多功能電動找水器

多功能電法勘探儀是快速探測地下水源和水文地質工程地質勘探的專用設備。它是集發射、接收、數據處理、數據存儲和數據顯示於壹體的智能電法測量工作站。本節介紹的多功能電法儀可直接用於電阻率法和激發極化法的測量，並可在同壹屏幕上顯示視電阻率、視極化率、半衰期、衰減、偏差、極化率累積和、自然電位、電源電流和壹次場的測量值。該系統采用現代嵌入式系統技術、大規模集成技術和高精度轉換技術，使多功能電法勘探儀器實現了野外勘探中信號采集、數據處理和成像顯示的壹體化。

壹、DWZ-6A多功能電法儀的基本結構和工作原理。

多功能電阻率儀廣泛應用於利用視電阻率和激發極化參數尋找地下水，解決工業、農業和生活用水問題。可用於尋找斷層帶、陷落柱、采空區、滑坡等。可用於水文地質勘探、工程地質勘探、環境地質勘探、礦產勘探、能源勘探、地熱勘探、城市地球物理勘探等。

如圖6-1-1所示，DWZ-6A多功能電氣儀表是壹種由ARM控制的智能電氣儀表。電信號從M和N輸入，經過阻抗變換和濾波後，通過雙T型陷波和低通濾波濾除。模數轉換器將微弱信號放大後，將模擬信號轉換成數字量，存儲在數據存儲器中。控制信號被高壓隔離後，驅動電源橋正反向供電。電流信號由標準電阻采樣，隔離放大濾波，程控放大器放大，然後分時轉換存儲。ARM控制系統從數據存儲器中取出壹次場電位差、二次場電位差和電流數據，進行計算和處理，然後顯示處理結果並存儲。最後，將數據復制到u盤或傳輸到電腦。鍵盤用於輸入各種參數。控制系統還可以監測儀器的工作狀態和儀器的故障狀態。當儀器內部或外部出現故障(如AB短路)時，儀器自動阻斷供電回路停止供電並給出報警顯示。

圖6-1-1DWZ-6A多功能電器原理框圖

2.DWZ-6A多功能電器的硬件電路設計

(壹)整體硬件架構

DWZ-6A多功能電法勘探儀的硬件電路結構如圖6-1-2所示。該儀器主要由發射機、接收機及其主控單元組成。主控制器采用ARM7的S3C44BOX芯片。當需要采集IP數據時，主控制器向IPM模塊發送控制命令，實現從A、B供電點向大地供電。同時，IP信號在測量電極M和N處被接收，並通過IP信號處理電路被發送到24位AD轉換器CS5532，然後被轉換成數字信號。ARM7的主控制器與CS5532交互，讀取、存儲、處理和顯示轉換後的數據。

圖6-1-2硬件整體架構

(2)DWZ-6A多功能電氣儀表傳輸電路的設計。

IP發送電路框圖如圖6-1-3所示。高壓部分采用PowerEX公司IPM智能功率模塊:PM10RSH120，最高可控電壓1200V，可控電流10A。在實際應用中，取最高值的2/3作為儀表實際電壓和電流的上限。實際測試表明，這種IP發送電路的功率可以達到900 V @ 6.7 A，即6kW，所以高壓電源電池組的供電電壓範圍為0 ~ 900 V，為了控制強電和弱電，需要將強電和弱電隔離開來。通過使用多個光耦HCPL-4504和PC817將控制信號與IPM模塊隔離。當輸電線路從端子A和B向井下供電時，需要監測供電電流。用0.01ω的高精度采樣電阻Rs將電流轉換成電壓送入AD202，ad 202是高精度隔離放大器，通過變壓器耦合將強電與弱電電路隔離，將放大後的信號Vout送入IP接收電路。

