CN105242319A - 能接收磁电信号的高密度电法仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能接收磁电信号的高密度电法仪及测量方法，是由上位机经主控制器、六通道24位高速A/D同步转换电路、电极MN调理电路、X轴调理电路、Y轴调理电路和Z轴调理电路与高密度电法发射机连接，高密度电法发射机分别与电极ABMN和金属电极及磁电极连接构成。本发明能够单独或混合使用金属电极或磁电极，将磁测方法引入到高密度电法中，使测量结果得到相互补充，使无法进行高密度电法勘探的工区能够实现高密度电法勘探，进而弥补诸如：地质雷达、EH4等物探仪器探测深度浅，抗干扰能力弱的不足。提高了工作效率，节省了施工成本。解决了高密度电法因较难或不能打入电极而无法勘探的问题，如坚硬的马路、裸露岩石区。

Description

能接收磁电信号的高密度电法仪及测量方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理勘探设备，尤其是一种可接收磁电信号的高密度电法仪器。

背景技术：

电法勘探仪器被广泛应用于找水，找矿，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。电法勘探主要有直流电法,交流电法和电磁法三大部分。分别隶属于时间域，频率域和交变电磁法。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。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。高密度电法测量起源于上世纪七八十年代的英国和日本，该方法目前主要是在直流电法的基础上结合了计算机技术中的程控技术和磁盘存储技术而衍生出的一种新的地电勘探方法，属于直流电法的一个分支。它比较传统直流电法中的人工跑极和手动完成测量的工作方式有了很大进步，它将传统的分步布极手动测量的模式改为一次性布极，并在程序的控制下一次性完成测量工作。相比传统的电阻率法，其特点是设置较大的测点密度、自动实现多种电极排列和参数测量，是集电测深和电剖面发与一体的多装置、多极距的组合勘探方法。观测结果可以表示成二维断面图的形式，可精确反映地电断面沿测线和深度的变化。由于该方法是在程序控制下完成整个测量过程，加之电极极间距小便使得最终的拟地电断面图分辨率高。由于反映地质信息丰富、直观、资料处理与解释简单，在电性不均匀的地质体探测中效果显著。而作为高效便捷的勘探手段，高密度电法已经在工程地质勘察、水利水电工程、金属与分金属矿产探测、地质构造、考古及灾害地质等诸多领域得到了广泛作用，取得了良好的地质效果和社会经济效益。但是在我们近几年的应用实践也明显感到了它的不足之处。

CN102520449B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，三通道24位高速A/D同步转换电路同步采集三通道的模拟信号，曾加测量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空间内的探测深度。但是在特殊复杂的地理条件下，电极MN无法置于地下，直接导致电极无法正常供电，致使高密度电法仪无法正常工作。

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。该专利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，没有说明磁场的测量手段及方式。

2008年5月吉林大学硕士论文“基于磁敏电阻的磁力计设计”提出了基于各向异性磁敏电阻的磁力计设计方案,能够对磁场进行三维测量，具有组成简单、体积小巧、成本较低、安全可靠等特点。但是，该设计方案只是简单的测量三分量磁场，而对具体的实际应用很少考虑，也未见三分量磁场在高密度电法应用的文献报道。

2010年6月吉林大学硕士论文“大深度三维高密度电阻率发接收装置的研制与实验”虽然降低了高密度电法仪器的接收系统的噪声、缩小了体积、节省了功耗、加大了探测深度，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。

目前新型的高密度电法仪器的测量精度得到了很大提高，主要体现在A/D精度的提高，并采用了分档供电的供电技术，采用分式高密大线使得理论上的高密大线可以“无限长”，但分布式高密度大线是耗电器件，即使在大线间加入附加电源，其长度也是有限的。利用在主机上加入分机的办法以及不同频率供电的方式使高密电法可以进行实时三维测量。双电极发明使直流高密度电法无法进行激发极化测量或为历史。引进了频率测量方式使高密度电法可以得到诸如复电阻率和百分频率效应等参数。

上述高密度电法测量系统虽然比较完善，但高密电法勘探是一个实用性很强的工作，它的基本要求是发现异常的能力及能在多大深度上发现异常的能力和可靠程度，紧靠增加大线的长深以及提高仪器的探测精度是不能很好的满足上述基本要求的。

