CN113447514A - 一种用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置，包括设在探测钻孔入口处的提升单元，探测钻孔内设有用防护套管与提升单元相连的由射频单元、接收单元、控制单元和通讯单元集成的测试装置；控制单元与射频单元、接收单元、通讯单元和提升单元之间通信连接，射频单元产生静磁场与射频磁场，使孔隙水极化；接收单元将孔隙水的回波信号放大、滤波、A/D转换；提升单元能将装置提升至钻孔不同深度；通讯单元能从地面上位机下载测试指令传递给控制单元，并将控制单元保存的测试数据上传至上位机。将本装置布置在小直径的地质探测钻孔中，能够实时监测地质体探测钻孔周围不同深度的含水量变化，为水缘性灾害的监测与预警提供准确的信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种布置于地质体探测钻孔中的微型核磁共振分析装置，尤其适用于边坡、堤坝、路基等地质体含水量的实时监测。
背景技术
边坡、堤坝、路基等地质体在水力侵蚀作用下容易发生失稳、滑坡或垮塌等地质灾害，造成严重的人员伤亡与财产损失。这些地质灾害往往具有突发性、隐蔽性和动态变化特征，需要采取有效的监测技术进行监测与预警。水体是诱发地质灾害的最主要因素，对地质体水含量的预测是地质灾害监测预警的关键。地震波、电磁、红外和直流电法等方法均是间接测试水含量，探测精度和距离不足，对工作环境的要求也较高。
核磁共振是一种能直接探测地层水文地质特征的物探方法，通过测试能得到地质体的孔隙结构、孔径分布、水分饱和度与运移等。当前多是在地质体表面布置大尺寸探测线圈，探测地质体下方的水分分布，易受地形等条件限制，难以满足连续测试需求。现有的核磁共振测井仪尺寸与重量一般也较大，探水过程费时费力，无法满足连续探测要求；需要较大直径的探测钻孔，易对地质体本身造成扰动与破坏。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服现有地质体水含量测试系统的的不足之处，提供一种用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置，通过小直径探测钻孔内布置微型核磁共振探水装置，可以实时监测地质体内部不同深度的水含量分布。
技术方案：本发明的一种用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置，包括探测钻孔、设在探测钻孔入口处的提升单元，所述的探测钻孔内设有用防护套管与提升单元相连的由射频单元、接收单元、控制单元和通讯单元集成的测试装置；所述的控制单元与射频单元、接收单元、通讯单元和提升单元之间通信连接，通过控制单元从通讯单元下载测试指令，解析测试指令后控制相应的射频单元、接收单元和提升单元工作，并存储接收单元和提升单元的测试数据；所述射频单元提供探测钻孔内的静磁场并发射射频脉冲产生射频磁场，使探测钻孔周围的孔隙水被极化，产生核磁共振；所述接收单元接收探测钻孔内孔隙水的回波信号，并对信号进行放大、滤波和A/D转换；所述提升单元将测试装置提升至所述探测钻孔的不同深度，并自动记录深度信息；所述通讯单元与地面上位机和控制单元通信连接；通讯单元下载地面上位机的测试指令并将控制单元保存的测试数据上传至上位机。
所述的射频单元包括依次连接的射频脉冲源、射频发生器、功率放大器、线圈切换控制电路、磁体和线圈；所述磁体位于所述线圈两端，充磁方向沿测试装置的轴向，极性相同的一段相对设置，除磁体和线圈外，均集成在微型电路板中，所述磁体产生静磁场，使孔隙水被极化；所述射频脉冲源接收控制单元的指令后产生指定频率的射频脉冲，经射频发生器、功率放大器和线圈切换控制电路后在所述线圈发射射频脉冲，产生射频磁场，扳转孔隙水的宏观磁化矢量；所述线圈切换控制电路采用高灵敏度、高切换速率且耐高温高压的电子开关控制发射和接收线圈的切换。
所述射频脉冲源的可变频率为250～375kHz。
所述磁体为钐钴磁体；所述线圈为纵向绕制，且成弧面状的异形螺线管结构。
所述的接收单元包括依次连接的前置放大器、滤波器、A/D转换器；前置放大器的输入端与线圈切换控制电路的输出端相连，前置放大器的输出端与控制单元相连接，地质体孔隙水在弛豫过程产生的微弱回波信号经所述前置放大器放大、所述滤波器去噪后通过所述A/D转换器由模拟信号转换为数字信号并保存至控制单元的存储器)中。
所述的控制单元包括微处理器、存储器和时钟；所述存储器和时钟的输出端分别与微处理器的输入端相连，微处理器的输出端分别与射频单元和提升单元的输入端相连，微处理器)由通讯单元传递测试指令，控制射频单元、接收单元和提升单元工作，读取所述存储器中的测试数据，并通过通讯单元将测试数据上传至地面上位机，所述存储器存储接收单元和提升单元的测试数据，所述时钟为射频单元、接收单元和提升单元提供统一的时钟信号，使测试数据与深度位置相匹配。