圖6-1-3dwz-6a多功能電法儀發射電路框圖

(3)DWZ-6A多功能電測儀接收電路的設計。

圖6-1-2中除IPM和高壓包外的其他部分都是IP接收電路框圖。主控制器采用ARM7的S3C44B0X芯片，存儲部分擴展了NorFlash芯片SST39VF16(存儲程序)、NandFlash芯片K9F2808(存儲數據)和SDRAM芯片HY57V2816(程序運行空間)。為了實現人機交互，使用鍵盤進行信息輸入，使用LCD (320×240像素)進行信息顯示。IPsignalprcessingcircuit主要包括防雷電路、前置放大器、50Hz陷波器、差分放大器和低通濾波器等。經過這個模塊後，IP信號進入24位可編程增益A/D轉換芯片CS5532。DAC芯片AD5660輸出的模擬信號疊加在輸入的ip信號上，實現模擬電路的自動調零。當需要上傳數據到上位機時，可以使用USB(使用PDIUSBD12芯片)接口進行對接，上位機會識別出ip儀器中的存儲器是u盤。同時利用網絡接口(RTL8019芯片)實現上位機與ip儀器的信息交互。

第三，DWZ-6A多功能電氣儀表的軟件程序設計

DWZ-6A多功能電氣儀表選用uClinux作為操作系統，它源於linux內核，繼承了Linux的大部分特性。在GNU通用許可證的保證下，運行uClinux操作系統的用戶可以使用幾乎所有的LinuxAPI函數。經過裁剪和優化，uClinux具有體積小、穩定、可移植性好、網絡功能優秀、完全支持各種文件系統、API函數豐富等優點。

DWZ 6A多功能電氣儀表嵌入式軟件開發的重點和難點在於軟件部分應用程序的裁剪、驅動和嵌入。不過uClinux的裁剪和移植方法是通用的，這裏就不贅述了。DWZ 6A多功能電氣儀表的設備驅動和應用軟件主要包括鍵盤、液晶顯示器、CS5532的管理和控制，數據處理和數據上傳。鍵盤和液晶顯示器是整個系統的輸入輸出設備，是人機交互的主要方式。數據顯示程序可以在LCD上繪制極化率和電阻率曲線。數據上傳通過USB和網絡完成。下面重點介紹數據采集和數據處理程序。

(1)DWZ-6A多功能電氣儀表數據采集程序設計

數據采集程序的設計主要是控制CS5532實現高精度的數據采集。這壹部分包括CS5532在uClinux系統下的底層驅動和應用程序。在編寫CS5532的驅動程序時，程序是根據芯片技術文檔、芯片工作順序和ip儀器自身的要求編寫的。CS5532的控制主要包括采樣率控制和A/D增益控制。CS5532底層驅動主要包括模擬SPI、CS5532初始化、填充uClinux系統字符設備驅動的file_operations結構、定時中斷、外部中斷等。uClinux系統中字符設備的驅動主要是寫子函數，填充file_operations的各個字段。根據IP儀器的實際需求，CS5532設備驅動程序只需要file_operations結構中的open、ioctl、release和read函數。CS5532應用程序對底層驅動的操作包括設備文件的打開、設備文件的讀寫和設備文件的關閉。主要的函數調用如下:

找水的地球物理方法、技術和儀器

(2)DWZ-6A多功能電測儀的數據處理程序設計。

DWZ-6A多功能電法儀設計了各種設備的采集模式(階梯、測深、組合剖面等。)在物探電法中，內置各種裝置的常用采集參數，並對自然電位、原生電位、供電電流、視電阻率、視極化率、半衰期等物探參數進行智能處理。，數據處理程序根據地球物理方法對CS5532采集的數據進行深度處理，從而計算出上述地球。其中，視電阻率和視極化率是激電儀器中的重要參數，視電阻率ρS和視極化率ηS的計算公式如下:

找水的地球物理方法、技術和儀器

DWZ-6A多功能電氣儀表主要參數的原理和公式請參考第二章。

DWZ-6A多功能電測儀采集的信號中含有壹定的噪聲。雖然模擬電路已經過濾波和去噪，但模擬濾波器的性能有限。為了提高激電儀中地球物理參數的質量，在數據處理程序中加入了軟件數字濾波器，即50Hz帶阻FIR濾波器。

為了提高勘探效率，抑制野外測量中的幹擾信號，優化視極化率的測量精度，數據采集時采用正負交變矩形脈沖電流供電。正電源和負電源測得的二次電位差和總場電位差分別為△V2p、△V2n、△Vp和△Vn，因此DWZ-6A多功能電法儀使用的視極化率計算公式如下:

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上述二次電位差是傳輸電路斷電後延遲壹定時間的結果，所以二次電位差與延遲時間有壹定的關系。不同型號的多功能電器由於延遲時間不同，測量結果也不同。DWZ-6A多功能電器有五種斷電延遲時間，可以處理五種視極化率，同時可以手動輸入延遲時間，得到期望斷電延遲的視極化率參數。

