CN108614300B - 一种直流电阻率成像设备及其分布式测站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电阻率成像设备及其分布式测站，包括主机、若干个分布式测站和主缆；所述主机和各分布式测站通过所述主缆连接；每个分布式测站还连接若干条电极缆，电极缆上设置有若干个电极接头。本发明的电阻率成像硬件设备，采用了分布式和集中式混合的组成方案。主机和测站之间为分布式连接方式，总线式通讯，一个主站可以串行连接和控制多个测站，保证了整套设备的可扩展性；测站和电极之间为集中式控制，提高了测量工作的效率；系统采用普通电极作为接地体，电极上没有电子部件，成本明显降低的同时提高了工作可靠性。

Description

一种直流电阻率成像设备及其分布式测站

技术领域

本发明涉及一种直流电阻率成像设备及其分布式测站，属于直流电阻率成像领域。

背景技术

在地质勘察、资源勘探、工程质量检测和监测领域，直流电阻率成像是一种常用的地球物理方法。直流电阻率成像的基本原理是，在探测区域内部或周边，布置一系列电极，组成观测系统，完成若干次供电-测量循环，记录有关数据，最后利用一定的成像算法，得到探测区域内的电阻率分布情况。单次测量时，按照一定的测量模式，选择供电电极A、B和测量电极M、N，在A、B间施加一定的电压，测量并记录A、B间的供电电流I和M、N间的测量电压UMN，1个测点的测量完成。然后改变供电电极或测量电极的位置，进行下一个测点的测量。所有测点完成后，可以根据各个测点对应的电极位置、测量电压和供电电流的数值，通过成像算法得到探测区域内的电阻率分布图像，从而判断探测区域内的地质构造或工程结构。

根据电极布设位置和成像区域特点，直流电阻率成像可以分为二维电阻率成像和三维电阻率成像。二维电阻率成像最常见的电极布设方法是在地表沿测线布置电极，可以得到测线正下方的二维电阻率图像，这种工作方式也就是常说的高密度电阻率法；三维电阻率成像的电极，可以在地表按照网格状布设，也可以在钻孔中布设，形成钻孔-地表或钻孔-钻孔的观测系统。在二维和三维电阻率成像方法的基础上，近年来发展出了2.5维或四维电阻率成像，其基本思想是将电极固定布置在观测区域内，定时对观测区域测量，得到时间轴上连续的电阻率变化数据，从而实现对观测区域的连续监测。从硬件设备上说，2.5维或四维电阻率成像系统与二维或三维电阻率成像设备基本是通用的。

一套完整的电阻率成像系统由软件和硬件两部分组成，软件功能主要包括观测系统设计、测试命令文件生成、数据处理与成像、成果显示等；硬件功能主要包括数据采集、数据存储、数据传输和通讯等。硬件设备主要包括控制模块、电源模块、供电-测量模块、电极切换模块、数据存储模块、通讯模块、电极和线缆等。目前，电阻率成像设备都实现了电极一次性布设，自动化供电和测量。自动化供电和测量的关键是利用电极切换模块，按照命令文件要求，自动控制电极与供电-测量模块的连通状态，实现电极作为A、B、M、N不同角色间的自动切换。

按照电极和连接方式的特点，目前的电阻率成像硬件设备可分为集中式和分布式两类。集中式设备是较早出现的自动化电阻率成像设备，其特点是电极切换模块集中在一处(一般在主机中，或作为主机的一个附件布置在主机旁边)；电极为普通电极，没有附加的电子设备；每个电极通过单独的电线与电极切换模块连接，主机(或电极切换模块)与电极间为星型拓扑连接。集中式设备的特点是，探测道数(连接电极的数量)一定，扩展性差；连接电线芯数多，较笨重；电极切换速度较快，测量工作效率高。分布式设备是在电子技术发展后出现的探测设备，其主要特点是将电极切换模块小型化，与电极相结合，形成智能电极，主机侧不设置集中的电极切换模块；主机和智能电极一般采用总线式通讯，通过主机向智能电极发送命令，智能电极接到主机命令后，控制电极连通状态的切换。分布式设备的特点是，探测道数扩展能力强；主机和电极间连接电缆的芯数少，较轻便；测量过程中，主机需要跟每个电极完成通讯，工作效率较低；电极成本高、可靠性较差，不适合电极长期固定的监测工作模式。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流电阻率成像设备及其分布式测站，用以解决集中式设备扩展性差，分布式设备工作效率低、可靠性差的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