所述通讯单元与地面上位机采用5G通信技术，以保证信号的传输效率。
所述的提升单元包括电机、绞盘、姿态传感器、A/D转换器和电缆；所述电机、绞盘设在探测钻孔入口处，探测钻孔入口处设有罩在电机、绞盘和探测钻孔的保护罩，所述姿态传感器输出与A/D转换器输入相连，A/D转换器的输出与存储器相连，所述电缆的一端缠绕在绞盘上，另一端与防护套管相连，通过控制单元控制电机转动绞盘拉动电缆实现测试装置的升降，测试探测钻孔周围不同深度的水含量，通过姿态传感器实时记录测试装置升降的位置信息，经A/D转换器后将模拟信号转换为数字信号并保存至控制单元的存储器中；所述保护罩为Q460型号的高强度钢；所述测试装置的直径为5cm，高为10cm，探测的最小径向范围为防护套管以外5～10cm。
所述探测钻孔为7cm的小直径钻孔，深度为5～10m。
所述防护套管的材料质为能够透过磁场、耐高温、低温、高压极端条件下的50Mn18Cr4N高强度无磁钢材料制成。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明的微型核磁共振装置最适合布置在小直径地质探测钻孔中，能够连续监测钻孔周围不同深度的地质体水分布，实时监测地质体探测钻孔周围不同深度的含水量变化，为水缘性灾害的监测与预警提供准确的信息。对于边坡、堤坝和基桩等地质体，其地质灾害的发生往往具有隐蔽性，且主要受地下水运移影响，采用高强度无磁钢材料制成的防护套管能够透过磁场，并且耐高温、低温、高压等极端条件。通过实时探测地质体内部水分运移，能够从根源上监测水缘性地质灾害前兆，及时预警水缘性地质灾害发生。与现有技术相比具有如下优点：本发明利用核磁共振技术直接探水，相对于其他间接探水技术，能够减小水含量测试误差；相较于地震波法和电磁法，能够实时、连续测量地质体内部水含量；从根源上监测水缘性地质灾害前兆，及时预警水缘性地质灾害发生，对于国家防灾减灾事业具有巨大的意义。其结构简单，操作方便，使用效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明的用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置布局示意图。
图2为本发明的用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置结构图。
图中：1-射频单元，101-射频脉冲源，102-射频发生器，103-功率放大器，104-线圈切换控制电路，105-磁体，106-线圈，2-接收单元，201-前置放大器，202-滤波器，203-A/D转换器，3-控制单元，301-微处理器，302-存储器，303-时钟，4-通讯单元，5-提升单元，501-电机，502-绞盘，503-姿态传感器，504-A/D转换器，505-电缆，506-保护罩，6-探测钻孔，7-防护套管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
本发明的用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置，包括探测钻孔6、设在探测钻孔6入口处的提升单元5，所述的探测钻孔6内设有用防护套管7与提升单元5相连的由射频单元1、接收单元2、控制单元3和通讯单元4集成的测试装置；所述的控制单元3与射频单元1、接收单元2、通讯单元4和提升单元5之间通信连接，通过控制单元3从通讯单元4下载测试指令，解析测试指令后控制相应的射频单元1、接收单元2和提升单元5工作，并存储接收单元2和提升单元5的测试数据；所述射频单元1提供探测钻孔内的静磁场并发射射频脉冲产生射频磁场，使探测钻孔周围的孔隙水被极化，产生核磁共振；所述接收单元2接收探测钻孔内孔隙水的回波信号，并对信号进行放大、滤波和A/D转换；所述提升单元5将测试装置提升至所述探测钻孔6的不同深度，并自动记录深度信息；所述通讯单元4与地面上位机和控制单元3通信连接；通讯单元4下载地面上位机的测试指令并将控制单元3保存的测试数据上传至上位机。所述探测钻孔6为7cm的小直径钻孔，深度为5～10m。所述防护套管7的材料质为能够透过磁场、耐高温、低温、高压极端条件下的50Mn18Cr4N高强度无磁钢材料制成。
