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多功能电法找水仪

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多功能电法仪是快速进行地下水源探测、水文地质工程地质勘查的专用设备,它是集发送机、接收机、数据处理、数据存储、数据显示于一体的智能化电测工作站。本节所叙述的多功能电法仪可直接用于电阻率法和激发极化法的测量,可同屏显示视电阻率、视极化率、半衰时、衰减度、偏离度、极化率累加和、自然电位、供电电流、一次场等测量值。系统采用现代嵌入式系统技术、大规模集成技术、高精度转换技术,使多功能电法仪在野外勘探时实现信号采集、数据处理、和成像显示一体化。

一、DWZ-6A多功能电法仪的基本结构与工作原理

多功能电法仪利用视电阻率和激发极化参数,广泛用于寻找地下水,解决工农业用水及生活用水问题。可用于寻找断裂带、陷落柱、采空区、山体滑坡等。可用于水文地质勘查、工程地质勘查、环境地质勘查,还可用于矿产勘查、能源勘查、地热勘查、城市物探等。

如图6-1-1所示,DWZ-6A多功能电法仪是由ARM控制的智能型电法仪,电信号从M、N输入,经过阻抗变换和滤波后,通过双T陷波和低通滤波,滤除市电干扰和高频干扰信号。将弱信号放大后,模数转换器把模拟信号转换成数字量,存储在数据存储器中。发送控制信号经过高压隔离后,驱动供电桥路进行正反向供电。电流信号由标准电阻采样后,经过隔离放大与滤波,由程控放大器放大后分时进行模数转换与存储。ARM控制系统从数据存储器中取出一次场电位差、二次场位差、电流数据,进行计算与处理,然后显示处理结果并存储。最后将数据拷贝到U盘或传输到计算机中。键盘用于输入各种参数。控制系统还可以监视仪器的工作状态,监控仪器的故障状态,当仪器内部或外部发生故障(如AB短路)时,仪器自动封锁供电回路停止供电并报警显示。

图6-1-1 DWZ-6A多功能电法仪原理框图

图6-1-1 DWZ-6A多功能电法仪原理框图

二、DWZ-6A多功能电法仪的硬件电路设计

(一)硬件总体构架

DWZ-6A多功能电法仪的硬件电路总体构架如图6-1-2所示,仪器主要由发送装置、接收装置及其主控单元组成。主控采用ARM7的S3C44BOX芯片,当需进行激电数据采集时,由主控向IPM模块发送控制命令,实现由供电点A、B向大地供电。同时在测量电极M、N上接收激电信号,经激电信号处理电路,送入24位AD转换器CS5532后转换为数字信号,ARM7主控与CS5532进行信息交互实现对转换后数据的读取、存储、处理和显示。

图6—1—2硬件总体构架

图6—1—2硬件总体构架

(二)DWZ-6A多功能电法仪发送电路设计

激电发送电路框图如图6-1-3所示。强电部分采用PowerEX公司的IPM智能功率模块:PM10RSH120,其最高可控电压为1200V,可控电流为10A,在实际应用中取最高值的2/3作为仪器实际电压电流上限。本激电发送电路经实际测试其功率可达900V@6.7A,即6kW,故高压供电电池包的供电电压范围为0~900V。为了实现弱电控制强电,需在强弱电之间进行隔离,控制信号与IPM模块之间采用多片光耦器件HCPL-4504和PC817实现隔离。在发送电路由A、B端向地下供电时,需监测其供电电流,采用高精度0.01Ω的取样电阻Rs将电流转换为电压后送至AD202,AD202为高精度隔离放大器,其通过变压器耦合方式将强电与弱电电路隔离开,并将放大后的信号Vout送至激电接收电路。

图6-1-3DWZ-6A 多功能电法仪发送电路框图

图6-1-3DWZ-6A 多功能电法仪发送电路框图

(三)DWZ-6A多功能电法仪接收电路设计

图6-1-2中除IPM和高压包之外的其他部分均为激电接收电路框图。主控采用ARM7的S3C44B0X芯片,其存储部分扩展了NorFlash芯片SST39VF16(存储程序)、NandFlash芯片K9F2808(存储数据)和SDRAM芯片HY57V2816(程序运行空间)。为了实现人机交互,采用键盘进行信息输入,液晶显示器(320×240像素)进行信息显示。IPsignalprcessingcircuit主要包括防雷击电路、前置放大、50Hz陷波、差分放大和低通滤波等电路,激电信号经此模块后进入24位可编程增益A/D转换芯片CS5532。DAC芯片AD5660输出的模拟信号叠加到输入激电信号上实现模拟电路的自动调零。当需要将数据上传至上位机时,可采用USB(采用PDIUSBD12芯片)接口对接,上位机中将识别出激电仪中的存储器为一个U盘,同时还可以采用NetWork接口(RTL8019芯片)实现上位机与激电仪的信息交互。

