本發(fā)明涉及探測領(lǐng)域，具體涉及一種新型分布式跨孔CT探測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

眾所周知，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，煤炭需求量越來越大，然而在煤礦的開采過程中往往伴隨著一些事故，其中礦井水災(zāi)害已成為影響煤礦安全生產(chǎn)的主要因素，災(zāi)害的發(fā)生往往會造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。因此，準(zhǔn)確掌握所要掘進采煤層的水文地質(zhì)條件，查明地質(zhì)異常體(如含水構(gòu)造體)的準(zhǔn)確位置，為下一步煤層灌漿打好堅實基礎(chǔ)，保障礦井安全高效開采很有必要。

目前，跨孔電阻率探測的方法主要有：(1)電剖面法，這種方法具有較好的水平分辨率，異常明顯等特點，但缺點是探測深度不大。(2)電測深法、具有良好的垂直分辨率，能夠勘察較深的地層，缺點是隨勘測深度的增加，所需要的電極也多，水平工作效率不是很高。(3)中間梯度法，測量時供電電極固定，測量局限性大，數(shù)據(jù)量少，通常只有幾十到幾百個數(shù)據(jù)，不能完整的表達地質(zhì)信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型分布式跨孔CT探測系統(tǒng)，該探測系統(tǒng)可以快速的采集大量的數(shù)據(jù)，獲取了較豐富的地電斷面的地質(zhì)構(gòu)造特征信息，完成電阻率、自然電位等多項物性參數(shù)的測量，從不同電性角度刻畫地下結(jié)構(gòu)。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為：

一種新型分布式跨孔CT探測系統(tǒng)，包括計算機系統(tǒng)、雙核處理器、發(fā)射機、從機、電壓采集系統(tǒng)和發(fā)射電流采集系統(tǒng)，所述計算機系統(tǒng)與雙核處理器連接，雙核處理器與發(fā)射機、從機連接，發(fā)射電流采集系統(tǒng)與發(fā)射機連接，同時電壓采集系統(tǒng)和發(fā)射電流采集系統(tǒng)均與從機連接。

所述從機包括5個，其中從機1至從機4與電壓采集系統(tǒng)連接，從機5與電流采集電路連接。

所述電壓采集系統(tǒng)包括順序連接的電極、通道選擇開關(guān)、雙限比較器、程控放大器、單端轉(zhuǎn)差分電路和A/D轉(zhuǎn)換器，其中，A/D轉(zhuǎn)換器還與從機連接，電極接入大地中。

所述電壓采集系統(tǒng)還包括匹配電路，所述匹配電路設(shè)于通道選擇開關(guān)與雙限比較器之間，匹配電路用于防止電極的電壓過大而導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器被燒壞。

所述雙核處理器為M3和DSP雙核處理器。

所述發(fā)射機內(nèi)設(shè)有大功率發(fā)射模塊，大功率發(fā)射模塊包括相連接的驅(qū)動板和IGBT功率橋路，其中驅(qū)動板與雙核處理器連接，IGBT功率橋路一端與驅(qū)動板連接，IGBT功率橋路另一端與發(fā)射電流采集系統(tǒng)連接，驅(qū)動板從雙核處理器中接收到同步控制信號后，控制橋路產(chǎn)生雙極性電流歸零信號。

所述發(fā)射電流采集系統(tǒng)包括順序連接的霍爾電流互感器、絕對值電路以及第一A/D轉(zhuǎn)換器，所述A/D轉(zhuǎn)換器為24位Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器。

一種新型分布式跨孔CT探測方法，利用上述的新型分布式跨孔CT探測系統(tǒng)進行探測，包括如下步驟：

(1)雙核處理器提供的同步控制信號接入到發(fā)射機的驅(qū)動板中，控制橋路產(chǎn)生雙極性電流歸零信號，在系統(tǒng)中加入電流互感器，用于監(jiān)測發(fā)射機發(fā)射信號的電流大小，發(fā)射機的發(fā)射電流信號由電流互感器感應(yīng)并轉(zhuǎn)換為電壓信號，由于發(fā)射信號是雙極性的直流，再經(jīng)過絕對值電路輸入至24位A/D轉(zhuǎn)換器中進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳給從機5，經(jīng)過從機5的換算之后，得出電流值，電流值在計算機系統(tǒng)上實時顯示。

