CN106370933A - 一种高精度极间电阻智能测试仪及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度极间电阻智能测试仪及使用方法。所述智能测试仪由单片机芯片、供电电压探头、霍尔电流传感器、模拟信号调理模块、隔离电压采样模块、复杂可编程逻辑器件CPLD、高精度温度补偿晶振OCXO、GPS对钟模块、USB存储模块、锂电池供电单元组成。所述使用方法包括8个操作步骤。利用本发明所述的高精度极间电阻智能测试仪及使用方法，能够测得大功率开关电源输出的电压和电流，进而根据欧姆定律测得极间电阻，可以通过改变实验条件，分析影响极间电阻的因素及其定量规律。

Description

一种高精度极间电阻智能测试仪及使用方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探领域，具体涉及地球物理电磁法勘探过程中一种用于智能测量发射电极间电阻的高精度电阻测试仪及其使用方法。

背景技术

参见附图1，海洋可控源电磁法（Marine Controlled Source Electromagnetic,MCSEM）区别于海底大地电磁法，它利用船载的深拖缆将电磁发射机施放至近海底(0-50m)并进行低速拖曳，然后通过发射电偶极子（由一条较短的发射电缆和发射电极A’，一条较长的发射电缆和发射电极B’组成，发射电极一般为一定长度的空心铜质管状材料）向海底激发人工源信号（实际勘探时，供电频率一般为0.1-10Hz）。由布设在海底的接收机采集感应信息，再经过相应数据处理和反演即可了解海底以下介质的导电性结构。

人工源电磁的激发能力是以电偶源极矩的大小来衡量，电偶源极矩等于发射电流I乘以发射电极之间的距离L，单位是A·m。在MCSEM探测过程中，为了提高接收信号的信噪比，除提高接收机采集信号灵敏度和降低自身噪声水平外，还可通过增加L和I的方式来提高信噪比。从实际的海上作业来讲，L不宜过长，否则将导致以下问题：1）海上的施工异常复杂；2）尾端发射电极离海底的高度难于控制，有触底的风险；3）尾端发射电极易受水流的影响，其定位误差变大，增加海底以下目标体的电性异常圈定偏差。因此，尽管L对电偶源极矩的贡献很大，但考虑综合因素，国际上深水勘探采用的L一般为50-300m。

另一方面，可以增加I。利用简化的欧姆定律I=U_AB/R，其中U_AB为发射机的供电电压，R为天线电阻。我们通过增加发射电压U_AB和减小天线电阻R的方式增加发射电流I。从能量损耗的角度来讲，在总输出功率P=I²R一定的情况下，发射电流越大越好。因此，焦点集中在了如何降低天线电阻R的大小。

天线电阻R由两部分组成，R=R_L+R_S，如附图1所示，其中R_L是两端发射电缆的线上电阻和电极的内阻（该值与线上电阻相比可忽略不计），R_S是两个海水中的发射电极之间的极间电阻。线上电阻R_L由以下成熟的经验公式确定。

R_L=ρ_L×L_L/S_L （1）

其中ρ_L是发射电缆所采用的金属导线的电阻率，L_L是发射电缆的总长度，S_L是发射电缆中导体的截面积。无论发射电缆是采用铝芯或铜芯材料，都可以采用公式（1）精确算出，实测的电阻值与理论计算几乎一致。而目前难于确定的就是R_S。

那发射电极之间的阻抗特性究竟与哪些因素有关？各个因素占据多少权重？正确的R_S计算公式又是什么？这个关键问题如果不解决，将影响整个系统的设计。R_S除了与ρ_L、L_e、D、L相关以外，还可能与海水电阻率、电极的形状（表面积，相关于L_e和D）、海水盐度、发射电压、发射电流、供电空间、电化学反应(可能包括电解和电镀过程)、发射电极的材料、电极移动速度、供电回路中的感抗、海水温度等因素相关。这些因素的定性说明很容易确定，但定量规律难于指示。因此亟需一种高精度极间电阻智能测试仪，用来测试极间电阻的大小，并以此从实验角度来研究影响极间电阻的因素及其定量规律。

本发明正是围绕上述问题展开研究，致力于攻克上述一系列技术难题，并将各项技术有机结合在一起取得了自主创新。

发明内容

为了能在水槽和海洋环境下测量极间电阻，本发明提供一种高精度极间电阻智能测试仪及使用方法，所述方法利用已有的水槽搭建测试环境，进行基础性实验，验证各个预知因素对RS的影响及其所占权重。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