本发明的一种直流电阻率成像设备，包括主机、若干个分布式测站和主缆，所述主机和各分布式测站之间通过主缆相连；所述主缆包括通信线组和供电/测量线组；

所述主机包括主控模块、主机通信模块、用于供电和测量供电电流的供电模块和用于测量电极之间电压的测量模块；所述主控模块连接所述供电模块和测量模块；所述主控模块通过所述主机通信模块连接所述通信线组，所述供电模块和测量模块分别连接所述供电/测量线组；

所述分布式测站包括控制模块、测站通信模块、用于接通不同电极的电极控制模块和若干个用于连接电极的电极电缆接口；所述控制模块连接所述电极控制模块；所述控制模块通过所述测站通信模块连接所述通信线组，所述电极控制模块连接所述供电/测量线组；所述电极电缆接口连接所述电极控制模块。

进一步的，所述分布式测站包括主缆上行接口和主缆下行接口；所述主缆上行接口和主缆下行接口中通信线组的各接口分别对应相连，所述主缆上行接口和主缆下行接口中供电/测量线组的各接口分别对应相连。

进一步的，所述分布式测站通过主缆依次级联后与所述主机相连。

进一步的，所述电极控制模块包括继电器控制电路，每个电极的对应接线都通过对应单刀多置继电器开关可选择的连接所述供电/测量线组中的任一条接线。

进一步的，所述主机还包括电源模块，所述电源模块包括蓄电池和外接电源接口。

进一步的，所述通信线组采用485或CAN总线。

进一步的，所述主机还包括数据接口和储存装置。

本发明的一种直流电阻率成像设备的分布式测站，包括控制模块、测站通信模块、用于接通不同电极的电极控制模块、若干个用于连接电极的电极电缆接口和主缆接口；所述主缆接口包括通信端子和供电/测量端子；所述控制模块连接所述电极控制模块；所述控制模块通过所述测站通信模块连接所述通信端子，所述电极控制模块连接所述供电/测量端子；所述电极电缆接口连接所述电极控制模块。

进一步的，所述主缆接口包括主缆上行接口和主缆下行接口；所述主缆上行接口和主缆下行接口中的各通信端子分别对应相连，所述主缆上行接口和主缆下行接口中的各供电/测量端子分别对应相连。

进一步的，所述电极控制模块包括继电器控制电路，每个电极的对应接线都通过对应单刀多置继电器开关可选择的连接所述供电/测量端子中的任一个端子。

本发明的有益效果为：

本发明的电阻率成像硬件设备，采用了分布式和集中式混合的组成方案。主机和测站之间为分布式连接方式，总线式通讯，一个主站可以串行连接和控制多个测站，保证了整套设备的可扩展性；电极地址采用测站地址+站内电极编号的分段编码方式，保证整个观测系统中电极地址的唯一性，可以方便的建立起上百个测站、数千个电极的观测系统；测站和电极之间为集中式控制，通过测站中的电极控制模块控制电极接通状态，极大减少了整个系统中的分布式节点(主站和测站)数量，与每个智能电极都是分布式节点的传统分布式探测系统相比，测量过程中节点间通讯的时间开销明显降低，提高了测量工作的效率；测站具有独立的主控模块，可以根据命令自主完成电极切换，控制和通讯可以同步进行，进一步提高了工作效率；系统采用普通电极作为接地体，电极上没有电子部件，成本明显降低的同时提高了工作可靠性，特别适用于需要将电极长期埋置于地下的电阻率成像监测工作；每个测站上设计了3个电极电缆接口，可以选择连接1根或多根电极电缆，提高了电极布设的灵活性，可以更加方便的建立地面、孔间或孔-地的观测系统。

