CN102520449B - 高密度电法仪接收机装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉一种高密度电法仪接收机装置。是由上位机连接主控制器和三通道24位高速A/D同步转换电路，高密度电法发射机连接电极AB电压采集调理电路、电极AB电流采集调理电路，ABMN电极接口分别与A电极、B电极、M电极和N电极连接，ABMN电极接口与电极MN电压采集调理电路连接，经增强型电极转换装置分别与电极1、2、3......N连接构成。与现有技术相比，采用了增强型电极转换装置，能够采集任意随机编码波形，同步采集三个通道的模拟信号，增加测量AB电极电压的采集通道，提高了任意随机编码波形的灵活性和数据分析处理精度，增设ABMN电极采集通道的接口，灵活设置、组合各种电法采集方法，加大了探测深度，非常便捷，提高了效率，节省了工时和野外测量费用。

Description

高密度电法仪接收机装置

技术领域

本发明涉一种地球物理勘探仪器，尤其是高密度电法仪的接收机装置。

背景技术

电法勘探仪器被广泛应用于找矿、找水、地下管线探测以及工程质检等方面，在方法理论、方法技术上都形成了比较成熟的体系，尤其是随着电子技术的不断发展，再加上电子计算机的迅速发展和普及，以及各种功能强大的程序语言的出现，使得现代的电法勘探工作也取得较快的发展，而近几十年新兴的高密度电法仪器发展尤为迅速，与其相关的研究都在推陈出新。

专利[CN 102129088A]“探地仪发射机”中提到了测量AB电极的电压，根据其说明书附图3中的波形状态监测11可以理解为其主要实现对AB电极的电压监测功能，虽然该专利对AB电极电压进行测量但只是进行监测，没有进行数据的分析处理。同时传统电法仪器多数考虑测量AB电极的电流和MN电极的电压，而对AB电极的电压很少考虑。

2009年8月《工程地球物理学报》第6卷(增刊)“高密度电法开放式编辑系统的主要特点及应用”一文中提到了高密度开放式编辑系统，此种系统除了发射各种占空比的方波外，还包括各种伪随机波形、用户自定义波形。这种软件转换的确带来很大的方便，其硬件组成是统一的，不必像过去硬件逻辑中那样需要许多对应的专用电路，而且软件的灵活性很强，当需要改变功能时，只改变程序即可，并不需要改变电路。但是，该系统没有具体提到相对应的接收装置的相关特点，随着发射波形的复杂度和带宽的提高，对接收机装置的数据采样率、分辨率、带宽、通道之间采集同步性和灵活性也就提出了更高的要求。

用2n伪随机波做激励源进行电法勘探，是一种新的已经被证明是行之有效的工作方法，该方法工作效率高，专利[CN 1683941A]“一种地电场伪随机三频地电响应测量装置及方法”中就提出了一种伪随机三频地电响应测量装置及方法，但是该专利中的接收机装置的接收频段相对固定单一，需要考虑到不同的接收频率对接收装置的低频、中频、高频的特点来设计硬件电路，不能互相通用，相对繁琐，复杂。

专利[CN 101498791A]中提到的一种高密度电法仪的增强型电极转换装置来实现的，此装置电缆连接灵活、拆装方便、系统自动为各从机编号、无需人工编号、能自动识别故障及其位置，是一种完善的分布式电极转换装置。专利[CN1090936A]中同样提出了一种分布式微机控制多路电极转换器装置，此转换器不但适用于高密度电阻率测量，而且还能推广应用于各种常规电法的测量。虽然这些电极开关转换装置能进行一些常规电法的测量，但是在一些地理条件复杂的情况下，电极开关转换器容易受电缆的长度、体积、及布线不灵活的限制，仍不能充分发挥其作用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种高密度电法仪接收机装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

