CN101672930B

CN101672930B - 隧道或坑道超前地质预报激发极化时域接收机设备

Info

Publication number: CN101672930B
Application number: CN2009100189811A
Authority: CN
Inventors: 刘斌; 李术才; 李树忱; 聂利超; 李利平; 许振浩
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2029-09-22
Also published as: CN101672930A

Abstract

本发明是一种隧道或坑道超前地质预报激发极化时域接收机设备。它提高了激发极化时域接收机设备的性能，具有更强的抗干扰能力，更加适应于隧道中的探测，提高隧道超前地质预报的准确性。其结构为：它包括依次连接的被测信号输入端、抗干扰及陷波电路、可变增益差分输入放大器、陷波低通滤波器、第二级增益放大器、极性判别及信号极性翻转电路、光电隔离电路、CPU及工业级PC机；同时，光电隔离电路还分别通过第一级增益控制器控制可变增益差分输入放大器，通过第二级增益控制器控制第二级增益放大器；CPU接收来自发射设备的停止脉冲。

Description

隧道或坑道超前地质预报激发极化时域接收机设备

技术领域

本发明涉及一种隧洞或者坑道中基于激发极化的时域超前预报技术，具体地说是一种隧道或坑道超前地质预报激发极化时域接收机设备。

背景技术

我国水利水电、交通领域中有大量隧道工程，隧道工程地质灾害是制约隧道施工的关键因素，往往由于隧道开挖前方地质情况不明，经常出现无法预料的地质灾害，如突水、突泥、坍塌等。在井下进行煤矿开采过程中，经常也会遇到老空水等地质灾害，这些地质灾害造成的后果是轻则冲毁机具，淹没隧道，正常施工被迫中断；重则造成重大人员伤亡，产生巨大的经济损失，甚至有些地下工程会因此被迫停建或改线。所以，对于这些地质灾害做出超前探测或预报就显得很有必要，也很有意义。

激发极化(IP，Introduced Polarization)法作为一种重要的电磁勘探方法，以其独特的优点(经济、无损、快速及信息丰富等)广泛应用于资源勘探与工程勘察中。激发极化法是通过接收和分析各种异常体的激发极化效应来达到探测预报的目的。它有对隧道不良水体反映灵敏的特点，可用来预报工作面前方突水异常体及其涌水量情况。在隧道及地下坑道的超前地质预报中，激发极化法对隧道水体不良地质体的预报具有明显的效果。可以说，激发极化是目前所有超前探测方法中最有发展前景的一种方法之一。

时间域激发极化法直接找水是我国物探工作者于上世纪70年代中期集体发明的具有我国自主知识产权的方法。它主要是利用地下水激发极化机制，形成的一个新方法。其原理是在地面向地下供给一个较大电流，它将会使地下不同的岩石或水体受激发产生极化，极化的岩体或水体极化二次电场，通过接收得到极化率和极化电流的衰减系数等参数。上世纪80年代中期，出现了激发极化二次时差法。该方法是向地下分别供入不同大小的电流作为激发电流，分别测取极化电位的半衰时，测出大电流供电的极化半衰时和小电流供电极化的半衰时之差，含自由水的含水层的差值为正值，且含水量越大，二次时差值越大。通过已知条件的测值相关，可以计算出含水量。经过几十个工地，上百个钻孔均获得成功。

为了预报工作面前方水体及其涌水量，激发极化的接收机是很关键的一部分，它影响到数据的采集及最终预报成果的解释。虽然激发极化在地面上的应用已经比较成熟，但在地下隧道或坑道上的应用也总的来说只是一个初步尝试，由于隧道与地面的探测环境不同，地面探测的基本上是一个半空间的解释问题，这有利于激发极化的处理与解译；而大部分隧道中的探测则相当于一个近全空间解释问题，这就增加了激发极化的多解性，很不利于各种异常的判断；另外，由于激发极化的二次场信号很微弱且易受干扰，使得测量精度受到影响，需要做各种各样的处理，但其最终的解释结果会受到很大的影响。因此，适合于隧道超前预报的激发极化时域接收机设备的研制就成了一个关键。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种隧道或坑道超前地质预报激发极化时域接收机设备，它是在现有激发极化发射机的研究基础上对其进行一定的改进，试图提高激发极化时域接收机设备的性能，具有更强的抗干扰能力，更加适应于隧道中的探测，提高隧道超前地质预报的准确性。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种隧道或坑道超前地质预报激发极化时域接收机设备，它包括依次连接的被测信号输入端、抗干扰及陷波电路、可变增益差分输入放大器、陷波低通滤波器、第二级增益放大器、极性判别及信号极性翻转电路、光电隔离电路、CPU及工业级PC机；同时，光电隔离电路还分别通过第一级增益控制器控制可变增益差分输入放大器，通过第二级增益控制器控制第二级增益放大器；CPU接收来自发射设备的停止脉冲。

