新型高密度電法探地儀測量系統(tǒng)

張碧勇，何　剛，王　君

(吉林大學(xué)儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，吉林長春　130061)

0　引言

高密度電法探地儀是目前常用的一種電法探測儀器，該儀器在測量過程中不需要人工挪動電極位置，一次布極即可完成整個測區(qū)的測量[1]。其主要用于老礦區(qū)深陷探測、尋找地下水源、水壩壩體檢測等一系列工程實(shí)用問題。目前市面上的儀器有幾點(diǎn)不足：發(fā)射信號單一，布極方式固定，儀器笨重、耗電量大、抗干擾性差，采樣精度低，這些不足限制了高密度電法的應(yīng)用領(lǐng)域。文中介紹了一種新型的高密度電法探地儀，主要由工控機(jī)PC104，F(xiàn)PGA、MSP430F6638單片機(jī)、AD芯片AD7760、存儲芯片SDRAM以及串口、U口通信組成。實(shí)現(xiàn)了發(fā)射信號和布極方式的多樣化、實(shí)用化。整套儀器精度較高、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

高密度電阻率法的原理是基于地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異，通過測量一片區(qū)域多個點(diǎn)的電阻值，便可分析出該區(qū)域地下物質(zhì)分布情況。電法探地儀主要由3個部分組成，信號發(fā)射機(jī)、數(shù)據(jù)接收機(jī)和智能電極轉(zhuǎn)換裝置。其工作過程為：首先發(fā)射機(jī)發(fā)出用戶選擇的信號經(jīng)供電電極AB注入大地，然后把接收電極MN的信號經(jīng)濾波、放大后傳入數(shù)據(jù)接收機(jī)，智能電極轉(zhuǎn)換裝置的作用是讓電極在A、B、M、N之間任意切換。如圖1所示，AB電極是供電電極，MN電極是測量電極，通過測量AB的電流Iab和MN的電壓Umn，可得到視電阻率

式中K為裝置系數(shù)。

圖1　探地儀測量原理

1．1功能要求和技術(shù)指標(biāo)

新型探地儀要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)：(1)發(fā)射機(jī)發(fā)射信號包括常用的方波信號、偽隨機(jī)編碼以及本儀器所特有的具有抗干擾特性的自定義編碼信號；(2)探地儀不僅可以采用溫納、施倫貝格等常用方法，還可以采用自定義布極方式，這大大加大了高密度電法的應(yīng)用領(lǐng)域；(3)數(shù)據(jù)采集器測量精度在微伏級；(4)儀器集成度較高、體積小、功耗低。

1．2系統(tǒng)功能及組成

探地儀系統(tǒng)方案如圖2所示，工控機(jī)PC104通過USB通信和串口通信分別對信號發(fā)射機(jī)和數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行控制。發(fā)射機(jī)以MSP430單片機(jī)為主控芯片、通過隔離延時電路、橋臂驅(qū)動電路、H橋橋臂電路、浪涌電壓吸收電路、自啟動過流保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)信號的發(fā)射，該發(fā)射電路可以發(fā)射任意由1、0、-1組成的編碼信號[2]。數(shù)據(jù)采集器以FPGA為主控制芯片，通過高精度24位AD采樣芯片AD7760對經(jīng)信號調(diào)理電路放大、濾波過的三通道信號進(jìn)行同步采集，測量精度為1 μV．分布式高密度從機(jī)接口中包含有智能電極轉(zhuǎn)換裝置，它可以讓任意一個電極在A、B、M、N 4個點(diǎn)中自由切換，并且它采用低功耗的PHOTOMOS繼電器作為切換開關(guān)，轉(zhuǎn)換裝置在靜態(tài)時的功耗只有零點(diǎn)幾個毫安，同時轉(zhuǎn)換速度快，穩(wěn)定性高。該探地儀擁有兩路分布式從機(jī)接口，布極方式選擇更靈活，可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的布極方式和自定義布極模式。

圖2　系統(tǒng)總體框圖

2　主要硬件電路設(shè)計(jì)

在探地儀系統(tǒng)中，信號發(fā)射器要能夠穩(wěn)定地輸出各種用戶需要的信號，數(shù)據(jù)采集器以較高的采樣精度對信號進(jìn)行采樣，同時，分布式智能電極要快速、準(zhǔn)確地作出切換，因此所設(shè)計(jì)硬件電路必須滿足上述幾點(diǎn)要求。

2．1信號發(fā)射機(jī)中主要電路設(shè)計(jì)

發(fā)射機(jī)以MSP430F6638為控制器，單片機(jī)產(chǎn)生的信號經(jīng)光耦隔離延時電路、反向電路后給MOSFET驅(qū)動芯片IR2101，該驅(qū)動芯片的輸出信號直接驅(qū)動4個MOSFET組成的H橋，兩橋臂的中間點(diǎn)輸出信號AB。如圖3，電路中光耦隔離是將單片機(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號與后面電路的模擬信號分開，以避免互相干擾，同時對數(shù)字控制器起保護(hù)作用。驅(qū)動芯片IR2101是雙通道、高壓高速功率驅(qū)動器，采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，提高了驅(qū)動電路的可靠性。同時上管采用外部自舉電容，使驅(qū)動電源數(shù)目大大減少。如圖3所示，C35～C38為自舉電容，它們?yōu)轵?qū)動上橋臂存儲足夠的能量，二極管D10、D11是為了防止VB過電壓損壞驅(qū)動芯片，D12～D15和R3、R11、R12、R15組成的延時保護(hù)電路，保證H橋兩橋臂不會同時導(dǎo)通。功率器件在開關(guān)過程中會產(chǎn)生浪涌電壓，故在每個MOSFET上都增加了一個壓敏電阻，以吸收開關(guān)過程中產(chǎn)生的尖峰脈沖。實(shí)驗(yàn)表明該發(fā)射機(jī)可以穩(wěn)定發(fā)射任意由1、0、-1組成的數(shù)字編碼信號，包括偽隨機(jī)和自定義編碼信號。

