CN115655379B

CN115655379B - 一种石质文物本体高密度电法监测装置、系统及方法

Info

Publication number: CN115655379B
Application number: CN202211431438.6A
Authority: CN
Inventors: 毛德强; 马新民; 刘士亮; 夏腾; 孟健; 赵瑞珏
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2042-11-16
Also published as: CN115655379A

Abstract

本发明公开了一种石质文物本体高密度电法监测装置、系统及方法,涉及石质文物检测领域，包括按照文物岩体不规则区呈多排多列布置的非侵入电极，电极通过黏连剂和耦合剂与文物本体固定和耦合接触，每排、每列电极分别通过测线相连，各排测线、各列测线分别对应汇集至同一主电缆并连接至电阻率仪；还包括温度传感器，温度传感器通过线缆连接电阻率仪；电阻率仪设于防护箱内。在进行高密度电法监测时，通过更新四极测量的优化函数获取优化的测量阵列集，最大化探测结果的分辨率，从而获取高效的测量数据信息。本发明能够保证电极与文物岩体表面的长期、有效耦合，在不损坏文物岩体的同时，保证信号的长期有效传输，并获取高质量的监测数据。

Description

一种石质文物本体高密度电法监测装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及石质文物检测领域，尤其涉及一种石质文物本体高密度电法监测装置、系统及方法。

背景技术

石质文物大多处于露天或半露天环境中，其受自然环境因素影响较大，如温差、降水、盐分等。在长期的水盐运移作用下，石质文物出现不同程度损害，包括表面破损、剥落，内部的开裂、腐蚀等。因此，对石质文物本体的水盐运移情况进行长期质量监测，准确的研判高盐度和高含水区域的分布及运移规律，有助于采取针对性的文物保护和预防措施。

目前，高密度电法可以探测石质文物本体的水盐分布，但检测方法多为瞬态探测，无法满足长时间的水盐运移监测。石质文物本体对于测量扰动程度要求高，在高密度电法探测时，目前采用的常规的电极为棒状电极，在电极布设时需要对目标岩石进行钻孔，进而将电极插入岩石内部，因此，不可避免的对岩石产生二次损害。同时，传统方法布置的电极与岩体长时间接触后，其与岩体的耦合特性随着时间削弱，影响电信号的传导。石质文物区多为不规则区域，电极的布置及测量阵列受到不规则文物区的限制，探测深度和探测精度受到严重影响。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种石质文物本体高密度电法监测装置、系统及方法，能够保证电极与文物岩体表面的有效耦合，采用非侵入方式，在不损坏文物岩体的同时，保证信号的长期有效传输。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种石质文物本体高密度电法监测装置,包括呈多排多列布置的电极，每排、每列电极分别通过测线相连，各排测线、各列测线分别对应汇集至同一主电缆并连接至电阻率仪；

还包括温度传感器，用于监测石质文物本体表面温度，温度传感器通过线缆连接电阻率仪；所述电阻率仪设于防护箱内。

作为进一步的实现方式，所述电极包括金属片，金属片一端通过电缆接口连接电极电缆；金属片一侧表面设有柔性外壳。

作为进一步的实现方式，所述柔性外壳尺寸大于金属片尺寸且柔性外壳周向具有弯折的外檐。

作为进一步的实现方式，所述金属片周向设有柔性阻挡部。

作为进一步的实现方式，所述防护箱安装空气循环装置。

作为进一步的实现方式，所述空气循环装置包括安装于防护箱外侧的百叶窗、内置于防护箱的风扇。

作为进一步的实现方式，各测线间隔设有若干向两侧延伸的橡胶带。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种石质文物本体高密度电法监测系统，包括所述的监测装置。

作为进一步的实现方式，所述电极通过导电脂与石质文物本体耦合接触，测线粘贴于石质文物本体表面。

作为进一步的实现方式，所述电极呈多排多列布置于石质文物本体表面，温度传感器布置于石质文物本体中心。

第三方面，本发明的实施例还提供了一种石质文物本体高密度电法监测装置的布置方法，将电极布置于石质文物本体表面，并通过测线形成横纵交叉设置结构；其中，电极采用四极测量方式，以四个电极作为一个测量阵列，其中两个为供电电极，另外两个为测量电极。