1、工作原理

水槽环境下极间电阻的测试原理如附图2所示。大功率开关电源输出可调的直流电压，通过供电线缆给水槽中的供电电极供电，大功率开关电源可以工作于恒压模式或者恒流模式。利用高精度极间电阻智能测试仪可以测量大功率开关电源的供电电压和供电电流。高精度极间电阻智能测试仪的霍尔电流传感器穿过供电线缆，测量流过供电线缆的供电电流；电压测量电路按照正负顺序接至供电电极的两端，测量供电电极间的供电电压。实际计算时，按照欧姆定律，将供电电压除以供电电流，即可得出极间电阻的大小。测试仪内部采用锂电池供电，降低系统的电源噪声。供电线缆是一条具有一定长度和固定阻抗的多芯铜电缆，连接输出可调的大功率开关电源与供电电极。在室内水槽环境下测试用的供电电极一般为紫铜圆柱体。

、发明要点

参见附图3，一种高精度极间电阻智能测试仪，由单片机芯片、供电电压探头、霍尔电流传感器、模拟信号调理模块、隔离电压采样模块、复杂可编程逻辑器件CPLD(ComplexProgrammable Logic Device)、高精度温度补偿晶振OCXO(Oven Controlled CrystalOscillator)、GPS(Global Positioning System，全球定位系统)对钟模块、USB(UniversalSerial Bus，通用串行总线)存储模块、锂电池供电单元组成。所述供电电压探头与所述隔离电压采样模块相连接，所述隔离电压采样模块一端与所述供电电压探头相连接，另一端与所述单片机的A/D采集通道1相连接；所述霍尔电流传感器与所述模拟信号调理模块相连接，所述模拟信号调理模块一端与所述霍尔电流传感器相连接，另一端与所述单片机的A/D采集通道2相连接；所述CPLD模块与高精度温度补偿晶振、GPS对钟模块和单片机芯片相连接；所述GPS对钟模块与所述CPLD模块和单片机芯片相连接；所述USB存储模块与所述单片机芯片相连接；所述锂电池电源模块与上述各模块相连，为其提供电能。

GPS对钟模块获得时间信息后，USB移动存储盘中的文件从时间缓冲区得到添加了时间信息的时间戳。供电电压探头将待测的电压传输给隔离电压采样电路，该电路将处理好的电压信号送至主控单片机模块的A/D采集通道1，在主控单片机模块的内部转为数字量，然后存储在数据缓冲区中。霍尔电流传感器将穿过测量线上的电流信号线性地转为电压信号，输出的电压信号经过模拟信号调理模块进行叠加偏置和分压处理，然后输送到主控单片机模块中的A/D采集通道2中并存储于数据缓冲区中。主控单片机模块利用存储缓冲区将转换完的电压和电流波形数据以及与之相对应的高精度时间标记脉冲计数存储至USB移动存储盘中，组成了完整的高精度极间电阻智能测试仪，为极间电阻测量提供了一个可靠的硬件保障。高精度极间电阻智能测试仪的电路控制硬件置于独立的铝盒中。

复杂可编程器件CPLD模块利用GPS模块输出的同步基准信号，即周期为1s的脉冲信号PPS，对有源高精度温度补偿晶振输出的32768KHz振荡信号进行精准分频，并使分频信号上升沿与PPS上升沿严格对齐。该分频信号作为高精度时间标记的计数脉冲输入至主控单片机模块中。GPS模块同时通过RS3232收发器输出与PPS脉冲前沿对应的国际标准时间和日期，传送给主控单片机模块。

主控单片机模块采用了最小系统板方案，即以单片机模块为核心的精简电路板，包括12MHz晶振主时钟模块、+5V转3.3V电源模块、手动复位电路、3V电压基准电路、RS232接口，以及排针接口等。复杂可编程逻辑器件电路也同样采用了最小系统板方案，便于集中精力根据需要设计相应的外围电路，提高设计效率，缩短设计周期。

锂电池供电单元给上述所有的模块提供电力供应，利用开关电源模块输出的+12V转为集成运放所需的±15V电压、利用开关电源芯片将+12V转+5V，利用线性稳压源芯片将+5V转+3.3V，利用超高精度基准电压源芯片将+5V转为+3V参考电压。

所述高精度极间电阻智能测试仪是基于主控单片机模块实现的，利用了单片机的高速通用输入输出口GPIO(General Purpose Input Output)、外部中断EINT0~EINT3、串行口UART0（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)和UART1、10位A/D转换器等。在单片机中移植入操作系统，将程序分为多个任务，各个任务独立工作，互不干涉。

