CN209542860U - 太阳能供电野外地电地磁大数据高密度点阵测量采集设备 - Google Patents
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Abstract
太阳能供电野外地电地磁大数据高密度点阵测量采集设备，由数据采集系统、数据传输交互系统、数据处理系统和终端显示系统依次连接构成，其中数据采集系统包括呈点阵布置的二台以上1到n部的数据采集器，数据采集器由测量传感器、模拟电路信号处理模块和主控CPU组成，数据传输交互系统由GPRS传输模块、蓝牙模块及WiFi模块组成，数据处理系统里安装有云端服务器和地区管理服务器，安装在野外无人区的数据采集器上配置太阳能供电转置。布点范围广，而且免维护，使用寿命长。数据准确，维护工作量少，野外生产操作简单可靠，智能监控，在地质构造研究、地下水和地热资源调查、矿产资源和石油及天然气资源的勘探等领域有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及IPC分类G01V3/00电或磁的勘探或探测设备技术，尤其是太阳能供电野外地电地磁大数据高密度点阵测量采集设备。
背景技术
地球可分为地壳、上地幔、地幔、地核外核、地核内核五个部分。其中，地壳是指地球地表至莫霍界面之间一个主要由火成岩，变质岩和沉积岩构成的薄壳。地壳下面的是地幔，上地幔大部分由橄榄石构成。地壳和地幔之间的分界线被称为莫氏不连续面。直流输电的入地电流主要在地壳和上地幔区域内传播，所以对这两个区域的大地电阻率结构参数的研究具有十分重要的意义。地球物理勘探是以岩石、矿石或地层与围岩的物理性质差密度、磁化性质、导电性、放射性等异为基础。地质学专业术语，地球物理学用物理学的原理和方法，对地球的各种物理场分布及其变化进行观测。地球物理勘探探索地球本体及近地空间的介质结构、物质组成、形成和演化，研究与其相关的各种自然现象及其变化规律。在此基础上为探测地球内部结构与构造、寻找能源、资源和环境监测提供理论、方法和技术，为灾害预报提供重要依据。
大地电磁勘探方法是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种重要的地球物理手段。一般使用大地电磁法(MT法)进行大深度范围的大地电阻率测量。依据不同频率的电磁波在导体中具有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，经过相关的数据处理和分析来获得大地由浅至深的电性结构。大地电磁勘测方法的技术特点包括：a、不需要人工场源激发，省去了笨重的电磁法发射设备，使施工更为方便，成本降低；b、天然电磁场频率丰富，只要选择合适的天然电磁场频率区间，就可探测从地面几十米到地幔数百千米深处的各点电性分布；c、电磁波对高阻岩层的穿透能力强，对低电阻率地层的分辨率高。
目前地球物理勘探领域一般是在同一个观测点分别采集低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据(l0～10000赫兹)，然后将两套数据合并后再进行处理；也可以在一个观测点上只采集低频的大地电磁数据，或者只采集高频或音频的大地电磁数据，以降低数据采集成本。当在同一个观测点分别采集低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据时，一般需要使用两种不同的数据采集系统，同时还需要分别使用低频的大地电磁磁场传感器来采集低频的大地磁场数据和高频或音频的大地电磁磁场传感器来采集高频或音频的大地磁场数据。这种传统的分开采集低频的大地电磁数据和高频或音频的大地电磁数据的采集方式，野外操作时必需更换磁场传感器，有时还需要更换数据采集仪器，野外操作复杂，效率低，成本高，极大地制约了高效率低成本采集宽频大地电磁数据技术的发展。
相关现有技术公开较少。
