CN102955176B - 分布式电位梯度并行观测电极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式电位梯度并行观测电极，外有外壳，工作电极位于外壳底部并穿出底部，外壳顶部四面各有一个插头式接口，工作电极信号、控制总线和数据传输总线接在插头式接口上通过四芯电缆输出外接，LCD显示屏位于外壳的顶部，工作电极由互相绝缘的4个电极组成，相邻的两个电极信号依次送入信号输入模块、信号处理模块和数据处理系统，数据处理系统最后将数据送到数据传输总线上和LCD显示屏。方便采集大量的勘探数据，采用同步数据采集技术，在控制指令的统一指挥下，所有电极同时、同步观测，当地下工业游散电流干扰在各观测电极上加载相同信号时，可通过电位差将其消除，以达到减少测量误差的目的，同时可以大幅提高工作效率。

Description

分布式电位梯度并行观测电极

技术领域

本发明涉及一种井-地地球物理勘探仪器，特别涉及一种分布式电位梯度并行观测电极。

背景技术

传统的井地电阻率法观测中，通过专用的电阻率仪或电位观测设备，使地面两个电极间形成电回路，以观测两个电极间的电位差，一次观测完成可得到两点间的电位差，观测完成后再逐次移至下一个测点。为了提高效率，前人研制了高密度电法仪，是由电测仪、电极转换盒等组成。可在地面同时布置若干个电极，在高密度电阻率仪的控制下，依次观测两个电极间的电位差。这种观测方式，虽然一次布置了很多电极，但电极间的电位差观测仍是串行的，观测时间与电极数正相关，随着电极数量的增加, 野外施工时间也同步增加, 影响野外施工效率, 同时该设备观测电极所受时变的地下游散电流影响因串行工作方式难以消除，且电缆连接电极的接头间距固定，不适应山区地形；电缆每一根芯线对应一个电极，造成设备比较笨重，观测效率不高。为了提高井地电阻率法的工作效率，有效消除时变游散电流对电阻率观测的影响，研制分布式并行电极显得非常必要。

01205376.7专利“新型分布式高密度电测仪”介绍了一种电法仪器及其电极转换方法，用一根少于10芯的主电缆就可以覆盖整个剖面，连接的电极数原则上没有上限。该设备实现了一次性布极，由电极转换装置自动实现电极串行测量方式；但是，每一对电极供电，只能有一对电极测量电压，其他电极处于空闲状态，实际数据采集过程需要大量的时间去等待依次供电测量过程的循环，工作效率不高。

200410014020.0专利“分布式并行智能电极电位差信号采集方法和系统”介绍了一种并行采集电法仪器，仪器设计为2级单片机的主从结构，由控制系统和采集系统组成，有8个工作电极与采集系统相连，若干组智能电极所带的所有工作电极只要3个电极工作在供电电极（A）、供电电极（B）、公共地（N）的状态，剩余各个电极进入电位差状态，同步测量各个电极间的电位差。其测量范围还是停留在剖面上，即供一次电只能观测一条侧线上两个电极间的电位差，而不能测量侧线间两个电极的电位差；并且连接线多、布放电极麻烦、效率低。

发明内容

本发明是针对电位观测设备布放电极工作量大，测试效率低的问题，提出了一种分布式电位梯度并行观测电极，实现电法勘探的并行、高效数据采集。所有观测电极一次性布设，相邻两个观测电极通过插头式接口用电缆相连接，即各电极采用串接的形式连接，便可覆盖整个测量平面，其布线时灵活方便。控制中心通过控制总线给每个观测电极发送同步脉冲指令，所有布放的观测电极接收到脉冲指令之后，开始进行数据采集，并且暂时存储在电极内的独立存储器中，观测完成后，在控制中心的控制下，将所有数据传回控制中心。

本发明的技术方案为：一种分布式电位梯度并行观测电极，外有外壳，工作电极位于外壳底部并穿出底部，外壳内有数据处理系统、信号处理模块、信号输入模块、数据传输总线、控制总线，外壳顶部四面各有一个插头式接口，工作电极信号传输线、控制总线和数据传输总线接在插头式接口上通过四芯电缆输出外接，LCD显示屏位于外壳的顶部，工作电极由互相绝缘的4个电极组成，相邻的两个电极信号送入信号输入模块，信号输入模块输出采集信号经过信号处理模块处理后送入数据处理系统，数据处理系统将数据送到数据传输总线上和LCD显示屏。