所述的射频单元1包括依次连接的射频脉冲源101、射频发生器102、功率放大器103、线圈切换控制电路104、磁体105和线圈106；所述磁体105位于所述线圈106两端，充磁方向沿测试装置的轴向，极性相同的一段相对设置，除磁体105和线圈106外，均集成在微型电路板中，所述磁体105产生静磁场，使孔隙水被极化；所述射频脉冲源101接收控制单元3的指令后产生指定频率的射频脉冲，经射频发生器103、功率放大器103和线圈切换控制电路104后在所述线圈106发射射频脉冲，产生射频磁场，扳转孔隙水的宏观磁化矢量；所述线圈切换控制电路104采用高灵敏度、高切换速率且耐高温高压的电子开关控制发射和接收线圈的切换。所述射频脉冲源101可变频率，可变频率为250～375kHz，能测试不同径向范围的孔隙水分布。所述磁体105为钐钴磁体，具有轻便、体积小的优势，适合放置在微型核磁共振装置中，磁体105位于所述线圈106两端，充磁方向沿微型核磁共振装置的轴向，极性相同的一段相对设置。所述线圈106为纵向绕制，且成弧面状的异形螺线管结构。
所述的接收单元2包括依次连接的前置放大器201、滤波器202、A/D转换器203；前置放大器201的输入端与线圈切换控制电路104的输出端相连，前置放大器201的输出端与控制单元3相连接，地质体孔隙水在弛豫过程产生的微弱回波信号经所述前置放大器201放大、所述滤波器202去噪后通过所述A/D转换器203由模拟信号转换为数字信号并保存至控制单元3的存储器302中。
所述的控制单元3包括微处理器301、存储器302和时钟303；所述存储器302和时钟303的输出端分别与微处理器301的输入端相连，微处理器301的输出端分别与射频单元1和提升单元5的输入端相连，微处理器301由通讯单元4传递测试指令，控制射频单元1、接收单元2和提升单元5工作，读取所述存储器302中的测试数据，并通过通讯单元4将测试数据上传至地面上位机，所述存储器302存储接收单元2和提升单元5的测试数据，所述时钟303为射频单元1、接收单元2和提升单元5提供统一的时钟信号，使测试数据与深度位置相匹配。
所述通讯单元4与地面上位机和控制单元3通信连接，讯单元4与地面上位机采用5G通信技术，以保证信号的传输效率。
所述的提升单元5包括电机501、绞盘502、姿态传感器503、A/D转换器504和电缆505；所述电机501、绞盘502设在探测钻孔6入口处，探测钻孔6入口处设有罩在电机501、绞盘502和探测钻孔6的保护罩506，所述姿态传感器503输出与A/D转换器504输入相连，A/D转换器504的输出与存储器302相连，所述电缆505的一端缠绕在绞盘502上，另一端与防护套管7相连，通过控制单元3控制电机501转动绞盘502拉动电缆505实现测试装置的升降，控制单元3的程序控制电机501转动绞盘502拉动电缆505实现微信核磁共振装置自动提升，测试探测钻孔6周围不同深度的水含量，通过姿态传感器503实时记录测试装置升降的位置信息，位置信息经A/D转换器504后将模拟信号转换为数字信号并保存至控制单元3的存储器302中；所述保护罩506为Q460型号的高强度钢，覆盖所述电机501、绞盘502和探测钻孔6孔口，能保护提升单元5受到破坏，防止雨雪进入探测钻孔6影响测量结果。所述测试装置的直径为5cm，高为10cm，探测的最小径向范围为防护套管7以外5～10cm。
所述探测钻孔6为小直径钻孔，直径一般为7cm，深度一般为5～10m，能最大程度减小对地质体的破坏和扰动。所述微型核磁共振装置为圆柱形，直径5cm，高10cm，探测的最小径向范围5～10cm，能够保证测到钻孔绕东区以外的原状样品属性。除所述电机501、绞盘502、电缆505、磁体105和线圈106外，其余部件均集成在微型电路板中。
所述磁体105、线圈106和微型电路板外有高强度无磁钢材料的防护套管7，能够透过磁场，并且耐高温、低温、高压等极端条件。
Claims (10)
1.一种用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置，包括探测钻孔(6)、设在探测钻孔(6)入口处的提升单元(5)，其特征在于：所述的探测钻孔(6)内设有用防护套管(7)与提升单元(5)相连的由射频单元(1)、接收单元(2)、控制单元(3)和通讯单元(4)集成的测试装置；所述的控制单元(3)与射频单元(1)、接收单元(2)、通讯单元(4)和提升单元(5)之间通信连接，通过控制单元(3)从通讯单元(4)下载测试指令，解析测试指令后控制相应的射频单元(1)、接收单元(2)和提升单元(5)工作，并存储接收单元(2)和提升单元(5)的测试数据；所述射频单元(1)提供探测钻孔内的静磁场并发射射频脉冲产生射频磁场，使探测钻孔周围的孔隙水被极化，产生核磁共振；所述接收单元(2)接收探测钻孔内孔隙水的回波信号，并对信号进行放大、滤波和A/D转换；所述提升单元(5)将测试装置提升至所述探测钻孔(6)的不同深度，并自动记录深度信息；所述通讯单元(4)与地面上位机和控制单元(3)通信连接；通讯单元(4)下载地面上位机的测试指令并将控制单元(3)保存的测试数据上传至上位机。