所述抗干扰及陷波电路包括共模/差模抑制电路和一级陷波电路，其中，共模/差模抑制电路吸收高频信号的干扰；一级陷波电路为无源50Hz陷波电路，衰减量不小于-42dB。

所述陷波低通滤波器为二级无源50Hz陷波电路，其衰减量不小于-42dB。

所述光电隔离电路由模拟线性光电隔离和数字光电隔离两部分组成。

所述极性判别及信号极性翻转电路自动将负极性信号转换为正极性信号，同时输出代表正负极性的标志位。

所述工业级PC机进行数据分析、绘图和保存，采样前设置放电时间和采样间隔，显示充电、放电曲线；显示可以显示放电参数：极化率、衰减度、激发比、半衰时采样值，并在曲线上标注半衰时，并且提供5个显示量程；保存放电曲线和充放电采样值且打开已经保存的文件，查看采样值、放电曲线、工程名称、档位、放电参数等信息。

本发明的激发极化时域接收机设备，其硬件电路包括共模/差模抑制电路、一级50Hz陷波电路、可变增益差分输入放大器、二级50Hz陷波电路、8阶10Hz低通滤波器、二级增益放大器、极性判别及信号极性翻转电路、光电隔离电路、CPU、RS232接口等，另外工业级PC机负责数据的分析、绘图、保存等。

共模/差模抑制电路主要是吸收高频信号的干扰。

50Hz陷波电路，一级无源50Hz陷波电路，衰减量不小于-42dB；在第一级放大器后插入第二级无源50Hz陷波电路，其衰减量不小于-42dB。因此，直流放大器对50Hz工频信号有-84bB～-4dB的衰减量。

可变增益差分输入放大器，被测信号的幅度从几十微伏到几伏，跨度范围达到80dB(10000倍)。很显然使用固定增益来测量如此大变化范围的信号是有很大难度的。因此，设计了自适应增益放大电路。系统根据测得的数据分析后自动控制增益的增大还是减小，使12位的ADC转换器相当于261/2位分辨率的ADC，最小分辨电压达到了0.051uV。

光电隔离电路为避免数字处理部分对放大器部分的干扰，数字部分与模拟部分之间采用模拟光电隔离技术；同时数字与模拟部分分别采用独立的电源。

极性判别及信号极性翻转电路，因输入信号可能具有双极性，放大器设置了极性自动识别电路，自动将负极性信号转换为正极性信号，同时输出代表正负极性的标志位。

工业级PC机的分析、绘图和保存，采样前可以设置放电时间和采样间隔(缺省：30s和500ms)，显示充电、放电曲线；显示可以显示放电参数：极化率、衰减度、激发比、半衰时等采样值，并在曲线上标注半衰时，并且可以选择5个显示量程；可以保存放电曲线和充放电采样值且可以打开已经保存的文件，查看采样值、放电曲线、工程名称、档位、放电参数等信息。

如表1所示五个档位的测量范围：

输入信号峰值范围	放大倍数	与上以级增益增加值(dB)
			200mV～2000mV	1	0
20mV～200mV	10	20
			2mV～20mV	100	20
200uV～2mV	1000	20
			20uV～200uV	10000	20

本发明的实际应用过程操作简单：

1>打开终端显示界面，填写“工程名称”

2>打开端口——“打开端口”按钮，建立和采集系统的通信连接：按钮变为“关闭端口”“操作提示”显示连接情况：成功或失败，按钮上面图标颜色显示当前状态(红：关闭，绿：打开)

3>设置采样时间——“设置采样时间”按钮，设置放电的采样时间：按钮上面图标颜色显示当前状态(蓝：未设置，绿：已设置)缺省值为：30s

4>设置采样间隔——“设置采样间隔”按钮，设置放电和充电采样的时间间隔：按钮上面图标颜色显示当前状态(蓝：未设置，绿：已设置)缺省值为：500ms

5>开始采样——“开始采样”按钮，对充电过程进行采样：按钮变为“结束采样”；按钮上面图标颜色显示当前状态(红：关闭，绿：打开)，这时：a)启动采集系统进行采样，显示充电采样值和充电曲线；b)当充电完毕之后，采集系统反馈放电开始信号，自动进入放电状态c)当点状态下，显示放电采样值和放电曲线，并计算并显示放电参数d)当放电完毕之后，采集系统反馈放电结束信号，停止接受采样值

6>停止采样——停止采样动作，以便于保存曲线和采样值停止采样系统的采样动作；

7>保存曲线和数据——“保存数据”按钮，此时可以保存放电曲线和充放电的采样值，保存在“d:\”d盘根目录下，名为：

曲线：“工程名”+“当前日期”+_+“测量次数”+_curve+.jpg

数据：“工程名”+“当前日期”+_+“测量次数”+_data+.xls

8>结束一次测量过程——“清除屏幕”、“关闭端口”

