CN103050769A - 用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线 - Google Patents

用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线，其特征是，包括发射天线、接收天线，发射天线与发射机连接，接收天线与接收机通过接收天线自适应多通道采集装置连接，所述发射天线、接收天线分别固定在电绝缘材料的发射天线支撑骨架、接收天线支撑骨架上，所述发射天线支撑骨架、接收天线支撑骨架分别与电绝缘固定装置连接，发射天线支撑骨架、接收天线支撑骨架之间通过电绝缘材料连接，发射天线为正方形；发射天线和接收天线采用不同的特殊绕制方法制作，具有数据采集效率高，能够适应市面上现有的单通道和三通道的仪器以及后续可能出现的多通道仪器，采集的数据是三维立体数据，为进一步的三维成像研究提供基本数据。

Description

用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线
技术领域
本发明涉及一种阵列式天线，尤其是一种用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线。
背景技术
我国在公路、铁路、水电等领域在建或即将修建的深埋长大隧道数量巨大。隧道施工过程中可能遇到的突水、突泥等地质灾害给施工安全带来了很大的安全隐患并可能导致巨大的经济损失。因此，为保证隧道施工的安全，减轻突水突泥等地质灾害的影响，对隧道含水构造超前预报进行深入研究具有重要的理论意义和重大的工程应用价值。
瞬变电磁法是一种电磁感应探测方法，具有对低阻体反应敏感、能够同时进行测深和剖面测量、工作效率高等特点。在隧道、矿山超前地质预报和含水构造探查中得到了广泛应用，并取得了一定的效果。由于在隧道内进行测量涉及的环境比较复杂，比如，较地面导电半空间环境，隧道内既不是导电全空间环境又不是导电半空间环境，而是在导电全空间环境中存在一不导电柱体（隧道腔体），同时隧道内还存在各种干扰，例如钢拱架、锚杆、施工机械等，因而需要对隧道瞬变电磁超前探测的规律和效果进行分析。进行大型物理模拟试验是分析这类复杂问题的一种有效途径。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的上述不足，提供了一种用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线；发射天线和接收天线采用不同的特殊绕制方法制作，具有数据采集效率高，能够适应市面上现有的单通道和三通道的仪器以及后续可能出现的多通道仪器，采集的数据是三维立体数据，为进一步的三维成像研究提供基本数据。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线，包括发射天线、接收天线，发射天线与发射机连接，接收天线与接收机通过接收天线自适应多通道采集装置连接，所述发射天线、接收天线分别固定在电绝缘材料的发射天线支撑骨架、接收天线支撑骨架上，所述发射天线支撑骨架、接收天线支撑骨架分别与电绝缘固定装置连接，发射天线支撑骨架、接收天线支撑骨架之间通过电绝缘材料连接，发射天线为正方形。
所述发射天线支撑骨架、接收天线支撑骨架采用塑料、或木材，电绝缘固定装置为圆柱形木板，发射天线支撑骨架设有内孔，与接收天线支撑骨架连接的圆柱形木板与发射天线支撑骨的内孔配合连接。
发射天线采用直径2.5mm的漆包线并行缠绕、两股漆包线之间设有间隙，间隙距离至少为1倍漆包线的直径的距离，按照顺序绕成螺线管的形状，以降低多匝线圈互感造成的影响。漆包线的电阻≤4.0×10-3Ω/m。
发射天线漆包线的匝数根据公式M=n1×I×L2确定，其中M为发送磁矩，n1为匝数，I为发送电流，L为正方形发送天线边长，。
接收天线采用直径1mm的两股漆包线并行缠绕、两股漆包线之间紧贴在一起，不留空隙，以方便电磁感应的测量。漆包线的电阻≥0.9Ω/m。
接收天线采用正方形、或者圆形。接收天线中漆包线的匝数根据公式为S=n2×S0确定，其中S为等效接收面积，n2为匝数，S0为接收天线的面积，。
所述接收天线自适应多通道采集装置包括处理器、RS485通讯模块、继电器，处理器通过通讯模块与主机通信，处理器通过电阻与三极管的基极连接，三极管的发射极接地，三极管的集电极通过继电器与直流电源连接置高电平，前级转换开关与接收机输入端连接，后级转换开关置于空信号，继电器的双置开关一端通过第一触点将前级转换开关与后级转换开关连接、通过第二触点将前级转换开关与接收天线信号输入连接，继电器与二极管并联，处理器与电源连接。
本发明的工作原理：
本发明的有益效果：
1.发射天线和接收天线能够在进行大型物理模拟试验时实现瞬变电磁超前探测信号的阵列式采集，数据采集效率高，初步估算单次数据采集所用时间为原方法的1/3；
2.能够适应市面上现有的单通道和三通道的仪器以及后续可能出现的多通道仪器，最多设置为9道；
3.采集的数据是三维立体数据，为进一步的三维成像研究提供基本数据，在大型物理模拟试验中进行应用、分析规律，按照一定的比例放大后可以直接应用于实际生产。
附图说明
图1为本发明阵列式天线正面设计图及装配图；
图2为本发明阵列式天线发射部分侧面设计图
图3为本发明阵列式天线接收部分侧面设计图；
图4为本发明接收天线自适应多通道采集装置电路图；
其中，1、发射天线，2、接收天线，3、接收天线支撑骨架，4、发射天线支撑骨架，5、电绝缘固定装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
