CN105093339A - 高密度电法仪的磁电一体化转换装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高密度电法仪的磁电一体化转换装置及测量方法，是由主处理器经接口与电极接头Jx连接，主处理器经接口Lx和接口Ox与磁电极连接，主处理器经驱动电路与继电器P连接，高密度大线中A.B.M.N分别经继电器与金属电极连接，高密度大线中Z.M.N.V⁺.GND分别经接口Lx和接口Ox与磁电极E连接构成。与现有技术相比，能够单独或混合使用金属电极或磁电极，提高工作效率、节省施工成本，增大信息量，为高密度电法仪器的发展及其理论研究开辟了一条新路径。解决了高密度电法施工过程中较难或不能打入电极的难题；金属电极和磁电极混合使用，不仅将电磁法引入到高密度电法中，而且使测量数据得到相互补充和认证，提高了精度，大大扩展了高密度勘探应用范围。

Description

高密度电法仪的磁电一体化转换装置及测量方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理勘探中的电法探测设备，尤其是高密度电法勘探的磁电转换装置及测量方法。

背景技术：

电法勘探是地球物理勘探方法的主要方法之一，电法勘探主要有利用自然界中的天然场源为基础的“自然电场法”和以人工场源为基础的“人工电场法”。在自然电场法中，以自然电位观测法为主。在人工电场法中，又分为直流电法、交流电法和电磁法，分别隶属于时域、频域和交变电磁法。每一种电法勘探分支中又产生了许多不同的测量仪器，分别针对不同的勘探目的采用不同的测量方法。

高密度电法仪是广泛应用于近地表的地电法勘探仪器，该仪器具有在有限区域内短时获取大量地电数据的能力，能大大提高拟地电断面图的分辨能力和观测结果的精度。其仪器的基本原理是发射系统通过电极向地下发射电流，该电流在地下半空间形成有限电场，地下岩矿体中流动电流将在地面形成电位差V_MN，被高密度接收系统测量，之后通过分析计算得出视电阻率等参数，间接地推断地下地质体的分布情况。高密度电法勘探技术在工程地质等方面具有广阔的用途。高密度电法测量时，需要将金属电极或不极化电极打入或埋入地下。

CN101498791A公开了“一种高密度电法仪的增强型电极转换装置”具有从机电缆连接灵活、拆装方便、系统自动为各从机编号、无需人工编号、能自动识别故障以及其位置，是一种比较完善的分布式电极转换装置。

CN1090936A公开了“分布式微机控制多路电极转换器”也是一种多路电极转换装置，它既能作高密度电阻率测量，又可做常规电法勘探长测线的数据采集。

CN102520449A公开了一种“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，提供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。虽然这些电极开关转换装置在一定程度上提高了效率、节省了工时和野外测量费用，但是在工程地质施工过程中存在较难或不能打入电极的情况，如在坚硬的马路上、裸露在地表的岩石区，仍不能充分发挥其作用。

CN103837898A]公开了一种“高密度电法近端偶极电磁测量方法”使得高密度电法能够进行大深度探测，弥补了电磁法在浅部勘探精度的不足；一次布极程控连续接收，无需人工跑极；以伪随机信号或高斯白噪声为基础混频整形信号为发射源，加之混频编码发射，极大地提高了高密度电法勘探的多样性和对场地的适应性。该发明提出了一种高密度电法的电磁勘探方法，但只是阐述了具体实施方法，且没有公开磁场的测量手段及测量方式。

发明内容：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种应用于高密度电法仪的磁电一体化转换装置；

本发明的另一目的是提供一种高密度电法仪的磁电一体化转换装置的测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高密度电法仪的磁电一体化转换装置，是由主处理器经接口a与电极接头Jx连接，主处理器经接口b与航插Kx连接，主处理器经接口Lx和接口Ox与磁电极连接，主处理器经驱动电路与继电器P连接，高密度大线中的A.B.M.N分别经继电器P与金属电极连接，高密度大线中的Z.M.N.V⁺.GND分别经接口Lx和接口Ox与磁电极E连接构成。

磁电极E是由三轴重力传感器与辅处理器连接，三轴磁传感器经差分放大电路、滤波电路、继电器组R和模数转换器组与微处理器连接，辅处理器经继电器驱动电路和继电器组R与高密度大线连接，辅处理器分别连接存储卡、RS232通信和水平指示灯构成。

