CN110850479A - 三维电阻率原位监测探针 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种三维电阻率原位监测探针，包括内置从机电路的探杆、位于探杆上端内置主机电路的主控舱及位于探杆下端的锥尖，所说探杆包括：多组电阻率传感器模块，每组电阻率传感器模块包括多个绝缘环、所述绝缘环顶部具有凸起结构，底端具有和凸起配合的凹槽结构，绝缘环顶面设有至少3个点电极凹槽及两个上下贯通孔用以插装绝缘环的定位柱，所述点电机凹槽位于所述绝缘环外边缘处。本发明可构建三维电阻率动态监测体系，通过三维电阻率动态监测体系可揭示不同灾害链起因导致水盐运移在特殊土体中的运移规律和机理，实现对海岸带地区水盐运移空间分布动态变化过程进行高(空间)分辨率、高精度的原位长期监测。

Description

三维电阻率原位监测探针

技术领域

本发明属于地质探测技术领域，具体涉及电路率原位监测探针。

背景技术

电阻率探针是一种连续测量的电阻率传感器，传统的电阻率传感器从二电极到八电极不等，采用的测量方式也不尽相同，但其基本都为单点测量装置，采用点电极或环形平行布设的方式，通过人工电场激发，对被测介质进行电性测量并反演其特性的方法。从测量原理上讲，电阻率传感器分为感应式、电极式和超声波三种(周明军等,2010)。

电极型电阻率传感器是根据电解导电原理，采用电化学方法进行测量；电感型电导率传感器依据电磁感应原理，实现对液体电导率的测量；超声波电导率传感器根据超声波在液体中变化对电导率进行测。其中，以电极型电阻率传感器应用最广。

Won(1987)开发了一套由四个环形以Wenner排列方式组装的电阻率测量系统，并以此进行了海底沉积物电阻率测量。Fossa(1998)基于环形电极和板状电极开发了一套电阻率测量装置，并将其应用于测量气—液混合物。Rosenberger(1999)设计开发了一种自由落体的贯入式电阻率探头，后来这套电阻率探头被用来连续测量了海底面以下4米深度范围沉积物电阻率，并建立了电阻率与沉积物孔隙度变化之间的对应关系(Jansen et al.,2005)。目前，电极式电阻率传感器在海洋探测领域被广泛应用于测量海水盐度、沉积物电性等方面，大量的科研成果和市场化产品陆续面世。但是随着实际空间探测的需求，四电级的电阻率传感器已不能满足其高分辨率监测的需求。

高密度电阻率法是采用大量的电极沿一定规则预先布设，通过电极转换控制电路进行通道的快速切换，进行一种或多种测量方式的大量测点快速测量的方法。高密度电阻率探针则是采用高密度电阻率法，将环形电极沿杆体轴向等间距布设，通过电极转换电路和采集系统实现大量测点的密集测量。高密度电阻率探针的测量原理与传统电法测量原理类似，但其数据的空间密度是传统电法的数十倍甚至更多，可以直接获取高解析度的空间数据，用于反演不同被测介质、或相同介质的不同组成成分之间的空间构成。

Ridd(1992)将WON设计的装置加以改进，包括1对电流电极(发射电极)和6对电压电极(测量电极)，并应用该装置进行了海床蚀积过程监测实验。Thomas(2002)对Ridd设计的装置进行了优化改进，简化了原位测量方式，将数据采集部分与探针整合为一体。Cassen(2004)在Ridd的设备基础上，解决了一系列技术性问题，设计了一套由32组点电极构成的电阻探针，能够进行连续滚动测量。

目前的技术发展一直在致力于提高监测分辨率，以此满足特定精细探测需求，但目前的监测探针仍然局限在一维、二维空间的大尺度探测，二维探测只能获得某个点的电阻率值，以此根据该点电阻率大小获得该位置盐度的变化情况，进而获知该位置是否存在海水入侵，但无法确定入侵来向，因而无法满足海水入侵-土壤盐渍化灾害链触发条件的立体空间的动态监测需求。

发明内容

为解决现有监测探针仍然局限在一维、二维空间的大尺度探测，无法满足特定精细探测需求问题，本发明提出一种三维电阻率原位监测探针，其方案如下：

一种三维电阻率原位监测探针，包括内置从机电路的探杆、位于探杆上端内置主机电路的主控舱及位于探杆下端的锥尖，所说探杆包括：多组电阻率传感器模块，每组电阻率传感器模块包括多个绝缘环、所述绝缘环顶部具有凸起结构，底端具有和凸起配合的凹槽结构，绝缘环顶面设有至少3个点电极凹槽及两个上下贯通孔用以插装绝缘环的定位柱，所述点电机凹槽位于所述绝缘环外边缘处；锥尖连接器，顶端设有两根用以装配电阻率传感器模块的限位柱；舱体连接器，其上设有与主机舱匹配的接线端；安装时，将各组电阻率传感器依次套装在两根限位柱上，顶端通过舱体连接器和主机舱相连，底端连接所述锥尖。