高精度极间电阻智能测试仪面板控制图，如附图4所示。上排自左向右分别是电源指示灯、PPS指示灯、对钟指示灯和存储指示灯；下排自左向右分别是电源开关、对钟开关和存储开关。

一种高精度极间电阻智能测试仪使用方法，所述方法包括以下步骤：

1）连接好供电电压探头，将其接至大功率开关电源的电压输出端，注意接线的正负，测量端的正极接大功率开关电源的正极，测量端的负极接大功率开关电源的负极；

2）连接好霍尔电流传感器，将其穿过供电线缆，注意电流方向，保持霍尔电流传感器自身标注的电流正方向和大功率开关电源正极到负极的电流方向一致；

3）打开高精度极间电阻智能测试仪的总电源开关(控制面板下排左侧第一个)，当电源指示灯亮（上排左侧第一个），PPS指示灯亮（上排左侧第二个），未发现异常后（比如电源指示灯闪烁），进行第4步操作；

4）等待PPS信号的到来，PPS信号到来后，PPS指示灯闪烁，闪烁频率为1Hz，亮0.5s，灭0.5s，此时进行第5步操作；

5）打开对钟开关（下排左侧数第二个），若对钟成功，则对钟指示灯会亮起，否则仍然保持熄灭状态，若对钟不成功，将对钟开关拨下，重新对钟，直至对钟指示灯常亮，此时进行第6步操作；

6）打开存储开关(下排左侧数第三个)，开启数据采集以及U盘存储功能，此时进行第7步操作；

7）按照预定的实验方案，调节大功率开关电源的输出电压或输出电流，无需手动记录供电电压和供电电流，更无需手动计算极间电阻，由仪器自动采集并记录数据；

8）实验结束后，按开启开关的逆序关闭所有开关，即，先关闭存储开关，数据采集存储结束，同时进行对钟偏差查询，将偏差值存储到USB移动硬盘中，最后依次关闭对钟开关和电源开关，至此电流电压信息采集完毕，并同时由程序计算出接地电阻值一并存储在USB移动硬盘中。

本发明的优点和有益效果为：利用本发明所述的高精度极间电阻智能测试仪及其使用方法，能够测得大功率开关电源输出的电压和电流，进而根据欧姆定律可以测得极间电阻，这样就可以通过改变实验条件，来进一步分析影响极间电阻的因素及其定量规律。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为拖曳式MCSEM探测原理图。

图中，1是船载供电及甲板监控，2是海面，3是深拖缆，4是电磁发射机，5是发射电偶极子，6是发射电缆，7是极间距离，8是电极截面直径，9是电极长度，10是离海底高度，11是海底，12是海底电磁接收机。

图2为本发明所述的水槽环境下极间电阻的测试原理图。

图3为本发明所述的高精度极间电阻智能测试仪原理框图。

图4为本发明所述的高精度极间电阻智能测试仪面板控制图。

具体实施方式

实施例

参见附图3，一种高精度极间电阻智能测试仪，由单片机芯片LPC2368、供电电压探头、霍尔电流传感器、模拟信号调理模块、隔离电压采样模块、复杂可编程逻辑器件CPLD、高精度温度补偿晶振OCXO、GPS对钟模块、USB存储模块、锂电池供电单元组成。所述供电电压探头与所述隔离电压采样模块相连接，所述隔离电压采样模块一端与所述供电电压探头相连接，另一端与所述单片机LPC2368的A/D采集通道1相连接；所述霍尔电流传感器与所述模拟信号调理模块相连接，所述模拟信号调理模块一端与所述霍尔电流传感器相连接，另一端与所述单片机LPC2368的A/D采集通道2相连接；所述CPLD模块与高精度温度补偿晶振、GPS对钟模块和单片机芯片LPC2368相连接；所述GPS对钟模块与所述CPLD模块和单片机芯片LPC2368相连接；所述USB存储模块与所述单片机芯片LPC2368相连接；所述锂电池电源模块与上述各模块相连，为其提供电能。

GPS对钟模块获得时间信息后，USB移动存储盘中的文件从时间缓冲区得到添加了时间信息的时间戳。供电电压探头将待测的电压传输给隔离电压采样电路，该电路将处理好的电压信号送至主控单片机模块LPC2368的A/D采集通道1，在主控单片机模块LPC2368的内部转为数字量，然后存储在数据缓冲区中。霍尔电流传感器将穿过测量线上的电流信号线性地转为电压信号，输出的电压信号经过模拟信号调理模块进行叠加偏置和分压处理，然后输送到主控单片机模块LPC2368中的A/D采集通道2中并存储于数据缓冲区中。主控单片机模块LPC2368利用存储缓冲区将转换完的电压和电流波形数据以及与之相对应的高精度时间标记脉冲计数存储至USB移动存储盘中，组成了完整的高精度极间电阻智能测试仪，为极间电阻测量提供了一个可靠的硬件保障。高精度极间电阻智能测试仪的电路控制硬件置于独立的铝盒中。

