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        DDS-6數(shù)字式甚低頻電磁儀的研制

        2017-12-20 02:06:21龍祥忠劉明文張益勝阮科劉旭川彭祥范春甫劉小川
        地質(zhì)裝備 2017年6期
        關(guān)鍵詞:磁場測量

        龍祥忠,劉明文,張益勝,阮科,劉旭川,彭祥,范春甫,劉小川

        (1.重慶地質(zhì)儀器廠,重慶 400033;2.中國地質(zhì)裝備集團有限公司,北京 100102)

        DDS-6數(shù)字式甚低頻電磁儀的研制

        龍祥忠1,劉明文2,張益勝1,阮科1,劉旭川1,彭祥1,范春甫1,劉小川1

        (1.重慶地質(zhì)儀器廠,重慶 400033;2.中國地質(zhì)裝備集團有限公司,北京 100102)

        DDS-6數(shù)字式甚低頻電磁儀是重慶地質(zhì)儀器廠在DDS-4的基礎(chǔ)上全新升級的用來測定甚低頻電磁場多種參數(shù)的一種小型輕便化儀器,除了具有原甚低頻DDS-4電磁儀的功能外,還集成了天然電場的功能,實現(xiàn)一機多用。本文主要介紹了該儀器的物探方法原理、用途、技術(shù)指標(biāo)、儀器設(shè)計原理、野外工作方法及資料處理以及與DDS-4野外對比試驗。通過對比充分地說明了該儀器的先進性與野外實際作業(yè)的實用性。

        甚低頻;電磁儀;微機技術(shù);測量精度;抗干擾

        1 概述

        甚低頻(VLF)電磁法是一種被動源電探方法,利用超長波通訊電臺發(fā)射的電磁波作為場源。重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的甚低頻電磁儀選定日本(NDT)和澳大利亞(NWC)海軍通訊電臺發(fā)射的電磁波為場源,其工作頻率分別為17.4 kHz和22.3 kHz,具有強大的輻射功率。所用甚低頻電臺由于具有距離遠、衰減小、場強均勻、噪音低、工作時間較長(晝夜發(fā)射)等特點,在我國大部分地區(qū)都能提供足夠的場強以便接收。電磁波在傳播過程中碰到良導(dǎo)體或磁性感應(yīng)體時,將其極化產(chǎn)生二次電流,從而引起感應(yīng)二次場。一般情況下,二次場與一次場合成后的總場與一次場的振幅、方向和相位均不同,即引起一次場的畸變。而測量某些參數(shù)的畸變,即可發(fā)現(xiàn)地下的良導(dǎo)體或磁性感應(yīng)體的存在。

        在普查找礦或水文地質(zhì)、工程地質(zhì)工作中,使用該儀器能圈定礦體、巖溶發(fā)育帶、地下河、含水或礦化斷裂帶、隱伏構(gòu)造,以及進行快速電阻率填圖,并可探測地下管道、地下電纜的位置等,具有輕便、操作簡單、穩(wěn)定可靠、一機多用,成本低、效率高。

        2 主要技術(shù)指標(biāo)

        (1)工作頻率:17.4 kHz和22.3 kHz兩種任選。

        (2)測量參數(shù):①電場水平分量Ex;②磁場水平分量Hy;③磁場垂直分量Hz;④極化橢圓傾角D。

        (3)測量范圍及分辨率:①磁場0.28~56 pT;②電場5~1000 μV;③極化橢圓傾角測量范圍±45°;④測量磁場強度分辨率0.02 pT;⑤測量電場強度分辨率0.033 μV;⑥傾角讀數(shù)誤差≤±1°。

        (4)天線靈敏度≥1.8 V/pT。

        (5)儀器放大倍數(shù)33000。

        (6)輸入阻抗≥1 MΩ(測電場時)。

        (7)內(nèi)部噪聲:小于20個字(折合到儀器輸入端<0.5 μV)。

        (8)供電電壓:11.1 V(鋰電池) 。

        (9)使用環(huán)境:溫度0~45 ℃,相對濕度85%。

        (10)質(zhì)量:約3.5 kg(包括電極、電纜)。

        (11)外形尺寸:260 mm×95 mm×190 mm。

        圖1 DDS6數(shù)字甚低頻電磁儀

        3 設(shè)計原理及操作面板介紹

        3.1 設(shè)計原理

        DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀設(shè)計原理見圖2。

        3.2 操作面板介紹

        DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀操作面板見圖3。儀器面板上有一個“接口”插座、電源開關(guān)和20個鍵的鍵盤(包括數(shù)字鍵和功能鍵兩類)。

        圖2 DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀設(shè)計原理框圖

        圖3 DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀操作面板

        3.2.1 接口插座

        用于儀器內(nèi)置鋰電池充電、測量電場的電極和傳輸數(shù)據(jù)。

        3.2.2 電源開關(guān)

