CN109001545A - 一种用于滑坡监测的岩土体电场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于滑坡监测的岩土体电场传感器，该传感器包括顺次连接的电极1、单芯带屏蔽电缆3、电场前置放大器单元4、多芯带屏蔽电缆5和电场信号输出单元6；滑坡孕育中大地电场微弱信号由大地电场耦合电极1输入，经单芯带屏蔽电缆3传输至电场前置放大器单元4进行放大，放大后经多芯带屏蔽电缆5传输到电场信号输出单元6将电场信号输出。与现有技术相比，本发明适用于滑坡监测或探测，具有测量稳定、结构简单、使用方便、维护成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于大地物理测量领域，具体属于野外地质探测技术领域，尤其涉及一种监测或探测滑坡地质灾害的岩土体电场传感器。
背景技术
滑坡灾害监测技术是一门综合性很强的应用学科，是以工程地质学、土力学、电子学、传感器、测量学及计算机技术等多门学科交叉为理论实践基础的技术方法体系的综合应用。大地电磁法是地球物理科学中的一种探测方法，理论及反演解释成熟，仪器早已商业化并成功应用在找矿、找水、工程地质中多年。大地电磁法根据频率的高低可分为高频音频大地电磁法、音频大地电磁法、大地电磁法、甚低频超长周期大地电磁法等多种方法，分别针对不同的勘探深度和勘探目的。滑坡工程地质勘察中也经常使用高频音频大地电磁法进行勘探，将高频音频大地电磁法应用于滑坡长期监测理论上可行的，需要特别提出的是，岩石受力后首先出现一系列的微破裂，并被地下水所填充，岩石电阻率因而显著降低。实验表明，在岩石发生破裂之前它的电阻率将下降到原来的十分之一，所以将此作为研发电磁法监测滑坡孕育过程的合理性和正确性的依据之一。
一般国外的大地电磁法仪及电场传感器成套出售，在使用过程中即使仅电场传感器出现问题也需整体更换，成本高，而且国内零售市场尚无一般的国产大地电磁法仪及与之配套的电场传感器销售，更无满足探测或监测滑坡孕育的专用岩土体电磁仪及与之配套的岩土体电场传感器销售。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提供一种测量稳定、结构简单、使用方便、能满足滑坡孕育监测或探测的测量需求，且可匹配现有一般大地电磁法仪的岩土体电场传感，以降低对大地电磁法仪的使用维护成本。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于滑坡监测的岩土体电场传感器，包括顺次连接的电极、单芯带屏蔽电缆、电场前置放大单元、多芯带屏蔽电缆和电场信号输出单元；其中，电极用于与大地耦合，采集电场信号，并通过单芯带屏蔽电缆传输至电场前置放大单元；电场前置放大器单元对接收的电场信号进行放大，并通过多芯带屏蔽电缆传输至电场信号输出单元，由电场信号输出单元输出放大后的电场信号。
本发明符合滑坡孕育的监测或探测要求，且具有测量稳定、结构简单、使用方便等优点；同时，该传感器可匹配现有一般大地电磁法仪器，用于探测或监测滑坡地质灾害时，当需要更换大地电磁法仪配套使用的电场传感器时，可以不必再成套购买大地电磁法仪及电场传感器，仅需采用本发明的岩土体电场传感器即可，显著降低了因大地电磁法仪器配套使用的电场传感器损坏而产生的维护成本。
在实际使用过程中，电场传感器在多次使用后，会因电极腐蚀而导致所采集的电场信号的稳定性下降，通常的措施是直接更换电场传感器，但成本较高。为了进一步降低电场传感器的使用成本，本发明将前端的电极设置为可更换的连接方式，当腐蚀的电极不能稳定工作时，可随时替换，而不必更换整个电场传感器。为达到该目的，本发明采用的方案是：在电极与单芯带屏蔽电缆之间设置活动连接件，所述活动连接件的一端固定连接单芯带屏蔽电缆，另一端活动活动连接电极。其中，活动连接可采用弹簧夹或管卡连接件等实现。
进一步地，为了达到电场信号放大增益稳定、频率响应稳定，将微弱电场信号无失真的传输，本发明的电场前置放大器单元，包括外壳和信号放大电路。为不失真的放大电极所采集的电场值，并确保放大增益稳定，频率响应稳定，本发明的电场前置放大器单元的信号放大电路优选差动多级放大电路。
进一步地，为采集滑坡孕育过程中岩土体微弱大地电场值，本发明的电极为合金电极或铜棒电极或铜—饱和硫酸铜溶液不极化电极。
进一步地，为满足野外恶劣环境中连续工作，防水防潮，信号放大增益稳定，频率响应稳定，本发明的电场前置放大器单元的外壳选用耐热耐酸耐腐蚀无感材质的工业PVC(聚氯乙烯)加工成模。
进一步地，为减少因温度或其它人为因素造成的随机噪声电压值，本发明的单芯带屏蔽电缆，要求噪声要低，阻抗值为47Ω～53Ω。
