電極只要3個電極工作在供電電極(A)、供電電極(B)、公共地(N)的狀態(tài)，剩余各個電極進入電位差狀態(tài)，同步測量各個電極間的電位差。其測量范圍還是停留在剖面上，即供一次電只能觀測一條側線上兩個電極間的電位差，而不能測量側線間兩個電極的電位差；并且連接線多、布放電極麻煩、效率低。

發(fā)明內容
本發(fā)明是針對電位觀測設備布放電極工作量大，測試效率低的問題，提出了一種分布式電位梯度并行觀測電極，實現電法勘探的并行、高效數據采集。所有觀測電極一次性布設，相鄰兩個觀測電極通過插頭式接口用電纜相連接，即各電極采用串接的形式連接，便可覆蓋整個測量平面，其布線時靈活方便?？刂浦行耐ㄟ^控制總線給每個觀測電極發(fā)送同步脈沖指令，所有布放的觀測電極接收到脈沖指令之后，開始進行數據采集，并且暫時存儲在電極內的獨立存儲器中，觀測完成后，在控制中心的控制下，將所有數據傳回控制中心。本發(fā)明的技術方案為一種分布式電位梯度并行觀測電極，外有外殼，工作電極位于外殼底部并穿出底部，外殼內有數據處理系統(tǒng)、信號處理模塊、信號輸入模塊、數據傳輸總線、控制總線，外殼頂部四面各有一個插頭式接口，工作電極信號傳輸線、控制總線和數據傳輸總線接在插頭式接口上通過四芯電纜輸出外接，LCD顯示屏位于外殼的頂部，工作電極由互相絕緣的4個電極組成,相鄰的兩個電極信號送入信號輸入模塊，信號輸入模塊輸出采集信號經過信號處理模塊處理后送入數據處理系統(tǒng)，數據處理系統(tǒng)將數據送到數據傳輸總線上和IXD顯示屏。所述每個插頭式接口共有5個接口，接口和接口之間絕緣，5個接口分別為預留接口、控制總線接口、數據傳輸接口、第一信號采集接口、第二信號采集接口，第一信號采集接口和第二信號采集接口分別接相連的兩個電極。所述信號處理模塊包括濾波放大模塊和AD轉換模塊，數據處理系統(tǒng)包括微處理 器控制模塊、同步控制模塊、實時時鐘模塊、數據存儲和數據傳輸模塊，信號輸入模塊采集相鄰電極間的電位差送入濾波放大模塊，這里濾波放大模塊依次包括雙T陷波電路、程控濾波電路和程控放大電路，采集的電位差經過雙T陷波電路，去掉市電干擾波，再通過程控濾波電路，除其他頻率干擾波輸出，程控放大電路對濾波后信號進行放大，放大后信號經過AD轉換模塊進行模數轉換成數字信號送入微處理器控制模塊。所述雙T陷波電路采用兩片UAF42進行兩級雙T陷波，帶寬都是15Hz，二階電路，陷波中心頻率分別為49. 8HZ和50. 2HZ。所述程控放大電路選擇PGA204程控放大芯片，放大倍數可以選擇I、10、100、1000。所述AD轉換模塊德州儀器推出的多通道24位工業(yè)AD轉換器ADS1274，ADS1274是內部集成有多個獨立的高階斬波穩(wěn)定調制器和FIR數字濾波器，可實現4通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式。所述數據處理系統(tǒng)中微處理器控制模塊采用增強型51單片機C8051F020，同步控制模塊、實時時鐘模塊、數據存儲和數據傳輸模塊為微處理器控制模塊外圍工作模塊。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明分布式電位梯度并行觀測電極，方便采集大量的勘探數據，采用同步數據采集技術，在控制指令的統(tǒng)一指揮下，所有電極同時、同步觀測，當地下工業(yè)游散電流干擾在各觀測電極上加載相同信號時，可通過電位差將其消除，以達到減少測量誤差的目的，同時可以大幅提高工作效率。