《地震地磁观测与研究》,2014(1-2):247-249，刊登《太阳能供电系统在天津测震台站的应用》，公开了利用太阳能供电系统解决天津市部分台站无法接入交流供电的问题，对部分台供电系统进行改造，采用复合式供电模式，避免农忙或雷雨季节停电问题，以提升台网整体数据传输连续率。
中国专利申请86103551用于地球物理勘探的电磁勘测方法,其中在勘测区中的一点测量沿两个非平行方向的地磁场变化，同时在沿勘测线的若干点测量平行、于勘测线的大地电场变化，把这些测得的变化变换到频域，并随后计算出垂直于测得的电场方向的磁场水平分量，计算出勘测线上各测量点的作为频率的函数的阻抗，并利用就多个预定频率的阻抗加权平均值，计算出地下导电率分布，该阻抗加权值是利用对应于对电场进行低通滤波的零相位有限长度权函数计算出来的。
中国专利申请201120296891.1公开一种太阳能无线地磁传感器，包括传感器内核和电池，还包括太阳能电池板，所述电池为可充电电池，所述太阳能电池板设置在所述传感器内核的正上方，且在传感器内核正对的部分上留设有探测孔，所述太阳能电池板和可充电电池电连接，所述传感器内核和可充电电池电连接。主要用于检测行驶在公路上的车辆，以解决现有无线地磁传感器因采用无外接电源的单节电池供电须频繁更换电池的问题，具有免维护、使用寿命长的优点。
中国专利申请201410742428.3大地电磁数据采集系统包括能够同时采集低频大地电磁数据和高频或音频大地电磁数据的数据采集站和能够进行高低频切换的宽频磁场传感器。针对不同勘探目的设有3种采集方式。采集方式1采集高频或音频大地电磁数据；当设置为采集方式2时，在任意的一个观测点，可以顺序采集低频大地电磁数据和高频或音频大地电磁数据，并能够将低频大地电磁数据和高频或音频大地电磁数据合并在一个宽频大地电磁数据文件内；采集方式3采集低频大地电磁数据。采集系统具有生产成本低、数据采集效率高、野外生产操作简单可靠、使用的仪器设备少等优点。
地震灾害一直对人类造成巨大的危害，地震超前预报的数据中非常重要的就是地电测量，目前在地电监测的仪器存在精度不高，而且测量参数单一，只是测量了直流信号，没有测量低频的地电信号，也没有测量地磁信号，并且强调多通道及终端数据处理能力，导致制造成本上升，布点就减少并且不方便。
以前类似仪器设备价格贵，测量通道集中，并且把数据集中处理后再进行数据传输，所以一般只能在一个市县布置几个监测点，这样密度小，数据量小，在后期数据处理过程中可利用的数据量非常，很容易造成误判断。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供太阳能供电野外地电地磁大数据高密度点阵测量采集设备，主要用于大深度资源勘探，包括深度在3公里到30公里的资源及灾害监测勘查，也是地震超前预报重要的监测手段。
本实用新型的目的将通过以下技术措施来实现：由数据采集系统、数据传输交互系统、数据处理系统和终端显示系统依次连接构成，其中数据采集系统包括呈点阵布置的二台以上1到n部的数据采集器，数据采集器由测量传感器、模拟电路信号处理模块和主控CPU组成，数据传输交互系统由GPRS传输模块、蓝牙模块及WiFi模块组成，数据处理系统里安装有云端服务器和地区管理服务器，安装在野外无人区的数据采集器上配置太阳能供电转置。
尤其是，数据采集器上还安装有分别连接主控CPU的数据存储模块和人机界面模块，测量传感器包括电极,模拟电路信号处理模块上依次安装工频抑制子模块、无源滤波子模块、前级放大子模块、程控放大子模块、程控滤波子模块、低通滤波子模块和AD采集子模块。
尤其是，数据采集器上连接测量传感器上的电极，同时，太阳能供电装置上包括太阳能电池板和蓄电池，其中，电极、太阳能电池板和蓄电池分别接地，而且，蓄电池连接数据采集器为测量传感器供电。
尤其是，工频抑制子模块采用双T型带阻滤波器，工频抑制子模块主体包括三部分：选频部分、放大部分、反馈部分；通过传递函数计算，可以得出带阻滤波器的中心频率：f＝1/2πRC，取R＝32K，C＝0.1uF，调节Rw可以调节滤波器的Q值。
