CN115078839B - 一种基于移动平台的地表电阻率原位测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于移动平台的地表电阻率原位测量方法及装置，属于地球物理探测中的地表电阻率测量技术领域，包括：平台、电机、电极轮、连杆、切换电路、控制测量系统、电源和定位天线；每个电机对应通过一个连杆与电极轮相连；控制测量系统用于通过定位天线接收平台的当前位置；并根据平台的当前位置与预设位置的偏差转换为电机控制信号，通过控制电机控制电极轮移动至预设位置；并控制切换电路选择不同的两个电极轮提供预设电流通入地表，同时接收剩余两个电极轮传递的地面电压差，根据接收的地面电压信号计算电阻率分布。本发明提高了电阻率测量的分辨率。

Description

一种基于移动平台的地表电阻率原位测量方法及装置

技术领域

本发明属于地球物理探测中的地表电阻率测量技术领域，更具体地，涉及一种基于移动平台的地表电阻率原位测量方法及装置。

背景技术

电阻率是描述物质导电性能的物理量，地表电阻率的影响因素包括矿物成分、含水量和温度等。矿物导电性差异巨大，例如金属矿物的电阻率较低，而非金属矿物的电阻率较高。同一矿物在含水量较高时，电阻率会低于其在含水量降低时的电阻率。因此，通过测量地表的电阻率，可以对地下矿物成分和地下水含量进行分析，进而解决矿产勘查、地下水调查和行星宜居环境研究中的水冰探测等科学问题。

直流电法是一种非侵入式原位地表电阻率观测方法。它基于欧姆定律，通过向地面发送电流，然后在地面其他位点观测电压分布情况，以获取地表不同深度电阻率。当反射电流和电压观测位置一定时，电压越大，观测的电阻率则越大。电阻率单位为欧姆·米。

现有电阻率测量方法和装置，需要在地面插入电极，用于向地面注入电流和测量电压。进行一次直流电法观测，只能得到电极周围的电阻率测量结果。要获得大面积、高分辨率的观测结果，需要不断移动电极位置。

现有电阻率测量电极通常为长度0.2米，直径0.01米左右的不锈钢棒。电极的插入和拔出，需要大量的人力，并大大降低了直流电法的观测效率。同时，电极之间的距离过大会导致测量分辨率的降低。而减小电极的间距，会加大的观测所需的人力和时间成本。

另外，现有电阻率观测通常进行剖面测量，即所有电极位于一条直线。这种观测需要假设电阻率在垂直于剖面的方向上没有变换。然而，地质体的分布具有三维性，即电阻率在垂直于测线方向也存在变化。因而，只在一个方向上测量电阻率会降低观测结果的准确性。

CN103424623B公开了一种电阻率测量装置，其包括：一载物平台，用以承载被测产品；一入料传送机，该载物平台设于该入料传送机上，该入料传送机包括用以横向移动该载物平台的入料导轮组；一探针模组，用以对该被测产品进行电阻测试；一探针位置调节机构，设于该入料传送机上且连接该探针模组，用以升降及纵向移动该探针模组；一旋转机，连接该入料传送机，用以将该被测产品从入料端传送至出料端，且该旋转机可调整该被测产品于其上的传送方向；以及一控制器，分别与该入料传送机、探针模组、探针位置调节机构及旋转机电连接。但是，该发明装置需要采集样品后进行测量，无法进行原位观测。

CN103726840B公布了一种地层定向电阻率测量方法及装置，包括步骤：在井眼中旋转电阻率测量仪；通过配置在电阻率测量仪中的第一缝隙天线发射电磁信号；通过配置在所述电阻率测量仪中的第二缝隙天线接收电磁信号；在电阻率测量仪的一个旋转周期内，获取第二缝隙天线感生电压的正弦波；获得所述电阻率测量仪的一个旋转周期内所述第二缝隙天线上感生电压的峰、谷振幅和旋转角度；推导出地层边界的距离和方向信息。尽管该方法及其装置能够进行定向测量，但是其装置需要在钻井中进行测量，是一种倾入式测量，而且钻井大大增加了测量的时间和经济成本。

综上所述，上述现有技术在一定程度上解决了电阻率测量需求，但是无法进行自动移动测量，需要耗费大量的人力，且观测效率低，分辨率不足。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于移动平台的地表电阻率原位测量方法及装置，旨在解决现有电阻率测量的分辨率较低且效率较低的问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于移动平台的地表电阻率原位测量装置，包括：平台、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第一电极轮、第二电极轮、第三电极轮、第四电极轮、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、切换电路、控制测量系统、电源和定位天线；

第一电机通过第一连杆与第一电极轮连接；第二电机通过第二连杆与第二电极轮连接；第三电机通过第三连杆与第三电极轮连接；第四电机通过第四连杆与第四电极轮连接；第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆均与切换电路连接；电源和定位天线的输出端连接控制测量系统；控制测量系统的输出端连接切换电路、第一电机、第二电机、第三电机和第四电机；

控制测量系统用于通过定位天线接收平台的当前位置；并根据平台的当前位置与预设位置的偏差转换为电机控制信号，通过控制电机控制电极轮移动至预设位置；并控制切换电路选择不同的两个电极轮提供预设电流通入地表，同时接收剩余两个电极轮传递的地面电压差，根据接收的地面电压信号计算电阻率分布。