        用于儀器的開關(guān)機,顯示開機歡迎界面及等待操作界面(見圖4)。

        圖4 等待操作界面

        其中E(22.3)表示測量參數(shù)是電場,頻率為22.3 kHz。

        3.2.3 數(shù)字鍵

        0~9,用于輸入數(shù)字。

        3.2.4 功能鍵

        功能鍵介紹見圖5。

        4 甚低頻野外工作方法及資料整理和解釋

        4.1 甚低頻野外工作方法

        野外工作方法可分為“傾角法”和“波阻抗法”兩種。當(dāng)所探測對象為低阻體時,最好使用“傾角法”進行甚低頻測量,尤其在接地條件不良時更應(yīng)如此。如需要了解測區(qū)內(nèi)水平方向上電阻率的變化,則最好使用“波阻抗法”進行電阻率填圖。

        圖5 功能鍵使用介紹

        4.1.1 傾角法

        應(yīng)根據(jù)地質(zhì)體走向選擇合適的甚低頻發(fā)射臺(即選擇頻率),發(fā)射臺的方向最好和地質(zhì)體走向的方向一致。這樣測線的方向(一般與地質(zhì)體走向垂直布置)剛好是一次場的磁場最大的方向,工作時首先應(yīng)在正常場地區(qū)測定正常場(把讀數(shù)記錄或存儲待用)。然后在各測點測量參數(shù)Hy、Hz和D的值,把各測點的讀數(shù)記錄或存儲(待用),點距通常取10~15 m。

        4.1.2 波阻抗法

        最好選擇在測線方向上或者與該方向夾角最小的發(fā)射臺,沿測線方向測量電場水平分量Ex,讀數(shù)NE即為電場水平分量。然后將儀器(磁性天線)垂直于測線方向,測量磁場水平分量Hy的大小,讀取磁場水平分量NH,把讀數(shù)記錄或存儲(待用)。

        4.2 資料整理和解釋

        4.2.1 傾角法

        采用此法工作時所測磁場水平分量在良導(dǎo)體上方應(yīng)有最大值;磁場垂直分量(垂直分量幅度通常為水平場幅度的5%以上)的存在表明地下有良導(dǎo)體,曲線形態(tài)為雙峰式,最小值在良導(dǎo)體的正上方;在傾角法所測參數(shù)中,傾角D值最靈敏,地質(zhì)效果較好。

        但由于本方法所用工作頻率高,易引起較大的地質(zhì)噪音,而使傾角曲線雜亂。為了消除地質(zhì)噪音,減小地形影響,突出異常,通常采用一維數(shù)字濾波的辦法對所測傾角值進行處理。其濾波計算見公式(1)。

        f2.3=(M4+M3)-(M2+M1)

        (1)

        式中:f2.3—測點f2與測點f3之間的中點(半點)的中間值D′;

        M1、M2、M3、M4—各測點的觀測傾角值。

        濾波處理后的曲線交零點或拐點(即異常點)被轉(zhuǎn)變成了極大值,便于勾繪等值線平面圖。具體濾波改正步驟及解釋如下:

        (1)按公式(1)計算各半點的濾波后D′值,然后描點連成線;

        (2)用D′曲線的最小點向原觀測傾角曲線上投影,把所得的幾個交點圓滑成線,即為零值線(背景線);

        (3)各測點上原觀測的傾角D值減去所對應(yīng)的背景值,把各點所得值連線,即為所求的剩余傾角曲線;

        (4)剩余傾角曲線與坐標(biāo)軸的正交點,即為低阻異常所在位置。

        4.2.2 波阻抗法

        采用這種方法工作時測量參數(shù)為Hy和Ex,然后根據(jù)公式(2)計算介質(zhì)的視電阻率ρs。

        (2)

        式中:ρs—視電阻率,Ωm;

        f—測量時所用電臺的工作頻率,Hz;

        Ks—測量電場時的衰減倍數(shù)(與測磁場相比較);

        SA—磁性天線的靈敏度,V/μT;

        R—測量電極MN間的距離,m;

        NE—電場水平分量Ex;

        NH—磁場水平分量Hy。

        計算出的ρs可繪成剖面曲線圖,當(dāng)進行面積測量時可繪成ρs等值線平面圖。

        5 野外對比試驗

        5.1 試驗一

        5.1.1 試驗條件

        試驗地點在江西省于都縣東方紅水泥廠某水井旁,布置長50 m,點距為5 m的一條測線,共設(shè)置10個測點,其中6號點是水井位置。試驗使用的電臺是澳大利亞甚低頻電臺,頻率22.3 kHz;試驗儀器為DDS-6型微機化甚低頻電磁儀、DDS-4模擬式甚低頻電磁儀。

        DDS-4甚低頻磁場是指針讀數(shù),所以單位歸一化為“格”,一般認為,異常場的格值是正常場的三倍及以上。DDS-6甚低頻磁場是數(shù)字讀數(shù),所以單位歸一化為“mV”,一般認為,異常場的mV值是正常場的三倍及以上。

        5.1.2 試驗數(shù)據(jù)

