地球物理仪器题库(3)

仪属于电测主机和多级转换开关集中组合式的集中式采集系统。一些分布式高密度电法测量仪思想仅见诸一些学术期刊等论文中，鲜见实际应用。从资料分析，大多数厂家采用嵌入式微处理器(MCU)作处理器和采集电路模块作为电法仪器的主机系统，个别厂家采用PC工控机集成采集板构成电测主机。多路转换开关亦采用微处理器(MCU)控制。从结构分析，大多数属于集中式，即由测量主机和电极转换集中。电极与电缆一一对应，需要多芯电缆(一般达30芯以上)与转换开关相连。部分厂家推出的分布式高密度电法仪器把电极转换开关分布在各个电极上(如RESEX忑仪器的解码器)，电缆数目大大的减少（李晓斌，张贵宾，贾正元，新型分布式高密度电法仪器发展瞻望，2008）。

11.高密度电法仪接受部分和普通电阻率仪/激电仪的接收仪有何区别和联系？

接收装置是电法仪器的一个重要组成部分，主要用于控制采集方式、接收采集数据。高密度电阻率法仪器接收装置的设计与实现是普通电法仪器的一个提高与改进。密度电阻率法仪器接收装置主要由上位机控制软件、接收信号采集装置和电极切换装置三部分组成。仪器的发展改进方向主要包括发射电流的控制、接力式通讯传输、电极电源站研制和上位机的选用四部分。发射信号通过发射电极注入大地后，需要经过接收电极排列得到接收信号，由高密度电阻率法工作原理可知需要由主机来控制发射电极 A 和接收电极 M、N 的组合。接收模块就是用来控制电极组合和接收、采集这个信号，是高密度电法仪器的一个重要组成部分，其性能指标将影响到整套仪器的探测效果和工作效率。高密度电阻率法仪器要求接收系统具有噪声小、体积小、功耗低、适合野外工作等特点。以张志伟《大深度三维高密度电阻率法接收装置的研制与实验》为例总结高密度电法仪接收部分的工作原理。

（1）通讯传输部分

由高密度采集原理可知采集时需要控制接收电极 M、N 的组合位置，接收电极 M、N 的位置是靠电极切换装置来选择的。因而装置需要由主机来控制电极切换装置从而确定接收电极的位置。

（2）电极切换装置的设计

电极切换装置用来选择 ABMN 四个电极，是连接发射装置和接收装置的纽带。此模块是在结合前人完成一部分硬件原理设计的基础上，完成对软件部分的编写与调试，每5个电极切换装置连接起来作为一条单位测线，共制作了15条单位电极线测线，整套仪器共 150 个电极切换装置。切换装置硬件电路如图 2.4 所示，装置由单片机MSP430F123 和RS-485 总线以及四个继电器等构成。主机发送给电极切换装置控制命令，信号经过 RS-485 总线传送给单片机 MSP430F123 的串口，单片机判断接收信号进而控制继电器选择 ABMN电极。系统需要装置连接 A 电极则单片机通过三极管控制继电器 A 导通，用同样方法可以选择 M、N 或 B 电极。软件设计主要包括两部分：主程序部分和串口中断程序部分，在串口中

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断程序中又包含三个子程序，分别是点名程序、接地电阻测试程序以及采集程序。主程序中主要对系统、串口和端口进行初始化。进入中断程序后，单片机 MSP430F123 先判断接收的命令：如果接收的是点名命令，此时装置对整条测线上的电极切换装置点名，电极接收到信号后把本电极的序号返回到主机，点名是为了检测电极切换装置是否工作正常，如果主机收到所有电极的返回值则表明所有电极工作正常；电极如果接收到测试接地电阻命令，此时装置检测铜电极与大地是否接触良好；当点名和接地电阻都正常时，装置按程序进入数据采集组合状态。

（4）接收信号的前置放大模块

高密度电阻率法采集的信号是大地通电之后的电位信号，通电电流周期性地改变方向，在电流激励期间采集信号电位，在电流激励间隙采集自然电位。为了抵消大地激化效应，信号电位和自然电位通过采集卡转换之后相减，所得到的即为实际的信号。由于接收的信号是毫伏级的电平信号，为提高采集精度，降低共模干扰，前置放大部分采用两级放大。第一级采用差分输入的仪用放大器 INA128，输入级增加差分电阻网络。

