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        大功率數(shù)字直流激電測量系統(tǒng)

        2012-10-08 05:23:00廖水平張益勝龍祥忠劉旭川彭祥陳紅
        地質(zhì)裝備 2012年2期
        關(guān)鍵詞:激電高精度接收機(jī)

        廖水平,張益勝,龍祥忠,劉旭川,彭祥,陳紅

        (重慶地質(zhì)儀器廠,重慶400033)

        1 引言

        大功率數(shù)字直流激電測量系統(tǒng)從方法來講,就是利用人工場源,對人工建立于地下的電場進(jìn)行觀測和研究。可以采用兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)體的精細(xì)探測,一是通過加大發(fā)射系統(tǒng)的功率,實(shí)現(xiàn)高精度測量;二是通過最大限度的提高接收系統(tǒng)的分辨率,在同等發(fā)射功率條件下,實(shí)現(xiàn)高精度測量。我們的設(shè)計(jì)思路是采用兩者兼顧的辦法,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)體的精細(xì)探測。有兩個(gè)問題需要考慮,第一接收機(jī)和發(fā)送機(jī)的同步問題,因?yàn)椴杉螆鲭妷盒盘?hào)是在發(fā)送機(jī)斷電后,經(jīng)過延時(shí)某段時(shí)間進(jìn)行采集的,所以必須保證接收機(jī)和發(fā)送機(jī)的嚴(yán)格同步。第二確保采集到的數(shù)據(jù)的可靠性,穩(wěn)定性和重復(fù)性,應(yīng)能滿足野外技術(shù)規(guī)范的要求。同時(shí)也要保證多臺(tái)接收機(jī)的一致性,因?yàn)榇蠊β蕯?shù)字直流激電測量系統(tǒng)的工作方式大多采用一臺(tái)發(fā)送機(jī)和多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)工作。

        2 大功率數(shù)字直流激電測量系統(tǒng)的工作原理

        大功率數(shù)字直流激電測量系統(tǒng)主要由發(fā)送機(jī),接收機(jī),整流源三部分組成。

        由發(fā)送機(jī)通過A、B供電電極向大地供占空比為1∶1的正負(fù)方波電流信號(hào)如圖1所示,地下極化體被激化后產(chǎn)生二次場V2,接收機(jī)接收到理想波形如圖2所示。待接收機(jī)和發(fā)送機(jī)同步后,按預(yù)置時(shí)間測量一次場電位V1(VP)和二次場電壓信號(hào)V2,按照視極化率計(jì)算公式求出極化率值。

        圖1 發(fā)射波形

        圖2 接收波形

        根據(jù)接收機(jī)采集到一次場電壓信號(hào)V1(VP)和二次場電壓信號(hào)V2,按照視極化率計(jì)算公式求出極化率值。

        公式:視極化率=(100×V2/V1)%

        3 發(fā)送機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

        如圖3所示,上半部分是高壓部分,下半部分是低壓部分,高壓與低壓之間隔離。

        圖3 發(fā)送機(jī)面板

        3.1 關(guān)鍵技術(shù)

        大功率激電儀的突出特點(diǎn)是一次場電位、二次場電位幅值的高精度測量,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理,供電波形快速關(guān)斷,為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),采用以下關(guān)鍵技術(shù):

        (1)增設(shè)高精度GPS同步技術(shù),是視極化率測量的核心技術(shù)。發(fā)射與接收能否精確同步,是關(guān)系到視極化率測量的關(guān)鍵。

        (2)大動(dòng)態(tài)(程控放大器),高精度的16位A/D轉(zhuǎn)換技術(shù),是提高弱信號(hào)檢測和信號(hào)分辨能力的關(guān)鍵。在同一供電電流的條件下,可以獲得較大的勘探深度,有利于節(jié)省供電功率,減少發(fā)送機(jī)體積和重量,實(shí)現(xiàn)儀器的輕便化。

        (3)高壓條件下供電波形快速關(guān)斷和逆變器保護(hù)技術(shù)。采用先進(jìn)的IGBT模塊,具有耐高壓,電流容量大,開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn),保證供電波形快速上升和下降,多種保護(hù)技術(shù),保證發(fā)送機(jī)可靠工作。

        (4)塑料密封箱體輕便堅(jiān)固,適合野外工作。

        (5)接觸牢靠的接線柱,特點(diǎn)是接線柱上有穿線孔,接線柱的塑料螺帽內(nèi)嵌有銅螺帽,比塑料螺帽高出一些,確保A、B供電線接觸牢靠。

        (6)實(shí)時(shí)記錄發(fā)送機(jī)供電電流強(qiáng)度和對應(yīng)的時(shí)間,以便處理軟件計(jì)算視電阻率。

        (7)去掉原有的環(huán)形變壓器,內(nèi)部供電電源分三種方式:內(nèi)部鋰電池供電;外接電池供電;接入220V(交流)供電。

        (8)利用鍵盤專用鍵調(diào)節(jié)顯示器的灰度。

        (9)如果儀器發(fā)生故障,故障指示燈亮,同時(shí)蜂鳴器發(fā)出叫聲。

        (10)供電極性指示用液晶顯示。

        3.2 發(fā)送機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

        (1)輸入電壓:220V、50Hz交流電(用市電或發(fā)電機(jī));