复杂可编程器件CPLD模块利用GPS模块输出的同步基准信号，即周期为1s的脉冲信号PPS，对有源高精度温度补偿晶振输出的32768KHz振荡信号进行精准分频，并使分频信号上升沿与PPS上升沿严格对齐。该分频信号作为高精度时间标记的计数脉冲输入至主控单片机模块LPC2368中。GPS模块同时通过RS3232收发器输出与PPS脉冲前沿对应的国际标准时间和日期，传送给主控单片机模块LPC2368。

主控单片机模块LPC2368采用了最小系统板方案，即以单片机模块LPC2368为核心的精简电路板，包括12MHz晶振主时钟模块、+5V转3.3V电源模块、手动复位电路、3V电压基准电路、RS232接口，以及排针接口等。复杂可编程逻辑器件电路也同样采用了最小系统板方案。

锂电池供电单元给上述所有的模块提供电力供应，利用开关电源模块输出的+12V转为集成运放所需的±15V电压、利用开关电源芯片将+12V转+5V，利用线性稳压源芯片将+5V转+3.3V，利用超高精度基准电压源芯片将+5V转+3V参考电压。

所述高精度极间电阻智能测试仪是基于主控单片机模块LPC2368实现的，利用了单片机LPC2368的高速通用输入输出口GPIO、外部中断EINT0~EINT3、串行口UART0和UART1、10位A/D转换器等。在单片机LPC2368中移植入µC/OS-II操作系统，将程序分为多个任务，各个任务独立工作，互不干涉。

参见附图4，高精度极间电阻智能测试仪控制面板分为两排，上排自左向右分别是电源指示灯、PPS指示灯、对钟指示灯和存储指示灯；下排自左向右分别是电源开关、对钟开关和存储开关。

一种高精度极间电阻智能测试仪使用方法，所述方法包括以下步骤：

1）连接好供电电压探头，将其接至大功率开关电源的电压输出端，注意接线的正负，测量端的正极接大功率开关电源的正极，测量端的负极接大功率开关电源的负极；

2）连接好霍尔电流传感器，将其穿过供电线缆，注意电流方向，保持霍尔电流传感器自身标注的电流正方向和大功率开关电源正极到负极的电流方向一致；

3）打开高精度极间电阻智能测试仪的总电源开关，当电源指示灯亮，PPS指示灯亮，未发现异常后，进行第4步操作；

4）等待PPS信号的到来，PPS信号到来后，PPS指示灯闪烁，闪烁频率为1Hz，亮0.5s，灭0.5s，此时进行第5步操作；

5）打开对钟开关，若对钟成功，则对钟指示灯会亮起，否则仍然保持熄灭状态，若对钟不成功，将对钟开关拨下，重新对钟，直至对钟指示灯常亮，此时进行第6步操作；

6）打开存储开关，开启数据采集以及U盘存储功能，此时进行第7步操作；

7）按照预定的实验方案，调节大功率开关电源的输出电压或输出电流，无需手动记录供电电压和供电电流，更无需手动计算极间电阻，由仪器自动采集并记录数据；

8）实验结束后，按开启开关的逆序关闭所有开关，即，先关闭存储开关，数据采集存储结束，同时进行对钟偏差查询，将偏差值存储到USB移动硬盘中，最后依次关闭对钟开关和电源开关，至此电流电压信息采集完毕，并同时由程序计算出接地电阻值一并存储在USB移动硬盘中。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种高精度极间电阻智能测试仪，其特征在于：所述智能测试仪由单片机芯片、供电电压探头、霍尔电流传感器、模拟信号调理模块、隔离电压采样模块、复杂可编程逻辑器件CPLD、高精度温度补偿晶振OCXO、GPS对钟模块、USB存储模块、锂电池供电单元组成，所述供电电压探头与所述隔离电压采样模块相连接，所述隔离电压采样模块一端与所述供电电压探头相连接，另一端与所述单片机的A/D采集通道1相连接；所述霍尔电流传感器与所述模拟信号调理模块相连接，所述模拟信号调理模块一端与所述霍尔电流传感器相连接，另一端与所述单片机的A/D采集通道2相连接；所述CPLD模块与高精度温度补偿晶振、GPS对钟模块和单片机芯片相连接；所述GPS对钟模块与所述CPLD模块和单片机芯片相连接；所述USB存储模块与所述单片机芯片相连接；所述锂电池电源模块与上述各模块相连，为其提供电能。

