CN113671577B - 基于云平台的四维高密度电法勘探系统及探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于云平台的四维高密度电法勘探系统及探测方法，包括电极、电极切换装置、数据采集板、高压发射板、基于MCU和ARM嵌入式一体机的嵌入式主控模块；高压发射板连接数据采集板，数据采集板连接基于MCU和ARM嵌入式一体机的嵌入式主控模块，数据采集板连接测量电极，测量电极连接电极切换装置；本发明是四维勘探系统，能很好地实施长时间重复观测某一地点的地下情况，对研究测量地点随着时间迁移发生的电性变化提供可实施方案。
Description
技术领域
本发明涉及高密度电法勘探领域，特别是基于云平台的四维高密度电法勘探系统及探测方法。
背景技术
高密度电法勘探是地球物理勘探中众多分支方法之一，用于查明地下电性结构，主要参数有电阻率和极化率。该方法广泛应用于能源与矿产资源勘探、工程地质勘探、环境地质勘探等领域。
现阶段，国内外高密度电法勘探系统普遍存在无法四维测量的问题，大部分系统还处于三维测量的阶段，这不易于长时间重复观测某一地点的地下情况。此外，个别系统的上位机软件界面过于复杂，需配合实体按键进行测量等操作，操作过于麻烦，难以上手。再者，大部分高密度勘探系统不具备远程监控的功能，需时刻守在测量地点，时间成本较大。
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于云平台的新型四维高密度电法勘探系统。首先，本发明是四维勘探系统，能很好地实施长时间重复观测某一地点的地下情况，对研究测量地点随着时间迁移发生的电性变化提供可实施方案。
此外，重复观测具备全程自动化的功能，科研人员只需设定好起始时间、终止时间及间隔时间即可，大大降低时间成本。
针对上位机软件界面过于复杂的问题，本系统全面取消实体按键，通过可触摸屏的方式，实现便捷的全自动测量，科研人员只需设定好起始参数即可。
整个测量过程以自动化的方式进行，减少人工产生的问题，保障测量稳定、快速进行。针对远程监控的功能，本设计可以实现在实验室远程控制野外一体机自动进行测量，测量灵活，大大降低时间成本。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了基于云平台的四维高密度电法勘探系统及探测方法。
本发明提供了基于云平台的四维高密度电法勘探系统，包括电极、电极切换装置、数据采集板、高压发射板、基于MCU和ARM嵌入式一体机的嵌入式主控模块；高压发射板连接数据采集板，数据采集板连接基于MCU和ARM嵌入式一体机的嵌入式主控模块，数据采集板连接测量电极，测量电极连接电极切换装置。
优选地，数据采集板包括接收电极MN通道、精准电阻通道、前端调理电路、ADC、隔离电路；精准电阻通道采集供电电极A、B前端精准电阻的电流，接收电极MN通道采集接收电极M、接收电极N之间的电压，精准电阻通道连接前端调理电路，接收电极MN通道连接前端调理电路，前端调理电路连接ADC，ADC连接隔离电路，隔离电路连接MCU。
优选地，电极包括供电电极A、供电电极B、接收电极M和接收电极N；当采用高密度电法勘探法测量时，供电电极A连接供电电极B，接收电极M连接接收电极N。
优选地，基于MCU和ARM嵌入式一体机的嵌入式主控模块包括MCU、ARM、4G DTU、SD卡、LED灯、电极切换装置、DAC、无源晶振、DC-DC、数据采集板；MCU连接数据采集板，通过数据采集板实现数据采集，MCU分别连接ARM、无源晶振、DAC、DC-DC、数据采集板，ARM分别连接MCU、4G DTU、SD卡、LED灯、电极切换装置，ARM连接电极切换装置进而控制电极的导通与关断，MCU能实现供电测量和数据采集的功能，通过数据采集板和高压发射板实现供电测量和数据采集。
优选地，高压发射板包括高压电源、保护电路、DC-DC、智能功率模块、供电电极A、供电电极B、精准电阻、隔离电路和数据采集板；高压电源连接保护电路，保护电路连接智能功率模块，智能功率模块分别连接供电电极A、供电电极B、精准电阻、隔离电路和DC-DC；精准电阻连接隔离电路，隔离电路连接数据采集板。