发明内容：

本发明的目的就在于针对现有技术的不足，提供一种能接收磁电信号的高密度电法仪；

本发明的目的是提供一种能接收磁电信号的高密度电法仪的测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种可接收磁电信号的高密度电法仪，是由上位机1经USB接口2、主控制器4、六通道24位高速A/D同步转换电路6和电极AB电压采集调理电路7与高密度电法发射机3连接，主控制器4与高速FIFO5连接，高密度电法发射机3经电极AB电流采集调理电路8与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接，高密度电法发射机3经磁电转换开关A、电极MN调理电路9与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接，或选择经X轴调理电路10与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接；高密度电法发射机3经磁电转换开关B、电极MN调理电路9与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接，或选择经Y轴调理电路11与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接；高密度电法发射机3经磁电转换开关C和Z轴调理电路12与六通道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14分别与A电极15、B电极16、M电极17、N电极18连接，高密度电法发射机3通过高密度大线串接从机接口1、从机接口2……从机接口n，从机接口1分别与金属电极19-1和磁电极20-1连接，从机接口2分别与金属电极19-2和磁电极20-2连接，从机接口3分别与金属电极19-3和磁电极20-3连接，从机接口n分别与金属电极19-n和磁电极20-n连接构成。

电极AB电压采集调理电路7是由电阻分压电路经保护电路与抗混叠滤波电路连接构成。

电极AB电流采集调理电路8是由采样电阻经保护电路、50Hz陷波电路和程控放大器与抗混叠滤波电路连接构成。

电极MN电压采集调理电路9是由电阻及电压测量切换开关经保护电路、50Hz陷波电路、加法器和程控放大器与抗混叠滤波电路连接，自然电位补偿电路与加法器连接构成。

电极MN调理电路、X轴调理电路10、Y轴调理电路11、Z轴调理电路12均是由X、Y、Z三轴磁阻传感器经差分放大电路和滤波电路与保护电路连接构成。

六通道24位高速A/D同步转换电路6是由数据总线经A/D模数转换芯片Ⅰ连接电极AB电压，经A/D模数转换芯片Ⅱ连接电极AB电流，经A/D模数转换芯片Ⅲ连接电极MN电压，经A/D模数转换芯片Ⅳ连接Hx，经A/D模数转换芯片Ⅴ连接Hy，经A/D模数转换芯片Ⅵ连接Hz构成。

可接收磁电信号的高密度电法仪的测量方法，包括以下步骤：

a、在测区布设高密度大线，按勘探要求设计极距，测点在土地上钉金属电极，测点在水泥马路或裸露的岩石上用橡皮泥耦合磁电极；

b、将布设好的金属电极和磁电极与高密度大线连接，并与高密度电法仪接通；

c、开启高密度电法仪，检查布设的所有电极与大地耦合情况；

d、高密度电法仪通过高密度大线两端的金属电极A和B向大地供电；

e、电极M和电极N接收大地电流信号；磁电极接收磁信号，通过磁电极内设的转换电路将接收到的磁信号转为电信号后与金属电极接收到的电信号一并通过高密度大线传给高密度电法仪，并存储；

f、通过高密度电法仪上的RS232串口将测量数据传入计算机，通过计算机内预置的处理软件，对测量数据进行正反演处理；

g、根据处理后的数据绘制出视电阻率拟地电断面图。

有益效果：本发明的高密度电法仪能够单独或混合使用金属电极或磁电极，即可以接收磁信号，也可以接受电信号。将磁测方法引入到高密度电法中，首创了相应电磁混合勘探法，使测量结果得到相互补充，大大扩展了高密度勘探的适应能力，尤其是在城区的工程物探中将发挥重大的作用，使以前无法进行高密度电法勘探的工区能够实行高密度电法勘探，进而弥补诸如：地质雷达、EH4等物探仪器探测深度浅，抗干扰能力弱的不足，同时为高密度电法创造了更多的勘探模式提供了可能。不仅提高工作效率、节省施工成本，增大现有信息量。解决了施工过程中较难或不能打入电极地段的高密度电法无法测量的问题。解决了如坚硬的马路上、裸露在地表的岩石区，不能充分发挥高密度电法仪器功能这一棘手问题。为高密度电法仪器的发展及其理论研究做出显著的贡献。