进一步地，为减少因温度或其它人为因素造成的随机噪声电压值，本发明的多芯带屏蔽电缆，要求噪声要低，阻抗值为47Ω～53Ω。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明能满足滑坡孕育的监测或探测要求，其测量稳定、结构简单、使用方便，能匹配现有的大地电磁法仪器，替换现有成套出售的大地电磁法仪及电场传感器中的电场传感器，因而本发明能显著降低因维护大地电磁法仪器的配件(电场传感器)的维护成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中三芯军品级连接器正视图。
图3为本发明中电场前置放大器单元的信号放大电路的电路图。
图4为本发明中信号放大电路的运算放大电路的电路图。
图5为本发明的测试连接关系示意图。
图6为本发明的合金电极测试效果图。
图7为本发明的铜—饱和硫酸铜溶液不极化电极测试效果图。
其中，附图标记说明如下：
1—电极，2—活动连接件，3—单芯带屏蔽电缆，4—电场前置放大器单元，5—多芯带屏蔽电缆，6—电场信号输出单元。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，本发明的电场传感器包括顺次连接的电极1、活动连接件2、单芯带屏蔽电缆3、电场前置放大器单元4、多芯带屏蔽电缆5和电场信号输出单元6。
其中电极1一般选择铜棒电极、合金电极或铜—饱和硫酸铜溶液不极化电极，优选合金电极；活动连接件2选用弹簧夹；单芯带屏蔽电缆3要求噪声低，阻抗值为47Ω～53Ω；多芯带屏蔽电缆5要求噪声低，阻抗值为47Ω～53Ω，本具体实施方式中，选用三芯带屏蔽电缆；电场前置放大器单元4由外壳和信号放大电路构成，信号放大电路应需满足低频响应和宽频带的特点，工作频率为1KHz—100KHz，以确保放大后的电场信号不失真，外壳选用耐热耐酸耐腐蚀无感材质的工业PVC加工成模，以适应野外恶劣环境中连续工作，防水防潮；电场信号输出单元6选择能与现有的一般大地电磁法仪相匹配(即与大地电磁法仪的信号输入接口匹配)的连接器，本具体实施方式中，选用三芯军品级用连接器，能匹配美国GEOMERTICS公司生产和销售的EH-4大地电磁仪，三芯军品级连接器的正视图如图2所示，以A、B、C区分三芯的顺序，连接EH-4大地电磁仪时注意对应。
将图1所示的电场传感器用于滑坡孕育过程中对岩土体的电场信号采集的具体工作过程为：
电极1与大地耦合，采集岩土体中的电场信号，并通过活动连接件2(弹簧夹)、单芯带屏蔽电缆3，将采集的电场信号送入电场前置放大器单元4。
电场前置放大器单元4，对来自电极1的电场信号进行放大，并通过三芯带屏蔽电缆5将放大的电场信号传送至三芯军品级连接器6。
最后，通过三芯军品级连接器6将经前置放大单元4放大的电场信号输出到大地电磁法仪，从而实时完成对采集的电场信号的分析与监测。
本发明岩土体电场传感器的信号流程如附图1中所示：大地电场微弱信号由大地电场耦合电极1输入，经低噪声屏蔽电缆传输至电场前置放大器单元4放大，再由低噪声屏蔽电缆传输至电场信号输出单元输出。
在本实施方式中，电场前置放大器单元4的信号放大电路原理图如附图3所示：它是一种差动多级放大电路，由接地电极接收的电场信号，经过A1和A2双运算放大电路逐级放大。运算放大电路A1和A2是放大级，其中电场信号从A1反向端Input输入，A1同向输入端连接参考电位负极Vin-，A1输出端经电阻R3耦合至次级运算放大电路A2的反向输入端，A2同向输入端连接参考电位正极Vin+，A2输出端Output将放大后的电场信号输出至后续电路以备处理，其中，为了简化传感器结构，传感器的电源正极Vin+、电源负极Vin-由三芯军品级连接器提供。电阻R1、R2、R3、R4和R5共同决定前置放大电路的电路增益GAIN，其大小可由如下公式计算得出。
GAIN＝(R4/R3)(1+1/2*((R2/R1)+(R3/R4))+(R2+R3)/R5)
A1、A2运算放大电路的电路图如图4所示，包括三极管Q1～Q18、恒流源I1～I6、电阻R1、电容C，信号由-IN/+IN端差分输入，经由Q1～Q8、R1、I1～I4组成的差分电路放大，再经由Q9～Q18、I5、I6、电容C组成的后级电路进一步放大，最后输出到OUT端，其中V+/V-为整个电路提供参考电压。
大地电场的振幅一般为10微伏/公里—10毫伏/公里，通常取电极之间的距离为20米—50米。电极和土壤直接接触产生接地电阻和电极电位。为减少接触电阻对地电信号的影响，应保持电极和土壤之间的良好接触。电极电位是金属电极和土壤所含溶液中的离子间电化学反应形成的。这个电化学反应也称电极的极化，它和金属性质、溶液中的离子性质和浓度有关。工作中要求两电极的电极电位差保持稳定，否则将会带来不可忽视的测量噪声。