圖I為本發(fā)明分布式電位梯度并行觀測電極結構示意 圖2為本發(fā)明分布式電位梯度并行觀測電極俯視示意 圖3為本發(fā)明分布式電位梯度并行觀測電極工作電極截面 圖4為本發(fā)明分布式電位梯度并行觀測電極中插頭式接口及電纜內部接線示意 圖5為本發(fā)明分布式電位梯度并行觀測電極中四芯電纜截面 圖6為本發(fā)明分布式電位梯度并行觀測電極野外布設示意 圖7為本發(fā)明分布式電位梯度并行觀測電極硬件框 圖8為本發(fā)明分布式電位梯度并行觀測電極中雙T陷波電路 圖9為本發(fā)明分布式電位梯度并行觀測電極中程控濾波電路 圖10為本發(fā)明分布式電位梯度并行觀測電極中程控放大電路圖。
具體實施例方式如圖1、2所示分布式電位梯度并行觀測電極結構示意圖和俯視示意圖，分布式電位梯度并行觀測電極外有外殼9,外殼9內有數據處理系統(tǒng)7、信號處理模塊6、信號輸入模塊5、數據傳輸總線4、控制總線3，外殼9頂部四面各有一個插頭式接口 2，工作電極8位于外殼底部并穿出底部，工作電極8信號、控制總線3和數據傳輸總線4接在插頭式接口 2上通過四芯電纜I輸出，IXD顯示屏10位于外殼9的頂部。如圖3所示工作電極截面圖，工作電極8由4個PU P2、P3、P4電極組成，電極與電極之間用絕緣物質填充使之相互隔離，工作電極8為錐形金屬條，由四個相互絕緣的獨立錐形金屬條構成，用于與大地連接，與其他工作電極構成電回路，采集電位差數據。如圖4所示插頭式接口及電纜內部接線示意圖，每個插頭式接口 2共有5個接口，接口和接口之間絕緣，2-1為預留接口，2-2為控制總線接口，2-3為數據傳輸接口，2-4為第一信號采集接口，2-5為第二信號采集接口。本發(fā)明是同 步采集兩兩電極間的電位差，所以如圖4所示，兩根信號傳輸線(L3、L4)交替接在兩個相鄰的插頭式接口的兩個信號采集接口上，兩根信號傳輸線將相鄰的電極電位差信號送入信號輸入模塊5,信號輸入模塊5輸出米集信號經過信號處理模塊6處理后送入數據處理系統(tǒng)7，數據處理系統(tǒng)7將數據送到數據傳輸總線4上和IXD顯示屏10 '2-2為控制總線接口接控制總線3 (LI)，用來傳輸控制中心發(fā)送的控制指令到數據處理系統(tǒng)7，來現實對電極的各項功能的操作，比如說同步采集指令、數據回傳指令等；2_3為數據傳輸接口接數據傳輸總線4 (L2)，將觀測電極采集到的數據通過該通道回傳控制中心進行保存；如圖5為四芯電纜截面圖。圖6為分布式電位梯度并行觀測電極野外布設示意圖，各個觀測電極12之間通過一根四芯電纜I連接，由系統(tǒng)控制中心11發(fā)出采集指令，所有觀測電極12同步觀測相鄰兩個電極的電位差，并且將數據保存在相應的觀測電極12數據處理系統(tǒng)7的固有存儲器里面，完成后各觀測電極12在控制中心指令指揮下依次將存數據向控制中心11傳輸。如圖7所示分布式電位梯度并行觀測電極硬件框圖，觀測電極12主要包括信號輸入模塊5、信號處理模塊6和數據處理系統(tǒng)7,其中信號處理模塊6包括濾波放大模塊和AD轉換模塊，數據處理系統(tǒng)7包括微處理器控制模塊、同步控制模塊、實時時鐘模塊、數據存儲和數據傳輸模塊。信號輸入模塊5采集相鄰電極間的電位差送入濾波放大模塊，這里濾波放大模塊依次包括雙T陷波電路、程控濾波電路和程控放大電路，采集的電位差經過雙T陷波電路，去掉市電干擾波；再通過程控濾波電路，根據不同的需要設置不同的濾波方式和截止頻率，達到去除其他頻率干擾波的目的；但是野外采集到的信號一般都是比較微弱，為了提高測量精度，必須要對信號進行放大處理，我們采用程控放大電路對微弱信號根據不同的要求放大不同的倍數。為了把模擬信號轉換成微處理器能夠接收和處理的數字信號，濾波放大模塊輸出信號需要經過AD轉換模塊進行模數轉換成數字信號送入微處理器控制模塊。如圖8所示雙T陷波電路圖對于地球物理儀器而言，接收機接收來自地表的信號，電力電網，輸電線路對偽隨機響應信號產生很多的干擾，雙T陷波器用于濾除50Hz干擾信號。