        (2)輸出電壓:50~70V、100~145V、200~280V、300~400V、500~680V、700~950V、850~1100V、1000~1200V;

        (3)節(jié)拍選擇:T=1~64s;

        (4)最大輸出功率:10k W;

        (5)輸出電流:0.1~10A;

        (6)電壓紋波系數(shù):<5%;

        (7)帶供電極性指示和直流電壓指示;

        (8)儀器使用環(huán)境條件:-10~+45℃,相對濕度小于93%;

        (9)過流保護(hù):電流大于10A時(shí)保護(hù)。

        3.3 發(fā)送機(jī)原理框圖(圖4)

        發(fā)送機(jī)系統(tǒng)所采用的CPU為NXP的P89V51單片機(jī),它控制數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、處理、傳輸、程控放大器及IGBT等,A/D采用TI公司的16位A/D轉(zhuǎn)換器ADS7813,IGBT是采用日本三菱公司的產(chǎn)品。

        圖4 發(fā)送機(jī)框圖

        發(fā)送機(jī)采用脈沖后延時(shí)與接收機(jī)實(shí)現(xiàn)軟件(主動(dòng))同步方式;發(fā)送機(jī)上裝有高精度石英鐘模塊、高精度GPS模塊,實(shí)現(xiàn)發(fā)送機(jī)與接收機(jī)精確同步。

        4 整流電源

        整流源由變壓器部分、整流部分、濾波部分和輸出部分組分(圖5)。

        圖5 整流源框圖

        5 接收機(jī)系統(tǒng)DJS-9的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

        5.1 關(guān)鍵技術(shù)

        (1)增設(shè)GPS同步技術(shù)。

        (2)采用大動(dòng)態(tài)程控放大器,高精度的A/D轉(zhuǎn)換器,提高系統(tǒng)的分辨率,實(shí)現(xiàn)高精度測量。

        (3)保留軟件同步和內(nèi)部時(shí)鐘同步測量方式,方便野外測量和室內(nèi)檢驗(yàn)儀器或室內(nèi)標(biāo)本測量。另一方面GPS同步技術(shù)易受遮檔物的影響從而使同步失敗,有了軟件同步和內(nèi)部時(shí)鐘同步測量方式就能保證測量工作正常進(jìn)行。在室內(nèi)進(jìn)行標(biāo)本測量或檢驗(yàn)儀器,如果采用GPS同步方式,效率會(huì)很低,所以此時(shí)適合采用軟件同步方式。

        (4)采用緩沖數(shù)據(jù)采集技術(shù),提高采樣率。系統(tǒng)對測量電場信號(hào)幅值的分辨能力提高,有利于提高接收系統(tǒng)的測量精度。

        (5)利用科學(xué)采樣計(jì)算法采樣,可以消除在采樣過程中自然電位漂移的影響。

        (6)優(yōu)化提升硬件電路的技術(shù)含量,巧妙合理設(shè)計(jì)印刷電路版,在模擬板上將數(shù)字器件和模擬器件分開走線,最大化擴(kuò)大地線面積,將數(shù)字地和模擬地分開最后一點(diǎn)接地。最大化擴(kuò)大電源線面積,將電源線與地線分別放置在印刷電路板兩面,并利用敷銅工藝。

        圖6 DJS-9接收機(jī)

        圖7 中間梯度裝置示意圖

        (7)根據(jù)某一個(gè)測點(diǎn)的坐標(biāo)位置,采用激電處理軟件可以計(jì)算出該測點(diǎn)的K值(中梯),再參考發(fā)送機(jī)測量的電流和接收機(jī)測量一次場電位V1(VP),根據(jù)視電阻率公式計(jì)算出視電阻率。該項(xiàng)工作可在激電處理軟件上完成。其(X,Y)坐標(biāo)系是以供電電極A為原點(diǎn),主測線為X軸,垂直X軸為Y軸,不僅可以做視極化率剖面曲線圖,還可以做視電阻率剖面曲線圖。

        5.2 主要技術(shù)指標(biāo)

        (1)一次場VP:測量范圍±6V;

        (2)測量誤差:當(dāng)VP>3m V時(shí),為±1%±1個(gè)字;

        當(dāng)VP<3m V時(shí),±2%±1個(gè)字;

        (3)VP分辨率:10u V;

        (4)視極化率測量誤差:當(dāng) MS<3%時(shí),±0.1;當(dāng)MS>3%時(shí),±2%;

        (5)自然電位Vsp測量范圍:±1000m V;

        自然電位Vsp測量精度:Vsp<10m V時(shí),±2%;Vsp>10m V時(shí),±1.5%;