三、DWZ-6A多功能电法仪的软件程序设计

DWZ-6A多功能电法仪选择了uClinux作为操作系统,uClinux是从Linux内核派生而来,沿袭了Linux的绝大部分特性。在GNU通用许可证的保证下,运行uClinux操作系统的用户可使用几乎所有的LinuxAPI函数。由于经过了裁剪和优化,uClinux具有体积小、稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、完备的对各种文件系统的支持及丰富的API函数等优点。

DWZ-6A多功能电法仪中嵌入式软件开发的重点及难点就在于软件部分中的操作系统的裁剪、驱动和应用程序的嵌入。而uClinux的裁剪及移植方法具有普遍性,在此不再赘述。DWZ-6A多功能电法仪中设备驱动及应用软件主要包括系统对键盘、LCD、CS5532、数据处理及数据上传的管理和控制。键盘、LCD是整个系统的输入输出设备,是进行人机交互的主要途径。数据显示程序可在LCD上绘制极化率、电阻率等曲线。数据上传是通过USB和网络方式进行的。以下重点叙述数据采集与数据处理程序。

(一)DWZ-6A多功能电法仪的数据采集程序设计

数据采集程序设计主要是控制CS5532实现对数据的高精度采集,本部分包括uClinux系统中的CS5532的底层驱动程序和应用程序。在编写CS5532的驱动程序时,依据芯片技术文档,按照其芯片工作时序并结合激电仪的自身需求编写程序。系统对CS5532的控制主要包括采样率的控制、A/D增益的控制。CS5532底层驱动程序主要包括模拟SPI、CS5532初始化、填充uClinux系统字符设备驱动程序的file_operations结构、定时中断、外部中断等。uClinux系统中字符设备的驱动主要是编写子函数,并填充file_operations的各个域。根据激电仪的实际需求,CS5532设备驱动程序只需要file_operations结构中的open、ioctl、release、read函数。CS5532应用程序对底层驱动程序的操作包括设备文件的打开、设备文件的读写以及设备文件的关闭。主要函数调用如下:

地球物理找水方法技术与仪器

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(二)DWZ-6A多功能电法仪的数据处理程序设计

DWZ-6A多功能电法仪中设计了地球物理电法中的各种装置(中梯、测深、联合剖面等)的采集方式,内置各种装置常用的采集参数,并智能处理自然电位、一次电位、供电电流、视电阻率、视极化率、半衰时等地球物理参数,而数据处理程序依据地球物理方法深入处理CS5532所采集的数据,由此计算出以上各地球物理参数。其中视电阻率和视极化率是激电仪中的重要参数,视电阻率ρS和视极化率ηS的计算公式如下:

地球物理找水方法技术与仪器

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DWZ-6A多功能电法仪中主要参数的原理及公式请参照第二章。

DWZ-6A多功能电法仪所采集的信号中存在着一定的噪声,虽然在模拟电路中已进行了滤波去噪处理,但模拟滤波器性能有限,为了提高所设计激电仪中地球物理参数质量,在数据处理程序中加入了软件数字滤波器,其为50Hz带阻型FIR滤波器。

为了提高勘探效率、抑制野外测量中的干扰信号并优化视极化率的测量精度,在数据采集时采用正负交替的矩形脉冲电流供电。正向供电、负向供电测量的二次电位差和总场电位差分别为:△V2p、△V2n、△Vp、△Vn,故DWZ-6A多功能电法仪中采用的视极化率计算公式如下:

地球物理找水方法技术与仪器

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以上二次电位差是在发送电路断电后延迟一定时间所测量的结果,故二次电位差与延迟时间存在一定的关系。不同型号的多功能电法仪因延迟时间不同,所测量的结果也不相同,DWZ-6A多功能电法仪中设置了5种断电延迟时间,故其能处理出5种视极化率,同时还可人工输入延迟时间来获得预期断电延时的视极化率参数。