进一步优选地，控制测量系统包括：定位模块、中央处理器、发射电路、接收电路、电机驱动模块和电源端子；

电源端子与定位模块、中央处理器、发射电路、接收电路和电机驱动模块均相连；定位天线与定位模块连接；定位模块与中央处理器连接；中央处理器的输出端连接发射电路和电机驱动模块；接收电路的输出端连接中央处理器；中央处理器、发射电路、接收电路的输出端均与切换电路相连；电机驱动模块的输出端分别连接第一电极轮、第二电极轮、第三电极轮和第四电极轮；

所述电源端子用于为所述定位模块、中央处理器、发射电路、接收电路和电机驱动模块接通电源；所述定位模块用于通过所述定位天线实时测量平台的移动位置；所述中央处理器用于向所述发射电路提供预设电流，用于接收接收电路传递的地面电压差，计算电阻率分布；并用于向电机驱动模块提供平台所需的移动指令；所述发射电路用于为两个电极轮提供预设电流，将预设电流通入地表；所述接收电路用于采集剩余两个电极轮传递的地面电压差，并对地面电压差进行调理后进行模数转换；所述电机驱动模块用于控制电机的移动。

进一步优选地，中央处理器包括电阻率计算器、模数转换器、数模转换器、电机控制器、切换电路控制器以及定位信号解码器；

所述模数转换器的输入端连接所述接收电路；所述数模转换器的输出端连接所述发射电路；所述电机控制器的输出端连接所述电机驱动模块；所述切换电路控制器的输出端连接所述切换电路；所述定位信号解码器的输入端连接所述定位模块；

所述电阻率计算器用于根据接收的地面电压差计算电阻率；所述模数转换器用于将接收的电压信号进行量化；所述数模转换器用于提供预设电流；所述电机控制器用于控制电机；所述定位信号解码器用于接收定位模块发送的定位数据；所述切换电路控制器用于切换电路的控制。

进一步优选地，切换电路包括12个单刀双掷开关；其中，两个首端单刀双掷开关连接发射电路；两个首端单刀双掷开关连接接收电路，一个首端单刀双掷开关连接中央处理器；连接发射电路的首端单刀双掷开关各自连接一个中间单刀双掷开关；连接接收电路的首端单刀双掷开关各自连接一个中间单刀双掷开关；每个中间单刀双掷开关连接两个末端单刀双掷开关；末端单刀双掷开关切换能够切换至第一连杆、第二连杆、第三连杆或第四连杆。

进一步优选地，通过控制切换电路能够获取六种电极组合，分别为：发射电路的输出端连接第一连杆和第二连杆且接收电路的输出端连接第三连杆和第四连杆、发射电路的输出端连接第三连杆和第四连杆且接收电路的输出端连接第一连杆和第二连杆、发射电路的输出端连接第一连杆和第三连杆且接收电路的输出端连接第二连杆和第四连杆、发射电路的输出端连接第二连杆和第四连杆且接收电路的输出端连接第一连杆和第三连杆、发射电路的输出端连接第一连杆和第四连杆且接收电路的输出端连接第二连杆和第三连杆、发射电路的输出端连接第二连杆和第三连杆且输出端连接第一连杆和第四连杆。

进一步优选地，发射电路包括比较器、反馈电阻和开关管；比较器正向输入端连接数模转换器，其反相输入端连接反馈电阻；比较器和开关管构建为负反馈网络；开关管的漏极与切换电路连接；电源与开关管间连接两个电极轮；

若开关管发射的电流低于预设的电流，则反馈电阻的反馈电压低于预设电流与反馈电阻的乘积，比较器的正向输入端比其反相输入端的电压值高，则比较器输出高电平，使开关管输出电流补偿，直至开关管的电流值到达预设电流；预设电流通过两个电极轮向地表提供。

进一步优选地，接收电路包括仪表放大器和滤波器；仪表放大器包括：运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和可变电阻；滤波器包括：运算放大器、电阻R7、电阻R8、电容C1和电容C2；运算放大器A1的正相输入端连接切换电路；运算放大器A2的反相输入端连接切换电路；运算放大器A1的输出端通过电阻R1与运算放大器A1的反相输入端相连；运算放大器A2的输出端通过电阻R4与运算放大器A1的反相输入端相连；运算放大器A1的反相输入端通过可变电阻与运算放大器A2的反相输入端相连；运算放大器A1的输出端通过电阻R2与运算放大器A3的反相输入端相连；运算放大器A2的输出端通过电阻R5与运算放大器A3的正相输入端相连；运算放大器A3的反相输入端通过电阻R3与运算放大器A3的输出端相连；运算放大器A3的正相输入端通过电阻R6与地相连，运算放大器A3的输出端通过电阻R7与电阻R8的第一端相连，电阻R8的第二端与运算放大器A4的正相输入端相连；运算放大器A4的反相输入端通过电容C2与地相连；电阻R8的第三端通过电容C1与运算放大器A4的输出端相连，运算放大器A4的输出端与运算放大器A4的反相输入端相连，运算放大器A4的输出端与模数转换器49相连；