        (6)50 Hz工頻壓制60d B;

        (7)輸入阻抗大于5MΩ。

        5.3 接收機(jī)原理框圖(圖8)

        接收機(jī)由機(jī)箱、面板、模擬通道,模數(shù)轉(zhuǎn)換,同步系統(tǒng),控制系統(tǒng),人機(jī)接口,電源系統(tǒng)等組成。

        圖8 接收機(jī)原理框圖

        內(nèi)部集成了CPU模塊、GPS模塊、ADC模塊、高精度石英鐘模塊以及模擬信號(hào)調(diào)理模塊等。

        5.4 DJS-9主要功能

        可以實(shí)現(xiàn)SP自然電位法和TDIP(時(shí)間域激電)激發(fā)極化法測量,既可以獨(dú)立完成SP測量工作,也可以與發(fā)射機(jī)一起完成TDIP人工場方法測量工作。

        能自動(dòng)調(diào)節(jié)增益,補(bǔ)償、計(jì)算、測量及預(yù)置有關(guān)數(shù)據(jù)。

        參數(shù)測量能直讀,通過面板上液晶顯示器直接顯示一次場VP,視極化率M1~M4。

        具有三種授時(shí)功能:①手動(dòng)授時(shí);②發(fā)送機(jī)同步授時(shí);③GPS同步授時(shí)。

        具有三種同步測量方式:①軟件同步;②內(nèi)部時(shí)鐘同步;③GPS同步測量方式。

        6 在重慶某地野外工作實(shí)例

        根據(jù)該測量系統(tǒng)多年的野外使用過程中反映的情況,如主動(dòng)同步存在的問題、采集數(shù)據(jù)不穩(wěn)定跳動(dòng)大、重復(fù)性差和嚴(yán)重超差的問題。針對上述問題,對該系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行全面提升。本次野外工作是對該測量系統(tǒng)提升后各方面指標(biāo)進(jìn)行全面檢驗(yàn)。

        工作方法:中間梯度法;

        地形:平坦

        儀器類型:DJS-9

        供電脈寬T=4s;

        取樣寬度40ms;

        延遲時(shí)間200ms;

        測量次數(shù):1次;

        同步方式:GPS同步

        供電極距AB:1000m;

        接收極距MN:20m;

        點(diǎn)距:20m;

        測點(diǎn)數(shù):18個(gè);

        供電電壓:300V,供電電流:1.88A;

        測量一次場的強(qiáng)度為2~10m V;

        表1 儀器編號(hào):Z1100101同步方式:GPS同步(固體不極化電極)

        (續(xù)表)

        視極化率MS的均方相對誤差公式為(計(jì)算結(jié)果乘100%):

        式中:Msi——第i點(diǎn)原始觀測數(shù)據(jù);M′si——第i點(diǎn)系統(tǒng)檢查觀測數(shù)據(jù)——Msi與和M′si的平均值;n——參加統(tǒng)計(jì)計(jì)算的測點(diǎn)數(shù)。

        計(jì)算結(jié)果 M=5.37%(小于野外技術(shù)規(guī)范10%)。

        表2 儀器編號(hào):Z1100102同步方式:GPS同步(固體不極化電極)

        (續(xù)表)

        視極化率MS的均方相對誤差公式為(計(jì)算結(jié)果乘100%):

        式中:Msi——第i點(diǎn)原始觀測數(shù)據(jù);M′si——第i點(diǎn)系統(tǒng)檢查觀測數(shù)據(jù);——Msi與和M′si的平均值;n——參加統(tǒng)計(jì)計(jì)算的測點(diǎn)數(shù)。

        計(jì)算結(jié)果M=5.2%(小于野外技術(shù)規(guī)范10%)

        7 結(jié)論

        為了達(dá)到設(shè)計(jì)的要求,滿足用戶的需求,進(jìn)一步提高儀器同步的可靠性,提高數(shù)據(jù)采集的重復(fù)性,該產(chǎn)品對軟件,硬件進(jìn)行了大量的升級工作,增加GPS同步方式(發(fā)射機(jī),接收機(jī))。

        經(jīng)本次整改升級后的大功率激電測量系統(tǒng)質(zhì)量有了很大幅度的提高,其結(jié)果如下:

        在小信號(hào)2~10mV,視極化率為1%左右背景值情況下,新儀器的三種同步方式均滿足設(shè)計(jì)要求,一次場信號(hào)的重復(fù)性變化小于1%。多臺(tái)儀器的一致性小于1%(一次場),數(shù)據(jù)采集的重復(fù)性好,總均方相對誤差在5%左右,完全符合野外要求。

        在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,GPS同步,時(shí)鐘同步和軟件同步三種同步方式正常。本系統(tǒng)在野外某單位使用過程中,利用軟件同步方式測量高視極化率值效果良好。

        實(shí)踐證明本大功率數(shù)字激電測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的,并取得很好的地質(zhì)效果。

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