高密度电法仪接收机装置，是由上位机1经USB接口2连接主控制器4和三通道24位高速A/D同步转换电路6，高密度电法发射机3经主控制器4与高速FIFO 5连接，高密度电法发射机3经电极AB电压采集调理电路7与三通道24位高速A/D同步转换电路6连接，高密度电法发射机3经电极AB电流采集调理电路8与三通道24位高速A/D同步转换电路6连接，高密度电法发射机3经电极MN电压采集调理电路9与三通道24位高速A/D同步转换电路6连接，高密度电法发射机3经ABMN电极接口10分别与A电极12、B电极13、M电极14和N电极15连接，ABMN电极接口10与电极MN电压采集调理电路9连接，高密度电法发射机3经增强型电极转换装置11分别与电极1、2、3……N连接构成。

所述的电极AB电压采集调理电路7是由电阻分压电路17经第一保护电路18与第一抗混叠滤波电路19连接构成。

所述的电极AB电流采集调理电路8是由采样电阻电路20经第二保护电路21、第一50HZ陷波电路22和第一程控放大电路23与第二抗混叠滤波电路24连接构成。

所述的电极MN电压采集调理电路9是由电阻和电压测量切换开关电路25经第三保护电路26、第二50HZ陷波电路27、加法器29和第二程控放大电路30与第三抗混叠滤波电路31连接，自然电位补偿电路28与加法器29连接，自然电位补偿电路28与高密度电法发射机3连接构成。

所述的三通道24位高速A/D同步转换电路6是由A/D模数转换芯片同步控制线33分别连接A/D模数转换芯片I 32、A/D模数转换芯片II35和A/D模数转换芯片III36，电极MN电压经A/D模数转换芯片I 32和数据总线连接主控制器，电极AB电压经A/D模数转换芯片II 35和数据总线连接主控制器，电极AB电流经A/D模数转换芯片III36和数据总线连接主控制器构成

上位机1用于设置和控制接收机装置参数，并且实时显示数据、保存数据、以及数据成图解释；USB2.0高速数据收发器2，通过USB数据线与上位机连接，用来实现大数量的传递；电法发射机3，是一种可以发射任意随机编码波形的电法发射机；主控制器4通过USB2.0高速数据收发器2与上位机1连接进行大容量数据传递，同时接收上位机1的指令进行各种控制功能的操作；高速数据缓冲FIFO5用于大容量数据传输过程中的缓冲；三通道24位A/D同步转换电路6，是由3个相同型号的高速高精度24位A/D模数转换器构成，三通道可以同步采集实现地电模拟信号的数字转化功能；电极AB电流信号调理电路7，用来实现电极AB电流信号的前端模拟信号调理并送往A/D转换器进行数据采集；电极AB电压信号调理电路8，用来实现电极AB电压信号的前端模拟信号调理并送往A/D转换器进行数据采集；电极MN电压信号调理电路9，用来实现电极MN电压信号的前端模拟信号调理并送往A/D转换器进行数据采集；ABMN电极接口10，用来实现连接普通电法中的电极接口功能；一种高密度电法仪的增强型电极转换装置11，用来实现高密度电法的电极布线及转换电极开关接口功能；A电极12和B电极13，用来实现与大地接触的金属导体；M电极14和N电极15，用来实现与大地接触的金属导体；电极(1～n)16用来与大地接触的金属导体。

有益效果：本发明与现有的高密度电法仪相比，采用了增强型电极转换装置，能够采集任意随机编码波形，三通道24位高速A/D同步转换电路同步采集三个通道的模拟信号，增加测量AB电极电压的采集通道，提高了发射机发射任意随机编码波形的灵活性，提高了数据分析处理的精度，增设ABMN电极采集通道的接口，可以灵活设置、组合各种电法采集方法和加深在有限测量空间内的探测深度，非常方便便捷，较大地提高了工作效率，节省了工时和野外测量费用。

