大功率數(shù)字直流激電測(cè)量系統(tǒng)

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(cè)量系統(tǒng)從方法來(lái)講，就是利用人工場(chǎng)源，對(duì)人工建立于地下的電場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)和研究。可以采用兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)體的精細(xì)探測(cè)，一是通過(guò)加大發(fā)射系統(tǒng)的功率，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量；二是通過(guò)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(cè)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(duì)目標(biāo)體的精細(xì)探測(cè)。有兩個(gè)問(wèn)題需要考慮，第一接收機(jī)和發(fā)送機(jī)的同步問(wèn)題，因?yàn)椴杉螆?chǎng)電壓信號(hào)是在發(fā)送機(jī)斷電后，經(jīng)過(guò)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(cè)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(cè)量系統(tǒng)的工作原理

大功率數(shù)字直流激電測(cè)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(guò)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(chǎng)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(cè)量一次場(chǎng)電位V1（VP）和二次場(chǎng)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(chǎng)電壓信號(hào)V1（VP）和二次場(chǎng)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(chǎng)電位、二次場(chǎng)電位幅值的高精度測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(kāi)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(duì)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(pán)專(zhuān)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(duì)濕度小于93%；

（9）過(guò)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(cè)量。

（3）保留軟件同步和內(nèi)部時(shí)鐘同步測(cè)量方式，方便野外測(cè)量和室內(nèi)檢驗(yàn)儀器或室內(nèi)標(biāo)本測(cè)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(cè)量方式就能保證測(cè)量工作正常進(jìn)行。在室內(nèi)進(jìn)行標(biāo)本測(cè)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(duì)測(cè)量電場(chǎng)信號(hào)幅值的分辨能力提高，有利于提高接收系統(tǒng)的測(cè)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(guò)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(kāi)走線，最大化擴(kuò)大地線面積，將數(shù)字地和模擬地分開(kāi)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(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，采用激電處理軟件可以計(jì)算出該測(cè)點(diǎn)的K值（中梯），再參考發(fā)送機(jī)測(cè)量的電流和接收機(jī)測(cè)量一次場(chǎng)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(cè)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(chǎng)VP：測(cè)量范圍±6V；

（2）測(cè)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(cè)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(cè)量范圍：±1000m V；

自然電位Vsp測(cè)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(cè)量，既可以獨(dú)立完成SP測(cè)量工作，也可以與發(fā)射機(jī)一起完成TDIP人工場(chǎng)方法測(cè)量工作。

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

參數(shù)測(cè)量能直讀，通過(guò)面板上液晶顯示器直接顯示一次場(chǎng)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(cè)量方式：①軟件同步；②內(nèi)部時(shí)鐘同步；③GPS同步測(cè)量方式。

6 在重慶某地野外工作實(shí)例

根據(jù)該測(cè)量系統(tǒng)多年的野外使用過(guò)程中反映的情況，如主動(dòng)同步存在的問(wèn)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(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)該系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行全面提升。本次野外工作是對(duì)該測(cè)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(lèi)型：DJS－9

供電脈寬T＝4s；

取樣寬度40ms；

延遲時(shí)間200ms；

測(cè)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(cè)點(diǎn)數(shù)：18個(gè)；

供電電壓：300V，供電電流：1．88A；

測(cè)量一次場(chǎng)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(duì)誤差公式為（計(jì)算結(jié)果乘100%）：

式中：Msi——第i點(diǎn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)；M′si——第i點(diǎn)系統(tǒng)檢查觀測(cè)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(cè)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(duì)誤差公式為（計(jì)算結(jié)果乘100%）：

式中：Msi——第i點(diǎn)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)；M′si——第i點(diǎn)系統(tǒng)檢查觀測(cè)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(cè)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(duì)軟件，硬件進(jìn)行了大量的升級(jí)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(jí)后的大功率激電測(cè)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(chǎng)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(chǎng)），數(shù)據(jù)采集的重復(fù)性好，總均方相對(duì)誤差在5%左右，完全符合野外要求。

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)程中，利用軟件同步方式測(cè)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(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的，并取得很好的地質(zhì)效果。