四。DWZ-6A多功能電法儀的功能和技術指標

DWZ-6A多功能電法勘探儀是為滿足找水需求而研制的壹種新型智能多功能電法勘探儀器。即可以用於找水、地熱能、礦石，也可以用於工程地質、環境地質、能源地質等方面的地質勘探。DWZ-6A多功能電法勘探儀配有小功率發射機，也可配10kW以上大功率發射機，以短導線形式工作，用於深部勘探。外置高密度多電極轉換器可用於高密度電法測量，發射功率小，用於水文地質勘探、工程地質勘探和環境地質勘探。配備10kW以上大功率發射機，可進行大功率或超大功率高密度電法測量，進行深部快速找礦。目前世界上還沒有第二家公司研制出超高功率高密度電測量系統(壹般只有幾百瓦)。DWZ-6A多功能電阻率儀具有功能多、性能好、參數多、功率大、技術指標高、應用廣的特點。

DWZ-6A多功能電法儀測量和計算的參數包括視電阻率、視極化率、半衰期、衰減度、綜合參數、偏離度、激發比、相對衰減時間和充電率。

DWZ-6A多功能電法儀主要技術指標:

電壓測量範圍:10V

電壓測量精度:0.2%

電流測量範圍:10A

電流測量精度:0.2%

輸入阻抗:大於60MΩ

自補償範圍:2000mV

50Hz抑制:大於80dB

最大電源電壓:1200V V。

最大電源電流:10A

供電時間:1 ~ 99s可選。

接口:USB、RS232

工作溫度:-10℃ ~+55℃

工作濕度:

第二節eh-4電磁儀

壹、EH-4電磁成像系統的方法和原理

Eh-4電磁成像系統屬於可控源和自然源相結合的大地電磁勘探系統。利用自然背景場源(MT)對深部結構進行成像。在淺部構造中，便攜式小功率發射機發射500 Hz ~ 100 kHz的人工電磁信號，以彌補天然信號的不足，從而獲得高分辨率成像。

如果把地球看作水平介質，大地電磁場是垂直投射到地下的平面電磁波，那麽在地面上可以觀測到相互正交的電磁場分量為Ex和hy；Hx，Ey .通過測量正交的電場和磁場分量，可以確定介質的電阻率值。其計算公式為:

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其中:f是頻率，單位為赫茲；ρ是電阻率，單位為ω·m，由於地下介質是不均勻的，所以計算出的ρ值稱為視電阻率值。探測深度理論上是趨膚深度，計算公式為

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δ是趨膚深度。上述公式表明，電磁波的穿透深度隨著電阻率的增加和頻率的降低而增加。

二、eh-4儀表系統

Eh-4系統主要由發射、接收和數據處理三部分組成。系統工作原理圖見6-2-1，野外工作布置見圖6-2-2。

圖6-2-1EH-4系統工作原理圖

圖6-2-2 eh-4現場工作布置圖

(1)接收部分

主要由主機、前置放大器(AFE)、磁傳感器、帶緩沖的電極及其附件組成。

1)主機是整個系統的中心，主要用於文件管理、數據采集和數據處理。它采用IBM便攜式電腦，內存8MB，硬盤810MB，模數轉換18位，32位浮點數字處理，LCD VGA顯示，工作溫度0 ~ 50℃。

2)前置放大器對采集的電磁場信號進行濾波和放大，並通過傳輸線傳輸到主機。使用內置充電電池設置四個通道(兩個通道和兩個軌道)。

3)磁傳感器主要用於采集磁場信息，觀測頻率響應範圍:標準配置(BF-1m型)，10Hz ~ 100 kHz；低頻配置(BF-2m型)，0.1 Hz ~ 1 kHz。

4)電極主要用於接收電信息。標準配置為BE-16型緩沖電傳感器，16m電纜，鈦鋼電極；低頻配置為BE-50緩沖電傳感器，50m電纜，CuSO4無極性電極。

(2)發射部分

發射部分主要由發射天線、發射機和12V DC電源組成。發射天線采用兩個正交的半圓形天線，構思新穎，是該系統的獨特之處之壹。發射機本身的發射頻率為500 Hz ~ 100 kHz，與發射天線的阻抗相匹配。使用不同的發射天線，它們的發射頻率是不同的。采用標準天線，發射頻率1 ~ 64 kHz。天線配備低頻，發射頻率500 Hz ~ 32 kHz。