（5）50Hz工频陷波模块

由于探测装置是用于野外工作，没有实验室的理想条件，外界干扰比较大，尤其是50Hz 工频干扰。在这里系统采用陷波电路来抑制工频干扰，陷波器的中心频率为工频50Hz。

（6）AD采集模块的研制

发射机发射的双极性脉冲波经大地激化和充放电，在刚开始注入大地时激励信号有一定的充电过程，撤去激励信号时有放电过程，大地信号不会马上消失，可以看做自然电位。充放电过程阶段呈指数变化，后半段才趋于平稳，因此在采集接收信号的时候应该避开充放电过程。

（7）上位机的选用

根据本系统需要由上位机来控制装置的特点，在野外操作可以选择笔记本电脑或工控机来作为主处理器。但是由于野外实验环境复杂，笔记本电脑供电时间有限且耗电量较大，并且笔记本接口一般采用的USB 接口，接口插拔次数过多处容易导致接触不好，综合考虑系统选用工控机PC104为主处理器。（张志伟，大深度三维高密度电阻率法接收装置的研制与实验，2010）

12.论述双频激电和高密度电法仪的区别和联系。

（1）高密度电法仪器从本质上讲属于常规的电阻率法，主要是在影响工作效率的电阻率参数测量和跑极上实现了微处理器自动控制，从而实现了仪器在短时间内采集大量数据。双频激电仪器本质上是一种频率域激发极化仪器（继善高科，智能仪器，SQ-3C双频激电仪），核心是把两种频率的方波电流叠加起来。最近十年来，电阻率仪和激发极化仪发展很快，除极少数仪器外，基本采用单片机控制，具有智能仪器的特点。我国从上世纪80年代开展将单片机用于上述仪器的研制，到了九十年代中后期，基于单片机系统的电阻率仪与激发极化仪己经成熟(谢捷生，1996，常欣等，1994，陈鸿志，1994)。，绝大部分仪器采用发送接收一体化，其内部保存了各种装置及常用的电测深极距，不需要人工记录和计算，就可以显示视电阻率和视极化率等参数。大部分仪器具有开展电阻率法和激发极化法的能力。 （2）高密度电法是一种形象的称呼，国外文献并没有高密度电法这个术语。国外文献将高密度电法称为连续垂直电测深(Continuous vertical electrieal sounding, CVES)。仪器的称呼

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主要有3种，即电阻率仪(resistivity meter)、电阻率成像系统(resistivity imaging system)、微处理器控制的电阻率导线测量系统。密度电阻率法的基本理论与传统的电阻率法完全相同，所不同的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点，现场测量时，只需将全部电极布置在一定间隔的测点上，由主机自动控制供电电极和接收电极的变化，完成测量。在设计和技术实施上，高密度电法测量系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路，使用的电极数量多，而且电极之间可自由组合，这样就可以提取更多的地电信息，使电法勘探能像地震勘探一样使用多次覆盖式的测量方式。与常规电法相比，高密度电法具有以下特点: ①电极布设一次性完成，减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差; ②能有效地进行多种电极排列方式的测量，从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息; ③数据的采集和收录全部实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误; ④可以实现资料的现场实时处理和脱机处理，大大提高了电阻率法的智能化程度; ⑤可以实现多参数测量，同时观测电阻率、极化率和自然电位（陈儒军，伪随机多频电磁法观测系统研究，2003）。。 以矫鹏E60系列高密度电法仪为例，矫鹏E60系列高密度电法仪为单通道分布式，该型仪器可以进行各种装置的高密度电阻率、双频高密度激发激化法、自然电位法、充电法等勘探方法的数据采集任务，由于仪器本身配置有高性能的计算机，配合相应的处理软件系统，可对上述所采集的资料进行现场处理。高密度电法仪正朝着多通道、多参数、多功能、大功率趋势发展。通道数从最早的单道接收，逐渐发展为8道，最多的FlashRES64达到了61道，道数的增加将促进三维高密度走向实用化。多参数测量也越来越受人们关注，仪器普遍能进行电阻率、极化率测量，有的还增加了复电阻率、自然电位等测量参数，若能获取同一工区更多参数，对地电模型的解释将更加可信。所谓多功能，是指高密度电法不仅能作常规地面测量，辅以相应模块，还能进行井-井测量(跨孔成像)、井地测量、水下测量和水上测量等。为满足更大的勘探深度要求和获取更高信噪比的高品质数据，可采用的主要办法是提高供电电流和减小接地电阻;一般情况下，接地电阻改善到一定程度就很难再减小，可行的方法是尽量提高供电电流，因此，高密度电法发射功率也在逐渐增大，如GDP-32和V8为代表的多功能电法仪，其标准功率为30 kW，最大功率已达到了200 kW。