结合图1至图4，一种用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线，包括发射天线1、接收天线2，发射天线1与发射机连接，接收天线2与接收机通过接收天线自适应多通道采集装置连接，所述发射天线1、接收天线2分别固定在电绝缘材料的发射天线支撑骨架4、接收天线支撑骨架3上，发射天线支撑骨架4、接收天线支撑骨架3分别与电绝缘固定装置5连接，发射天线1为正方形。所述发射天线支撑骨架4、接收天线支撑骨架5采用塑料、或木材，电绝缘固定装置5为厚度为5cm的圆柱形木板，发射天线支撑骨架4设有内孔，与接收天线支撑骨架3连接的圆柱形木板与发射天线支撑骨4的内孔配合连接。接收天线支撑骨架3采用10cm×10cm的木质骨架；发射天线支撑骨架4、接收天线支撑骨架3之间通过电绝缘材料连接、如使用塑料螺母接头或者骨胶进行连接。
发射天线采用直径2.5mm的漆包线缠绕，漆包线的电阻不应超过4.0×10-3Ω/m，绕制过程中，发射天线采用漆包线并行缠绕、两股漆包线之间设有间隙，间隙距离至少为1倍漆包线的直径的距离，按照顺序绕成螺线管的形状，以降低多匝线圈互感造成的影响。发射天线漆包线的匝数应按照实际需要的发送磁矩确定，其计算公式为M=n1×I×L2，其中M为发送磁矩，n1为匝数，I为发送电流，L为正方形发送天线边长。本例给出的发送天线尺寸为1.2m×1.2m正方形，发射天线必须为正方形。
接收天线采用直径1mm的漆包线缠绕，漆包线的电阻不应小于0.9Ω/m，接收天线采用两股漆包线并行缠绕、两股漆包线之间紧贴在一起，不留空隙，以方便电磁感应的测量。接收天线采用正方形、或者圆形。接收天线中漆包线的匝数按照实际需要的等效接收面积确定，其计算公式为S=n2×S0，其中S为等效接收面积，n2为匝数，S0为接收天线的面积。本例给出的接收天线尺寸为0.15m×0.15m的正方形，还可以设置为圆形。
所述接收天线自适应多通道采集装置包括处理器、RS485通讯模块、继电器，处理器通过通讯模块与主机连接通信，处理器通过电阻与三极管的基极连接，三极管的发射极接地，三极管的集电极通过继电器与直流电源高电平连接，前级转换开关与接收机输入端连接，后级转换开关置于空信号，继电器的双置开关一端通过第一触点将前级转换开关与后级转换开关连接、通过第二触点将前级转换开关与接收天线信号输入连接，继电器与二极管并联，处理器与电源连接。处理器接收工作指令后，P13引脚触发Q2导通，继电器通电吸合，K2切换至测量天线信号。接收机输入端GI接收信号。不工作时，K2切换至GO至无效空电位。根据采用的接收机型号和通道数选择接收天线自适应多通道采集装置的工作参数，以适应快速自动采集。
上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线，其特征是，包括发射天线、接收天线，发射天线与发射机连接，接收天线与接收机通过接收天线自适应多通道采集装置连接，所述发射天线、接收天线分别固定在电绝缘材料的发射天线支撑骨架、接收天线支撑骨架上，所述发射天线支撑骨架、接收天线支撑骨架分别与电绝缘固定装置连接，发射天线支撑骨架、接收天线支撑骨架之间通过电绝缘材料连接，发射天线为正方形。
2.如权利要求1所述的用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线，其特征是，所述发射天线支撑骨架、接收天线支撑骨架采用塑料、或木材，电绝缘固定装置为圆柱形木板，发射天线支撑骨架设有内孔，与接收天线支撑骨架连接的圆柱形木板与发射天线支撑骨的内孔配合连接。
3.如权利要求1或2所述的用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线，其特征是，所述发射天线采用直径2.5mm的两股漆包线并行缠绕、两股漆包线之间设有间隙，间隙距离至少为1倍漆包线的直径的距离，按照顺序绕成螺线管的形状，漆包线的电阻≤4.0×10-3Ω/m。
4.如权利要求3所述的用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线，其特征是，所述发射天线漆包线的匝数根据公式M=n1×I×L2确定，其中M为发送磁矩，n1为匝数，I为发送电流，L为正方形发送天线边长。
5.如权利要求1或2所述的用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线，其特征是，所述接收天线采用直径1mm的两股漆包线并行缠绕、两股漆包线之间紧贴在一起，漆包线的电阻≥0.9Ω/m。
6.如权利要求5所述的用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线，其特征是，所述接收天线采用正方形、或者圆形。
7.如权利要求6所述的用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线，其特征是，所述接收天线中漆包线的匝数根据公式为S=n2×S0确定，其中S为等效接收面积，n2为匝数，S0为接收天线的面积。
8.如权利要求1所述的用于物理模拟试验的隧道瞬变电磁超前探测阵列式天线，其特征是，所述接收天线自适应多通道采集装置包括处理器、RS485通讯模块、继电器，处理器通过通讯模块与主机连接通信，处理器通过电阻与三极管的基极连接，三极管的发射极接地，三极管的集电极通过继电器与直流电源高电平连接，前级转换开关与接收机输入端连接，后级转换开关置于空信号，继电器的双置开关一端通过第一触点将前级转换开关与后级转换开关连接、通过第二触点将前级转换开关与接收天线信号输入连接，继电器与二极管并联，处理器与电源连接。
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