仪表放大器用于对接收的电压信号进行放大，且增加输入阻抗，以提高电压检测的精度；滤波器用于在对接收电压信号进行模数转换前进行抗混叠滤波。

另一方面，基于上述提供的地表电阻率原位测量装置，本发明提供了相应的基于移动平台的地表电阻率原位测量方法，包括以下步骤：

A．中央处理器接收平台预设位置以及平台当前位置，将预设位置与当前位置的偏差转换为电机控制信号，在电机控制信号的作用下电机驱动电极轮的移动；

B．采用定位模块和定位天线实时测量平台的移动位置，对比当前位置与预设位置的偏差，若当前位置与预设位置相同，则进入步骤C，否则转至步骤A；

C．中央处理器控制切换电路选择一种电极组合；其中，每种电极组合为两个电极轮与发射电路相连，剩余两个电极轮与接收电路相连；

D．采用中央处理器发射电流发射指令至发射电路，将预设电流通过与发射电路正极相连的电极轮流入地表，地面产生电压差，流入地表的电流通过与发射电路负极相连的电极轮流入发射电路的负极；

E．地面的电压差通过与接收电路相连的电极轮接收接入接收电路；接收电路对接收的电压差调理后，经过模数转换计算视电阻率值；

F．判断六种电极组合是否测量完毕，如是，则进入步骤G，否则转至步骤C；

G：判断中央处理器是否接收到新的平台预设位置，若接收到新的平台预设位置，则转至步骤A，否则获取最终的视电阻率分布图。

进一步优选地，视电阻率的计算公式为：

ρ=vk/i

其中，v为地面的电压差经过模数转换后的电压差，k=2π/（1/AM- 1/AN- 1/BM+ 1/BN）；将与发射电路的正极相连的电极轮称为第一发射电极轮，与发射电路的负极相连的电极轮称为第二发射电极轮；与接收电路正极相连的电极轮称为第一接收电极轮，与接收电路负极相连的电极轮称为第二接收电极轮；AM表示第一发射电极轮与第一接收电极轮的距离；AN表示第一发射电极轮与第二接收电极轮的距离；BM表示第二发射电极轮与第一接收电极轮的距离；BN表示第二发射电极轮与第二接收电极轮的距离；i为预设电流。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供了一种基于移动平台的地表电阻率原位测量装置及方法，通过控制测量系统可以控制切换电路选择不同的两个电机轮用于接收预设电流通入地表，选择剩余两个电极轮接入接收电路，用于传递地面电压差，根据地面电压差计算视电阻率分布，实现了在不需要额外电极的前提下进行原位电阻测量。

本发明中控制测量系统可以通过定位天线接收平台的当前位置，若平台的当前位置与预设位置存在偏差，则可以通过控制电机控制电极轮移动至预设位置，不仅可以保证移动平台的精准定位，而且通过移动平台可以提高视电阻率的测量效率，降低了人工成本。

本发明中切换电路包括12个单刀双掷开关，其中，两个首端单刀双掷开关连接所述发射电路；两个首端单刀双掷开关连接所述接收电路；一个首端单刀双掷开关连接所述中央处理器；连接所述发射电路的首端单刀双掷开关各自连接一个中间单刀双掷开关；连接接收电路的首端单刀双掷开关各自连接一个中间单刀双掷开关；每个中间单刀双掷开关连接两个末端单刀双掷开关；末端单刀双掷开关切换能够切换至第一连杆、第二连杆、第三连杆或第四连杆。中央处理器中的切换电路控制器可以控制各单刀双掷开关导通线路，因此本发明中通过控制切换电路中的开关能够获取六种电极组合，分别为：发射电路的输出端连接第一连杆和第二连杆且所述接收电路的输出端连接第三连杆和第四连杆、发射电路的输出端连接第三连杆和第四连杆且接收电路的输出端连接第一连杆和第二连杆、发射电路的输出端连接第一连杆和第三连杆且接收电路的输出端连接第二连杆和第四连杆、发射电路的输出端连接第二连杆和第四连杆且接收电路的输出端连接第一连杆和第三连杆、发射电路的输出端连接第一连杆和第四连杆且接收电路的输出端连接第二连杆和第三连杆、发射电路的输出端连接第二连杆和第三连杆且输出端连接第一连杆和第四连杆。从中可以看出本发明可以自动改变发射电极轮和接收电极轮的位置，对横向和纵向的视电阻率均可以进行测量，在此基础上，移动平台位置可以精细控制，提高了视电阻率的分辨率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于移动平台的地表电阻率原位测量装置示意图；

图2是本发明实施例提供的控制测量系统的原理框图；

图3是本发明实施例提供的中央控制器的原理框图；

图4是本发明实施例提供的切换电路的具体实施框图；

图5是本发明实施例提供的发射电路的具体实施框图；

图6是本发明实施例提供的接收电路的具体实施框图；

图7是本发明实施例提供的地表电阻率原位测量方法流程图；

图8是本发明实施例提供的移动平台发射电极轮和接收电极轮坐标示意图；

标记说明：

1-平台；2-控制测量系统；3-切换电路；4-定位天线；5-第一电机；6-第二电机；7-第三电机；8-第四电机；9-电源；10-第一连杆；11-第二连杆；12-第三连杆，13-第四连杆；14-第一电极轮；15-第二电极轮；16-第三电极轮；17-第四电极轮；18-第一连接线；19-第二连接线；20-第三连接线；21-第四连接线；22-第五连接线；23-第六连接线，24-第七连接线；25-第八连接线；26-第九连接线；27-第十连接线；28-第十一连接线；29-第十二连接线；30-第十三连接线；31-第十四连接线；32-第十五连接线；33-中央处理器；34-定位模块；35-发射电路；36-接收电路；37-电机驱动模块；38-电源端子；39-第十六连接线；40-第十七连接线；41-第十八连接线；42-第十九连接线；43-第二十连接线；44-第二十一连接线；45-第二十二连接线；46-第二十三连接线；47-第二十四连接线；48-电阻率计算器；49-模数转换器；50-数模转换器；51-电机控制器；52-切换电路控制器；53-定位信号解码器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于移动平台的地表电阻率原位测量装置，包括：第一电机5、第二电机6、第三电机7、第四电机8、第一电极轮14、第二电极轮15、第三电极轮16、第四电极轮17、第一连杆10、第二连杆11、第三连杆12、第四连杆13、第一连接线18、第二连接线19、第三连接线20、第四连接线21、第五连接线22、第六连接线23、第七连接线24、第八连接线25、第九连接线26、第十连接线27、第十一连接线28、第十二连接线29、第十三连接线30、第十四连接线31、第十五连接线32、控制测量系统2、切换电路3、定位天线4和电源9；