尤其是，程控放大子模块电路，输入信号Vi由+in引脚上的平衡电阻R1，经过多路模拟电路旁接程控放大器后由OUT引脚输出；多路模拟电路根据信号的强弱，自适应切换相应的放大倍数，分为4个放大倍数即X1，X10，X100，X1000；模拟模拟电路由模拟开关Sn和电阻Rxn串联构成，电路中S1，S2、Sn为模拟开关，经过模拟开关切换，电阻R1……Rxn和放大器形成不同的放大倍数，它们之间构成电压并联反馈放大电路，输出信号与输入信号的关系为：Vout＝-V*Rxn/R1。此电阻可以减小输入失调电流引起的误差。
尤其是，程控滤波电路子模块电路，采用CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，设置成低通滤波器；LP(1,20)，BP(2,19)，N/AP/HP(3,18)二阶低通，带通和陷波/全通/高通输出；INV(4,17)求和运算放大器的每个滤波器的反相输入端；S1(5,16)S1为在全通滤波器配置中使用的信号输入引脚；SA/B(6)该管脚提供了所需的柔韧性配置在它的各种操作模式的过滤器；VA+(7),VD+(8)模拟正电源和数字正电源；VA-(14),VD-(13)模拟和数字负电源；LSh(9)电平位移销：它可容纳各种时钟水平具有双重或单电源供电；CLKA(10)，CLKB(11)时钟信号输入：50/100/CL(12)通过设置该引脚高低电平可获得一时钟到滤波器中心频率比；AGND(15)是模拟地引脚。
尤其是，为了监测异常，阵列布点A采用“十”字交叉型布置整列，把怀疑异常区域放在“十”字中心，根据1-10公里的距离来布置数据采集点，从1、2、3……n布置n个数据采集器，从a、b、c……n也交叉布置n个数据采集点；各数据采集点采集的数据直接上传到云端；汇集计算后阵列布点A效果展示简单直观形成两条交叉检测图，用曲线简单的呈现，这样清楚的了解正常的变化及异常变化数据的变化，有效的来判断地下资源的位置或可能会发生地震的异常变化。
尤其是，阵列布点B也可以按照围绕怀疑异常的圆形布置，一般各数据采集器间距可以是10-30公里，圆的半径可以在20-200公里；并且也可以在怀疑异常的中心位置布置1-2个数据采集点用于正常观测。
本实用新型的优点和效果包括：
1)、布点范围广：数据采集系统使用低功耗及太阳能电池设计，通过采用太阳能电池板和与之电连接的可充电电池为传感器供电，保证电源有效供应，可以布置在任何地方，而且免维护，使用寿命长。
2)、数据准确：模拟电路高性能优化设计，数据采集效率高，保证DC-1HZ内信号能高精度测量，有效分别率高达1uV。
3)、维护工作量少：对仪器的工作状态及服务数据处理过程的异常数据状态实时监测，及时通过手机联系相关人员，野外生产操作简单可靠，智能监控，精准管理。
4)、数据采集点多：经济配置，降低单个数据采集点的成本，可以大量布设数据采集点，增加数据收集概率。
5)应用范围广：在地质构造研究、地下水和地热资源调查、矿产资源和石油及天然气资源的勘探等领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型实施例1中测量系统结构示意图
图2为本实用新型实施例1中单一数据采集器测量原理框图。
图3为本实用新型实施例1中数据采集器安安装原理示意图，
图4为本实用新型实施例1中阵列布点A结构示意图。
图5为本实用新型实施例1中阵列布点A效果示意图。
图6为本实用新型实施例1中阵列布点B结构示意图。
图7为本实用新型实施例1中阵列布点B效果示意图。
图8为本实用新型实施例1中工频抑制子模块电路原理框图。
图9为本实用新型实施例1中程控放大子模块电路原理框图。
图10为本实用新型实施例1中程控滤波子模块和低通滤波子模块电路原理框图。
图11为本实用新型实施例1中数据汇集模型结构示意图。
具体实施方式