四、DWZ-6A多功能电法仪的功能与技术指标

DWZ-6A多功能电法仪是为适应找水需求而开发的新型智能化的多功能电法仪。即可以找水、找地热,又可以找矿,还可用于工程地质、环境地质、能源地质等方面的地质勘查。DWZ-6A多功能电法仪自配小功率发送机,还可以与10kW以上大功率发送机配套,以短导线的方式工作,用于深部找矿。外配高密度多路电极转换器可以进行高密度电法测量,发送功率较小时用于水文地质勘查、工程地质勘查、环境地质勘查。配10kW以上大功率发送机时可以进行大功率或特大功率的高密度电法测量,用于深部快速找矿。目前,在国际上还没有第二家开发出特大功率高密度电法测量系统(一般只有几百瓦)。DWZ-6A多功能电法仪具有功能多、性能好、参数多、功率大、技术指标高、应用面宽的特点。

DWZ-6A多功能电法仪测量与计算的参数有:视电阻率、视极化率、半衰时、衰减度、综合参数、偏离度、激发比、相对衰减时、充电率。

DWZ-6A多功能电法仪的主要技术指标:

电压测量范围:±10V

电压测量精度:±0.2%

电流测量范围:±10A

电流测量精度:±0.2%

输入阻抗:大于60MΩ

自电补偿范围:±2000mV

50Hz抑制:大于80dB

最大供电电压:1200V

最大供电电流:10A

供电时间:1~99s范围内可任选

接口:USB、RS232

工作温度:-10℃~+55℃

工作湿度:

第二节 EH-4电磁仪

一、EH-4电磁成像系统方法原理

EH-4电磁成像系统属于可控源与天然源相结合的一种大地电磁测探系统。深部构造通过天然背景场源成像(MT)。浅部构造则通过一个便携式低功率发射器发射500Hz~100kHz人工电磁讯号,补偿天然讯号的不足,从而获得高分辨率的成像。

将大地看作水平介质,大地电磁场是垂直投射到地下的平面电磁波,则在地面上可观测到相互正交的电磁场分量为Ex,Hy;Hx,Ey。通过测量相互正交的电场和磁场分量,可确定介质的电阻率值。其计算公式为:

地球物理找水方法技术与仪器

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式中:f为频率,单位Hz;ρ为电阻率,单位Ω·m。由于地下介质是不均匀的,因而计算的ρ值称为视电阻率值。探测深度理论上为一个趋肤深度,计算公式为

地球物理找水方法技术与仪器

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δ为趋肤深度。上式表明,电磁波的透入深度随电阻率的增加和频率的降低而增大。

二、EH-4仪器系统

EH-4系统主要由发射、接收、资料处理三大部分组成。该系统的工作原理图6-2-1所示,野外工作布置见图6-2-2。

图6-2-1 EH-4系统的工作原理图

图6-2-1 EH-4系统的工作原理图

图6-2-2 EH-4野外工作布置图

图6-2-2 EH-4野外工作布置图

(一)接收部分

主要由主机、前置放大器(AFE)、磁传感器、带有缓冲器的电极及其附属设备组成。

1)主机是整个系统的中心,主要用于文件管理、数据采集及资料处理等方面。它用IBM便携式计算机,内存8MB,硬盘810MB,模数转换18位,数字处理32位浮点,液晶VGA显示,工作温度0~50℃。

2)前置放大器对采集的电磁场信号进行滤波、放大,经传送线传至主机。设置四个通道(两个电道,两个磁道),内置可充电电池。

3)磁传感器主要用于采集磁场信息,观测频率响应范围:标准配置(BF-1M型),10Hz~100kHz;低频配置(BF-2M型),0.1Hz~1kHz。

4)电极主要用于接收电信息,标准配置为BE-16型缓冲器电传感器,配16m电缆及钛钢电极;低频配置为BE-50型缓冲器电传感器,配50m电缆及CuSO4不极化电极。

(二)发射部分

发射部分主要由发射天线、发射机及12V直流电源组成。发射天线采用构思新颖的两个正交的半圆形天线,这是该系统的独特处之一。发射机本身的发射频率为500Hz~100kHz,其与发射天线阻抗相匹配。采用不同的发射天线,其发射频率不同。采用标准配置天线,发射频率为1~64kHz;采用低频配置天线,发射频率为500Hz~32kHz。

