直流电法仪器原理与结构

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1、直流电法仪器的原理与结构直流电法仪器的原理与结构一、概述 1 电阻率仪 直流电法勘探仪器是用于观测测量电极 MN 间电位差UMN，和供电 AB 回路中电流 强度 IAB两个参数的专门仪器。通过视电阻率计算公式:计算出观测点处的视电阻率 S值。因此，电法仪器观测电位差UMN电流强度 IAB的精 度如何，将直接影响电法资料的可靠性和精确度。在野外条件下，由于各种干扰因素的影 响和困难的观测条件，一般测试仪器是不适用的。为适应电法勘探野外工作的需要，对直 流电法仪器要求具有高精度、使用方便、抗干扰能力强等特点。 根据直流电法的特点，对电法仪器有以下列特殊技术要求: 1.灵敏度高，测量范围要大。高灵敏

2、度可保证大极距的观测精度，以及有利于减轻供电电 源的重量，使整个装备轻便化。要求电位差从 50V 一 1000mV、电流强度从 lmA5A 范 围内变化，仪器能保证测量精度。 2.仪器输入阻抗高。当野外接地电阻变化范围较大时，仪器仍能保证读数的准确性。 3.仪器绝缘程度要高。各插孔与机壳间的绝缘电阻州般不小于 500M。要能承受较大的直 流负荷(如在电压 500V0，电流在 5A 的情况下能正常工作)。 4.抗干扰能力强。对 50Hz 工业干扰及各种偶然干扰有较强的抑制能力，以保证仪器取得符 合要求的测量结果。仪器应当适应野外的工作环境。在野外工作环境多变情况下，要保证 仪器高稳定性。将测量电

3、极 M、N 与电法仪的测量(接收机)部分相连。在供电回路开关断开(即未供电 时)，M、N 极之间的极化电位差和自然电位差(统称极差)输入接收机。可以用电法仪内的 电位计 v 测出这一电位差值(在作自然电位观测时)；也可用专门的极化补偿器抵消此极差 (在作人工源直流电法时)。能自动转换量程。 有自动极化补偿功能。仪器工作开关在“自电”位置时，能自动记忆自然电位差和极化2激电仪激电仪是用作激电法的仪器。当电流流过大地时，由于电化学作用会产生随时间缓漫变 化的附加电场，这种现象称为激发极化效应(简称激电效应)。基于观测放电效应引起的电 (磁)场变化，来研究地下情况的电法分支方法称为激发极化法，简称激

4、电法。 激电法既可在时间域中，也可以在频率域中观测激电效应。前者称为时间域激电法， 一般是通过供电电极点 A、B 向地下供人一定持续时间(T)的方波电流；并在断电后，观测 测量电极 M、N 之间随时间(t)缓慢衰减的纯激电二次场电位差 U2(T,t)的，并按下式计算 视极化率当代的时间域激电仪，并不是测量某一时刻(T 或 t)的电位差，而是记录其在某一时间 间隔(T 或 dt)内的积分值，然后除以积分时间(称为积分窗口宽度 T 或 dt)，获得其平均值并记录于积分窗口中心时间。 在频率域中观测激电效应，称为频率域激电法，其最常用的方法变种是变频激电法。 这种方法向地下供入两个电流强度(振幅)相

5、同、频率分别为 fG(高频)和 fD(低频)的谐变或方 波电流，观测相应频率的电位差(振幅)UfG和 UDG，并按下式计算视频散率无论是时间域还是频率域激电法，它们在野外观测的对象，归根结底还是电位差。所 以，激电仪和直流电法仪的基本部分(电位差测量单元)大体上是一致的。不过，激电法观 测的是一定供电时间(T)和断电时间(t)或一定频率的电位差，而且通常是由测量仪器直接指 示出激电参数,因此，要求激电仪中设计某些时间或程序控制电路和归一或计算电路，故激 电仪较一般的直流电法仪更复杂。 高密度电阻率法基本原理 高密度电阻率法是集测深和剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法，它具有 一次布极即

6、可进行多装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息的特点。 20 世纪 80 年代中期，日本地质计测株式会社借助电极转换器首先实现了高密度电法 的野外数据采集。 高密度电阻率法可采用的主要装置有：温纳对称四极装置；温纳偶极装置；温纳微分 装置；温纳三极装置等 5 种装置。可采用其中一种或几种装置来测量其视电阻率，对于相 同的电极系记录点位置相同。从装置形式来看，高密度电阻率法同其他常规的电阻率法没 有多大差异，基本原理相同，都以电阻率的变化为基础。 高密度电阻率法勘探系统的基本特点是：1、将全部电极布设在一定间距的测点上， 然后用多芯电缆通过由单片机控制的电极自动换接装置连接到电法仪上;