准确预报地震的发生需要直流地电信号、低频地电信号及地磁变化信号综合运算分析才能更加寻找地震发生规律，通过对地震发生前大量的多参数数据作为寻找地电变化对发生地震所产生的规律。随着目前云技术、大数据、太阳能及电子技术的发展，现在可以实现地电高精度测量，并且低功耗运行的仪器，结合现有的GPRS技术、太阳能充电技术就能做到长时间无间断数据监测并且上传到云端，通过在重点区域布置无数个地电监测点采集大量的数据在云端数据处理就能在较短时间来摸索出地震发生的规律，这个较短时间也许是10年或20年，能够对地震能做成相对准确的预报，将会极大程度的减少地震给人类带来的伤害。
大深度资源勘查及灾害监测需要长时间的观察监测，需要大量的数据来建立模型分析判断，通过太阳能供电点数据采集系统，避免经常更换电池和野外市电不方便不稳定的问题；以5公里或10公里的网络大面积的高密度布点检测数据，使监测的数据密集，得到地下资源和灾害发生的密度变化数据，并且通过GPRS实时把数据上传至云端服务器，汇集大量的数据模型，进行大数据分析及人工智能AI的数据处理，能够准确的进行大深度资源勘查及地震超前预报分析，在测试过程中对已知地下7公里的资源进行了勘查，效果非常明显。并且对地震预报的数据采集也非常准确。该仪器完全做到无人值守，如果仪器发生故障或异常可以通过手机及微信来通知相关负责人，该负责人可以远程对该区域进行仔细检测数据，从而长期大量的数据由服务器完成，而精密的分析数据由人工干预完成，从而来提高资源勘探的数据准确性及地震超前预报的准确性。
显而易见地，以下描述仅是本实用新型的一些实施例，其中的附图仅用于帮助理解，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些内容受到启发获得变通解决方案。但是，在不付出创造性劳动性的前提下所做出的这些工作仍应落入本实用新型保护范围。
如附图1所示，本实用新型主要由数据采集系统、数据传输交互系统、数据处理系统和终端显示系统依次连接构成，其中数据采集系统包括呈点阵布置的二台以上1到n部的数据采集器，数据采集器由测量传感器、模拟电路信号处理模块和主控CPU组成，数据传输交互系统由GPRS传输模块、蓝牙模块及WiFi模块组成，数据处理系统里安装有云端服务器和地区管理服务器，安装在野外无人区的数据采集器上配置太阳能供电转置。
本实用新型中，数据处理系统的云端服务器直接接收各数据采集器的主控CPU所传回的信号及坐标，进行数据处理及监测野外的各数据采集器的工作状态，在地区管理服务器上进行数据处理的异常信息及时通过手机联系管理人员，在终端显示系统上可以有选择性的显示地区管理服务器上相关数据内容。
下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步说明。
实施例1：如附图2所示，数据采集器上还安装有分别连接主控CPU的数据存储模块和人机界面模块，测量传感器包括电极,模拟电路信号处理模块上依次安装工频抑制子模块、无源滤波子模块、前级放大子模块、程控放大子模块、程控滤波子模块、低通滤波子模块和AD采集子模块。
前述中，如附图3所示，数据采集器上连接测量传感器上的电极，同时，太阳能供电装置上包括太阳能电池板和蓄电池，其中，电极、太阳能电池板和蓄电池分别接地，而且，蓄电池连接数据采集器为测量传感器供电。
前述中，工频抑制子模块电路如附图8所示，工频抑制子模块采用双T型带阻滤波器，工频抑制子模块主体包括三部分：选频部分、放大部分、反馈部分；通过传递函数计算，可以得出带阻滤波器的中心频率：f＝1/2πRC，取R＝32K，C＝0.1uF即可，调节Rw可以调节滤波器的Q值；理论上Q值越高越好，但实际上Q值很高电路会振荡，另外工频不一定是严格的50Hz，有一定的变化范围；电路中Vi为输入信号，Vo为输出信号，电阻R，C，2C，R/2和运放构成双T型带阻滤波器，电阻Rw可以调节电位，增加对滤波器的反馈，可以调节电路的Q值，从而改变带阻滤波器陷波带宽和幅值。