长方形平台1通过第一连杆10与第一电极轮14连接，通过第二连杆11与第二电极轮15连接，通过第三连杆12与第三电极轮16连接，通过第四连杆13与第四电极轮17连接；第一电机5与第一连杆10连接；第二电机6与第二连杆11连接；第三电机7与第三连杆12连接；第四电机8与第四连杆13连接；第一连杆10通过第三连接线20与切换电路3连接；第二连杆11通过第四连接线21与切换电路3连接；第三连杆12通过第五连接线22与切换电路3连接；第四连杆13通过第六连接线23与切换电路3连接；第一电机5通过第八连接线25与控制测量系统2连接；第二电机6通过第九连接线26与控制测量系统2连接；第三电机7通过第十连接线27与控制测量系统2连接；第四电机8通过第十一连接线28与控制测量系统2连接；电源9通过第一连接线18与控制测量系统2连接；切换电路3通过第二连接线19与控制测量系统2连接；定位天线4通过第七连接线24与控制测量系统2连接；

控制测量系统2包括定位模块34、中央处理器33、接收电路36、电机驱动模块37、电源端子38、第十六连接线39、第十七连接线40、第十八连接线41、第十九连接线42、第二十连接线43、第二十一连接线44、第二十二连接线45、第二十三连接线46和第二十四连接线47；

定位天线4是由第七连接线24与定位模块34连接；定位模块34通过第二十一连接线44与中央处理器33连接；第二连接线19与中央处理器33连接；中央处理器33通过第二十二连接线45与发射电路35连接；中央处理器33通过第二十三连接线46与接收电路36连接；中央处理器33通过第二十四连接线47与电机驱动模块37连接；发射电路35通过第十二连接线29和第十三连接线30与切换电路3连接；接收电路36通过第十四连接线31和第十五连接线32与切换电路3连接；驱动电机模块37通过第八连接线25与电机5连接；驱动电机模块37通过第九连接线26与第二电机6连接；驱动电机模块37通过第十连接线27与第三电机7连接；驱动电机模块37通过第十一连接线28与第四电机8连接；电源端子38通过第一连接线18与电源9连接；中央处理器33通过第十六连接线39与电源端子38连接；发射电路35通过第十七连接线40与电源端子38连接；接收电路36通过第十八连接线41与电源端子38连接；电机驱动模块37通过第十九连接线42与电源端子38连接；定位模块34通过第二十连接线43与电源端子38连接；

中央处理器33包括：电阻率计算器48、模数转换器49、数模转换器50、电机控制器51、切换电路控制器52以及定位信号解码器53；其中，模数转换器49通过第二十三连接线46与接收电路36相连；定位信号解码器53通过第二十一连接线44与定位模块34相连；数模转换器50通过第二十二连接线45与发射电路35相连，电机控制器51通过第二十四连接线47与电机驱动模块37相连，切换电路控制52通过第二连接线19与切换电路3相连；

实施例1

图1是基于移动平台的地表电阻率原位测量装置的框图；平台1需承载该装置中除了电极轮和连杆外的所有器件；平台1可通过3D打印而成，打印材料可用ABS或PLA塑料，其质量较轻、可塑性强和强度高；平台尺寸根据需要测量的深度和应用场景而定，即当需要较大的测量深度时，增加平台1的尺寸；第一电极轮14、第二电极轮15、第三电极轮16和第四电极轮17既用于承担装置的移动功能，还作为接地电极，可使用不锈钢金属制作而成，为了增强抓地力和减小接地电阻，电极轮（第一电极轮14、第二电极轮15、第三电极轮16和第四电极轮17）外廓可采用网状结构；第一连杆10、第二连杆11、第三连杆12和第四连杆13需采用导电性高的金属制作，不仅保证了能够支撑整个装置的质量，也用于传输电流至电极轮或将电极轮的电压信号传递至接收电路36；第一电机5、第二电机6、第三电机7和第四电机8可采用二相步进电机23HD33D8，其力矩可达1.7牛·米，额定电流3安培，步距角1.8度每步，并可进行正、反向转动，能够保证平台的精细移动；当第一电机5、第二电机6、第三电机7和第四电机8均正向转动时，小车向前移动，步进电机每转动一步，平台移动距离为：

Δd=1.8°/360°* 2πr

其中，r为电极轮（第一电极轮14、第二电极轮15、第三电极轮16和第四电极轮17）的半径；如需进行转向操作，可使其中一侧电机（第一电机5、第二电机6、第三电机7和第四电机8）不动，另外一侧电机向前转动；例如，当向左转时，第一电机5和第三电机7不转动，第二电机6和第四电机8向前转动；该装置设计了4个驱动系统，可保证其中一个或两个电机失效的情况下，平台1仍可按照需求正常移动；电源9选用12伏特的锂离子电池为整个装置供电；定位天线4增益可达30分贝，灵敏度高；