高密度电法仪的磁电一体化转换装置的测量方法，包括以下步骤：

a、磁电一体化转换装置中串行接口a连接高密度大线的通信线，接收高密度电法仪的指令，并送给本磁电一体化转换装置的主处理器；

b、对磁电一体化转换装置顺序编号并存储、分析指令信号后送给串行接口b控制下一个磁电一体化转换装置，或反馈下一个磁电一体化转换装置的测量数据及状态信号；

c、本磁电一体化转换装置给出驱动信号，通过驱动电路驱动继电器组P的一个继电器导通，使得多芯电缆中A、B、M、N的一条与电极D相连接；

d、根据发送指令本磁电一体化转换装置主处理器发出相应指令给辅处理器，使得继电器R与多芯电缆中M、N、Z相连接，或是将采集的磁参数转换为电信号存入存储卡；

e、高密度电法仪向第一磁电一体化转换装置发出指令，第一个磁电一体化转换装置分析、处理后执行反馈，或将指令转发给第二个磁电一体化转换装置，其后的磁电一体化转换装置按照第一个磁电一体化转换装置的处理方式执行，直到最后一个磁电一体化转换装置；这里的第一磁电一体化转换装置1、第二磁电一体化转换装置2、┉第n磁电一体化转换装置n是以磁电一体化转换装置和主机之间相对位置进行的编号；

f、磁电一体化转换装置在做金属电极和磁电极混合测量时，金属电极工作方法不变，磁电极在本地采集处理，并存入存储卡，或通过高密度大线传回高密度仪。

有益效果是，本发明与现有的高密度电法仪相比，采用了磁电一体化转换装置，能够单独或混合使用金属电极或磁电极，不仅提高工作效率、节省施工成本，增大现有信息量，而且为高密度电法仪器的发展及其理论研究开辟了一条新的技术手段。解决了高密度电法在工程地质施工过程中存在较难或不能打入电极的情况如在坚硬的马路上、裸露在地表的岩石区；转换装置内置了存储卡，根据勘探方法需要，可以使所有磁电一体化转换装置实时测量磁信号，将其转化后的电信号存入存储卡，提供了一个四维高密度电法的磁勘探方式；金属电极和磁电极的混合使用，不仅可以使磁法引入到高密度电法中，也可以根据需要自创相应电磁混合勘探法，以及使测量结果得到相互补充认证，提高了测量精度，大大扩展了高密度勘探应用范围。传统的高密度电法只是单一的测量场的畸变电压和电流，而电压和电流都是标量，并不能反映异常体的走向，但是磁信号是矢量，不仅能反映磁场的大小，也能反映磁场的方向，即反映异常体的走向。

附图说明

图1为高密度电法仪的磁电一体化转换装置结构框图

图2为图1中磁电极E的结构框图

图3为磁电极E的原理框图

图4为高密度电法仪磁电一体化装换装置工作连接示意图

图5为磁控制器电路元件安装示意图

图6为高密度电法仪磁电一体化装换装置工作原理图

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：

一种高密度电法仪的磁电一体化转换装置，是由主处理器经接口a与电极接头Jx连接，主处理器经接口b与航插Kx连接，主处理器经接口Lx和接口Ox与磁电极连接，主处理器经驱动电路与继电器P连接，高密度大线中的A.B.M.N分别经继电器P与金属电极连接，高密度大线中的Z.M.N.V⁺.GND分别经接口Lx和接口Ox与磁电极E连接构成。

磁电极E是由三轴重力传感器与辅处理器连接，三轴磁传感器经差分放大电路、滤波电路、继电器组R和模数转换器组与微处理器连接，辅处理器经继电器驱动电路和继电器组R与高密度大线连接，辅处理器分别连接存储卡、RS232通信和水平指示灯构成。

高密度电法仪的磁电一体化转换装置的测量方法，包括以下步骤：

a、磁电一体化转换装置中串行接口a连接高密度大线的通信线，接收高密度电法仪的指令，并送给本磁电一体化转换装置的主处理器；

b、对磁电一体化转换装置顺序编号并存储、分析指令信号后送给串行接口b控制下一个磁电一体化转换装置，或反馈下一个磁电一体化转换装置的测量数据及状态信号；

c、本磁电一体化转换装置给出驱动信号，通过驱动电路驱动继电器组P的一个继电器导通，使得多芯电缆中A、B、M、N的一条与电极D相连接；

d、根据发送指令本磁电一体化转换装置主处理器发出相应指令给辅处理器，使得继电器R与多芯电缆中M、N、Z相连接，或是将采集的磁参数转换为电信号存入存储卡；

e、高密度电法仪向第一磁电一体化转换装置发出指令，第一个磁电一体化转换装置分析、处理后执行反馈，或将指令转发给第二个磁电一体化转换装置，其后的磁电一体化转换装置按照第一个磁电一体化转换装置的处理方式执行，直到最后一个磁电一体化转换装置；这里的第一磁电一体化转换装置1、第二磁电一体化转换装置2、┉第n磁电一体化转换装置n是以磁电一体化转换装置和主机之间相对位置进行的编号；