优选地，基于云平台的四维高密度电法探测系统的探测方法，包括以下步骤：
步骤一：一体机开机；
步骤二：上位机控制软件启动，该软件可自行工作，也可听从远程监控软件的命令工作；
步骤三：新建工程；
步骤四：配置参数，包括起始电极、终止电极、起始层数、终止层数、电极切换装置总数、电极距离、测量模式、装置类型、供电时间、断电时间、二次延时、电阻率颜色设定；
步骤五：编码地址；
步骤六：判断是否收到回执；若是则判断是否编码成功，若否则检测对应的电极切换装置；
步骤七：若编码成功则检查电极以及供电测量；若否则检测对应的电极切换装置；
步骤八：检查电极过程中，逐点显示当前测量的电极位置及电流值。如果电流值大小正常，则不会主动提示电极接地状况异常；如果电流值大小不正常，则会主动提示电极接地状况异常，提醒操作人员对不正常的电极进行检查；
步骤九：供电测量过程中，逐点计算电阻率、极化率及自动补偿电位。同时，逐点绘制剖面图、曲线图、逐点保存TXT格式数据；
步骤十：判断指令是否结束。检查电极指令若结束，则提醒操作人员已完成该检查指令，若否则重复步骤八；供电测量指令若结束，则保存所有数据的DAT、TXT格式文件，若否则重复步骤九；
步骤十一：结束。
本发明基于云平台的四维高密度电法勘探系统及探测方法的有益效果为：
1.通过基于云平台的四维高密度电法探测系统的探测方法，实现从三维向四维的维度转换，为长时间重复观测某一测量地点提供可能，通过长时间重复观测地下的情况变动，及时发现是否会发生地质灾害等。
2.远程勘探功能，为实现大规模长时间测量提供便利。早期的高密度电法勘探需要极大的人力物力，且效率极低，科研人员长时间待在野外，等待测量完成，造成了时间上的极大浪费。本设计的四维高密度电法勘探系统提供了远距离控制野外勘探的测量方式，不需要科研人员时时刻刻查看测量情况，自动化测量。
3.人机界面操作简单，无需配合按键进行供电测量，采用自动化测量的方式，解决了因为人工操作而有可能产生失误的问题。
附图说明
图1为高密度电法勘探法测量原理图；
图2为基于云平台的四维高密度电法勘探系统原理图；
图3为MCU电路图；
图4为数据通道电路图；
图5为隔离电路图；
图6为智能功率模块电路图；
图7为高压电路原理图；
图8为电极开关电路图；
图9为ABMN总线继电器电路图；
图10为电极切换装置主控电路图；
图11为基于云平台的四维高密度电法探测系统的探测方法软件流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图2所示，基于云平台的四维高密度电法勘探系统，包括电极、电极切换装置、数据采集板、高压发射板、基于MCU和ARM嵌入式一体机的嵌入式主控模块；高压发射板连接数据采集板，数据采集板连接基于MCU和ARM嵌入式一体机的嵌入式主控模块，数据采集板连接测量电极，测量电极连接电极切换装置。
如图4所示，本实施方案的数据采集板包括接收电极MN通道、精准电阻通道、前端调理电路、ADC、隔离电路；精准电阻通道采集供电电极A、B前端精准电阻的电流，接收电极MN通道采集接收电极M、接收电极N之间的电压，精准电阻通道连接前端调理电路，接收电极MN通道连接前端调理电路，前端调理电路连接ADC，ADC连接隔离电路，隔离电路连接MCU。
如图1和8所示，电极切换装置根据控制命令的不同，导通相应电极，促使相应电极成为测量电极。测量电极包括供电电极A、供电电极B、接收电极M和接收电极N；当采用高密度电法勘探法测量时，供电电极A连接供电电极B，接收电极M连接接收电极N。
本实施方案的基于MCU和ARM嵌入式一体机的嵌入式主控模块包括MCU、ARM、4GDTU、SD卡、LED灯、电极切换装置、DAC、无源晶振、DC-DC、数据采集板；MCU分别连接ARM、无源晶振、DAC、DC-DC、数据采集板，ARM分别连接MCU、4G DTU、SD卡、LED灯、电极切换装置；MCU连接数据采集板，通过数据采集板实现数据采集。