图2是控制测量系统2的原理框图；定位天线4与定位模块34通过第七连接线24连接，定位模块34可选用SKG1223，定位精度优于2.5米，定位数据通过通用串行总线（UART）输出；第二十一连接线44采用UART标准，中央处理器33使用UART进行接收；中央处理器33的12通用输入输出端口（GPIO）通过第二连接线19与切换电路3相连，控制电机的切换与选择；中央处理器33输出电流控制信号至发射电路35；接收的电压信号经过接收电路36进行放大、滤波处理输入中央处理器器33进行量化采集；电机驱动模块37可选用4颗DRV8806，输出电流可达3安培，其由中央处理器33通过串口I2C总线进行控制；电源端子38连接电源输入端，并将电源通过第十六连接线39、第十七连接线40、第十八连接线41、第十九连接线42和43-第二十连接线分别分配给中央处理器33、发射电路35、接收电路36、电机驱动模块37和卫星接收模块34；接线端子38可选型号较多，例如DF-2604D，可快速对接；

图3是中央控制器33的原理框图，包括：电阻率计算器48、模数转换器49、数模转换器50、电机控制器51、切换电路控制器52以及定位信号解码器53；中央控制器33可选用STM32L552，电阻率计算器48具有高精度浮点数计算单元，用于电阻率的计算；模数转换器49为12位的模数转换器，用于采集量化电压；数模转换器50为12位的数模转换器，用于将精确控制发射电流，用于精确控制发射电流；电机控制器51具有4个串口12C总线，用于电机控制；定位解码器53具有通用串行总线（UART）接口，用于接收定位模块34发送的定位数据；切换电路控制器52具有高达114个输入输出端口（GPIO），可选用其中12个用于切换电路的控制；

图4是切换电路3的具体实施框图，切换电路包括12个单刀双掷开关S1~S12，可选用继电器G5V-1-12VDC，不仅易于控制，而且导通电阻小，接触电流可到1安培；开关S1的输入端与第十二连接线29连接；开关S1的常闭输出端与S5的输入端连接，S1的常开输出端与S6的输入端连接；S5的常闭输出端与第三连接线20连接；S5常开输出端与第四连接线21连接；S6的常闭输出端与第五连接线22连接，S6常开输出端与第六连接线23连接；第十三连接线30与S2输入连接；第十四连接线31与S3输入连接；第十五连接线32与S4输入连接，S7、S9、S11连接情况与S5类似，S8、S10、S12连接情况与S6类似；开关S1 - S12则由中央处理器33的12个通用输入输出端口控制，具体情况如下表所示；

表1

其中，当开关值为0时，表示开关处于常闭位置，当开关值为1时，表示开关切换至常开位置；通过使用上表6种情况的设置，可得到相应的连接情况，并对ρ1 – ρ6视电阻率进行测试；

图5是发射电路35具体实施电路图，包括比较器U1、反馈电阻R0和开关管Q；比较器U1可选用比较器LM393，开关管Q可选用N沟道结型场效应管VNP10N07，反馈电阻R0可取5欧姆；发射电路35由比较器U1和开关管Q组成负反馈网络，保证发射电流的稳定性；当需要发射电流为i时，中央处理器33指令数模转换器输出电压为i* R0，并通过第二十二连接线45输入比较器正向输入端，反馈电阻R0与其反相输入端连接；若发射的电流低于i，则反馈电阻R0的反馈电压低于i* R0，比较器的正向输入端比其反相输入端的电压值高，则比较器U1输出高电平，使开关管Q输出更多电流，直至达到设定电流值i；反之，比较器U1输出低电平，减小发射电流，直至发射的电流为i；发射电路中开关管漏极与第十三连接线30连接；电源9输入通过第十七连接线40与第十二连接线29相连；经过切换电路控制口，会有两个电极轮连接至开关管Q和第十七连接线40之间，这样就可以通过电极轮向地表提供所需的电流i；

图6是接收电路36的具体实施电路图，包括仪表放大器和滤波器，具体器件包括：运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、运算放大器A4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、可变电阻Rg、电容C1和电容C2；采用运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、电阻R1、电阻R2、电阻R3和可变电阻Rg构成仪表放大器；采用运算放大器A4、电阻R4、电阻R5、电容C1和电容C2构建滤波器；运算放大器可用OP27，电阻可选用精度为1%的薄膜电阻，电容需选用无极性的NPO电容；

仪表放大器不仅可以对信号进行放大，便于信号的高精度采集，而且可增加接收电路的输入阻抗，在接地电阻变化时，也能够进行高精度的电压检测；滤波器用于滤除信号外的噪声，在进行模数转换之前，进行抗混叠滤波，提高观测精度；仪表放大器采用可变增加的方式，以对不同输入范围的电压v进行适宜的放大，仪表放大器的增益可计算为：

G=（1+2R1/Rg）*R3/R2；

滤波器为同相滤波，即信号经过滤波器后相位不变；滤波器的截止频率计算为：

考虑到电阻率测量时的信号频率较低，为了滤除周围环境中的工频50赫兹干扰，滤波器的截止频率可设计为10赫兹左右；经过仪表放大器和滤波器调理的信号经过第二十三连接线46送入中央处理器33的模数转换器50进行量化；