进一步地，所述凸起为环状凸起。

进一步地，所述绝缘环厚度为5mm。

进一步地，所述电机凹槽个数为4个。

进一步地，绝缘环材质为尼龙。

进一步地，所述点电极凹槽对称分布。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明多组电阻率传感器模块套装，每组电阻率传感器模块包括多个绝缘环、每个绝缘环顶面可安装至少3个点电极，可实现不同电极排列方式、不同层数的探测，该结构可构建三维电阻率动态监测体系。通过三维电阻率动态监测体系可揭示不同灾害链起因导致水盐运移在特殊土体中的运移规律和机理，实现对海岸带地区水盐运移空间分布动态变化过程进行高(空间)分辨率、高精度的原位长期监测。

附图说明

图1-1为本发明实施例三维电阻率原位监测探针结构爆炸图；

图1-2为图1-1中端盖结构示意图；

图1-3为图1-1中主控舱结构示意图；

图1-4为图1-1中舱体连接器结构示意图；

图1-5为图1-1中电阻率传感器模块结构示意图；

图1-6为图1-1中锥尖连接器结构示意图；

图1-7为图1-1中锥尖结构示意图；

图2为本发明实施例绝缘环、从机电路安装结构示意图一；

图3为本发明实施例绝缘环、从机电路安装结构示意图二；

图4为本发明实施例各组电阻率传感器模块安装结构示意图；

图5为本发明实施例空间电阻率交叉反演技术探测区域示意图

图6为本发明实施例水平环列点电极切面探测示意图；

图7为本发明实施例垂向温纳法电阻率探测示意图；

图8为本发明实施例线列电极滚动探测示意图；

图9为本发明实施例多层复合式点电极延伸探测示意图；

图10为本发明实施例空间点电极定向探测示意图；

图11-1为本发明实施例竖直向点位分布特征图；

图11-2为本发明实施例水平向点位分布特征图；

图中：实心点表示电极位置；空心圈表示测量数据点位；

图12为本发明实施例计算点位布置图；

图中：+表示求解点位；实心点表示已知点位；空心圈表示过渡点位。

具体实施方式

参考图1-1至图1-7，本发明提出一种三维电阻率原位监测探针，自上而下包括主控舱、舱体连接器、探杆及锥尖。

本发明探杆采用模块插接结构，包括多组电阻率传感器模块、舱体连接器及锥尖连接器，参考图2至图4，每组电阻率传感器模块包括多个相互叠加的绝缘环1，每个绝缘环1顶部具有凸起结构1-1，底端具有和凸起配合的凹槽结构，绝缘环顶面设有4个点电极凹槽1-2(还可设置6个、8个)及两个上下贯通孔用以插装绝缘环的定位柱2，点电机凹槽位于所述绝缘环外边缘处；锥尖连接器的顶端设有两根用以装配电阻率传感器模块的限位柱3；舱体连接器上设有与主机舱匹配的接线端。

其中，电阻率传感器模块、定位柱及限位柱、主控舱舱体等强度材料均采用PEEK2000材料(加纤30％中粘度聚醚醚酮、碳纤维或玻璃纤维增强化合物)，点电极采用黄铜材料，电镀氯化银。

组装时，两定位柱底端镶上螺母，固定从机电路板，将安装有点电极的绝缘环叠加套装在定位柱上，顶部通过螺母固紧，一组电阻率传感器模块组装完毕。再将多个电阻率传感器模块依次套装在两根限位柱上，顶端通过舱体连接器和主机舱相连，底端连接所述锥尖。

本实施例三维电阻率原位监测探针主体部分外径

有效监测长度800mm，全长1200mm；点电极水平向环形等间距4点分布，垂向线列等间距分布，间距为5mm；每个水平切面包括4个电极，共160个切面垂向分布，合计640个电极。

本实施例三维电阻率原位监测系统采用主从式数据采集控制结构，能够实现多种电极排列方式的探测和快速切换。位于主机舱内的主机电路从功能结构上包括数据传输、存储、控制、通讯、供电等单元(供电采用内接独立电池)，可以提供恒流(0.01A/0.1A/1A/5A)、恒压(0.1V/0.5V/2V/10V)两种供电模式。主机电路主体通过穿过水密接插件的总线结构，与探杆内部各个从机相连接。此外，主机通过端盖预留的水密接头，可以灵活的与上位机进行代码修改、实时通讯、数据传输、参数调整、电池充电等功能。

从机内嵌入探杆内部，每个从机单元长80mm，通过接线柱与16个水平切面的64个点电极依次相连，实现对这64个电极的电源激发与数据采集。从机从功能结构上包括数据采集、传输、电极切换等功能，电极切换主要是通过复合式的开关转换矩阵，实现不同电极排列方式、不同层数的探测。