附图说明

附图1为高密度电法接收机装置结构图；

附图2为电极AB电压采集调理电路结构图；

附图3为电极AB电流采集调理电路结构图；

附图4为电极MN电压采集调理电路结构图；

附图5为三通道24位高速A/D同步转换电路结构图。

1上位机，2USB接口，3高密度电法发射机，4主控制器，5高速FIFO，6高速A/D同步转换电路，7电极AB电压采集调理电路，8电极AB电流采集调理电路，9电极MN电压采集调理电路，10ABMN电极接口，11电极转换装置，12A电极，13B电极，14M电极，15N电极，16电极(1、2、3……n)，17电阻分压电路，18第一保护电路，19第一抗混叠滤波电路，20采样电阻电路，21第二保护电路，22第一50HZ陷波电路，23第一程控放大电路，24第二抗混叠滤波电路，25切换开关电路，26第三保护电路，27第二50HZ陷波电路，28自然电位补偿电路，29加法器，30第二程控放大电路，31第三抗混叠滤波电路，32A/D模数转换芯片I，33A/D模数转换芯片同步控制线，34数据总线，35A/D模数转换芯片II，36A/D模数转换芯片III。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式做进一步的详细说明：

上位机1与USB2.0高速数据收发器2连接；USB2.0高速数据收发器2与主控制器4连接；高速数据缓冲FIFO5与主控制器4连接；高密度电法发射机3与主控制器4连接；三通道24位高速A/D同步转换电路6与主控制器4连接；高密度电法发射机3与电极AB电流采集调理电路7连接；高密度电法发射机3与电极AB电压采集调理电路8连接；高密度电法发射机3与电极MN电压采集调理电路9连接；高密度电法发射机3与ABMN电极接口10连接；高密度电法发射机3与高密度电法仪的增强型电极转换装置11连接；电极AB电流采集调理电路7与三通道24位高速A/D同步转换电路6连接；电极AB电压采集调理电路8与三通道24位高速A/D同步转换电路6连接；电极MN电压采集调理电路9与三通道24位高速A/D同步转换电路6连接；ABMN电极接口10与MN电压采集调理电路9连接；A电极12与ABMN电极接口10连接；B电极13与ABMN电极接口10连接；M电极14与ABMN电极接口10连接；N电极15与ABMN电极接口10连接；电极(1～n)16与增强型电极转换装置11连接。

三通道24位高速A/D同步转换电路6是由模拟信号输入通道32与A/D模数转换芯片33连接；A/D模数转换芯片33与A/D芯片控制线34连接；A/D模数转换芯片33与A/D芯片数据通信总线35连接构成。

电极AB电压采集调理电路7是由电阻分压电路17与第一保护电路18连接；第一保护电路18与第一抗混叠滤波电路19连接构成。

电极AB电流采集调理电路8是由采样电阻电路20与保护电路21连接；第二保护电路21与50HZ陷波电路22连接；第一50HZ陷波电路22与第一程控放大电路23连接；第一程控放大电路23与第二抗混叠滤波电路24连接。

电极MN电流采集调理电路9是由电阻和电压测量切换开关电路25与第三保护电路26连接；第三保护电路26与第二50HZ陷波电路27连接；50HZ陷波电路27与自然电位补偿电路28连接；自然电位补偿电路28与运算放大电路29连接；运算放大电路29与第二程控放大电路30连接；第二程控放大电路30与第三抗混叠滤波电路31连接；运算放大电路29与自然电位补偿电路28连接；自然电位补偿电路28与高密度电法发射机3连接。