附图说明

图1是本发明的系统组成示意图；

图2是主机面板示意图；

图3是主机内部功能模块及连线示意图；

图4是分布式测站面板示意图；

图5是分布式测站内部功能模块及连线示意图；

图6是电极控制模块的内部原理图；

图7是分布式主缆内部示意图；

图8是分布式主缆结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示的本发明的直流电阻率成像设备系统组成，包括主机1、分布式测站2、分布式主缆3、电极缆24。电极缆上固定有电极接头241，电极缆24通过电极缆接口23与分布式测站2连接。主机与分布式测站之间通过分布式主缆连接。分布式主缆的一端连接主机的下行接口12，另一端连接分布式测站的上行接口21；和/或，分布式主缆的一端连接主机的上行接口11，另一端连接分布式测站的下行接口22。一台主机可以串行连接多台分布式测站，分布式测站与分布式测站之间通过分布式主缆连接，分布式主缆的一端连接分布式测站的下行接口22，另一端连接另一台分布式测站的上行接口21。

主机是整套硬件设备的控制设备，可以根据测试命令控制每个电极的连通状态，完成供电和测量工作并采集和存储测试数据；主机可以根据需要配置为单通道测量(一次供电测量一组M、N电极间的电压)或多通道测量方式(一次供电测量多组M、N电极间的电压)，单通道测量可视为一种特殊的多通道测量方式。分布式测站是连接主机和电极的中间设备，测站中有集中式的电极控制单元；测站和主机通过485或CAN总线进行通讯。每个分布式测站有唯一的地址，地址长度和主机的寻址能力决定了主机能够同时连接的测站数量，1字节的地址长度可满足一般工程应用，测站地址可用2位十六进制数字表示，如01、AC等，地址编号从1开始。每个分布式测站上有3个电极缆接口，每个电极缆接口可连接的电极数量可根据需要配置，不同的电极数量需要配合使用不同的电极控制单元。整套设备中，每个电极都有唯一的地址，每个电极地址长度为2字节，第1字节为电极所连接分布式测站的地址，第2字节为电极在测站内部的编号，内部编号从1开始。例如第3个测站上的第17个电极，其地址可用4个十六进制数表示为03A1。下文以支持i通道测量，分布式测站每个电极接口接8个电极、共接24个电极的测量设备为例进行说明。

图2为主机面板示意图，面板上主要有主缆上行接口11(母)、下行接口12(公)，显示屏23，键盘24和外接数据接口25。

图3为主机内部功能模块及连线示意图。主要组件包括主控模块110、电源模块111、I/O模块112、数据接口模块113、存储模块114、通讯模块117、供电模块115(用于向供电电极A、B供电)、测量模块116(连接测量电极)、通讯线组118和测量/供电线组119以及主缆上行接口(内部端)11和主缆下行接口(内部端)12。中控模块是主机的核心控制模块，可以是基于单片机或嵌入式系统的硬件方案，中控模块上运行设备控制软件，能够根据导入的测量命令文件，控制其它模块工作，完成测试数据的采集，并将测试数据以文件的格式写入存储模块。电源模块负责为主站设备供电，采用内置锂电池和外置蓄电池两路供电。I/O模块包括键盘、显示屏等I/O设备。数据接口模块包括USB、串口、蓝牙等多种数据接口，用于和安装了软件系统的计算机进行通讯。存储模块为内置的存储装置，可以支持SD卡、CF卡等数据卡及接口。通讯模块和分布式测站中的通讯模块配合工作，完成主站和测站之间的命令与数据传输，通讯模块可以根据需要选择485或CAN总线的方案。供电模块上有电压输出接线P1和接线P2，分别和供电/测量线组中的芯线L1与L2连接，测量时分别连通供电电极A、B进行供电；供电模块可以根据中控模块的命令，在接线间按照一定的时间输出电压信号，电压最高可到1000V；供电模块还可以测量接线P1和接线P2间的供电电流大小，并自动调整输出电压，保证输出电流稳定在100mA左右；每次测量完成后，供电模块将测量过程中的电压和电流数据反馈到中控单元，作为测量数据保存。对于可同时进行i个通道测试的多通道测试系统，测量模块共有i+1个接线(接线P3、接线P4、接线P5……Pi+3)，分别与供电/测量线组中的芯线L3、L4……Li+3连接。测量时，接线P3连通测量电极M，接线P4之后的接线分别连通测量电极N1、N2，……Ni，测量模块可以测量M与N1、N2…Ni间的电压UMN1，UMN2，…UMNi，并将数据反馈到中控单元，作为测量数据保存。通讯线组和测量/供电线组与上行接口(内部端)和下行接口(内部端)连接，通讯线组是一根通讯总线，总线芯数根据采用的总线形式确定，通讯模块作为一个总线设备与通讯线组连接。测量/供电线组芯数共有i+3根，分别与供电模块(测量用)和测量模块上的相应接线连接。