发射机的定位至关重要。因为EH-4系统的数据处理软件以场源远离测点(即远场区)为前提。发射机太近太远,都会对测试结果有很大影响,甚至产生假异常,所以该系统的发射机可以快速、方便地移动,这又是该系统的独特处之一。原则上,发射机与接收机的距离取可控源探测最深目标的3~4倍。理论上,收发距(r)应是最低工作频率时“趋肤深度”δ的3倍,即

地球物理找水方法技术与仪器

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式中:r是收发距;δ是趋肤深度;ρ是大地平均电阻率;f是最低工作频率。

(三)数据采集、资料处理

1.数据采集

该系统的数据采集方式是时域采集,然后进行傅立叶变换,转换为频率域信号,即首先在时间域将4道(2个电道,2个磁道)的电磁信号收集起来,进行傅立叶交换,转换为电磁信号的实分量、虚分量功率谱,通过频谱计算视电阻率、相位差、相关系数等。

对于标准配置,整个采样频段分为3个频段:10Hz~1kHz(1频段);300Hz~3kHz(4频段);1.5~99kHz(7频段)。每段可以人为地设置叠加次数。根据信号的质量确认叠加次数,信号质量好,叠加次数少。每个频点采样又分为三段,发射场部分的采样时间每段为20ms,采样点4096个,每段进行一次傅立叶变换,其最终取数频点为60个。对于低频配置,采样方式与标准配置类似,只是采样时间相应加长。整个频段为两部分进行(50Hz~1kHz;0.1Hz~75Hz)。

2.输出文件

该系统无论何种配置,输出文件有4个,即标准配置:@文件、Y文件、X文件、Z文件;低频配置;@L文件、V文件、U文件、W文件。@(或@L)文件是测量信息文件。主要包括工作频率及起始文件号,发射机与接收机位置,x、y向电偶极距长度及16进制内部增益设置。Y(或V)文件是二进制的时序文件。X(或U)文件是互功率谱文件,每一行由19列组成,每一列长度11个字符,单位为H—nT,E—V/km,f—Hz。Z(或W)文件是文本阻抗文件。每一频点由12行组成,每一列有8个字符,此文件是最终处理文件。主要内容有频率,x、y方向上的标量视电阻率、相位、相关度以及8个实、虚分量的阻抗元素。

3.资料处理

资料处理有实时处理和后续处理两种。实时处理,根据每个测点给出的视电阻率、相位、相关度及振幅曲线,进行数据质量的实时分析。对于一些不可靠的数据可以从曲线中剔除,然后继续测量,或者整条曲线的数据质量太差,采取措施,实施重复测量。在完成整条测线的连续观测后,可在现场采用EMAP法(该法可以有效地消除静态效应)给出拟二维反演解释结果的灰度图。后续处理是野外工作结束后在室内完成的一项工作,一般包括两个内容:一是在主机上对野外数据进行相关系数、滤波系数的调整或对时序资料(Y或V文件)进行逐个挑选或剔除等重新处理。尽量降低影响因素,突出有用异常,达到使用的目的。另外,在上述工作的基础上,将最终处理后的结果文件(Z或W)拷贝到PC机上,进一步做定量解释及二维反演处理,进行彩色成图等。

三、EH-4电磁成像系统的主要参数

工作原理:自然的和人工的磁大地电流张量场

标准频率范围:10Hz~100kHz

发射机:带垂直天线线圈的TxIM2型发射机

频率:500Hz~70KHz

冲量:400Amp-m2

天线尺寸:2个4m2的垂直交叉线圈

电源:12V,60Ah电瓶

电极:4个BE-26型带缓冲器的有效高频偶极子以及4个SSE不锈钢电极,26m电缆

磁棒探头:2个BF-1M磁感应棒(10Hz~100kHz),10m电缆

模拟终端:1台AFE-EH-4模拟讯号调节器,用它将电极的信号传至采集单元

一对磁棒的带宽:DC-96kHz

处理器:32位浮点

显示器:液晶VGA

打印机:内置4”(11cm)打印机

电源:12V,40Ah

工作温度:0~50℃

仪器箱体:便携、坚固、防水

选件:

配置StrataViewTM

低频MT磁棒:0.1~1kHz

电极:4个BE-50型带缓冲器的有效高频偶极子和50m电缆

大功率天线:频率范围:300~35KHz

冲量:6000Amp-m2

天线尺寸:2个45m垂直交叉线圈

数据采集单元:

道数:4道(2电,2磁)

内置计算机:IBM兼容80486CPU8MbRAM和软盘。

硬盘:1.2G或更大

模数转换:18位

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