本发明提供的基于移动平台的原位电阻率测量方法，包括以下步骤：

a．向中央处理器33输入需测量的坐标位置；

b．中央处理器33输出电机控制信号至电机驱动模块37；电机驱动模块37控制第一电机5、第二电机6、第三电机7和第四电机8进行相应的正、反向转动，并通过第一连杆10、第二连杆11、第三连杆12和第四连杆13分别带动第一电极轮14、第二电极轮15、第三电极轮16和第四电极轮17的前后向转动；

c．中央处理器33通过定位模块33和定位天线4，实时测量移动位置，并对比其与所需位置的偏差，如果实时位置与设定位置相同，则进入步骤d，如不相符则返回步骤b，继续控制第一电极轮14、第二电极轮15、第三电极轮16和第四电极轮17移动，直至到达指定位置；

d．中央处理器33向切换电路3发送指令，将第十二连接线29与第三连接线20相连，将第十三连接线30与第四连接线21相连，将第十四连接线31与第五连接线22相连，将第十五连接线32与第六连接线23相连；

e．中央处理器33发送电流发射指令至发射电路35，电流值为i，电流依次通过第十二连接线29、第三连接线20、第一连杆10和第一电极轮14流入地表，流入地表的电流最后依次通过第二电极轮15、第二连杆11、第四连接线21和第十三连接线30流入发射电路35的负极；当电流流入地表时，地面会产生电压差；

f．地面的电压差由第三电极轮16和第四电极轮17接收，第三电极轮16的电势依次通过第三连杆12、第五连接线22和第十四连接线31接入接收电路36；第四电极轮17的电势依次通过第四连杆13、第六连接线23和第十五连接线32接入接收电路36；电压差通过接收电路36调理后，由模数转换器49转换为电压值v1；

g．中央控制器33中的电阻率计算器48计算得到视电阻率值ρ1；

h．判断6种电极组合是否测量完毕，如是则进入步骤i，如不是则返回步骤d；

i．判断是否输入新的坐标至下一地点进行测量，如果输入新坐标，则返回步骤b，若没有新的输入坐标，则进入步骤j；

j.测量结束，得到最终的电阻率分布图。

实施例2

图7是本发明基于移动平台的原位电阻率测量方法流程图，包括以下步骤：

a.向中央处理器33输入需要测量的坐标位置；

b.中央处理器33根据获取的测量坐标，通过第一电机5、第二电机6、第三电机7和第四电机8控制平台1进行移动；在移动过程中定位模块34将实时位置信息发送至中央处理器33；

c.中央处理器33判断平台1是否到达指定位置；若装置到达指定位置，则进行步骤d；

d．控制切换电路3使发射电路35分别连接到相应的电极轮，接收电路36连接至剩下的两个电极轮；

e.中央处理器33通过数模转换器50输出电流控制信号i*R0至发射电路35，发射电路发射电流值为i的电流，并通过电极轮发送至地表；

f．地表的电压信号经过接收电路36调理后，送入模数转换器，测量得到电压值v；

g．计算视电阻率值，计算公式为：

ρ=vk/i

其中，k为装置参数，需通过发射电极轮的位置和接收电极轮位置计算；对应的装置参数k计算公式如下：

k=2π/（1/AM- 1/AN- 1/BM+ 1/BN）

其中，AM表示发射电极轮1与接收电极轮1的距离；AN表示发射电极轮1与接收电极轮2的距离；BM表示发射电极轮2与接收电极轮1的距离；BN表示发射电极轮2与接收电极轮2的距离；图8是移动平台发射电极轮和接收电极轮坐标示意图；选择第一电极轮14为发射电极轮1，第二电极轮15为发射电极轮2，第三电极轮16为接收电极轮1，第四电极轮17为接收电极轮2，则AM、AN、BM和BN的计算公式为：

其中，坐标原点o定义为定位天线的位置；因此，根据上述的流程图和表1，6种电极连接情况分别对应一个装置参数k1、k2、k3、k4、k5和k6，得到的视电阻率分别为ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、ρ5和ρ6；

根据图7，基于移动平台的原位电阻率测量方法的流程图，在其中一种连接情况测量完成后，执行步骤h；

h.判断是否6种连接情况测量均已完成，如果没有完成，需要返回步骤d，切换电极后继续测量；6种连接情况测量完成后进入步骤i；

i．判断是否有新的坐标输入，如果有新的坐标输入，则返回步骤b，若没有，则进入步骤j；

j.计算综合测量得到的电阻率分布图后结束测量。

综上所述，基于移动平台的地表电阻率原位测量方法及装置，可以在不需要额外电极的前提下自动进行原位电阻率测量，移动平台提高了电阻率测量效率，降低了人工成本，自动改变发射电极和接收电极的位置，对横向和纵向的电阻率均进行测量，移动平台位置控制能进行精细移动，提高了电阻率测量的分辨率。

实施例3

以下以道路施工中电阻率测量进行举例说明。在公路、铁路等道路施工前，如对地表的地质结构、地下水的分布情况进行测量，是否存在采空区或者溶洞，以此确定地面是否容易发生滑坡和沉降，保证人民生产生活健康。本发明提供的电阻率原位测量装置和方法，可用于施工路线电阻率测量。在测量前，输入道路的经纬度坐标，该装置可沿着施工计划路线图，自动进行电阻率测量。