图4为分布式测站面板示意图，面板上主要有主缆上行接口21(公)、下行接口22(母)、1～8号电极电缆接口23-1、9～16号电极电缆接口23-2、17～24号电极电缆接口23-3，电源开关24。

图5为分布式测站内部功能模块及连线示意图。主要组件包括主控模块211、电源模块212、通讯模块213、电极控制模块214、1～8号电极电缆接口(内部端)215、9～16号电极电缆接口(内部端)216、17～24号电极电缆接口(内部端)217、主缆上行接口(内部端)21、下行接口(内部端)22。中控模块为基于单片机或嵌入式硬件的控制组件，可以通过通讯模块与主机建立通讯，接收主机的命令，通过电极控制模块控制某电极的连通状态。通讯模块和主机的通讯模块支持同样的通讯模式，与通讯线组218连接。主机和测站的通讯模块与通讯线缆一起组成完整的通讯系统。电源模块采用内置锂电池，为测站工作提供电源。主缆上行接口(内部端)和下行接口(内部端)的连线方式与主机内相应部件的连接方式相同，通讯模块作为一个总线设备挂接在通讯线组上。电极控制模块一侧通过接线PL1～PL24与电极电缆对应的接线连接(PL1与1号电极连通，以此类推)；另一侧通过接线与供电/测量线组219中的芯线L1～Li+3连接。

图6为电极控制模块的内部原理图，电极控制模块的接线主要包括连接主控模块的接线241，继电器驱动电路242，继电器组J1～J24。继电器组一侧分与相应的电极接线PL1～PL24连接，另一侧分别与供电/测量接线L1～Li+3连接。每个继电器组功能上可以视为一个单刀多掷的开关。继电器驱动电路根据中控模块发送的命令，控制需要的继电器模块的工作状态，例如需要3号电极作为供电电极A时，则控制继电器组J3，连通电极接线PL3和供电接线L1；需要20号电极作为测量电极N9时，则控制继电器组J20，连通电极接线PL20和测量接线L12，以此类推。对于测量中没有用到的电极，对应的继电器组处于开路状态；不在测量时，继电器组也处于开路状态。

图7为分布式主缆内部示意图，线束分为通讯线组31和供电/测量线组32(L1～Li+3)，外部为耐高压、防水、阻燃、抗拉的绝缘材料33。

图8为电极电缆示意图，电极电缆上的每个电极接头241对应一根芯线242(对于连接到测站1～8号电极接口上的有8个电极接头的电极电缆，则芯线分别为PL1～PL8)，电极接头外壳2411具有绝缘、抗压的保护功能，电极触点2410为良导体，与对应的芯线连接。电极触点可以单独作为接地体，也可以根据探测需要连接附加的接地体244。附加接地体为良导体材料制作，与电极触点通过导线243连接。

工作流程：

(1)利用专用软件进行电阻率成像观测系统的设计工作，确定电极数量、电极位置，进而确定采用分布式测站的个数。根据设计的观测系统生成命令文件。命令文件的内容包括文件头和命令行2部分，文件头包括系统测站数、电极数、装置类型等基本信息，命令行有多条，每条命令行对应1次供电-测量过程。命令行的内容包括供电电极A对应电极地址、供电电极B对应电极地址、测量电极M对应电极地址、测量电极N1对应电极地址……测量电极Ni对应电极地址。

(2)将命令文件传输或拷贝到主机当中。

(3)在工作现场，按照设计好的观测系统布置硬件设备。在设计位置布置电极或接地体，电极或接地体应接地良好，接地体和对应电极利用导线连接；电极缆连接到分布式测站对应的插座，主站和分布式测站通过分布式主缆连接。

(4)打开主机和各测站电源，利用主机键盘和屏幕，调取命令文件。主机根据命令文件完成系统自检，自检过程包括：与各测站的通讯测试，供电模块测试、测量模块测试、各电极的接地电阻测量、创建并保存测试数据文件等。