为了测试本发明—岩土体电场传感器的性能及效果，选用了美国GEOMERTICS公司生产和销售的EH-4大地电磁仪及配套前置放大器、电场接收器、磁场接收器等整套系统作为测试测量设备进行滑坡孕育监测。EH-4测试连接关系详见附图5中所示，其中，放大器为电、磁道前置放大器，接收机为电场接收器、磁场接收器，Hy、Hx为磁场传感器,Ex0、Ex1、Ey0、Ey1为电场传感器,其中x表示X方向，y表示Y方向，Ex0和Ex1共同组成X方向的电场，Ey0和Ey1共同组成Y方向的电场。Ey0、Ey1为美国原产配套电场传感器，Ex0、Ex1为本发明——岩土体电场传感器，并分别选择合金电极、铜棒电极、铜—饱和硫酸铜溶液不极化电极作为电场接收器与本发明配套，实测滑坡孕育地质并对比测试数据及波形。
采用合金电极所得的测试效果详见附图6，左边框图的纵轴是时间轴，有49159个离散的时间点，横轴表示该时间点上的电压,介于-10V到+10V之间，有49159个离散的电压值，其中Ext通道是本发明的测量结果，Eyt通道是国外原产传感器的测量结果，所测值属于同一数量级；右边框图是将时间域数据做快速傅立叶变换至频率域，其中，Exr是电场Ex的实部，Exi是电场Ex的虚部，Eyr是电场Ey的实部，Eyi是电场Ey的虚部，频率域数据是一个虚数。通过图6可以对比本发明的频率特征，频响接近一致且在高频段优于美国原产电场传感器，因此本发明能与现有的大地电磁仪匹配并进行滑坡孕育探测或监测。
采用铜—饱和硫酸铜溶液不极化电极所得的测试结果详见附图7，通过对比分析再次验证了本发明的正确性；采用铜棒电极也做了同样的实验，实验结果进一步验证本发明的正确性。
综合考虑，金属铜的性质差于合金电极的金属性质，排除使用铜棒电极的方案；铜—饱和硫酸铜溶液不极化电极的优点是容易制作，但极罐内硫酸铜溶液容易被土壤吸收，工作中需要经常向罐内注入溶液，不甚方便；因此，优选用合金电极作为岩土体电场传感器的电极。
以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于滑坡监测的岩土体电场传感器，其特征在于，包括顺次连接的电极(1)、单芯带屏蔽电缆(3)、电场前置放大单元(4)、多芯带屏蔽电缆(5)和电场信号输出单元(6)；
其中，电极(1)用于与大地耦合，采集电场信号，并通过单芯带屏蔽电缆(3)传输至电场前置放大单元(4)；
电场前置放大器单元(4)对接收的电场信号进行放大，并通过多芯带屏蔽电缆(5)传输至电场信号输出单元(6)，输出放大后的电场信号。
2.根据权利要求1所述的岩土体电场传感器，其特征在于，所述电场前置放大器单元(4)包括信号放大电路，所述信号放大电路为差动多级放大电路，该电路包括：输入端Input通过电阻R1与第一运算放大电路A1的反向输入端相连，第一运算放大电路A1的输出端通过反馈电阻R2与反向输入端相连，第一运算放大电路A1的同相输入端与参考电位负极Vin-相连，第一运算放大电路A1的输出端通过耦合电阻R3与第二运算放大电路A2的反向输入端相连，第一运算放大电路A1的反向输入端通过电阻R4与第二运算放大电路A2的反向输入端相连，第二运算放大电路A2的输出端通过反馈电阻R5与反向输入端相连，第二运算放大电路A2的同相输入端与参考电位正极Vin+相连，第二运算放大电路A2的输出端与输出端Output相连。
3.根据权利要求1所述的岩土体电场传感器，其特征在于，所述电极(1)为合金电极或铜棒电极或铜—饱和硫酸铜溶液不极化电极。
4.根据权利要求1所述的岩土体电场传感器，其特征在于，在电极(1)与单芯带屏蔽电缆(3)之间还设置有活动连接件(2)，所述活动连接件(2)的一端固定连接单芯带屏蔽电缆(3)，另一端活动连接电极(1)。
5.根据权利要求4所述的岩土体电场传感器，其特征在于，所述活动连接件(2)为弹簧夹或管卡连接件。
6.根据权利要求1所述的岩土体电场传感器，其特征在于，所述电场前置放大器单元(4)还包括外壳，所述外壳的材料为耐热耐酸耐腐蚀无感材质的工业PVC。
7.根据权利要求1所述的岩土体电场传感器，其特征在于，所述单芯带屏蔽电缆(3)的阻抗值为47Ω～53Ω。
8.根据权利要求1所述的岩土体电场传感器，其特征在于，所述多芯带屏蔽电缆(5)的阻抗值为47Ω～53Ω。
9.根据权利要求1所述的岩土体电场传感器，其特征在于，所述电场信号输出单元(6)为三芯军品级连接器。
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