2．2AD7760高精度采集電路

數(shù)據(jù)采集器[3]的精度在很大程度上決定了儀器的精度，因此，對AD芯片的選擇以及外圍電路的搭建對儀器設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。

圖3　發(fā)射機(jī)硬件電路

AD7760是一款高性能、24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，融合了寬輸入帶寬、高速特性與Σ-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)的優(yōu)勢，2.5MSPS時信噪比可達(dá)100 dB，非常適合高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。并且內(nèi)部集成有低通數(shù)字FIR濾波器，可以根據(jù)需要編程選擇抽取率。該芯片外圍的配置對精度影響很大[4]。

2．2．1基準(zhǔn)源電路設(shè)計(jì)

高精度數(shù)據(jù)采集器需要1個非常穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)源，在ADR431的輸出端串聯(lián)1個100Ω的電阻，再接一個10 μF的鉭電容以及1個0.1 μF的去耦電容，保證基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定輸出，如圖4所示。

圖4　基準(zhǔn)源電路

2．2．2時鐘緩沖電路設(shè)計(jì)

AD7760需要1個外部低抖動時鐘源，如果將FPGA輸出的時鐘直接與3個通道的AD時鐘管腳相連，抖動較大，且?guī)лd電流不夠。要減小抖動、提高帶載能力，可以將FPGA輸出的時鐘信號經(jīng)過由與門組成的緩沖器后，再連接到AD的時鐘管腳，即可輸出低抖動、穩(wěn)定的時鐘源。

2．2．3單端轉(zhuǎn)差分電路設(shè)計(jì)

為了滿足信號在較大范圍內(nèi)的測量以及增強(qiáng)信號的抗干擾性，需要將輸入的信號轉(zhuǎn)換成差分信號，使AD采樣精度更高，輸出的差分信號送入AD7760內(nèi)部的差分放大器，實(shí)現(xiàn)對信號的轉(zhuǎn)換、放大。

2．3智能電極轉(zhuǎn)換裝置

智能電極轉(zhuǎn)換裝置的作用是選擇任意一個電極連接至A、B、M、N 4個點(diǎn)中的某一個點(diǎn)，主要由控制器、譯碼器、驅(qū)動器、繼電器幾個部分組成?？刂破鬟x用MSP430F169，它有兩個串口，分別接至RS-485通信芯片，完成向上或者向下兩個方向的傳輸。譯碼器是為了保證四路驅(qū)動電路中同一時刻只有一路是選通的，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。由于單片機(jī)輸出的電流不能夠直接驅(qū)動繼電器，故需加上由三極管組成的驅(qū)動電路，以增大驅(qū)動電流。每一個智能電極盒里含有4個PHOTOMOS繼電器，每一次只能選通一個繼電器工作，整個智能電極盒的靜態(tài)電流只有零點(diǎn)幾個mA．

3　系統(tǒng)測試

3．1系統(tǒng)靜噪測試

將儀器輸入端信號短路，采集信號一段時間，得到了較穩(wěn)定的噪聲信號，圖中只畫出了前2 s的信號，如圖5所示。測得儀器的靜噪在1～10 μV之間，圖中15.4 mV為該儀器的直流偏置量。該探地儀具有較高的測量精度，可以用來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖5　系統(tǒng)靜噪測試

3．2系統(tǒng)功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測量系統(tǒng)的性能，在純電阻上進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn)。取28個阻值在230Ω左右的電阻串連在一起，在每一個節(jié)點(diǎn)處接上智能電極轉(zhuǎn)換裝置，采用溫納跑極方法進(jìn)行自動測量。發(fā)射機(jī)發(fā)射3階偽隨機(jī)編碼信號[5]，接收機(jī)同時采集AB電壓Uab、AB電流Iab、MN電壓Umn3個通道信號。由于偽隨機(jī)編碼信號具有很好的自相關(guān)特性，Uab和Iab作互相關(guān)處理，Umn與Uab作互關(guān)處理，可以去除噪聲干擾，增強(qiáng)儀器的抗干擾特性。采集到的3個通道信號如圖6所示。

CH1對應(yīng)Umn信號，CH2對應(yīng)Iab信號，CH3對應(yīng)Uab信號。所測電阻值

式中K為裝置系數(shù)。

對采集到的點(diǎn)用MatLAB軟件做數(shù)據(jù)處理，繪制出多次測量電阻曲線圖，如圖7所示，3次測量所得曲線圖基本一致，具有可重復(fù)性，并且所有幅值都在230Ω左右，與實(shí)際電阻曲線吻合，從而論證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖6　接收機(jī)采集的3個通道信號波形

圖7　3次測量電阻曲線圖

4　結(jié)束語

新型高密度電法探地儀測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了發(fā)射任意由1、0、-1組成的數(shù)字編碼信號，提高了數(shù)據(jù)采集器的采樣精度，該系統(tǒng)可以采用常規(guī)布極方式和自定義布極方式進(jìn)行測量。同時文中設(shè)計(jì)的智能電極轉(zhuǎn)換裝置穩(wěn)定性高、功耗低。整套系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，得出的電阻曲線與理論電阻曲線一致，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

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