作为进一步的实现方式，将电极进行从1到m进行编号，并根据四极测量方式进行全排列；根据优化函数获取优化的测量阵列集，所述优化函数为：

其中，M为独立的全排列组合数，J _ij为添加第i个新阵列后的基础阵列集的模型的第j个单元的灵敏度；

，其中N _b为基础阵列集数；R _b为基于基础阵列集数据的模型分辨率矩阵，R _Z为基于全排列阵列数据的模型分辨率矩阵。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明的电极呈多排多列布置，并通过测线形成通路，能够通过电阻率仪获取石质文物本体信息；且安装有温度传感器，能够实时监测石质文物本体温度。

（2）本发明通过强化电极与文物岩体表面的粘合与耦合特性，优化测线布设与固定，同时对监测仪器进行长期保护，实现了利用高密度电法对石质文物本体水盐运移的高效监测。

（3）本发明在进行高密度电法监测时，通过更新四极测量的优化函数获取优化的测量阵列集，最大化探测结果的分辨率，从而获取高效的测量数据信息。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的电极背面示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的电极正面示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的电极轴测图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的测线及电极布局图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的防护箱主视图；

图7是本发明根据一个或多个实施方式的防护箱侧视图。

其中，1-石质文物本体；2-电极；3-测线；4-电阻率仪；5-防护箱；6-温度传感器；7-电缆接口；8-金属片；9-柔性外壳；10-电极电缆；11-外壳主体；12-外檐；13-柔性阻挡部；14-主电缆；15-橡胶带；16-空气循环装置；17-百叶窗；18-风扇。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种石质文物本体高密度电法监测装置,如图1所示，包括电极2、测线3、主电缆14、电阻率仪4，电极2呈多排多列布置，每一排、每一列电极2均通过对应的测线3相连，各测线3形成横纵交叉设置结构，以利用有限的测线3获取尽可能全面的石质文物本体1水盐运移的电阻率响应信息。

在电极2布设时，电极间距d根据探测精度确定，一般为探测精度的1/2，从而避免间距过小导致电极2密度增大，使测线系统重量增加；同时，避免间距过大，对分辨率产生影响。

测量阵列为四极测量方式，即一个测量阵列采用四个电极组，其中两个作为供电电极A和B，两个作为测量电极M和N，针对不规则的文物岩体，通过优化测量阵列组合，最大化探测结果的分辨率，从而获取高效的测量数据信息。其具体方式如下：

首先对所有的电极进行从1到m进行编号，并根据四极测量方式进行全排列，对于有m个电极的测线，其独立的全排列组合数为M=m×(m-1)×(m-2)×(m-3)/8。然后对这M个测量阵列组合进行筛选，目的是在保证尽可能少的测量阵列数的条件下，实现测量结果分辨率的在最大化。

进一步的，在全排列阵列组合中选择选取传统的温纳阵列为基础阵列集，然后通过从全排列阵列中不断选择新阵列添加到基础阵列集中组合为新的基础阵列集，并计算优化函数f，如f增加，则使用该新的基础阵列集，如f减小，则剔除该新添加阵列。重复上述过程，直到f值或阵列数量达到设定要求，从而获得优化的测量阵列集。

上述添加第i个新阵列的阵列集的优化函数f _i表示为：

测线3用于为电信号在电极间的传导提供通路，各排测线3连接至同一主电缆14，各列测线3连接至同一主电缆14，主电缆14与电阻率仪4相连。电阻率仪4产生电信号，并控制电信号在电极2间的传导，同时进行一定时间间隔的自动测量。

本实施例还设置温度传感器6，温度传感器6通过线缆连接电阻率仪4，用于监测石质文物本体1表面温度。电阻率仪4设于防护箱5内，起到保护电阻率仪4的作用。防护箱5由一定高度的支架支撑，支架的高度根据实际情况设置。

如图2-图4所示，电极2包括金属片8，以金属片8其中一面为正面，则在金属片8反面固定柔性外壳9。柔性外壳9包括外壳主体11和外檐12，外壳主体11长度和宽度大于金属片8，且外壳主体11四周具有朝向金属片8正面弯折的外檐12。

在本实施例中，金属片8为长方形的不锈钢薄片，其质量远小于常规棒状电极，同时其表面积远大于常规棒状电极，有利于电极2长期与文物岩体表面粘合与固定。金属片8尺寸可以根据实际要求设置，例如金属片8厚度2mm，长度30mm，宽度15mm。

金属片8正面周向围绕柔性阻挡部13，本实施例的柔性阻挡部13沿金属片8边界形成长方形结构。

在本实施例中，外壳主体11、外檐12和柔性阻挡部13均采用橡胶材质，主要起到防水和阻隔作用。外壳主体11用于包裹金属片8背面，其超出金属片8的部分通过云石胶与文物岩体粘结，云石胶具有耐候、耐腐蚀特性，可保证文物岩体与电极2的长时间有效地粘合。外壳主体11对金属片8起到防水、防腐蚀保护作用，同时防止意外触电。