(2)電極的電壓信號經(jīng)過雙限比較器分為3個電壓范圍，每個范圍會輸出相應(yīng)的編碼信號給對應(yīng)的從機，由從機輸出控制信號給程控放大器，對信號進行自適應(yīng)放大，經(jīng)過單端轉(zhuǎn)差分后，信號輸入AD轉(zhuǎn)換器，用于保證電壓數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)換；

(3)得到各電極的電壓以及發(fā)射電流后，根據(jù)公式可以算出大地的視電阻率值，把求得的視電阻率值經(jīng)過反演算法處理即可得出地質(zhì)構(gòu)造信息。式中ρ為視電阻率，ΔU_MN為供電電極A、B在公共電極M與任意電極N之間的電位差，I為供電電流，k為電極裝置系數(shù)，計算公式為AM為供電電極A與公共電極M的距離，BM為供電電極B與公共電極M的距離，AN為供電電極A與電極N的距離，BN為供電電極B與電極N的距離。

本發(fā)明具有如下幾個特點：

1.基于靜電場理論,融合了電阻率剖面、電阻率測深、中間梯度法等多種方法，不同探測方向相輔相成。

2.所有電極一次性布設(shè)，通過通道選擇開關(guān)控制可以很方便的控制電極轉(zhuǎn)換，降低數(shù)據(jù)采集過程中因電極設(shè)置引起的干擾和測量誤差。采集的數(shù)據(jù)可以自動存儲到計算機，數(shù)據(jù)采集速率快，采用24位Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器，使得數(shù)據(jù)采集精度高。

3.系統(tǒng)有64個電極，其中有兩個電極作為供電電極，一個為公共電極。這使得它可以在 AB供電一次的情況下同時采集61組電壓數(shù)據(jù)。儀器采用61個電壓通道采集數(shù)據(jù)，不僅數(shù)據(jù)采集速度比傳統(tǒng)儀器快而且數(shù)據(jù)量也要大很多，一小時之內(nèi)就可以采集6萬多個數(shù)據(jù)，極大的豐富了地電斷面的地質(zhì)構(gòu)造特征信息。

4.采用歸零雙極性方波發(fā)射方式，有效的抑制了工頻干擾。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過多通道的同步數(shù)據(jù)采集，可以快速的采集大量的數(shù)據(jù)，獲取了較豐富的地電斷面的地質(zhì)構(gòu)造特征信息，完成電阻率、自然電位等多項物性參數(shù)的測量，從不同電性角度刻畫地下結(jié)構(gòu)。為煤礦工作人員提供可靠的地下結(jié)構(gòu)信息，方便提前應(yīng)對在開采過程中可能發(fā)生的災(zāi)害，能夠很好的保證開采過程的安全，減少人員傷亡和經(jīng)濟損失。

附圖說明

圖1為本發(fā)明跨孔CT探測系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明中大功率發(fā)射模塊框圖；

圖3為本發(fā)明從機1-從機4接收電壓采集系統(tǒng)框圖；

圖4為本發(fā)明從機5的發(fā)射電流采集系統(tǒng)框圖。

具體實施方式

參見圖1，一種新型分布式跨孔CT探測系統(tǒng)，包括計算機系統(tǒng)、雙核處理器、發(fā)射機、從機、電壓采集系統(tǒng)和電流采集電路，所述計算機系統(tǒng)與雙核處理器連接，雙核處理器與發(fā)射機、從機連接，電壓采集系統(tǒng)和電流采集電路均與從機連接。其中，雙核處理器M3和DSP雙核處理器。本發(fā)明中，具有5個從機，其中從機1至從機4與電壓采集系統(tǒng)連接，從機5與電流采集電路連接。

電壓采集系統(tǒng)包括順序連接的電極、通道選擇開關(guān)、匹配電路、雙限比較器、程控放大器、單端轉(zhuǎn)差分電路和A/D轉(zhuǎn)換器，其中，A/D轉(zhuǎn)換器還與從機連接，電極接入大地中。