2.如权利要求1所述的一种高精度极间电阻智能测试仪，其特征在于：所述GPS对钟模块获得时间信息后，USB移动存储盘中的文件从时间缓冲区得到添加了时间信息的时间戳；所述供电电压探头将待测的电压传输给隔离电压采样电路，该电路将处理好的电压信号送至主控单片机模块的A/D采集通道1，在主控单片机模块的内部转为数字量，然后存储在数据缓冲区中；所述霍尔电流传感器将穿过测量线上的电流信号线性地转为电压信号，输出的电压信号经过模拟信号调理模块进行叠加偏置和分压处理，然后输送到主控单片机模块中的A/D采集通道2中并存储于数据缓冲区中；所述主控单片机模块利用存储缓冲区将转换完的电压和电流波形数据以及与之相对应的高精度时间标记脉冲计数存储至USB移动存储盘中，组成了完整的高精度极间电阻智能测试仪，为极间电阻测量提供了一个可靠的硬件保障；所述高精度极间电阻智能测试仪的电路控制硬件置于独立的铝盒中。

3.如权利要求1所述的一种高精度极间电阻智能测试仪，其特征在于：所述复杂可编程器件CPLD模块利用GPS模块输出的同步基准信号，即周期为1s的脉冲信号PPS，对有源高精度温度补偿晶振输出的32768KHz振荡信号进行精准分频，并使分频信号上升沿与PPS上升沿严格对齐，该分频信号作为高精度时间标记的计数脉冲输入至主控单片机模块中，GPS模块同时通过RS3232收发器输出与PPS脉冲前沿对应的国际标准时间和日期，传送给主控单片机模块。

4.如权利要求1所述的一种高精度极间电阻智能测试仪，其特征在于：所述主控单片机模块采用了精简系统板方案，即以单片机模块为核心的精简电路板，包括12MHz晶振主时钟模块、+5V转3.3V电源模块、手动复位电路、3V电压基准电路、RS232接口，以及排针接口。

5.如权利要求1所述的一种高精度极间电阻智能测试仪，其特征在于：所述锂电池供电单元利用开关电源模块输出的+12V转为集成运放所需的±15V电压、利用开关电源芯片将+12V转+5V，利用线性稳压源芯片将+5V转+3.3V，利用超高精度基准电压源芯片将+5V转为+3V参考电压。

6.如权利要求1所述的一种高精度极间电阻智能测试仪，其特征在于：所述智能测试仪是基于主控单片机模块实现的，利用了单片机的高速通用输入输出口GPIO、外部中断EINT0~EINT3、串行口UART0和UART1、10位A/D转换器；在单片机中移植入操作系统，将程序分为多个任务，各个任务独立工作，互不干涉。

7.一种高精度极间电阻智能测试仪使用方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1）连接好供电电压探头，将其接至大功率开关电源的电压输出端，测量端的正极接大功率开关电源的正极，测量端的负极接大功率开关电源的负极；

2）连接好霍尔电流传感器，将其穿过供电线缆，注意电流方向，保持霍尔电流传感器自身标注的电流正方向和大功率开关电源正极到负极的电流方向一致；

3）打开高精度极间电阻智能测试仪的总电源开关，当电源指示灯亮，PPS指示灯亮，未发现异常后，进行第4步操作；

4）等待PPS信号的到来，PPS信号到来后，PPS指示灯闪烁，闪烁频率为1Hz，亮0.5s，灭0.5s，此时进行第5步操作；

5）打开对钟开关，若对钟成功，则对钟指示灯会亮起，否则仍然保持熄灭状态，若对钟不成功，将对钟开关拨下，重新对钟，直至对钟指示灯常亮，此时进行第6步操作；

6）打开存储开关，开启数据采集以及U盘存储功能，此时进行第7步操作；

7）按照预定的实验方案，调节大功率开关电源的输出电压或输出电流，无需手动记录供电电压和供电电流，更无需手动计算极间电阻，由仪器自动采集并记录数据；

8）实验结束后，按开启开关的逆序关闭所有开关，即，先关闭存储开关，数据采集存储结束，同时进行对钟偏差查询，将偏差值存储到USB移动硬盘中，最后依次关闭对钟开关和电源开关，至此电流电压信息采集完毕，并同时由程序计算出接地电阻值一并存储在USB移动硬盘中。