2.如权利要求1所述的一种用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置，其特征在于：所述的射频单元(1)包括依次连接的射频脉冲源(101)、射频发生器(102)、功率放大器(103)、线圈切换控制电路(104)、磁体(105)和线圈(106)；所述磁体(105)位于所述线圈(106)两端，充磁方向沿测试装置的轴向，极性相同的一段相对设置，除磁体(105)和线圈(106)外，均集成在微型电路板中，所述磁体(105)产生静磁场，使孔隙水被极化；所述射频脉冲源(101)接收控制单元(3)的指令后产生指定频率的射频脉冲，经射频发生器(103)、功率放大器(103)和线圈切换控制电路(104)后在所述线圈(106)发射射频脉冲，产生射频磁场，扳转孔隙水的宏观磁化矢量；所述线圈切换控制电路(104)采用高灵敏度、高切换速率且耐高温高压的电子开关控制发射和接收线圈的切换。
3.如权利要求2所述的一种用于地质体含水率测量的微型核磁共振装置，其特征在于：所述射频脉冲源(101)的可变频率为250～375kHz。
4.如权利要求2所述的一种用于地质体含水率测量的微型核磁共振装置，其特征在于：所述磁体(105)为钐钴磁体；所述线圈(106)为纵向绕制，且成弧面状的异形螺线管结构。
5.如权利要求1所述的一种用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置，其特征在于：所述的接收单元(2)包括依次连接的前置放大器(201)、滤波器(202)、A/D转换器(203)；前置放大器(201)的输入端与线圈切换控制电路(104)的输出端相连，前置放大器(201)的输出端与控制单元(3)相连接，地质体孔隙水在弛豫过程产生的微弱回波信号经所述前置放大器(201)放大、所述滤波器(202)去噪后通过所述A/D转换器(203)由模拟信号转换为数字信号并保存至控制单元(3)的存储器(302)中。
6.如权利要求1所述的一种用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置，其特征在于：所述的控制单元(3)包括微处理器(301)、存储器(302)和时钟(303)；所述存储器(302)和时钟(303)的输出端分别与微处理器(301)的输入端相连，微处理器(301)的输出端分别与射频单元(1)和提升单元(5)的输入端相连，微处理器(301)由通讯单元(4)传递测试指令，控制射频单元(1)、接收单元(2)和提升单元(5)工作，读取所述存储器(302)中的测试数据，并通过通讯单元(4)将测试数据上传至地面上位机，所述存储器(302)存储接收单元(2)和提升单元(5)的测试数据，所述时钟(303)为射频单元(1)、接收单元(2)和提升单元(5)提供统一的时钟信号，使测试数据与深度位置相匹配。
7.如权利要求1所述的一种用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置，其特征在于：所述通讯单元(4)与地面上位机采用5G通信技术，以保证信号的传输效率。
8.如权利要求1所述的一种用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置，其特征在于：所述的提升单元(5)包括电机(501)、绞盘(502)、姿态传感器(503)、A/D转换器(504)和电缆(505)；所述电机(501)、绞盘(502)设在探测钻孔(6)入口处，探测钻孔(6)入口处设有罩在电机(501)、绞盘(502)和探测钻孔(6)的保护罩(506)，所述姿态传感器(503)输出与A/D转换器(504)输入相连，A/D转换器(504)的输出与存储器(302)相连，所述电缆(505)的一端缠绕在绞盘(502)上，另一端与防护套管(7)相连，通过控制单元(3)控制电机(501)转动绞盘(502)拉动电缆(505)实现测试装置的升降，测试探测钻孔(6)周围不同深度的水含量，通过姿态传感器(503)实时记录测试装置升降的位置信息，经A/D转换器(504)后将模拟信号转换为数字信号并保存至控制单元(3)的存储器(302)中；所述保护罩(506)为Q460型号的高强度钢；所述测试装置的直径为5cm，高为10cm，探测的最小径向范围为防护套管(7)以外5～10cm。
9.如权利要求1所述的一种用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置，其特征在于：所述探测钻孔(6)为7cm的小直径钻孔，深度为5～10m。
10.如权利要求1所述的一种用于地质体含水量测量的微型核磁共振装置，其特征在于：所述防护套管(7)的材料质为能够透过磁场、耐高温、低温、高压极端条件下的50Mn18Cr4N高强度无磁钢材料制成。
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