f、磁电一体化转换装置在做金属电极和磁电极混合测量时，金属电极工作方法不变，磁电极在本地采集处理，并存入存储卡，或通过高密度大线传回高密度仪。

图1所示磁电一体化转换装置框图，它由磁电一体化转换装置主处理器、两个双向接口、两组继电器P和R、一个金属电极D，一个磁电极E和两个电缆接口J、K及相应的电源处理电路构成。

其中接口1通过高密度大线中的通讯线与高密度电法仪连接或上一个磁电一体化转换装置的输出连接，主处理器连接接口1，主处理器通过接口1接收或传输高密度电法仪或上一个磁电一体化转换装置的指令及数据；接口2通过高密度大线中的通讯线与下一个磁电一体化转换装置连接，主处理器连接接口2，主处理器通过接口2接收或传输下一个磁电一体化转换装置的指令及数据；

主处理器连接驱动电路，根据接收到的指令，控制继电器组P使得电极D能与高密度大线中的A、M、N、B之一联通，完成使用金属电极或不极化电极与高密度大线中的A、M、N、B之一联通。

主处理器通过多芯电缆O_X接口连接到高密度电法磁电极E。主处理器通过多芯电缆中的RX和TX接口连接到高密度电法磁电极E，完成主处理器与高密度电法磁电极中辅处理器之间的通讯及数据传输。多芯电缆L_X接口与高密度大线中Z、M、N线及电源线连接，完成三分量磁场模拟数据与高密度电法仪的连接。

图2是图1中磁电极E的结构框图，磁电极E中的三轴磁传感器的三路输出电压信号与差分放大电路连接，与差分放大电路与滤波电路相连接，滤波电路与继电器组R相连接，继电器组R中的R1组与多芯电缆X,Y,Z相连，继电器组R中的R2组与模数转换器相连，模数转换器与辅处理器相连，三轴重力传感器输出与辅处理器相连。

三轴磁传感器的三路输出电压经过差分放大和滤波之后，根据高密度电法仪具体指令，送入多芯电缆及高密度大线传输到高密度电法仪接收处理，或是直接送入本地的模数转换芯片进行模数转换，再通过辅处理器经过相应处理存入存储器中。

三轴重力传感器的信号经过辅处理器做相应处理，判断电极E是否水平放置，并通过水平指示灯显示出来，若不水平可以水平调整螺丝经行手动调节，以保证三轴磁传感器与大地水平；辅处理器也可以通过三轴重力传感器的输出信号对三轴磁传感器的三路输出电压信号进行数据校正，以保证三轴磁传感器测得的数据的一致性。

利用磁电一体化转换装置替代高密度电法仪器系统中的分布式磁电极控制器，将现有测量电位差的方法转变为测量磁场的方法，特别是解决了在工程地质施工过程中如在坚硬的马路上、裸露在地表的岩石区较难或不能打入电极的难题。

磁电一体化转换装置中的磁电极测量原理是：通过三分量磁电极测量高密度电法仪器的发射电流在地下半空间的岩矿体流动时产生的二次磁场，并将二次磁场信号，发送到高密度电法仪进行分析处理，高密度电法仪也对串联连接的各个磁电一体化转换装置进行控制。磁电一体化转换装置在野外施工过程中可以单独或与金属电极一次性布置，即在一条测线上能钉入金属电极的地段钉入金属电极，不能钉入金属电极的地段布设磁电极。其磁电一体化转换装置之间只用一条多芯电缆连接，磁电一体化转换装置之间进行采用串联形式互联，便可覆盖整个测量剖面。

高密度电法仪通过高密度大线接口J₀连接磁电一体化转换装置的J₁接口，磁电一体化转换装置Ⅰ的K₁接口通过高密度大线连接磁电一体化转换装置Ⅱ的J₂接口，磁电一体化转换装置Ⅱ的K₂接口依次连接，直到连接磁电一体化转换装置n的J_n接口。磁电一体化转换装置Ⅰ到n，结构相同，在工作连接不需要考虑顺序。磁电一体化转换装置Ⅰ到n是工作连接时的物理顺序。连接后的编号顺序是由高密度电法仪通过高密度大线由高密度电法仪进行自动编号。