外檐12用于将电极2罩于内部，防止雨水冲刷影响电极2与岩体的粘合和耦合效果。柔性阻挡部13用于将胶体与耦合剂分隔，同时其具有一定的变形特性，可保证电极2与石质文物本体1起伏不平的岩体表面更好的贴合。

外壳主体11、外檐12和柔性阻挡部13的尺寸可以根据实际情况选择，例如外壳主体11厚度为0.5mm，外檐12厚度为1mm，柔性阻挡部13厚度为1.5mm，高度为2mm。

电极2采用非侵入方式与石质1文物本体接触，裸露的不锈钢薄片通过导电脂与石质文物本体1耦合接触，有效地降低电极2的接地电阻。导电脂具有防水、防腐、抗盐雾、不变稀等特性，保护不锈钢薄片不被腐蚀，保证电极2传递的电信号长期有效的向文物岩体内部传导。

金属片8一端通过电缆接口7连接电极电缆10，通过电极电缆10连接测线3。如图5所示，电极电缆10与主电缆14连接处有向两侧延伸的橡胶带15，通过云石胶将电缆固定于岩体表面。

如图6和图7所示，防护箱5内部用于储存电阻率仪4，防护箱5配备空气循环装置16，以防止潮湿空气对仪器的损害。

空气循环装置16包括百叶窗17和风扇18，百叶窗17安装于防护箱5两侧，能够防止蚊虫、雨水进入箱体内部；防护箱5内侧对应于百叶窗17安装风扇18，使得防护箱5与外界空气循环流动，保持防护箱5内部的干燥环境。

在本实施例中，防护箱5的主体材质为不锈钢材质。

本实施例通过强化电极装置与石质文物本体1表面的粘合与耦合特性，优化测线3布设与固定，同时对监测仪器进行长期保护，实现了利用高密度电法对石质文物本体1水盐运移的高效监测。

实施例二：

本实施例提供了一种石质文物本体高密度电法监测系统，包括实施例一所述的监测装置，电极2通过导电脂与石质文物本体1耦合接触，测线3粘贴于石质文物本体1表面。电极2呈多排多列布置于石质文物本体1表面，温度传感器6布置于石质文物本体1中心，以监测温度变化数据。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种石质文物本体高密度电法监测装置的布置方法,其特征在于，所述的监测装置包括呈多排多列布置的电极，每排、每列电极分别通过测线相连，各排测线、各列测线分别对应汇集至同一主电缆并连接至电阻率仪；

还包括温度传感器，用于监测石质文物本体表面温度，温度传感器通过线缆连接电阻率仪；所述电阻率仪设于防护箱内；

将电极布置于石质文物本体表面，并通过测线形成横纵交叉设置结构；其中，电极采用四极测量方式，以四个电极作为一个测量阵列，其中两个为供电电极，另外两个为测量电极；

将电极进行从1到m进行编号，并根据四极测量方式进行全排列；根据优化函数获取优化的测量阵列集，所述优化函数为：

2.根据权利要求1所述的一种石质文物本体高密度电法监测装置的布置方法,其特征在于，所述电极包括金属片，金属片一端通过电缆接口连接电极电缆；金属片一侧表面设有柔性外壳。

3.根据权利要求2所述的一种石质文物本体高密度电法监测装置的布置方法,其特征在于，所述柔性外壳尺寸大于金属片尺寸且柔性外壳周向具有弯折的外檐。

4.根据权利要求2所述的一种石质文物本体高密度电法监测装置的布置方法,其特征在于，所述金属片周向设有柔性阻挡部。

5.根据权利要求1所述的一种石质文物本体高密度电法监测装置的布置方法,其特征在于，所述防护箱安装空气循环装置。

6.根据权利要求5所述的一种石质文物本体高密度电法监测装置的布置方法,其特征在于，所述空气循环装置包括安装于防护箱外侧的百叶窗、内置于防护箱的风扇。

7.根据权利要求1所述的一种石质文物本体高密度电法监测装置的布置方法,其特征在于，各测线间隔设有若干向两侧延伸的橡胶带。

8.一种石质文物本体高密度电法监测系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的监测装置，所述电极通过导电脂与石质文物本体耦合接触，测线粘贴于石质文物本体表面；

所述电极呈多排多列布置于石质文物本体表面，温度传感器布置于石质文物本体中心。