上位机1可以是笔记本计算机，也可以是嵌入式工控机，并且采用Windows操作系统，上位机界面基于VC++编写的对话框界面，通过该上位机操作界面对接收机装置的主控制器4进行控制和参数设置，设置完毕后开始实时显示各种地电数据，同时根据需要可以保存数据和数据成图解释；USB2.0高速数据收发器2，该转换器是一个高速数据通信芯片CY7C68013A，该芯片可以实现USB2.0的高速传输模式，用来实现上位机系统1和主控制器4之间大数量数据的传递；高密度电法发射机3是用来与本发明相配合的发射机，该发射机可以发射各种占空比的方波、各种伪随机波形、用户自定义波形以及任意随机编码波形，还可以直接与主控制器4之间进行通信获取一些数据和及时反馈到发射机装置4使其进行一些发射参数的调整；主控制器4，是一种可编辑逻辑器件可以是FPGA或者CPLD，其通过USB2.0高速数据收发器2传输数据与上位机系统1进行大容量数据的传递，同时接收上位机系统1的指令进行各种控制功能的操作实现；高速数据缓冲FIFO5，可是是由SRAM构成，也可以是由SDRAM构成，由于本接收装置采集的数据量大，为防止大容量数据在高速传输过程中丢失而增加的一个数据缓冲电路；三通道24位高速A/D同步转换电路6，是由3个相同型号的高速高精度24位A/D模数转换器AD7760构成，不仅用来实现各种地电模拟信号的同步采集与数字转化功能，还可以保证三路数据采集通道的电路性能的一致性；电极AB电流信号调理电路7，用来实现电极AB电流信号的前端模拟信号调理并送往A/D转换器进行数据采集；电极AB电压信号调理电路8，用来实现电极AB电压信号的前端模拟信号调理并送往A/D转换器进行数据采集，进行AB电极电压的测量除了进行监测功能外，主要是针对一种高密度电法发射机的功能需求而言的，这种高密度电法发射机可以发射任意随机编码波形，为了数据的进一步处理需要得知发射电极AB之间的电压，虽然电极AB电压在理论上可以得到波形，但是实际发射过程不可避免的经过了外界环境的影响，那么实际发射的波形会有区别，如果在数据后处理时没有考虑，会影响最后的测量分析精度；另外，如果通过AB电极的电流计算得到AB电极的电压，则会引入大地的噪声，对数据处理分析精度同样有影响，发明装置增加的一路电极AB电压的测量通道可以满足上述高密度电法仪对数据处理的需求；电极MN电压信号调理电路9，用来实现电极MN电压信号的前端模拟信号调理并送往A/D转换器进行数据采集；ABMN电极接口10用来实现连接普通电法中的电极接口功能，该接口可以连接单个电极还可以连接一串电极，可以根据不同的需要和不同的测量方法进行选择，通过此ABMN电极接口可以进行真正意义上的常规电法测量，通过AB电极和电极开关转换器的电极的组合测量的方式不仅可以在时间域直流电法测量中大大提高有限测量空间内的探测深度，而且还可以进行频率域内的电法测量，这样操作人员可以充分发挥自己的想象力实现各种灵活的测量方式，从而实现多种方法的测量与组合，以及一机多用的特点；一种高密度电法仪的增强型电极转换装置11，用来实现高密度电法的电极电缆布线及转换电极的接口功能，该装置可以连接任意个电极，而且电极间距可以根据需要进行选择；A电极12和B电极13，用来实现与大地接触的导电体，与ABMN电极接口10连接；M电极14和N电极15，用来实现与大地接触的导电体，与ABMN电极接口10连接；电极(1～n)16，用来实现与大地接触的导电体，与一种高密度电法仪的增强型电极转换装置11连接。

三通道24位高速A/D同步转换电路6又通过如下方式实施：模拟信号输入通道32与A/D模数转换芯片33连接；A/D模数转换芯片33与A/D芯片控制线34连接；A/D模数转换芯片33与A/D芯片数据通信总线35连接；A/D模数转换芯片33通过A/D芯片控制线34同时控制，达到同步控制A/D模数转换芯片和同步采集多种频率信号的功能，然后通过数字信号分析方法处理其频谱特征和进一步通过互相关技术进行分频提取有用信号。