具体探测时，包括如下步骤：

(1)、水平环列点电极切面探测

基于同一水平切面、等间距、环形分布的四个正交点电极，通过激发相邻电极进行二极法的电阻率探测，如图6所示。每一水平切面获得四个数据测点，各层水平切面依次进行测量，空间测量分辨率为3.5×20.5mm≈4.95mm。最终，通过二极法切面测量，获得总计4个·层×160层＝640个临近探针、均匀分布的测点数据。

(2)、垂向线列点电极滚动探测

基于同一方向、垂向等间距分布的160个点电极，激发四个相邻电极，采用温纳法进行测量，如图7所示。自上向下依次进行滚动测量，空间分辨率为5mm，每一个线列获得160-3＝157个测点数据，如图7及图8所示。

(3)、多层复合式点电极延伸探测

基于同一方向、垂向等间距分布的160个点电极，在垂向线列点电极探测的基础上，进行更大间距的温纳滚动测量，如图9所示。其中，第N层(N≤40)的测点，空间分辨率为5mm×N，水平探测距离为0.5×(5mm×N)。测点个数为160-1-2×N＝159-2N个。从第1层到第40层，总测点个数为5940个。

(4)、空间点电极定向探测

基于三维高密度电阻率原位监测探针的空间排布形式，依次进行四个正交方向的垂向线列点电极滚动探测、多层复合式点电极延伸探测，获得具有三维立体空间分布规律的正交定向探测数据，如图10所示。

(5)、空间电阻率交叉反演

通过综合上述复合式点电极交叉探测数据，对空间进行插值计算，获取完整的立体空间探测数据。综合上述方法的探测特征，可知最终获得的电阻率探测空间分布，为一个规则的椭圆球体，如图5所示。其内部距离探针水平距离越近，数据的空间分辨率越高。基于此，建立适用于本系统的空间电阻率交叉反演技术，反演电阻率空间分布情况，准确获取水盐运移空间分布动态变化过程。

具体过程如下：

高分辨率复合式电极交叉探测装置共有160个切面垂向分布，每个水平切面有4个电极，探测装置合计有640个电极。

探测装置探测到的电阻率点位可以分为竖向结构和水平结构。对于竖向结构，任意选取等间距(n倍两点间的距离)的四个点位，可进行温纳法进行电阻率测量。即最上一点作发射电极，最下一点作接收电极，中间两点作测量电极，这样在探测装置单侧157个已知电阻率的点位。同样在探测装置的其他三侧，每侧都有157个已知电阻率的点位。在水平位置，每层都有四个电极正交分布，相邻两个点位之间采用二极法进行电阻率探测，可以获得一个已知点位的电阻率值，在一个水平面内可以获得4个已知点位的电阻率值。一共160层水平向结构，则可以获得160*4＝640个已知电阻率的点位。则整个装置可获取157*4+640＝1268个已知点位的电阻率值，所探测点位包含在一个球体范围内，其分布特征如图11-1，图11-2所示。

在球体空间内，已知1268个点位的电阻率值，要推算球体空间内任意一点的电阻率值大小，本实施例选择包围该点的四个点(距离最近)进行作为参考点，如图12所示。

①求解过渡点位的电阻率大小

当ρ₁>ρ₂，式中“±”取减号，反之，取加号；当ρ₃>ρ₄，式中“±”取减号，反之，取加号；ρ(x₁，y)为第一过渡点电阻率，ρ(x₃，y)为第二过渡点电阻率，ρ₁、ρ₂、ρ₃及ρ₄均为已知点位；

②通过两个过渡点求得求解点位的电阻率

当ρ(x₁，y)>ρ(x₃，y)，式中“±”取减号，反之，取加号。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种三维电阻率原位监测探针，包括内置从机电路的探杆、位于探杆上端内置主机电路的主控舱及位于探杆下端的锥尖，其特征在于：所说探杆包括多组电阻率传感器模块，每组电阻率传感器模块包括多个绝缘环、所述绝缘环顶部具有凸起结构，底端具有和凸起配合的凹槽结构，绝缘环顶面设有至少3个点电极凹槽及两个上下贯通孔用以插装绝缘环的定位柱，所述点电机凹槽位于所述绝缘环外边缘处；

锥尖连接器，顶端设有两根用以装配电阻率传感器模块的限位柱；

舱体连接器，其上设有与主机舱匹配的接线端；

安装时，将各组电阻率传感器模块依次套装在两根限位柱上，顶端通过舱体连接器和主机舱相连，底端连接所述锥尖。

2.根据权利要求1所述的三维电阻率原位监测探针，其特征在于：所述凸起为环状凸起。

3.根据权利要求1所述的三维电阻率原位监测探针，其特征在于：所述绝缘环厚度为5mm。

4.根据权利要求1所述的三维电阻率原位监测探针，其特征在于：所述电机凹槽个数为4个。

5.根据权利要求1所述的三维电阻率原位监测探针，其特征在于：绝缘环材质为尼龙。

6.根据权利要求1所述的三维电阻率原位监测探针，其特征在于：所述点电极凹槽对称分布。

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