附图说明：

附图1为能接收磁电信号的高密度电法仪结构框图

附图2为电极AB电压采集调理电路结构框图

附图3为电极AB电流采集调理电路结构框图

附图4为电极MN电压采集调理电路结构框图

附图5为磁信号采集调理电路结构框图

附图6为六通道24位高速A/D同步转换电路结构框图

附图7为能接收磁电信号的高密度电法仪工作原理图

附图8为桦甸市用高密度电法找热水Ⅱ号剖面视电阻率反演拟地电断面图

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，6六通道24位高速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调理电路，10X轴调理电路，11Y轴调理电路，12Z轴调理电路，15A电极，16B电极，17M电极，18N电极，19金属电极，20磁电极。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种可接收磁电信号的高密度电法仪，是由上位机(1)经USB接口2、主控制器4、六通道24位高速A/D同步转换电路6和电极AB电压采集调理电路7与高密度电法发射机3连接，主控制器4与高速FIFO5连接，高密度电法发射机3经电极AB电流采集调理电路8与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接，高密度电法发射机3经磁电转换开关A、电极MN调理电路9与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接，或选择经X轴调理电路10与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接；高密度电法发射机3经磁电转换开关B、电极MN调理电路9与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接，或选择经Y轴调理电路11与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接；高密度电法发射机3经磁电转换开关C和Z轴调理电路12与六通道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14分别与A电极15、B电极16、M电极17、N电极18连接，高密度电法发射机3通过高密度大线串接从机接口1、从机接口2……从机接口n，从机接口1分别与金属电极19-1和磁电极20-1连接，从机接口2分别与金属电极19-2和磁电极20-2连接，从机接口3分别与金属电极19-3和磁电极20-3连接，……从机接口n分别与金属电极19-n和20-n连接构成。

电极AB电压采集调理电路7是由电阻分压电路经保护电路与抗混叠滤波电路连接构成。

电极AB电流采集调理电路8是由采样电阻经保护电路、50Hz陷波电路和程控放大器与抗混叠滤波电路连接构成。

电极MN电压采集调理电路9是由电阻及电压测量切换开关经保护电路、50Hz陷波电路、加法器和程控放大器与抗混叠滤波电路连接，自然电位补偿电路与加法器连接构成。

电极MN调理电路、X轴调理电路10、Y轴调理电路11、Z轴调理电路12均是由X、Y、Z三轴磁阻传感器经差分放大电路和滤波电路与保护电路连接构成。

六通道24位高速A/D同步转换电路6是由数据总线经A/D模数转换芯片Ⅰ连接电极AB电压，经A/D模数转换芯片Ⅱ连接电极AB电流，经A/D模数转换芯片Ⅲ连接电极MN电压，经A/D模数转换芯片Ⅳ连接Hx，经A/D模数转换芯片Ⅴ连接Hy，经A/D模数转换芯片Ⅵ连接Hz构成。

能接收磁电信号的高密度电法仪的测量方法，包括以下步骤：

a、在测区布设高密度大线，按勘探要求设计极距，测点在土地上钉金属电极，测点在水泥马路上或裸露的岩石上用橡皮泥耦合磁电极；

b、将布设好的金属电极和磁电极与高密度大线连接，并与高密度电法仪接通；

c、开启高密度电法仪，检查布设的所有电极与大地耦合情况；

d、高密度电法仪通过高密度大线两端的金属电极A和B向大地供电；

e、电极M和电极N接收大地电流信号；磁电极接收磁信号，通过磁电极内设的转换电路将接收到的磁信号转为电信号后与金属电极接收到的电信号一并通过高密度大线传给高密度电法仪，并存储；

f、通过高密度电法仪上的RS232串口将测量数据传入计算机，通过计算机内预置的处理软件，对测量数据进行正反演处理；

g、根据处理后的数据绘制出视电阻率拟地电断面图。

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；五通道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电压采集调理电路7连接；高密度电法发射机3与电极AB电流采集调理电路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连接或与三分量电磁场的X轴调理电路10连接；高密度电法发射机3与电极MN电压采集调理电路或三分量电磁场的Y轴调理电路11连接；高密度电法发射机3与三分量电磁场的Z轴调理电路12连接；高密度电法发射机3通过高密度大线串接从机接口1、从机接口2……从机接口n，从机接口1分别与金属电极19-1和磁电极20-1连接，从机接口2分别与金属电极19-2和磁电极20-2连接，从机接口3分别与金属电极19-3和磁电极20-3连接，……从机接口n分别与金属电极19-n和20-n连接；