7、2.测量时，由单片 机控制变换电极的排列方式和极距大小以及测点位置，自动完成各测点多极距、多装置形 式的数据采集工作，并将测量结果存贮在电法仪内;3.将存贮在电法仪内的测量结果传输到 微机内，在微机上进行求取比值参数、计算各种统计误差等数据处理工作，最后根据需要 绘制成不同形式的图件。 接收机设计 接收机主要由前端调理模块、数据采集模块和主控模块三部分组成，它的原理框图如 图 2.2 所示。在使用接收机前，需要先对系统进行校准，此时校准模块接入系统中。之后 对电极接地状态进行判断，即选择恒流源并联在输入端。上述两项测试正常后，接收机进 入采集状态，信号首先进入前置处理模块，系统先测量自然电位，

8、之后根据自然电位大小 通过 D/A 反馈到输入端以抵消偏置。程控放大器根据信号实际大小选择合适的放大倍数以 满足 ADC 量化区间的要求。在 CPLD 时序控制下，模拟信号被转换为数字信号，经过 FIFO 的速度匹配，数字信号在微处理器的控制下通过 USB 传输线传送到上位机进行数据 处理。(1)前端调理模块 前端调理模块包含功能选择模块和信号调理模块两部分。 (a)功能选择模块 功能选择模块，主要完成校准、信号导通和接地电阻的测量三个功能。 系统误差主要存在于模拟通道中，集中表现为零点漂移和倍率变化。这样就需对它们 进行校准补偿。系统校准原理图如图 2.3 所示:对于仪器自校准，假设零漂移

9、Vos 和倍率 k，通过以下三个步骤来完成: (l)程序控制 S1 接通，s2、S3 断开，接收机输入端短路，此时系统采集的值记为: Dos=kVos (2)程序控制 S2 接通，S1、s3 断开，将基准电压接到接收机输入端，此时系统采集的 值记为: Dref=k(Vos+Vref)在野外的测量中，如果电极没有良好的接地，那么将会导致信号无法正常采集，因此， 判断电极是否接地良好显得十分关键。系统设计中加入了接地电阻的测量模块。将恒流源 并联到接收机各个通道输入端，对输入端信号进行采集得到的电压值与恒流源电流值相比 即可得到输入端的接地电阻.3 发展概况及分析从以上仪器的采集原理分析可知，传统

10、的高密度电法采集仪器除了常规的电法测量仪外，另一核心功能就是电极转换。早期高密度仪器的发展，就是不同厂家推出的各式各样的电极转换开关的发展。电极转换开关方面主要分为3类：机械式电极转换、电子式电极转换及分布式智能电极。 其中机械式电极转换开关见于早期的高密度电法仪，并由人工手工电极转换，之后发展为由微机控制的步进电机的电极转换而实现野外数据的自动采集；后期随着电子技术的发展，实现了电子电极转换；有部分厂家把电极转换部分分布在各个电极，甚至把信号转换部分(AD转换部分)分布在各个电极。后两类电极转换开关仍在广泛使用，且不同厂家推出的电法仪及其转换开关种类繁多、性能各异、各有千秋。其中分布式智能电

11、极是近些年来推出的新型高密度电法勘探仪器，正在不断发展和改进之中。结合收集的资料，对国内外仪器的采集方法分析如1电极转换装置设计 在集中式的仪器中，每个电极都分别用一条电缆与主机的电极转换箱相连，这样做不仅使 得仪器的电极转换部分体积庞大，而且野外施工时所铺的电缆数量极多，使工作效率和可 靠性下降。为此设计了如下分布式电极转换装置，其基本思路是在每个电极上放置一个转 换装置，所有电极通过一条8芯(VCC、GND、A、B、M、N、TXD、RXD)电缆与电阻率仪相连。 该装置在仪器通过TXD送来的串行控制数据的控制下完成与供电线A、B，测量线M、N的切换。特别指出：地球物理方法中的地震采集取得了惊

12、人进步，地震采集已经实现野外成千上万道数据采集，并能够对时间进行精确控制。其发展融合了最新的其他学科的发展。受采集方法和采集道控制技术以及通讯方法等启发，结合电法勘探的特点设计的新型分布式高密度电法仪器将是未来发展的主要思路。将电极转换和信号转换(AD转换)分布在各个电极，连接电缆将主要由通讯电缆和供电电源组成，由微机(PC机)作为中央控制系统新型高密度电法仪正在研制之中，不久的将来，以上的3种方法的发展和改进设想能够取得突破，实现高密度电法采集的又一次革新，为软件开发方面的发展特别是三维立体成像(包括电阻率和激发极化法等)软件开发及其应用提供可靠的装备保证。相对于其他地球物理方法，高密度电法发展历史仍然比较短，除了在采集方法上需要借鉴其他学科的最近发展和其他物理方法的最新发展之外，随之配套的是其正演和反演的研究及其软件开发。此外，由于勘探仪器大多在野外作业，环境恶劣，需要多次搬迁，难免风吹雨淋磕碰，在研制过程中，除了基本功能的实现以外，防震、防雨等制造工艺也需要重点考虑，这也正是一些厂商和科研机构推出的仪器性能不够稳定，难以胜任野外工作，造成了市场推广的失败的原因。