实施例4

以下以月球车、火星车全自动电阻率测量进行举例说明。在进行月球和火星，以及其他深空探测时，使用登陆装置对表面电阻率进行测量，可以对外星球的矿物成分进行分析，对是否存在地下水进行探测。该装置可在无人操作情况下，按照设计路线自动进行电阻率测量。

本发明提供了一种基于移动平台的地表电阻率原位测量装置及方法，通过控制测量系统可以控制切换电路选择不同的两个电机轮用于接收预设电流通入地表，选择剩余两个电极轮接入接收电路，用于传递地面电压差，根据地面电压差计算视电阻率分布，实现了在不需要额外电极的前提下进行原位电阻测量。

本发明中控制测量系统可以通过定位天线接收平台的当前位置，若平台的当前位置与预设位置存在偏差，则可以通过控制电机控制电极轮移动至预设位置，不仅可以保证移动平台的精准定位，而且通过移动平台可以提高视电阻率的测量效率，降低了人工成本。

本发明中切换电路包括12个单刀双掷开关，其中，两个首端单刀双掷开关连接所述发射电路；两个首端单刀双掷开关连接所述接收电路；一个首端单刀双掷开关连接所述中央处理器；连接所述发射电路的首端单刀双掷开关各自连接一个中间单刀双掷开关；连接接收电路的首端单刀双掷开关各自连接一个中间单刀双掷开关；每个中间单刀双掷开关连接两个末端单刀双掷开关；末端单刀双掷开关切换能够切换至第一连杆、第二连杆、第三连杆或第四连杆。中央处理器中的切换电路控制器可以控制各单刀双掷开关导通线路，因此本发明中通过控制切换电路中的开关能够获取六种电极组合，分别为：发射电路的输出端连接第一连杆和第二连杆且所述接收电路的输出端连接第三连杆和第四连杆、发射电路的输出端连接第三连杆和第四连杆且接收电路的输出端连接第一连杆和第二连杆、发射电路的输出端连接第一连杆和第三连杆且接收电路的输出端连接第二连杆和第四连杆、发射电路的输出端连接第二连杆和第四连杆且接收电路的输出端连接第一连杆和第三连杆、发射电路的输出端连接第一连杆和第四连杆且接收电路的输出端连接第二连杆和第三连杆、发射电路的输出端连接第二连杆和第三连杆且输出端连接第一连杆和第四连杆。从中可以看出本发明可以自动改变发射电极轮和接收电极轮的位置，对横向和纵向的视电阻率均可以进行测量，在此基础上，移动平台位置可以精细控制，提高了视电阻率的分辨率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于移动平台的地表电阻率原位测量装置，其特征在于，包括：平台、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第一电极轮、第二电极轮、第三电极轮、第四电极轮、第一连杆、第二连杆、第四连杆、切换电路、控制测量系统、电源和定位天线；

第一电机通过第一连杆与第一电极轮连接；第二电机通过第二连杆与第二电极轮连接；第三电机通过第三连杆与第三电极轮连接；第四电机通过第四连杆与第四电极轮连接；第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆均与切换电路连接；电源和定位天线的输出端连接控制测量系统；控制测量系统的输出端连接切换电路、第一电机、第二电机、第三电机和第四电机；

控制测量系统用于通过定位天线接收平台的当前位置；并根据平台的当前位置与预设位置的偏差转换为电机控制信号，通过控制电机控制电极轮移动至预设位置；并控制切换电路选择不同的两个电极轮提供预设电流通入地表，同时接收剩余两个电极轮传递的地面电压差，根据接收的地面电压信号计算视电阻率分布。

2.根据权利要求1所述的地表电阻率原位测量装置，其特征在于，所述控制测量系统包括：定位模块、中央处理器、发射电路、接收电路、电机驱动模块和电源端子；

所述电源端子与所述定位模块、中央处理器、发射电路、接收电路和电机驱动模块均相连；所述定位天线与所述定位模块连接；所述定位模块与中央处理器连接；所述中央处理器的输出端连接所述发射电路和所述电机驱动模块；所述接收电路的输出端连接所述中央处理器；所述中央处理器、发射电路、接收电路的输出端均与所述切换电路相连；所述电机驱动模块的输出端分别连接所述第一电极轮、第二电极轮、第三电极轮和第四电极轮；

所述电源端子用于为所述定位模块、中央处理器、发射电路、接收电路和电机驱动模块接通电源；所述定位模块用于通过所述定位天线实时测量平台的移动位置；所述中央处理器用于向所述发射电路提供预设电流，用于接收接收电路传递的地面电压差，计算电阻率分布；并用于向电机驱动模块提供平台所需的移动指令；所述发射电路用于为两个电极轮提供预设电流，将预设电流通入地表；所述接收电路用于采集剩余两个电极轮传递的地面电压差，并对地面电压差进行调理后进行模数转换；所述电机驱动模块用于控制电机的移动。

3.根据权利要求2所述的地表电阻率原位测量装置，其特征在于，所述中央处理器包括电阻率计算器、模数转换器、数模转换器、电机控制器、切换电路控制器以及定位信号解码器；

所述模数转换器的输入端连接所述接收电路；所述数模转换器的输出端连接所述发射电路；所述电机控制器的输出端连接所述电机驱动模块；所述切换电路控制器的输出端连接所述切换电路；所述定位信号解码器的输入端连接所述定位模块；

所述电阻率计算器用于根据接收的地面电压差计算电阻率；所述模数转换器用于将接收的电压信号进行量化；所述数模转换器用于提供预设电流；所述电机控制器用于控制电机；所述定位信号解码器用于接收定位模块发送的定位数据；所述切换电路控制器用于切换电路的控制。