如图6-7所示，本实施方案的高压发射板包括高压电源、保护电路、DC-DC、智能功率模块、供电电极A、供电电极B、精准电阻、隔离电路和数据采集板；高压电源连接保护电路，保护电路连接智能功率模块，智能功率模块分别连接供电电极A、供电电极B、精准电阻、隔离电路和DC-DC；精准电阻连接隔离电路，隔离电路连接数据采集板。
如图11所示，基于云平台的四维高密度电法探测系统的探测方法，包括以下步骤：
步骤一：一体机开机；
步骤二：上位机控制软件启动，该软件可自行工作，也可听从远程监控软件的命令工作；
步骤三：新建工程；
步骤四：配置参数，包括起始电极、终止电极、起始层数、终止层数、电极切换装置总数、电极距离、测量模式、装置类型、供电时间、断电时间、二次延时、电阻率颜色设定；
步骤五：编码地址；
步骤六：判断是否收到回执；若是则判断是否编码成功，若否则检测对应的电极切换装置；
步骤七：若编码成功则检查电极以及供电测量；若否则检测对应的电极切换装置；
步骤八：检查电极过程中，逐点显示当前测量的电极位置及电流值。如果电流值大小正常，则不会主动提示电极接地状况异常；如果电流值大小不正常，则会主动提示电极接地状况异常，提醒操作人员对不正常的电极进行检查；
步骤九：供电测量过程中，逐点计算电阻率、极化率及自动补偿电位。同时，逐点绘制剖面图、曲线图、逐点保存TXT格式数据；
步骤十：判断指令是否结束。检查电极指令若结束，则提醒操作人员已完成该检查指令，若否则重复步骤八；供电测量指令若结束，则保存所有数据的DAT、TXT格式文件，若否则重复步骤九；
步骤十一：结束。
本实施方案在实施时，高密度电法勘探实际上是一种阵列勘探方法，起源于电阻率法，但优于电阻率法。优势在于，野外勘探时采用大量电极(几十至上百根)置于测点上，利用电极切换装置和主控装置向供电电极供电，实现数据快速、自动化采集。该方法发展至今，技术逐渐成熟，能测量的参数也从单一电阻率发展至多参数测量，常见的测量参数有电阻率、极化率、自然电位等。测量原理图如图1所示。
在本设计中，四维高密度电法勘探系统(以温纳装置为例)，A、B为供电电极；M、N为接收电极。
在硬件方面主要包括电极、电极切换装置、数据采集板、高压发射板、基于MCU(Microcontroller Unit,微控制单元)和ARM(Advanced RISC Machines)嵌入式一体机的嵌入式主控模块。
在软件方面主要包括电极切换装置控制软件、MCU测量控制软件、上位机控制软件及远程计算机监控软件。系统硬件整体框图如图2所示。
电极切换装置根据上位机指令导通相应电极的继电器，以温纳装置为例，导通供电电极A、B，接收电极M、N的继电器，高压发射板接收到MCU发送过来的供电测量指令，按照控制命令发送对应数值的高压电源。数据采集板有两个通道，其中一个通道采集供电电极A、B前端精准电阻的电流，另一个通道采集接收电极M、N之间的电压。此外，数据采集板利用前端调理电路去除模拟信号中的干扰，考虑到野外测量地点可能会面临电阻率或湿度过大的情况，设置了补偿VSP(self potential，自然电位)的功能。该功能的实现依赖于调理电路中的低功耗、高精度通用仪表放大器INA128，将INA128作为减法器使用，能减去由DAC(digital to analog converter，模数转换器)芯片转换得出的VSP，从而实现自电补偿的功能。自电补偿功能的启用，由上位机控制软件决定。
基于MCU和ARM的主控板作为四维高密度电法勘探系统的核心，需要完成数据存储、数据处理、数据实时显示、控制相应电极切换、供电测量、数据采集、人机交互、远程控制、四维测量等多项任务。本文采用“MCU+RAM”的设计方案，其中，MCU采用宏晶科技8051单片机系列的STC15W4K56S4，符合系统的整体设计要求，且成本较低；ARM选用蓝海微芯的LJD-eWinV5-ST7嵌入式一体机，该一体机资源丰富、自带触摸屏、体积小、功耗低、运行Windows CE操作系统。ARM一体机主要负责人机交互、传达多种控制命令、计算电阻率和极化率、保存数据、实时显示测量点的地下电性结构、关闭高压电源、与远程计算机监控软件通讯、根据远程计算机监控软件传达的控制命令自动执行相应操作、四维勘探等；MCU主要负责分析ARM发送过来的指令，并根据指令的不同执行供电测量及数据采集等功能。二者分工明确、相互配合，实现四维高密度电法勘探系统的多种功能，控制整个系统的运行。ARM一体机借助4G DTU(4G Data Transfer Unit，4G数据传输单元)模块实现与远程计算机的数据传输，操作人员可通过计算机控制ARM一体机执行测量等功能。