        用DDS-4模擬式甚低頻電磁儀測量,歸一化到儀器1擋,所測量的每點磁場水平分量值見表1。

        表1 試驗一DDS-4電磁儀測量數(shù)據(jù)

        用表1中的數(shù)據(jù)作圖如圖6。

        圖6 試驗一DDS-4電磁儀測量剖面曲線

        用DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀,在上述同一剖面上,所測量每點的磁場水平分量值見表2。

        表2 試驗一DDS-6電磁儀測量數(shù)據(jù)

        用表二中的數(shù)據(jù)作圖如圖7。

        圖7 試驗一DDS-6電磁儀測量剖面曲線

        5.1.3 結(jié)果分析

        由DDS-4模擬式甚低頻電磁儀測量的結(jié)果可見,在第6號點出現(xiàn)明顯的磁場異常值,儀器設(shè)置在1擋,其異常幅度>100格。

        DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀的測量結(jié)果在第6號點出現(xiàn)明顯的磁場異常值,其異常幅度>1700 mV,位置在井旁(井口處)。

        該井處在一條地質(zhì)斷裂帶上,深度90 m左右,含水量約1100 t。6號點處的異常是由地下的地質(zhì)斷裂帶中所含的水形成的。通過對上面兩個儀器測量的數(shù)據(jù)和繪制的曲線圖的對比可見,兩種型號儀器測量所得到的曲線形態(tài)和異常點的位置是完全一致的,這也說明了DDS-6數(shù)字甚低頻電磁儀的野外試驗效果是良好的。

        5.2 試驗二

        5.2.1 試驗條件

        試驗地點為重慶某工業(yè)園某地下管線處,在地下管線上方垂直于管線走向布置一條剖面線,做9個測點,點距5 m。試驗儀器為DDS-6型微機化甚低頻電磁儀、DDS-4模擬式甚低頻電磁儀。

        5.2.2 試驗數(shù)據(jù)

        用DDS-4模擬式甚低頻電磁儀測量,歸一化到儀器1擋,所測量的每點磁場水平分量值和極化橢圓傾角D見表3。

        表3 試驗二DDS-4電磁儀測量數(shù)據(jù)

        用表3中的數(shù)據(jù)作圖如圖8。

        圖8 試驗二DDS-4電磁儀測量剖面曲線

        用DDS-6甚低頻電磁儀,在上述同一剖面上,所測量每點的磁場水平分量值和極化橢圓傾角D見表4。

        表4 試驗二DDS-6電磁儀測量數(shù)據(jù)

        用表4中的數(shù)據(jù)作圖如圖9。

        5.2.3 結(jié)果分析

        根據(jù)兩種型號儀器(DDS-4與DDS-6)的測量數(shù)據(jù)和由測量的數(shù)據(jù)所繪制的曲線圖可見,兩條曲線的形態(tài)和異常點的位置是一致的。異常的位置在第5號點上,下面放的就是管線。同時在異常點上極化橢圓傾角D=320°~330°,兩種型號儀器基本上是吻合的。

        圖9 試驗二DDS-6電磁儀測量剖面曲線

        6 結(jié)論

        從上述兩次野外試驗來看,DDS-4型和DDS-6型甚低頻電磁儀所測量的數(shù)據(jù)和由這些數(shù)據(jù)所繪制的實測曲線,都能直觀、清楚地反映地下低阻地質(zhì)體(含水破碎帶)的位置,兩種型號儀器的曲線形態(tài)和異常的位置都非常吻合。結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果,基本上可以得出以下結(jié)論:

        (1)利用微機技術(shù)升級設(shè)計出的DDS-6型數(shù)字甚低頻電磁儀,結(jié)合觸摸鍵盤和圖型液晶顯示,自動化程度高,操作方便。通過改變前放和主放的增益,以保證被測信號經(jīng)放大后幅度在滿量程的1/3~2/3,從而提高儀器的測量精度。

        (2)該儀器在參照國內(nèi)外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上,進行模擬電路部分的屏蔽和選頻信號處理放大的技術(shù),多重抗干擾設(shè)計,經(jīng)過儀器的選頻和數(shù)字處理后抗干擾能力更強。

        (3)儀器的性能、穩(wěn)定性和所測數(shù)據(jù)的重復(fù)性以及儀器野外工作的適用性等都達到了預(yù)期的設(shè)計要求。

        [1] 史保連.甚低頻電磁法[M]. 北京:地質(zhì)出版社,1986.

        [2] 武漢地質(zhì)學(xué)院金屬物探教研室. 電法勘探教程[M]. 北京: 地質(zhì)出版社,1983.

        2017-09-20

        龍祥忠(1979- ),男,重慶人,重慶地質(zhì)儀器廠工程師,主要從事儀器研發(fā)工作,重慶市沙坪壩區(qū)先鋒2號;Tel:023-89863101,E-mail:netmankind@126.com。

        P631.33

        A

        1009-282X(2017)06-0024-05

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