前述中，程控放大子模块电路如附图9所示，输入信号Vi由+in引脚上的平衡电阻R1，经过多路模拟电路旁接程控放大器后由OUT引脚输出；多路模拟电路根据信号的强弱，自适应切换相应的放大倍数，分为4个放大倍数即X1，X10，X100，X1000；模拟模拟电路由模拟开关Sn和电阻Rxn串联构成，电路中S1，S2、Sn为模拟开关，经过模拟开关切换，电阻R1……Rxn和放大器形成不同的放大倍数，它们之间构成电压并联反馈放大电路，输出信号与输入信号的关系为：Vout＝-V*Rxn/R1。此电阻可以减小输入失调电流引起的误差。
前述中，程控滤波电路子模块电路如附图10所示，采用CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，通过微控制器控制其精确滤波函数，设置其内部中心频率、Q值、工作模式来实现对信号的选频滤波，提高微弱信号检测的精度。这里主要设置成低通滤波器。LP(1,20)，BP(2,19)，N/AP/HP(3,18)二阶低通，带通和陷波/全通/高通输出；INV(4,17)求和运算放大器的每个滤波器的反相输入端；S1(5,16)S1为在全通滤波器配置中使用的信号输入引脚。SA/B(6)该管脚提供了所需的柔韧性配置在它的各种操作模式的过滤器。VA+(7),VD+(8)模拟正电源和数字正电源。VA-(14),VD-(13)模拟和数字负电源。LSh(9)电平位移销：它可容纳各种时钟水平具有双重或单电源供电。CLKA(10)，CLKB(11)时钟信号输入。50/100/CL(12)通过设置该引脚高低电平可获得一时钟到滤波器中心频率比。AGND(15)这是模拟地引脚。
本实施例中仪器主要设置成低通滤波器，因此INVa和INVb为信号的输入端，LPa和LPb分别为INVa和INVb输入信号的低通滤波输出，CLKa和CLKb为时钟信号的输入端，不同是时钟频率信号可以控制不同的低通滤波截至频率。
本实施例中，采用单独的数据采集及数据传输系统，并且采用太阳能供电系统，可以随意布置高密度的监测点。
如附图4所示，为了更好的监测异常，阵列布点A采用“十”字交叉型布置整列，把怀疑异常区域放在“十”字中心，根据1-10公里的距离来布置数据采集点，从1、2、3……n可以布置n个数据采集器，从a、b、c……n也可以交叉布置n个数据采集点，这样各数据采集点采集的数据直接上传到云端，如附图5所示，汇集计算后阵列布点A效果展示可以简单直观形成两条交叉检测图，用曲线可以简单的呈现，这样可以清楚的了解正常的变化及异常变化数据的变化，可以非常有效的来判断地下资源的位置或可能会发生地震的异常变化等。
如附图6所示，阵列布点B也可以按照围绕怀疑异常的圆形布置，一般各数据采集器间距可以是10-30公里，圆的半径可以在20-200公里。并且也可以在怀疑异常的中心位置布置1-2个数据采集点用于正常观测，如附图7所示，阵列布点B效果会形成两个圆形的图形，内圈为正常变化数据，外圈为有异常变化的数据，通过这样的数据计算可以清楚的了解正常的变化及异常变化数据的变化，可以非常有效的来判断地下资源的位置或可能会发生地震的异常变化等。
本实施例中，整个终端电路全部采用超低功耗器件，在野外安装时，采用小面积的太阳能电池就可以给设备供电；数据采集系统的功耗在80mA@12VDC以下，测量传感器采用金属非直接接触地设计，可以有效的防止金属极化效应；模拟电路信号处理模块采用高精度的模拟电路设计，保证在DC-1HZ的信号能完整测量，并且屏蔽在一个小铁盒中，有效防止其他信号的干扰。让仪器非常小型化，而且大大降低了仪器成本，这样有利于高密度布置数据采集点，利于“十”字或圆形矩阵布置方法，可以大量获得测区的数据，汇集了大量的数据，为后期的大数据分析提供非常有效的数据支持。
本实施例中，数据采集器支持多路通讯接口，体型小，户外工作性能好；并用太阳能供电装置供电，产品寿命更长。太阳能供电装置中太阳能电池板350*290*15mm，18V10W单晶；太阳能供电装置供电电源AC/DC 85～240V；数据采集器开关类型为双向工作并支持DC/AC驱动；工作环境温度-41℃—85℃。
Claims (8)