高密度电法发射机3与ABMN电极接口14连接，ABMN电极接口14分别与A电极15、B电极16、M电极17和N电极18连接；电极AB电压采集调理电路7与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接；电极AB电流采集调理电路8与六通道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与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接；三分量电磁场的X轴调理电路10与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接；三分量电磁场的Y轴调理电路11与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接；三分量电磁场的Z轴调理电路12与六通道24位高速A/D同步转换电路6连接；磁电转换开关A与MN电压采集调理电路9导通，或与三分量电磁场的X轴调理电路10导通；磁电转换开关B与MN电压采集调理电路9导通，或与三分量电磁场的Y轴调理电路11导通；磁电转换开关C与三分量电磁场的Z轴调理电路12导通；磁电一体化转换装置13与金属电极(1～n)19连接；其中电极AB电压采集调理电路7主要包括：由高密度电法发射机3引出的电极AB模拟电压信号依次通过电阻分压电路21、保护电路22、抗混叠滤波电路23送往六通道24位高速A/D同步转换电路6进行数据的采集。

电极AB电流采集调理电路8主要包括：由高密度电法发射机3引出的电极AB模拟电流信号依次通过采样电阻电路、保护电路、50HZ陷波电路、程控放大电路和抗混叠滤波电路送往六通道24位高速A/D同步转换电路6进行数据的采集。

电极MN电流采集调理电路9主要包括：由ABMN电极接口14和高密度电法发射机3引出的电极MN模拟电压信号依次通过电阻和电压测量切换开关电路、保护电路、50HZ陷波电路、自然电位补偿电路、运算放大电路、程控放大电路和抗混叠滤波电路送往六通道24位高速A/D同步转换电路6进行数据的采集，自然电位补偿电路与高密度电法发射机3连接。

其中电磁场三分量X轴Y轴Z轴的调理电路主要包括：由ABMN电极接口14和高密度电法发射机3引出的被测磁信号依次通过X、Y、Z三轴磁阻、差分放大电路、滤波电路、保护电路送往六通道24位高速A/D同步转换电路6进行数据的采集。

六通道24位高速A/D同步转换电路6主要包括：电极AB电压信号输入A/D模数转换芯片I；电极AB电流信号输入A/D模数转换芯片II；电极MN电压信号输入A/D模数转换芯片III；HX磁信号输入A/D模数转换芯片IV；HY磁信号输入A/D模数转换芯片V；HZ磁信号输入A/D模数转换芯片VI。A/D模数转换芯片同步控制线分别与A/D模数转换芯片I、A/D模数转换芯片II、A/D模数转换芯片III、A/D模数转换芯片IV、A/D模数转换芯片V、A/D模数转换芯片VI连接；A/D模数转换芯片I、A/D模数转换芯片II、A/D模数转换芯片III、A/D模数转换芯片IV、A/D模数转换芯片V、A/D模数转换芯片VI分别经数据总线与主控制器连接；从而达到同步控制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处理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信号。

实施例1

吉林省桦甸市用高密度电法找热水项目

测区内有一条宽20m的马路，根据地质资料，测线要穿过水泥马路，且测线垂直水泥马路布设，测线长100m。

a、在测区的一端垂直水泥马路布设高密度大线，按5m极距钉金属电极，在水泥马路上用橡皮泥耦合磁电极；

b、将布设好的金属电极和磁电极与高密度大线连接，并与高密度电法仪接通；

c、开启高密度电法仪，检查布设的所有电极与大地耦合情况；

d、高密度电法仪通过高密度大线两端的金属电极A和B向大地供电；

e、电极M和电极N接收大地电流信号；磁电极接收磁信号，通过磁电极内设的转换电路将接收到的磁信号转为电信号后与金属电极接收到的电信号一并通过高密度大线传给高密度电法仪的，并存储；

f、通过高密度电法仪上的RS232串口将测量数据传入计算机，通过计算机内预置的处理软件，对测量数据进行正反演处理；

g、根据处理后的数据绘制出视电阻率拟地电断面图。

Claims (7)