（3）频激电法的核心是把两种频率的方波电流叠加起来，形成双频组合电流(高、低两种频率)，同时供入地下，接收来自地下的含有两个主频率的激电总场的电位差信息，经过仪器内部的放大、选频、检波等一系列步骤，同时得到低频电位差)和高频电位差)，计算出视幅频率。双频激电仪器具有以下特点：观测速度快，工作效率高、探测深度400-600米；轻便灵活，供电电流仅为时间域激电的1/20～1/50；受电流变化影响小，不需稳流；高低频同时发送、接受，抗干扰能力强；自动消除电磁耦合效应；为判别激电异常源提供信息；经专家鉴定在频率域激电领域已达到国际领先水平；可同时多台接收机同时工作，中梯扫面速度快（继善高科，智能仪器，SQ-3C双频激电仪）。以SQ一3轻便型双频道数字激电仪为例，该仪器分为发送机和接收机2部分，发送机向大地发送含有低频和高频2种频率的混合波电流，接收机同时接收经过大地传导后的这两种频率的电流信号，并通过高、低频电位差计算出视幅频率R和视电阻率P（何继善，双频激电法，2004）。。 SQ-3C双频道轻便型微机激电仪发送机基本工作原理。SQ-3C双频道轻便型微机激电仪发送机由以下10个模块组成：(1)微处理器模块、(2)液晶显示模块、(3)时钟模块、(4)数据存储模块、(5)数据通讯模块、(6)数据采集模块、(7)信号合成模块、(8)功率驱动模块、(9)电压、电流取样模块、(10)过压、过流保护模块。由中央处理器（CPU）产生双频混合波，经驱动电路驱动逆变桥的功率开关，由A、B端向大地供双频复合电流。此双频供电电流在取样标准电阻上产生电压下降，读取该电压降即可达到读取电流的目的。仪器设有供电主回路的过

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流保护、供电主回路的高压检测、仪器内部工作电压的欠压检测装置。当供电主回路电压超过800V或主回路电流超过15A时，仪器自动切断高压电源，达到保护的目的。当机内仪器工作电源低于10V时仪器自动关机。

Q-3C双频道轻便型激电仪接收机由以下14个模块组成：(1)微处理器模块；(2)液晶显示模块；(3)时钟模块；(4)数据存储模块；(5)数据通讯模块；(6)信号切换模块；(7)工频信号抑制模块；(8)信号放大模块；(9)信号选频模块；(10)高频信号检波模块；(11)低频信号检波模块；(12)高频信号积分模块；(13)低频信号积分模块；(14)数据采集模块。

被测双频信号经阻抗均衡电路及阻抗变换电路后，进入工频陷波电路对50Hz工频进行抑制，再经程控放大器进行前置放大，经低通、高通滤波器选频放大后进入主放大器进行程控放大，经主放大器放大后的双频信号分别进入低频通道和高频通道的带通滤波器选出高频及低频正弦波信号，再经过精密检波和积分电路分别输出低频、高频电位差。该低频、高频电位差经A/D转换电路转换成数字信号，经微处理器系统处理后，在液晶显示器显示出高频电位差△VH、低频电位差△VL、视幅频率Fs值和视电阻率ρ（s何继善，双频激电法，2004）。

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