所述每个插头式接口共有5个接口，接口和接口之间绝缘，5个接口分别为预留接口、控制总线接口、数据传输接口、第一信号采集接口、第二信号采集接口，第一信号采集接口和第二信号采集接口分别接相连的两个电极。

所述信号处理模块包括滤波放大模块和AD转换模块，数据处理系统包括微处理器控制模块、同步控制模块、实时时钟模块、数据存储和数据传输模块，信号输入模块采集相邻电极间的电位差送入滤波放大模块，这里滤波放大模块依次包括双T陷波电路、程控滤波电路和程控放大电路，采集的电位差经过双T陷波电路，去掉市电干扰波，再通过程控滤波电路，除其他频率干扰波输出，程控放大电路对滤波后信号进行放大，放大后信号经过AD转换模块进行模数转换成数字信号送入微处理器控制模块。所述双T陷波电路采用两片UAF42 进行两级双T 陷波，带宽都是15Hz, 二阶电路, 陷波中心频率分别为49. 8HZ 和50. 2HZ。所述程控放大电路选择PGA204程控放大芯片，放大倍数可以选择l、10、lO0、1000。所述AD转换模块德州仪器推出的多通道24 位工业AD转换器ADS1274，ADS1274是内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR 数字滤波器，可实现4 通道同步采样，支持高速、高精度、低功耗、低速4 种工作模式。所述数据处理系统中微处理器控制模块采用增强型51 单片机C8051F020，同步控制模块、实时时钟模块、数据存储和数据传输模块为微处理器控制模块外围工作模块。

本发明的有益效果在于：本发明分布式电位梯度并行观测电极，方便采集大量的勘探数据，采用同步数据采集技术，在控制指令的统一指挥下，所有电极同时、同步观测，当地下工业游散电流干扰在各观测电极上加载相同信号时，可通过电位差将其消除，以达到减少测量误差的目的，同时可以大幅提高工作效率。

附图说明

图1为本发明分布式电位梯度并行观测电极结构示意图；

图2为本发明分布式电位梯度并行观测电极俯视示意图；

图3为本发明分布式电位梯度并行观测电极工作电极截面图；

图4为本发明分布式电位梯度并行观测电极中插头式接口及电缆内部接线示意图；

图5为本发明分布式电位梯度并行观测电极中四芯电缆截面图；

图6为本发明分布式电位梯度并行观测电极野外布设示意图；

图7为本发明分布式电位梯度并行观测电极硬件框图；

图8为本发明分布式电位梯度并行观测电极中双T陷波电路图；

图9为本发明分布式电位梯度并行观测电极中程控滤波电路图；

图10为本发明分布式电位梯度并行观测电极中程控放大电路图。

具体实施方式

如图1、2所示分布式电位梯度并行观测电极结构示意图和俯视示意图，分布式电位梯度并行观测电极外有外壳9，外壳9内有数据处理系统7、信号处理模块6、信号输入模块5、数据传输总线4、控制总线3，外壳9顶部四面各有一个插头式接口2，工作电极8位于外壳底部并穿出底部，工作电极8信号、控制总线3和数据传输总线4接在插头式接口2上通过四芯电缆1输出，LCD显示屏10位于外壳9的顶部。如图3所示工作电极截面图，工作电极8由4个P1、P2、P3、P4电极组成，电极与电极之间用绝缘物质填充使之相互隔离，工作电极8为锥形金属条，由四个相互绝缘的独立锥形金属条构成，用于与大地连接，与其他工作电极构成电回路，采集电位差数据。如图4所示插头式接口及电缆内部接线示意图，每个插头式接口2共有5个接口，接口和接口之间绝缘，2-1为预留接口，2-2为控制总线接口，2-3为数据传输接口，2-4为第一信号采集接口,2-5为第二信号采集接口。本发明是同步采集两两电极间的电位差，所以如图4所示，两根信号传输线（L3、L4）交替接在两个相邻的插头式接口的两个信号采集接口上，两根信号传输线将相邻的电极电位差信号送入信号输入模块5，信号输入模块5输出采集信号经过信号处理模块6处理后送入数据处理系统7，数据处理系统7将数据送到数据传输总线4上和LCD显示屏10；2-2为控制总线接口接控制总线3（L1），用来传输控制中心发送的控制指令到数据处理系统7，来现实对电极的各项功能的操作，比如说同步采集指令、数据回传指令等；2-3为数据传输接口接数据传输总线4（L2），将观测电极采集到的数据通过该通道回传控制中心进行保存；如图5为四芯电缆截面图。