在本設計中，采用了 BB ( Burr- Brow n)公司生產的UAF42設計的雙T陷波器。在實際使用時，市電頻率往往有偏差，而且干擾強度也隨使用環(huán)境不同而變化。因此采用兩片UAF42進行兩級雙T陷波，帶寬都是15Hz，二階電路，陷波中心頻率分別為49.8HZ 和 50. 2HZ。如圖9程控濾波電路圖在野外采集數據時，不同工作環(huán)境觀測電極受到的干擾往往是各不相同的，為了能盡可能地壓制干擾波，提高信噪比，我們設計了程控濾波電路，根據不同的需要選擇不同的工作方式(低通、高通或者帶通)，而且可以設置不同的截止頻率(或者中心頻率)I-IOOOHz可調，達到濾掉干擾波的目的。如圖10所示程控放大電路圖接收信號動態(tài)范圍比較大，為了提高儀器的信噪比和測量精度，對前段模擬信號采用了程控放大的方法。程控放大部分主要任務是將初級信號放大到A/D量化最佳區(qū)間，以提高儀器的動態(tài)范圍和靈敏度。設計這一部分主要考慮的因素有，器件的低頻噪聲特性和共模抑制比等。目前，低噪聲放大器可以通過選用噪聲指標好的集成電路來進行設計。綜合以上各種因素，最終選擇了 PGA204程控放大芯片，放大倍數可以選擇I、10、100、1000。AD轉換模塊在系統(tǒng)中，A/D芯片的選擇非常關鍵，它直接決定了系統(tǒng)的采樣頻·率、采樣精度等參數。在本次設計中，選用了德州儀器(TI)推出的多通道24位工業(yè)AD轉換器ADS1274，ADS1274是內部集成有多個獨立的高階斬波穩(wěn)定調制器和FIR數字濾波器，可實現4通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式。達到進行多通道高精度同步采樣的應用條件。微處理器控制模塊微處理器采用增強型51單片機C8051F020，該器件資源豐富，滿足該系統(tǒng)要求，且運行速度快，可以達到高速采集要求。主要用于接收控制中心的指令進行各種控制功能的操作，同時通過數據傳輸接口和控制中心連接進行數據傳遞。數據存儲模塊考慮到SD卡的大容量以及良好可擴展性，本設計中采用SD卡來存儲測量數據；SD卡，即安全數字存儲卡(Secure Digital Memory Card)是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，被廣泛地應用在便攜式裝置上。重量只有2克，卻擁有高記憶容量、快速數據傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。數據傳輸模塊數據傳輸單元主要承擔向控制中心傳送AD轉換數據的工作，通信電路采用RS232串口和USB通信方式，USB通信接口電路主要由PL2303HX構成。采用異步通信的方式進行數據傳輸，在異步通信中，需要規(guī)定好通信數據的格式，每個數據以相同的幀格式進行傳送。實時時鐘模塊為了分清楚觀測電極采集數據的先后順序，需要增加一個實時時鐘電路，在數據采集的過程中，保存測量數據的同時，把實時時間也一起存儲。同步控制模塊同步控制模塊輸入端接控制總線，一旦接收到來自控制中心11的開始采集指令，自動會觸發(fā)一個高電平脈沖，當單片機監(jiān)測到高電平脈沖，在微處理器控制模塊的控制下，會對此時的電位差信號進行一次濾波、放大、AD轉換、數據處理和數據儲存等一系列操作。因為每一個電極幾乎同步接收到控制指令，所以發(fā)出觸發(fā)脈沖的時間也應該相同，這樣就實現了所有觀測電極的同步采樣。
權利要求