1.太阳能供电野外地电地磁大数据高密度点阵测量采集设备，其特征在于，由数据采集系统、数据传输交互系统、数据处理系统和终端显示系统依次连接构成，其中数据采集系统包括呈点阵布置的二台以上1到n部的数据采集器，数据采集器由测量传感器、模拟电路信号处理模块和主控CPU组成，数据传输交互系统由GPRS传输模块、蓝牙模块及WiFi模块组成，数据处理系统里安装有云端服务器和地区管理服务器，安装在野外无人区的数据采集器上配置太阳能供电转置。
2.如权利要求1所述的太阳能供电野外地电地磁大数据高密度点阵测量采集设备，其特征在于，数据采集器上还安装有分别连接主控CPU的数据存储模块和人机界面模块，测量传感器包括电极,模拟电路信号处理模块上依次安装工频抑制子模块、无源滤波子模块、前级放大子模块、程控放大子模块、程控滤波子模块、低通滤波子模块和AD采集子模块。
3.如权利要求1所述的太阳能供电野外地电地磁大数据高密度点阵测量采集设备，其特征在于，数据采集器上连接测量传感器上的电极，太阳能供电装置上包括太阳能电池板和蓄电池，其中，电极、太阳能电池板和蓄电池分别接地，蓄电池连接数据采集器为测量传感器供电。
4.如权利要求1所述的太阳能供电野外地电地磁大数据高密度点阵测量采集设备，其特征在于，工频抑制子模块采用双T型带阻滤波器，工频抑制子模块主体包括三部分：选频部分、放大部分、反馈部分；通过传递函数计算，可以得出带阻滤波器的中心频率：f＝1/2πRC，取R＝32K，C＝0.1uF，调节Rw可以调节滤波器的Q值。
5.如权利要求1所述的太阳能供电野外地电地磁大数据高密度点阵测量采集设备，其特征在于，程控放大子模块电路，输入信号Vi由+in引脚上的平衡电阻R1，经过多路模拟电路旁接程控放大器后由OUT引脚输出；多路模拟电路根据信号的强弱，自适应切换相应的放大倍数，分为4个放大倍数即X1，X10，X100，X1000；模拟模拟电路由模拟开关Sn和电阻Rxn串联构成，电路中S1，S2、Sn为模拟开关，经过模拟开关切换，电阻R1……Rxn和放大器形成不同的放大倍数，它们之间构成电压并联反馈放大电路，输出信号与输入信号的关系为：Vout＝-V*Rxn/R1，此电阻可以减小输入失调电流引起的误差。
6.如权利要求1所述的太阳能供电野外地电地磁大数据高密度点阵测量采集设备，其特征在于，程控滤波电路子模块电路，采用CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，设置成低通滤波器；LP(1,20)，BP(2,19)，N/AP/HP(3,18)二阶低通，带通和陷波/ 全通/高通输出；INV(4,17)求和运算放大器的每个滤波器的反相输入端；S1(5,16)S1为在全通滤波器配置中使用的信号输入引脚；SA/B(6)该管脚提供了所需的柔韧性配置在它的各种操作模式的过滤器；VA+(7),VD+(8)模拟正电源和数字正电源；VA-(14),VD-(13)模拟和数字负电源；LSh(9)电平位移销：它可容纳各种时钟水平具有双重或单电源供电；CLKA(10)，CLKB(11)时钟信号输入：50/100/CL(12)通过设置该引脚高低电平可获得一时钟到滤波器中心频率比；AGND(15)是模拟地引脚。
7.如权利要求1所述的太阳能供电野外地电地磁大数据高密度点阵测量采集设备，其特征在于，阵列布点A采用“十”字交叉型布置整列，把怀疑异常区域放在“十”字中心，根据1-10公里的距离来布置数据采集点，从1、2、3……n布置n个数据采集器，从a、b、c……n也交叉布置n个数据采集点。
8.如权利要求1所述的太阳能供电野外地电地磁大数据高密度点阵测量采集设备，其特征在于，阵列布点B也可以按照围绕怀疑异常的圆形布置，一般各数据采集器间距可以是10-30公里，圆的半径可以在20-200公里；并且也可以在怀疑异常的中心位置布置1-2个数据采集点用于正常观测。
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