图6为分布式电位梯度并行观测电极野外布设示意图，各个观测电极12之间通过一根四芯电缆1连接，由系统控制中心11发出采集指令，所有观测电极12同步观测相邻两个电极的电位差，并且将数据保存在相应的观测电极12数据处理系统7的固有存储器里面，完成后各观测电极12在控制中心指令指挥下依次将存贮数据向控制中心11传输。

如图7所示分布式电位梯度并行观测电极硬件框图，观测电极12主要包括信号输入模块5、信号处理模块6和数据处理系统7，其中信号处理模块6包括滤波放大模块和AD转换模块，数据处理系统7包括微处理器控制模块、同步控制模块、实时时钟模块、数据存储和数据传输模块。信号输入模块5采集相邻电极间的电位差送入滤波放大模块，这里滤波放大模块依次包括双T陷波电路、程控滤波电路和程控放大电路，采集的电位差经过双T陷波电路，去掉市电干扰波；再通过程控滤波电路，根据不同的需要设置不同的滤波方式和截止频率，达到去除其他频率干扰波的目的；但是野外采集到的信号一般都是比较微弱，为了提高测量精度，必须要对信号进行放大处理，我们采用程控放大电路对微弱信号根据不同的要求放大不同的倍数。为了把模拟信号转换成微处理器能够接收和处理的数字信号，滤波放大模块输出信号需要经过AD转换模块进行模数转换成数字信号送入微处理器控制模块。

如图8所示双T陷波电路图：对于地球物理仪器而言,接收机接收来自地表的信号,电力电网,输电线路对伪随机响应信号产生很多的干扰,双T陷波器用于滤除50Hz干扰信号。在本设计中，采用了BB( Burr- Brow n)公司生产的UAF42设计的双T陷波器。在实际使用时, 市电频率往往有偏差, 而且干扰强度也随使用环境不同而变化。因此采用两片UAF42 进行两级双T 陷波, 带宽都是15Hz, 二阶电路, 陷波中心频率分别为49. 8HZ 和50. 2HZ。

如图9 程控滤波电路图：在野外采集数据时，不同工作环境观测电极受到的干扰往往是各不相同的，为了能尽可能地压制干扰波，提高信噪比，我们设计了程控滤波电路，根据不同的需要选择不同的工作方式（低通、高通或者带通），而且可以设置不同的截止频率（或者中心频率）1--1000Hz可调，达到滤掉干扰波的目的。

如图10所示程控放大电路图： 接收信号动态范围比较大，为了提高仪器的信噪比和测量精度，对前段模拟信号采用了程控放大的方法。程控放大部分主要任务是将初级信号放大到A/D量化最佳区间，以提高仪器的动态范围和灵敏度。设计这一部分主要考虑的因素有，器件的低频噪声特性和共模抑制比等。目前，低噪声放大器可以通过选用噪声指标好的集成电路来进行设计。综合以上各种因素，最终选择了PGA204程控放大芯片，放大倍数可以选择l、10、lO0、1000。

AD转换模块：在系统中，A/D芯片的选择非常关键，它直接决定了系统的采样频率、采样精度等参数。在本次设计中，选用了德州仪器（TI）推出的多通道24 位工业AD转换器ADS1274，ADS1274是内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR 数字滤波器，可实现4 通道同步采样，支持高速、高精度、低功耗、低速4 种工作模式。达到进行多通道高精度同步采样的应用条件。

微处理器控制模块：微处理器采用增强型51 单片机C8051F020，该器件资源丰富, 满足该系统要求, 且运行速度快, 可以达到高速采集要求。主要用于接收控制中心的指令进行各种控制功能的操作，同时通过数据传输接口和控制中心连接进行数据传递。