1.一種分布式電位梯度并行觀測電極，外有外殼(9),工作電極(8)位于外殼底部并穿出底部，其特征在于，外殼(9)內有數據處理系統(tǒng)(7)、信號處理模塊(6)、信號輸入模塊(5)、數據傳輸總線(4)、控制總線(3)，外殼(9)頂部四面各有一個插頭式接口(2)，工作電極(8 )信號傳輸線、控制總線(3 )和數據傳輸總線(4 )接在插頭式接口( 2 )上通過四芯電纜輸出外接，IXD顯示屏(10)位于外殼(9)的頂部，工作電極(8)由互相絕緣的4個電極組成，相鄰的兩個電極信號送入信號輸入模塊(5),信號輸入模塊(5)輸出米集信號經過信號處理模塊(6)處理后送入數據處理系統(tǒng)(7)，數據處理系統(tǒng)(7)將數據送到數據傳輸總線(4)上和IXD顯示屏(10)。
2.根據權利要求I所述分布式電位梯度并行觀測電極，其特征在于，所述每個插頭式接口(2)共有5個接口，接口和接口之間絕緣，5個接口分別為預留接口、控制總線接口、數據傳輸接口、第一信號采集接口、第二信號采集接口，第一信號采集接口和第二信號采集接口分別接相連的兩個電極。
3.根據權利要求I所述分布式電位梯度并行觀測電極，其特征在于，所述信號處理模塊(6)包括濾波放大模塊和AD轉換模塊，數據處理系統(tǒng)(7)包括微處理器控制模塊、同步控制模塊、實時時鐘模塊、數據存儲和數據傳輸模塊，信號輸入模塊(5)采集相鄰電極間的電位差送入濾波放大模塊，這里濾波放大模塊依次包括雙T陷波電路、程控濾波電路和程控放大電路，采集的電位差經過雙T陷波電路，去掉市電干擾波，再通過程控濾波電路，除其他頻率干擾波輸出，程控放大電路對濾波后信號進行放大，放大后信號經過AD轉換模塊進行模數轉換成數字信號送入微處理器控制模塊。
4.根據權利要求3所述分布式電位梯度并行觀測電極，其特征在于，所述雙T陷波電路采用兩片UAF42進行兩級雙T陷波，帶寬都是15Hz，二階電路，陷波中心頻率分別為49. 8HZ 和 50. 2HZ。
5.根據權利要求3所述分布式電位梯度并行觀測電極，其特征在于，所述程控放大電路選擇PGA204程控放大芯片，放大倍數可以選擇I、10、100、1000。
6.根據權利要求3所述分布式電位梯度并行觀測電極，其特征在于，所述AD轉換模塊德州儀器推出的多通道24位工業(yè)AD轉換器ADS1274，ADS1274是內部集成有多個獨立的高階斬波穩(wěn)定調制器和FIR數字濾波器，可實現4通道同步采樣，支持高速、高精度、低功耗、低速4種工作模式。
7.根據權利要求3所述分布式電位梯度并行觀測電極，其特征在于，所述數據處理系統(tǒng)(7)中微處理器控制模塊采用增強型51單片機C8051F020，同步控制模塊、實時時鐘模塊、數據存儲和數據傳輸模塊為微處理器控制模塊外圍工作模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分布式電位梯度并行觀測電極，外有外殼，工作電極位于外殼底部并穿出底部，外殼頂部四面各有一個插頭式接口，工作電極信號、控制總線和數據傳輸總線接在插頭式接口上通過四芯電纜輸出外接，LCD顯示屏位于外殼的頂部，工作電極由互相絕緣的4個電極組成，相鄰的兩個電極信號依次送入信號輸入模塊、信號處理模塊和數據處理系統(tǒng)，數據處理系統(tǒng)最后將數據送到數據傳輸總線上和LCD顯示屏。方便采集大量的勘探數據，采用同步數據采集技術，在控制指令的統(tǒng)一指揮下，所有電極同時、同步觀測，當地下工業(yè)游散電流干擾在各觀測電極上加載相同信號時，可通過電位差將其消除，以達到減少測量誤差的目的，同時可以大幅提高工作效率。
文檔編號G01V3/34GK102955176SQ201210388119
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權日2012年10月15日
發(fā)明者黃俊革, 農觀海 申請人:上海應用技術學院