4.根据权利要求3所述的地表电阻率原位测量装置，其特征在于，通过控制切换电路能够获取六种电极组合，分别为：所述发射电路的输出端连接第一连杆和第二连杆且所述接收电路的输出端连接第三连杆和第四连杆、所述发射电路的输出端连接第三连杆和第四连杆且所述接收电路的输出端连接第一连杆和第二连杆、所述发射电路的输出端连接第一连杆和第三连杆且所述接收电路的输出端连接第二连杆和第四连杆、所述发射电路的输出端连接第二连杆和第四连杆且所述接收电路的输出端连接第一连杆和第三连杆、所述发射电路的输出端连接第一连杆和第四连杆且所述接收电路的输出端连接第二连杆和第三连杆、发射电路的输出端连接第二连杆和第三连杆且输出端连接第一连杆和第四连杆。

5.根据权利要求4所述的地表电阻率原位测量装置，其特征在于，所述发射电路包括比较器、反馈电阻和开关管；比较器正向输入端连接所述数模转换器，其反相输入端连接所述反馈电阻；所述比较器和开关管构建为负反馈网络；所述开关管的漏极与所述切换电路连接；所述电源与所述开关管间连接两个电极轮；

若所述开关管发射的电流低于预设电流，则所述反馈电阻的反馈电压低于预设电流与反馈电阻的乘积，所述比较器的正向输入端比其反相输入端的电压值高，则所述比较器输出高电平，使所述开关管输出电流补偿，直至所述开关管的电流值到达预设电流；所述预设电流通过两个电极轮向地表提供。

6.根据权利要求4所述的地表电阻率原位测量装置，其特征在于，所述接收电路包括仪表放大器和滤波器；所述仪表放大器包括：仪表放大器和滤波器；仪表放大器包括：运算放大器A1、运算放大器A2、运算放大器A3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和可变电阻；滤波器包括：运算放大器、电阻R7、电阻R8、电容C1和电容C2；运算放大器A1的正相输入端连接切换电路；运算放大器A2的反相输入端连接切换电路；运算放大器A1的输出端通过电阻R1与运算放大器A1的反相输入端相连；运算放大器A2的输出端通过电阻R4与运算放大器A1的反相输入端相连；运算放大器A1的反相输入端通过可变电阻与运算放大器A2的反相输入端相连；运算放大器A1的输出端通过电阻R2与运算放大器A3的反相输入端相连；运算放大器A2的输出端通过电阻R5与运算放大器A3的正相输入端相连；运算放大器A3的反相输入端通过电阻R3与运算放大器A3的输出端相连；运算放大器A3的正相输入端通过电阻R6与地相连，运算放大器A3的输出端通过电阻R7与电阻R8的第一端相连，电阻R8的第二端与运算放大器A4的正相输入端相连；运算放大器A4的反相输入端通过电容C2与地相连；电阻R8的第三端通过电容C1与运算放大器A4的输出端相连，运算放大器A4的输出端与运算放大器A4的反相输入端相连，运算放大器A4的输出端与模数转换器49相连；

所述仪表放大器用于对接收的电压信号进行放大，且增加输入阻抗，以提高电压检测的精度；所述滤波器用于在对接收电压信号进行模数转换前进行抗混叠滤波。

7.基于权利要求4至6任一所述的地表电阻率原位测量装置的地表电阻率原位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A．中央处理器接收平台预设位置以及平台当前位置，将预设位置与当前位置的偏差转换为电机控制信号，在电机控制信号的作用下电机驱动电极轮的移动；

B．采用定位模块和定位天线实时测量平台的移动位置，对比当前位置与预设位置的偏差，若当前位置与预设位置相同，则进入步骤C，否则转至步骤A；

C．中央处理器控制切换电路选择一种电极组合；其中，每种电极组合为两个电极轮与发射电路相连，剩余两个电极轮与接收电路相连；

D．采用中央处理器发射电流发射指令至发射电路，将预设电流通过与发射电路正极相连的电极轮流入地表，地面产生电压差，流入地表的电流通过与发射电路负极相连的电极轮流入发射电路的负极；

E．地面的电压差通过与接收电路相连的电极轮接收接入接收电路；接收电路对接收的电压差调理后，经过模数转换计算视电阻率值；

F．判断六种电极组合是否测量完毕，如是，则进入步骤G，否则转至步骤C；

G：判断中央处理器是否接收到新的平台预设位置，若接收到新的平台预设位置，则转至步骤A，否则获取最终的电阻率分布图。

8.根据权利要求7所述的地表电阻率原位测量方法，其特征在于，所述电阻率的计算公式为：

ρ=vk/i

其中，v为地面的电压差经过模数转换后的电压差，k=2π/（1/AM- 1/AN- 1/BM+ 1/BN）；将与发射电路的正极相连的电极轮称为第一发射电极轮，与发射电路的负极相连的电极轮称为第二发射电极轮；与接收电路正极相连的电极轮称为第一接收电极轮，与接收电路负极相连的电极轮称为第二接收电极轮；AM表示第一发射电极轮与第一接收电极轮的距离；AN表示第一发射电极轮与第二接收电极轮的距离；BM表示第二发射电极轮与第一接收电极轮的距离；BN表示第二发射电极轮与第二接收电极轮的距离；i为预设电流。

Images