数据存储模块：考虑到SD卡的大容量以及良好可扩展性，本设计中采用SD卡来存储测量数据；SD卡，即安全数字存储卡（Secure Digital Memory Card）是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，被广泛地应用在便携式装置上。重量只有2克，却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。

数据传输模块：数据传输单元主要承担向控制中心传送AD转换数据的工作，通信电路采用RS232串口和USB通信方式，USB 通信接口电路主要由PL2303HX构成。采用异步通信的方式进行数据传输，在异步通信中，需要规定好通信数据的格式，每个数据以相同的帧格式进行传送。

    实时时钟模块：为了分清楚观测电极采集数据的先后顺序，需要增加一个实时时钟电路，在数据采集的过程中，保存测量数据的同时，把实时时间也一起存储。

同步控制模块：同步控制模块输入端接控制总线，一旦接收到来自控制中心11的开始采集指令，自动会触发一个高电平脉冲，当单片机监测到高电平脉冲，在微处理器控制模块的控制下，会对此时的电位差信号进行一次滤波、放大、AD转换、数据处理和数据储存等一系列操作。因为每一个电极几乎同步接收到控制指令，所以发出触发脉冲的时间也应该相同，这样就实现了所有观测电极的同步采样。

Claims (7)

1.一种分布式电位梯度并行观测电极，外有外壳（9），工作电极（8）位于外壳底部并穿出底部，其特征在于，外壳（9）内有数据处理系统（7）、信号处理模块（6）、信号输入模块（5）、数据传输总线（4）、控制总线（3），外壳（9）顶部四面各有一个插头式接口（2），工作电极（8）信号传输线、控制总线（3）和数据传输总线（4）接在插头式接口（2）上通过四芯电缆输出外接，LCD显示屏（10）位于外壳（9）的顶部，工作电极（8）由互相绝缘的4个电极组成，相邻的两个电极信号送入信号输入模块（5），信号输入模块（5）输出采集信号经过信号处理模块（6）处理后送入数据处理系统（7），数据处理系统（7）将数据送到数据传输总线（4）上和LCD显示屏（10）。

2.根据权利要求1所述分布式电位梯度并行观测电极，其特征在于，所述每个插头式接口（2）共有5个接口，接口和接口之间绝缘，5个接口分别为预留接口、控制总线接口、数据传输接口、第一信号采集接口、第二信号采集接口，第一信号采集接口和第二信号采集接口分别接相连的两个电极。

3.根据权利要求1所述分布式电位梯度并行观测电极，其特征在于，所述信号处理模块（6）包括滤波放大模块和AD转换模块，数据处理系统（7）包括微处理器控制模块、同步控制模块、实时时钟模块、数据存储和数据传输模块，信号输入模块（5）采集相邻电极间的电位差送入滤波放大模块，这里滤波放大模块依次包括双T陷波电路、程控滤波电路和程控放大电路，采集的电位差经过双T陷波电路，滤除市电50Hz干扰信号，再通过程控滤波电路进行滤波，程控放大电路对滤波后信号进行放大，放大后信号经过AD转换模块进行模数转换成数字信号送入微处理器控制模块。

4.根据权利要求3所述分布式电位梯度并行观测电极，其特征在于，所述双T陷波电路采用两片UAF42 进行两级双T 陷波，带宽都是15Hz, 二阶电路, 陷波中心频率分别为49. 8HZ 和50. 2HZ。

5.根据权利要求3所述分布式电位梯度并行观测电极，其特征在于，所述程控放大电路选择PGA204程控放大芯片，放大倍数可以选择l、10、lO0、1000。

6.根据权利要求3所述分布式电位梯度并行观测电极，其特征在于，所述AD转换模块选用多通道24 位工业AD转换器ADS1274，ADS1274是内部集成有多个独立的高阶斩波稳定调制器和FIR 数字滤波器，可实现4 通道同步采样，支持高速、高精度、低功耗、低速4 种工作模式。

7.根据权利要求3所述分布式电位梯度并行观测电极，其特征在于，所述数据处理系统（7）中微处理器控制模块采用增强型51 单片机C8051F020，同步控制模块、实时时钟模块、数据存储和数据传输模块为微处理器控制模块外围工作模块。