發射機的定位非常重要。因為EH-4系統的數據處理軟件是以場源遠離測點(即遠場區)為前提的。如果發射機距離太近或太遠，都會對測試結果產生很大影響，甚至產生假異常，所以系統的發射機可以快速方便地移動，這是系統的獨特之處之壹。原則上，發射器和接收器之間的距離是可控源探測到的最深目標的3 ~ 4倍。理論上，發射-接收距離(R)應為最低工作頻率下“趨膚深度”δ的三倍，即

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式中:r為收發距離；δ是趨膚深度；ρ是地球的平均電阻率；f是最低工作頻率。

(3)數據收集和數據處理

1.數據采集

系統的數據采集方式為時域采集，然後進行傅裏葉變換轉換為頻域信號，即在時域采集四路電磁信號(兩路兩路兩路)，進行傅裏葉變換轉換為電磁信號實部和虛部的功率譜，通過頻譜計算出視電阻率、相位差和相關系數。

對於標準配置，整個采樣頻段分為三個頻段:10 Hz ~ 1 kHz (1頻段)；300 Hz ~ 3 kHz (4個頻段)；1.5 ~ 99 kHz (7個頻段)。疊加的次數可以人為地為每個段設置。根據信號質量確定疊加次數，信號質量好，疊加次數少。每個頻點的采樣分為三段。發射場采樣時間20ms，采樣點4096個。每壹段進行傅裏葉變換，最終采樣頻率為60。對於低頻配置，采樣方法類似於標準配置，但采樣時間相應較長。整個頻段分為兩部分(50hz ~ 1 kHz；0.1Hz~75Hz)。

2.輸出文件

無論系統什麽配置，都有四個輸出文件，分別是標準配置:@文件、Y文件、X文件、Z文件；低頻配置；@ l檔，v檔，u檔，w檔。@(或@ l)文件是壹個測量信息文件。主要包括工作頻率和初始檔號、發射機和接收機的位置、X和Y方向偶極子距離的長度以及16中的內部增益設置。y(或V)文件是壹個二進制時間序列文件。x(或u)文件為互功率譜文件，每行由19列組成，每列長度為11個字符，單位為H-NT、E-V/KM、F-Hz。z(或w)文件是壹個文本阻抗文件。每個頻點由12行組成，每列8個字符。該文件是最終處理文件。主要內容包括頻率、標量視電阻率、X和Y方向的相位和相關性，以及八個具有實部和虛部的阻抗元素。

3.數據處理

數據處理有兩種:實時處理和後續處理。實時處理，根據各測點給出的視電阻率、相位、相關和振幅曲線，對數據質量進行實時分析。對於壹些可以從曲線中剔除的不可靠數據，再繼續測量，或者整條曲線的數據質量太差，采取措施實施重復測量。整條測線的連續觀測完成後，可采用EMAP法(能有效消除靜力效應)給出準二維反演解釋結果的灰度圖。後處理是外業工作結束後在室內完成的工作，壹般包括兩項內容:壹是在主機上調整外業數據的相關系數和濾波系數或對時間序列數據(Y或V文件)逐個進行再處理。盡量減少影響因素，突出有用異常，達到使用目的。此外，在上述工作的基礎上，將最終處理後的成果文件(Z或W)復制到PC機上進行進壹步的定量解釋和二維反演處理，並進行彩色成圖。

三。EH-4電磁成像系統主要參數

工作原理:天然和人工大地電磁電流張量場

標準頻率範圍:10赫茲~ 100千赫

發射器:帶垂直天線線圈的TxIM2發射器。

頻率:500赫茲~ 70千赫

脈沖:400安培-平方米

天線尺寸:兩個4m2垂直交叉線圈。

電源:12V，60Ah電池

電極:4個帶緩沖器的Be-26有效高頻偶極子，4個SSE不銹鋼電極和26m電纜。

磁棒探頭:兩根BF-1m磁感應棒(10hz ~ 100khz)和10m電纜。

模擬端子:1 AFE-EH-4模擬信號調節器，用於將電極的信號傳輸到采集單元。

壹對磁棒的帶寬:DC-96千赫