1.一种可接收磁电信号的高密度电法仪，其特征在于，是由上位机(1)经USB接口(2)、主控制器(4)、六通道24位高速A/D同步转换电路(6)和电极AB电压采集调理电路(7)与高密度电法发射机(3)连接，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电流采集调理电路(8)与六通道24位高速A/D同步转换电路(6)连接，高密度电法发射机(3)经磁电转换开关A、电极MN调理电路(9)与六通道24位高速A/D同步转换电路(6)连接，或选择经X轴调理电路(10)与六通道24位高速A/D同步转换电路(6)连接；高密度电法发射机(3)经磁电转换开关B、电极MN调理电路(9)与六通道24位高速A/D同步转换电路(6)连接，或选择经Y轴调理电路(11)与六通道24位高速A/D同步转换电路(6)连接；高密度电法发射机(3)经磁电转换开关C和Z轴调理电路(12)与六通道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(14)分别与A电极(15)、B电极(16)、M电极(17)、N电极(18)连接，高密度电法发射机(3)通过高密度大线串接从机接口(1)、从机接口(2)……从机接口n，从机接口(1)分别与金属电极(19-1)和磁电极(20-1)连接，从机接口(2)分别与金属电极(19-2)和磁电极(20-2)连接，从机接口(3)分别与金属电极(19-3)和磁电极(20-3)连接，……从机接口n分别与金属电极(19-n)和磁电极(20-n)连接构成。

2.按照权利要求1所述的可接收磁电信号的高密度电法仪，其特征在于，电极AB电压采集调理电路(7)是由电阻分压电路经保护电路与抗混叠滤波电路连接构成。

3.按照权利要求1所述的可接收磁电信号的高密度电法仪，其特征在于，电极AB电流采集调理电路(8)是由采样电阻经保护电路、50Hz陷波电路和程控放大器与抗混叠滤波电路连接构成。

4.按照权利要求1所述的可接收磁电信号的高密度电法仪，其特征在于，电极MN电压采集调理电路(9)是由电阻及电压测量切换开关经保护电路、50Hz陷波电路、加法器和程控放大器与抗混叠滤波电路连接，自然电位补偿电路与加法器连接构成。

5.按照权利要求1所述的可接收磁电信号的高密度电法仪器，其特征在于，电极MN调理电路、X轴调理电路(10)、Y轴调理电路(11)、Z轴调理电路(12)均是由X、Y、Z三轴磁阻传感器经差分放大电路和滤波电路与保护电路连接构成。

6.按照权利要求1所述的能接收磁电信号的高密度电法仪，其特征在于，六通道24位高速A/D同步转换电路(6)是由数据总线经A/D模数转换芯片Ⅰ连接电极AB电压，经A/D模数转换芯片Ⅱ连接电极AB电流，经A/D模数转换芯片Ⅲ连接电极MN电压，经A/D模数转换芯片Ⅳ连接Hx，经A/D模数转换芯片Ⅴ连接Hy，经A/D模数转换芯片Ⅵ连接Hz构成。

7.按照权利要求1所述的可接收磁电信号的高密度电法仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、在测区布设高密度大线，按勘探要求设计极距，在测点土地上钉金属电极，测点在水泥马路或裸露的岩石上用橡皮泥耦合磁电极；

b、将布设好的金属电极和磁电极与高密度大线连接，并与高密度电法仪接通；

c、开启高密度电法仪，检查布设的所有电极与大地耦合情况；

d、高密度电法仪通过高密度大线两端的金属电极A和B向大地供电；

e、电极M和电极N接收大地电流信号；磁电极接收磁信号，通过磁电极内设的转换电路将接收到的磁信号转为电信号后与金属电极接收到的电信号一并通过高密度大线传给高密度电法仪，并存储；

f、通过高密度电法仪上的RS232串口将测量数据传入计算机，通过计算机内预置的处理软件，对测量数据进行正反演处理；

g、根据处理后的数据绘制出视电阻率拟地电断面图。