磁电一体化转换装置分别通过多芯电缆L_X接口连接到高密度电法磁电极E。高密度电法仪工作时，根据工作需要单独连接高密度电法磁电极E或金属电极与不极化电极D,也能同时连接高密度电法磁电极E或金属电极与不极化电极D。

高密度大线用于高密度电法仪、磁电一体化转换装置之间的连接，包括电源线、电或磁测量线和通信线。

高密度大线由9芯电缆组成，主要有三个作用：串行通信网络；提供磁电一体化转换装置工作电源；发射信号和测量信号传输。由于是一根电缆覆盖所测量的剖面，并且使用处理器进行控制。在做直流或交流电法勘探时，使每一个金属电极D都可能成为电法勘探测量的A、B、M、N极。在做电磁法勘探时，使得磁电极E与主电缆中的M、N、Z连接。金属电极D和磁电极E可以单独或混合使用。

高密度电法仪与磁电一体化转换装置、磁电一体化转换装置与磁电一体化转换装置间通过航空插头J、K分别用多芯电缆连接。各个磁电一体化转换装置对应的金属电极D和磁电极E按具体电法勘探的要求分别与大地耦合。金属电极D和磁电极E与磁电一体化转换装置一一对应连接；

磁电一体化转换装置，它由主处理器、两个双向接口、两组继电器P和R、一个金属电极D，一个磁电极E和两个电缆接口J、K及相应的电源处理电路构成。

接口a通过高密度大线中的通讯线与高密度电法仪连接或上一个磁电一体化转换装置的输出连接，主处理器连接接口a，主处理器通过接口a接收或传输高密度电法仪或上一个磁电一体化转换装置的指令及数据；接口b通过高密度大线中的通讯线与下一个磁电一体化转换装置连接，主处理器连接接口b，主处理器通过接口b接收或传输下一个磁电一体化转换装置的指令及数据；

主处理器连接驱动电路，根据接收到的指令，控制继电器组P使得电极D能与高密度大线中的A、M、N、B之一联通，完成使用金属电极或不极化电极与高密度大线中的A、M、N、B之一联通。

主处理器通过多芯电缆O_X接口连接到高密度电法磁电极E。主处理器通过多芯电缆中的RX和TX接口连接到高密度电法磁电极E，完成主处理器与高密度电法磁电极中辅处理器之间的通讯及数据传输。多芯电缆L_X接口与高密度大线中Z、M、N线及电源线连接，完成三分量磁场模拟数据与高密度电法仪的连接。

三轴磁传感器的三路输出电压经过差分放大和滤波之后，根据高密度电法仪具体指令，送入多芯电缆及高密度大线传输到高密度电法仪接收处理，或是直接送入本地的模数转换芯片进行模数转换，再通过辅处理器经过相应处理存入存储器中。

三轴重力传感器的信号经过辅处理器做相应处理，判断电极E是否水平放置，并通过水平指示灯显示出来，若不水平，通过水平调整螺丝手动调节，以保证三轴磁传感器与大地水平；辅处理器也可以通过三轴重力传感器的输出信号对三轴磁传感器的三路输出电压信号进行数据校正，以保证三轴磁传感器测得的数据的一致性。

高密度电法仪工作时：

磁电一体化转换装置中串行接口a连接高密度大线的通信线，接收高密度电法仪或前一磁电一体化转换装置的指令信号，送给本磁电一体化转换装置主处理器，主处理器按指令信号要做的工作是：对磁电一体化转换装置机编号并存储、分析指令信号后送给串行接口b控制下一个磁电一体化转换装置、高密度电法仪或上一个磁电一体化转换装置反馈磁电一体化转换装置测量及状态信号；或本磁电一体化转换装置给出驱动信号通过驱动电路驱动继电器组P的一个继电器导通，使得多芯电缆中A、B、M、N的一条与电极D相连接；或根据发送指令本磁电一体化转换装置主处理器发出相应指令给辅处理器，使得继电器R与多芯电缆中M、N、Z相连接，或是将采集的磁参数转换为电信号存入存储卡。