Claims (1)
1.基于云平台的四维高密度电法探测系统的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：一体机开机；
步骤二：上位机控制软件启动，该软件可自行工作，也可听从远程监控软件的命令工作；
步骤三：新建工程；
步骤四：配置参数，包括起始电极、终止电极、起始层数、终止层数、电极切换装置总数、电极距离、测量模式、装置类型、供电时间、断电时间、二次延时、电阻率颜色设定；
步骤五：编码地址；
步骤六：判断是否收到回执；若是则判断是否编码成功，若否则检测对应的电极切换装置；
步骤七：若编码成功则检查电极以及供电测量；若否则检测对应的电极切换装置；
步骤八：检查电极过程中，逐点显示当前测量的电极位置及电流值； 如果电流值大小正常，则不会主动提示电极接地状况异常；如果电流值大小不正常，则会主动提示电极接地状况异常，提醒操作人员对不正常的电极进行检查；
步骤九：供电测量过程中，逐点计算电阻率、极化率及自动补偿电位； 同时，逐点绘制剖面图、曲线图、逐点保存TXT格式数据；
步骤十：判断指令是否结束，检查电极指令若结束，则提醒操作人员已完成该检查指令，若否则重复步骤八；供电测量指令若结束，则保存所有数据的DAT、TXT格式文件，若否则重复步骤九；
步骤十一：结束；
其中，基于云平台的四维高密度电法勘探系统，包括电极、电极切换装置、数据采集板、高压发射板、基于MCU和ARM嵌入式一体机的嵌入式主控模块；所述高压发射板连接数据采集板，所述数据采集板连接基于MCU和ARM嵌入式一体机的嵌入式主控模块，所述数据采集板连接测量电极，所述测量电极连接电极切换装置；
所述数据采集板包括接收电极MN通道、精准电阻通道、前端调理电路、ADC、隔离电路；所述精准电阻通道采集供电电极A、B前端精准电阻的电流，接收电极MN通道采集接收电极M、接收电极N之间的电压，所述精准电阻通道连接前端调理电路，所述接收电极MN通道连接前端调理电路，所述前端调理电路连接ADC，所述ADC连接隔离电路，所述隔离电路连接MCU；
电极切换装置根据控制命令的不同，导通相应电极，促使相应电极成为测量电极；测量电极包括供电电极A、供电电极B、接收电极M和接收电极N；当采用高密度电法勘探法测量时，所述供电电极A连接供电电极B，所述接收电极M连接接收电极N；
所述基于MCU和ARM嵌入式一体机的嵌入式主控模块包括MCU、ARM、4G DTU、SD卡、LED灯、电极切换装置、DAC、无源晶振、DC-DC、数据采集板；所述MCU连接数据采集板，通过数据采集板实现数据采集，所述MCU分别连接ARM、无源晶振、DAC、DC-DC、数据采集板，所述ARM分别连接MCU、4G DTU、SD卡、LED灯、电极切换装置，所述ARM连接电极切换装置进而控制电极的导通与关断，所述MCU能实现供电测量和数据采集的功能，通过数据采集板和高压发射板实现供电测量和数据采集；
所述高压发射板包括高压电源、保护电路、DC-DC、智能功率模块、供电电极A、供电电极B、精准电阻、隔离电路和数据采集板；所述高压电源连接保护电路，所述保护电路连接智能功率模块，所述智能功率模块分别连接供电电极A、供电电极B、精准电阻、隔离电路和DC-DC；所述精准电阻连接隔离电路，所述隔离电路连接数据采集板。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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