清除屏幕——清除采样值和采样曲线

关闭端口——断开和采集系统的通信

9>退出程序——“退出”按钮注：在观察放电曲线的时候，随时可以改变观察量程

在“关闭端口”的状态下可以打开已保存的文件(数据文件或者图片文件)，这时可以回复保存前的状态：充电放电采样值、放电曲线、观察量程、工程名称以及各个放电参数

本发明的有益效果是：该设备可以自动实现极化补偿，系统加电后自动跟踪输入的初始极化电压的变化调整调零信号，使放大器的直流工作点始终保持在0轴上，当系统正式启动工作时，停止跟踪调整并保持在启动前最新一次的跟踪点上。该设备抗干扰能力强，电路的输入级有一级无源50Hz陷波电路，在第一级放大器后插入第二级无源50Hz陷波电路，可以极大的压制50Hz工频信号的干扰；输入级设有高频共模/差模高频干扰抑制电路吸收高频信号的干扰；同时电路中设有8阶巴特沃兹低通滤波器，另外，数字部分与模拟部分之间采用模拟光电隔离技术并分别采用独立的电源，可以好好的避免数字处理部分对放大器部分的干扰。该设备测量量程大，测量精度高，信号电压增益为1(0dB)～10000倍(80dB)，可以放大±20uV～±2000mV的直流信号。该设备方面有效，放大器设置了极性自动识别电路，自动将负极性信号转换为正极性信号，输出代表正负极性的标志位。此外该设备以此同步脉冲时刻的采样数据计算相应的参数在屏幕上显示并实时显示充放电曲线，同时保存原始数据和放电曲线，方面用户判断数据的真实性。

附图说明

图1是本发明时域接收设备系统构建原理图。

其中，1.被测信号输入端，2.抗干扰及陷波电路，3.可变增益差分输入放大器，4.陷波低通滤波器，5.第二级增益放大器，6.极性判别及信号极性翻转电路，7.光电隔离电路，8.CPU，9.工业级PC机，10.第一级增益控制器控制，11.第二级增益控制器，12.停止脉冲。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1中，它包括依次连接的被测信号输入端1、抗干扰及陷波电路2、可变增益差分输入放大器3、陷波低通滤波器4、第二级增益放大器5、极性判别及信号极性翻转电路6、光电隔离电路7、CPU8及工业级PC机9；同时，光电隔离电路7还分别通过第一级增益控制器10控制可变增益差分输入放大器3，通过第二级增益控制器11控制第二级增益放大器5；CPU8接收来自发射设备的停止脉冲12。

抗干扰及陷波电路2包括共模/差模抑制电路和一级陷波电路，其中，共模/差模抑制电路吸收高频信号的干扰；一级陷波电路为无源50Hz陷波电路，衰减量不小于-42dB。

陷波低通滤波器4为二级无源50Hz陷波电路，其衰减量不小于-42dB。

光电隔离电路7由模拟线性光电隔离和数字光电隔离两部分组成。

极性判别及信号极性翻转电路6自动将负极性信号转换为正极性信号，同时输出代表正负极性的标志位。

工业级PC机9进行数据分析、绘图和保存，采样前设置放电时间和采样间隔，显示充电、放电曲线；显示可以显示放电参数：极化率、衰减度、激发比、半衰时采样值，并在曲线上标注半衰时，并且提供5个显示量程；保存放电曲线和充放电采样值且打开已经保存的文件，查看采样值、放电曲线、工程名称、档位、放电参数等信息。

Claims

1.一种隧道或坑道超前地质预报激发极化时域接收机设备，其特征是，它包括依次连接的被测信号输入端、抗干扰及陷波电路、可变增益差分输入放大器、陷波低通滤波器、第二级增益放大器、极性判别及信号极性翻转电路、光电隔离电路、CPU及工业级PC机；同时，光电隔离电路还分别通过第一级增益控制器控制可变增益差分输入放大器，通过第二级增益控制器控制第二级增益放大器；CPU接收来自发射设备的停止脉冲；所述抗干扰及陷波电路包括共模/差模抑制电路和一级陷波电路，其中，共模/差模抑制电路吸收高频信号的干扰；一级陷波电路为无源50Hz陷波电路，衰减量不小于-42dB；所述陷波低通滤波器为二级无源50Hz陷波电路，其衰减量不小于-42dB；所述光电隔离电路由模拟线性光电隔离和数字光电隔离两部分组成；所述极性判别及信号极性翻转电路自动将负极性信号转换为正极性信号，同时输出代表正负极性的标志位；所述工业级PC机进行数据分析、绘图和保存，采样前设置放电时间和采样间隔，显示充电、放电曲线；显示可以显示放电参数：极化率、衰减度、激发比、半衰时采样值，并在曲线上标注半衰时，并且提供5个显示量程；保存放电曲线和充放电采样值且打开已经保存的文件，查看采样值、放电曲线、工程名称、档位、放电参数信息。