高密度电法仪向第一磁电一体化转换装置发出指令，第一个磁电一体化转换装置分析、处理后执行反馈或将指令转发给第二个磁电一体化转换装置，其后的磁电一体化转换装置按照第一个磁电一体化转换装置的处理方式执行，直到最后一个磁电一体化转换装置。这里的第一磁电一体化转换装置1、第二磁电一体化转换装置2、┉第n磁电一体化转换装置n是以磁电一体化转换装置和主机之间相对的位置进行的编号，不代表磁电一体化转换装置本身的实际编号。

磁电一体化转换装置在做金属电极和磁电极混合测量时，金属电极工作过程不变，磁电极能在本地采集处理，存入存储卡。

磁电一体化转换装置在野外施工过程中可以单独或与金属电极一次性布置，其磁电一体化转换装置之间只用一条多芯电缆连接，磁电一体化转换装置之间用串联形式互联，便可覆盖整个测量剖面。

磁电一体化转换装置分别通过多芯电缆L_X接口连接到高密度电法磁电极E。高密度电法仪工作时，根据工作需要单独连接高密度电法磁电极E或金属电极与不极化电极D,也能同时连接高密度电法磁电极E或金属电极与不极化电极D。

高密度大线由9芯电线组成，主要有三个作用：串行通信网络；提供磁电一体化转换装置工作电源；发射信号和测量信号传输。由于是一根电缆覆盖所测量的剖面，并且使用处理器进行控制。在做直流或交流电法勘探时，使每一个金属电极D都可能成为电法勘探测量的A、B、M、N极。在做电磁法勘探时，使得磁电极E与主电缆中的M、N、Z连接。金属电极D和磁电极E可以单独或混合使用。

高密度电法仪与磁电一体化转换装置、磁电一体化转换装置与磁电一体化转换装置间通过航空插头J、K分别用多芯电缆连接。各个磁电一体化转换装置对应的金属电极D和磁电极E按具体电法勘探的要求分别与大地连接和接触。根据具体电法勘探方式，原则上磁电一体化转换装置数量没有限制。

Claims (3)

1.一种高密度电法仪的磁电一体化转换装置，由高密度大线连接高密度电法仪、金属电极和磁电极组成，其特征在于，是由主处理器经接口a与电极接头Jx连接，主处理器经接口b与航插Kx连接，主处理器经接口Lx和接口Ox与磁电极连接，主处理器经驱动电路与继电器P连接，高密度大线中的A.B.M.N分别经继电器P与金属电极连接，高密度大线中的Z.M.N.V⁺.GND分别经接口Lx和接口Ox与磁电极E连接构成。

2.按照权利要求1所述的高密度电法仪的磁电一体化转换装置，其特征在于，磁电极E是由三轴重力传感器与辅处理器连接，三轴磁传感器经差分放大电路、滤波电路、继电器组R和模数转换器组与微处理器连接，辅处理器经继电器驱动电路和继电器组R与高密度大线连接，辅处理器分别连接存储卡、RS232通信和水平指示灯构成。

3.按照权利要求1所述的高密度电法仪的磁电一体化转换装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、磁电一体化转换装置中串行接口a连接高密度大线的通信线，接收高密度电法仪的指令，并送给本磁电一体化转换装置的主处理器；

b、对磁电一体化转换装置顺序编号并存储、分析指令信号后送给串行接口b控制下一个磁电一体化转换装置，或反馈下一个磁电一体化转换装置的测量数据及状态信号；

c、本磁电一体化转换装置给出驱动信号，通过驱动电路驱动继电器组P的一个继电器导通，使得多芯电缆中A、B、M、N的一条与电极D相连接；

d、根据发送指令本磁电一体化转换装置主处理器发出相应指令给辅处理器，使得继电器R与多芯电缆中M、N、Z相连接，或是将采集的磁参数转换为电信号存入存储卡；

e、高密度电法仪向第一磁电一体化转换装置发出指令，第一个磁电一体化转换装置分析、处理后执行反馈，或将指令转发给第二个磁电一体化转换装置，其后的磁电一体化转换装置按照第一个磁电一体化转换装置的处理方式执行，直到最后一个磁电一体化转换装置；这里的第一磁电一体化转换装置1、第二磁电一体化转换装置2、┉第n磁电一体化转换装置n是以磁电一体化转换装置和主机之间相对位置进行的编号；

f、磁电一体化转换装置在做金属电极和磁电极混合测量时，金属电极工作方法不变，磁电极在本地采集处理，并存入存储卡，或通过高密度大线传回高密度仪。