(5)系统自检完成后，各测站进入待测量状态，各继电器组处于开路状态。主机依次执行命令文件中的各命令行，按照命令行中列出的各电极地址，采用广播的方式向所有测站发送命令；测站接到命令后，命令中不涉及的测站，采取忽略命令的处理方式，命令中涉及的测站，则按照命令要求，驱动电极控制模块中相应的继电器组，切换到需要的状态；测站切换电极操作完成后，向主站发送一个执行完成的信号；主机接收到所有有关测站电极切换成功的信号后，进入测量程序，控制供电模块以恒流供电的方式，在A、B间施加电压信号；供电达到要求后，测量模块开始工作，测量M与N1～Ni间的电压，并将测量电压数据返回主机的主控模块；主机的主控模块记录下供电电压、供电电流、测量电压等数据，以文件格式写入存储模块，完成1次供电/测量。

(6)1次供电/测量完成后，主机向测站发送测量完成的信号，测站接收到信号后，恢复待测量状态，各继电器组回到开路状态，并向主机返回重置成功的信号。

(7)主机接收到所有测站的重置成功信号后，执行下1行命令，测量结果追加到数据文件中。依次循环，直到命令文件中所有的命令行执行完毕。

(8)所有命令行执行完毕后，主机发出测量完成的信号，测量工作结束，测量数据以文件形式保存在存储模块中。

(9)测量工作完成后，关闭主机和测站电源，收集硬件设备。当采用电极固定的长期监测模式时，测量工作完成后，主机和测站转入待机状态，到下一次测量时，主机自动唤醒各测站，进行下一次测量。

(10)现场工作完成后，数据文件可通过数据接口拷贝或传输到计算机中。利用专用软件，根据测量数据完成探测区域的电阻率成像。

Claims (8)

1.一种直流电阻率成像设备，其特征在于，包括主机、若干个分布式测站和主缆，所述主机和各分布式测站之间通过主缆相连；所述主缆包括通信线组和供电测量线组；

所述主机包括主控模块、主机通信模块、用于为供电电极供电和测量供电电流的供电模块和用于测量电极之间电压的测量模块；所述主控模块连接所述供电模块和测量模块；所述主控模块通过所述主机通信模块连接所述通信线组，所述供电模块和测量模块分别连接所述供电测量线组；

所述分布式测站包括控制模块、测站通信模块、用于接通不同电极的电极控制模块和若干个用于连接电极的电极电缆接口；所述控制模块连接所述电极控制模块；所述控制模块通过所述测站通信模块连接所述通信线组，所述电极控制模块连接所述供电测量线组；所述电极电缆接口连接所述电极控制模块；

所述电极控制模块包括继电器控制电路，每个电极的对应接线都通过对应单刀多掷继电器开关可选择的连接所述供电测量线组中的任一条接线；

所述供电测量线组中包括至少四根测量用芯线。

2.根据权利要求1所述的一种直流电阻率成像设备，其特征在于，所述分布式测站包括主缆上行接口和主缆下行接口；所述主缆上行接口和主缆下行接口中通信线组的各接口分别对应相连，所述主缆上行接口和主缆下行接口中供电测量线组的各接口分别对应相连。

3.根据权利要求2所述的一种直流电阻率成像设备，其特征在于，所述分布式测站通过主缆依次级联后与所述主机相连。

4.根据权利要求1所述的一种直流电阻率成像设备，其特征在于，所述主机还包括电源模块，所述电源模块包括蓄电池和外接电源接口。

5.根据权利要求1所述的一种直流电阻率成像设备，其特征在于，所述通信线组采用485或CAN总线。

6.根据权利要求1所述的一种直流电阻率成像设备，其特征在于，所述主机还包括数据接口和储存装置。

7.一种用于权利要求1所述的直流电阻率成像设备中的分布式测站，其特征在于，分布式测站还包括主缆接口；所述主缆接口包括通信端子和供电测量端子；所述控制模块通过所述测站通信模块连接所述通信端子，所述电极控制模块连接所述供电测量端子；每个电极的对应接线都通过对应单刀多掷继电器开关可选择的连接所述供电测量端子中的任一个端子。

8.根据权利要求7所述的分布式测站，其特征在于，所述主缆接口包括主缆上行接口和主缆下行接口；所述主缆上行接口和主缆下行接口中的各通信端子分别对应相连，所述主缆上行接口和主缆下行接口中的各供电测量端子分别对应相连。

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