电极AB电压采集调理电路7又通过如下方式实施：电阻分压电路17与第一保护电路18连接；第一保护电路18与第一抗混叠滤波电路19连接。电极AB电压的测量除了监测功能外，还可以采集发射机发射的任意随机编码波形，提高发射机装置发射任意随机编码波形的灵活性以及数据分析处理的精度。

电极AB电流采集调理电路8又通过如下方式实施：采样电阻电路20与第二保护电路21连接；第二保护电路21与第一50HZ陷波电路22连接；第一50HZ陷波电路22与第一程控放大电路23连接；第一程控放大电路23与第二抗混叠滤波电路24连接。

电极MN电流采集调理电路9又通过如下方式实施：电阻和电压测量切换开关电路25与第三保护电路26连接；第三保护电路26与第二50HZ陷波电路27连接；第二50HZ陷波电路27与自然电位补偿电路28连接；自然电位补偿电路28与运算放大电路29连接；运算放大电路29与第二程控放大电路30连接；第二程控放大电路30与第三抗混叠滤波电路31连接；运算放大电路29与自然电位补偿电路28连接；自然电位补偿电路28与一种高密度电法发射机装置3连接。自然电位补偿电路28是一个D/A数模转换器用来输出一个模拟信号与第二50HZ陷波电路27进来的模拟信号进行加法模拟运算，同时它又与高密度电法发射机3连接，通过高密度电法发射机3来设置其输出的模拟量的大小；电阻和电压测量切换开关电路25可以切换开关分别测量电极MN的电压和MN的电阻，当测量MN的电阻是为了检测MN接地是否正常，当测量MN的电压则是正常的电法测量工作模式。

Claims (1)

1.一种电法仪接收机装置，其特征在于，是由上位机(1)经USB接口(2)连接主控制器(4)和三通道24位高速A/D同步转换电路(6)，电法发射机(3)经主控制器(4)与高速FIFO(5)连接，电法发射机(3)经电极(AB)电压采集调理电路(7)与三通道24位高速A/D同步转换电路(6)连接，电法发射机(3)经电极(AB)电流采集调理电路(8)与三通道24位高速A/D同步转换电路(6)连接，电法发射机(3)经电极(MN)电压采集调理电路(9)与三通道24位高速A/D同步转换电路(6)连接，电法发射机(3)经(ABMN)电极接口(10)分别与(A)电极(12)、(B)电极(13)、(M)电极(14)和(N)电极(15)连接，(ABMN)电极接口(10)与电极(MN)电压采集调理电路(9)连接，电法发射机(3)经增强型电极转换装置(11)分别与电极1、2、3……n连接构成；

所述的电极(AB)电压采集调理电路(7)是由电阻分压电路(17)经第一保护电路(18)与第一抗混叠滤波电路(19)连接构成。

所述的电极(AB)电流采集调理电路(8)是由采样电阻电路(20)经第二保护电路(21)、50HZ第一陷波电路(22)和第一程控放大电路(23)与第二抗混叠滤波电路(24)连接构成。

所述的电极MN电压采集调理电路(9)是由电阻和电压测量切换开关电路(25)经第三保护电路(26)、50HZ第二陷波电路(27)、加法器(29)和第二程控放大电路(30)与第三抗混叠滤波电路(31)连接，自然电位补偿电路(28)与加法器(29)连接，自然电位补偿电路(28)与电法发射机(3)连接构成。

所述的三通道24位高速A/D同步转换电路(6)是由A/D模数转换芯片(33)同步控制线分别连接A/D模数转换芯片Ⅰ(32)、A/D模数转换芯片Ⅱ(35)和A/D模数转换芯片Ⅲ(36)，电极(MN)电压经A/D模数转换芯片Ⅰ(32)和数据总线(34)连接主控制器(4)，电极(AB)电压经A/D模数转换芯片Ⅱ(35)和数据总线(34)连接主控制器(4)，电极(AB)电流经A/D模数转换芯片Ⅲ(36)和数据总线(34)连接主控制器(4)构成。

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