系統(tǒng)原理：系統(tǒng)自動將64個電極分為奇數(shù)組和偶數(shù)組各32個，在這兩組電極中各選取一個電極作為供電電極A和B，在一次通電過程中同時測量其它電極相對于某一電極M的電位差，就可得到61個電位差數(shù)據(jù)。而奇數(shù)組32個電極和偶數(shù)組32個電極相互配對供電，即有32×32＝1024次供斷電過程，每次供電可同時采集61個電位差數(shù)據(jù)，因此總的數(shù)據(jù)量應(yīng)為32×32×61＝62464個。6萬多個數(shù)據(jù)經(jīng)過反演即可得出地質(zhì)構(gòu)造信息。根據(jù)系統(tǒng)框圖可知，計算機系統(tǒng)通過以太網(wǎng)口發(fā)出控制信號給雙核處理器，處理器接收到控制信號后，反饋應(yīng)答信號并向從機發(fā)送采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號，從機接收到信號后準(zhǔn)備采集數(shù)據(jù)，從機準(zhǔn)備好后，回傳數(shù)據(jù)采集就緒信號給雙核處理器，處理器給出采集信號從機即可開始數(shù)據(jù)采集，雙核處理器與從機之間通過SPI總線通信，整個數(shù)據(jù)的采集過程是由SYNC1和SYNC2兩個信號進 行同步。

參見圖2，大功率發(fā)射模塊是發(fā)射機的核心，本儀器采用串聯(lián)均壓的方式，即由獨立電源為每個橋路供電，各橋路上的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)承受的電壓是相互獨立的,這樣就保證了IGBT串聯(lián)時不會因為電壓分配不均勻而導(dǎo)致器件損壞的問題,進而保證了功率器件穩(wěn)定可靠的工作。由雙核處理器提供的同步控制信號接入到驅(qū)動板中，控制IGBT功率橋路產(chǎn)生雙極性電流歸零信號，此信號通過發(fā)射電極通入大地可以很好的抑制大地的50Hz工頻干擾,很好的保證采集數(shù)據(jù)的有效性。參見圖4，霍爾電流互感器、絕對值電路以及A/D轉(zhuǎn)換器組成發(fā)射電流采集系統(tǒng)，在系統(tǒng)中加入霍爾電流互感器的作用是用于檢測發(fā)射機發(fā)射信號的電流大小，方便調(diào)整發(fā)射電流的大小來保證電流在整個工作過程中的一致性。線圈中的電流由霍爾電流互感器感應(yīng)并轉(zhuǎn)換為電壓信號，由于發(fā)射信號是雙極性的直流，所以需要經(jīng)過絕對值電路才能輸入24位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出至從機5，經(jīng)過從機5換算處理后，得出發(fā)射電流值，電流值實時顯示在計算機系統(tǒng)上。

參見圖3，從機1-4分別控制16路通道，電極通道打開的時候，此時通道選擇開關(guān)與匹配電路連接，匹配電路的作用是防止電極的電壓過大而導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器被燒壞，電極的電壓信號經(jīng)過雙限比較器可分為3段即3個電壓范圍，由于每個電壓范圍輸出的編碼不同，每個范圍會輸出相應(yīng)的編碼信號給對應(yīng)的從機，讓從機知道電壓信號是在哪個范圍的，進而輸出控制信號給程控放大器，對信號進行自適應(yīng)放大，經(jīng)過單端轉(zhuǎn)差分電路后，信號輸入A/D轉(zhuǎn)換器，這樣保證了數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)換，因為A/D的有效轉(zhuǎn)換范圍為基準(zhǔn)電壓的10％-90％。

得到各電極的電壓以及發(fā)射電流后，根據(jù)公式可以算出大地的視電阻率值，把求得的視電阻率值經(jīng)過反演算法處理即可得出地質(zhì)構(gòu)造信息。式中ρ為視電阻率；k為電極裝置系數(shù)，計算公式為ΔU_MN為供電電極A、B在公共電極M與任意電極N之間的電位差；I為供電電流；AM為供電電極A與公共電極M的距離，BM為供電電極B與公共電極M的距離，AN為供電電極A與電極N的距離，BN為供電電極B與電極N的距離。