最新智能化长周期天然场源电磁测量装置及其使用方法

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智能化长周期天然场源电磁测量装置及其使用方法
本发明提供了一种智能化长周期天然场源电磁测量的装置及其使用方法,所述装置包括传感器部件(1)、模拟数字转换模块(2)、智能控制模块(3)、对钟模块(4)、存储模块(5)、电源转换模块(6)、铅酸蓄电池(7)、通信模块(8)和便携式计算机(9),各部件之间协同作业,实现了在地面对长周期天然场源电磁信号进行精确测量,该装置的频率范围达20S~n*10000S(n为1~10间的自然数),测量幅值范围n×1uV~n×100mV(n为1~10间的自然数),测量动态范围达120dB,系统噪声小于1μVrms,工作温度范围-20℃~+70℃,功耗<4W。该装置具有高可靠性、多通道、大动态范围、抗干扰能力强、低功耗、存储介质容量大、智能化的特点。
智能化长周期天然场源电磁测量装置及其使用方法


[0001] 本发明涉及地球物理勘探领域,具体涉及一种物质勘探装置及探测方法,即智能 化长周期天然场源电磁测量的装置及其使用方法,其适用于在地面对长周期天然场源电磁 信号进行测量以研究地下介质的电阻率分布、探测地壳-上地幔三维导电性结构。


[0002] 当前,世界主要发达国家均将"地壳探测"计划作为本国的科技发展战略,以 揭开大陆地壳演化的奥秘、有效寻找资源、减轻自然灾害及保护环境,实现可持续发展。 如欧美国家已经实施或正在实施的"岩石圈探测计划(LithoProbe) "、"地球透镜计划 (EarthScope)"等为地壳形成演化、矿床成因理论、资源远景评价等提供了一系列新理论和 新的技术支撑。
[0003] 为改变我国当前面临能源与矿产资源紧缺的困境,也为进一步提升国家灾害预警 能力,我国于2008年开始实施"深部探测技术与实验研究(SinoProbe) "专项,作为"地壳 探测工程"的培育性研究计划。其中,"大陆电磁参数'标准网'实验研究(SinoProbe-ΟΙ) " 项目的目标是,解决构建大陆尺度、阵列式(Array)大地电磁测深"标准点"观测网的关键 技术问题,研究具体的实施方案,并提供示范性成果;为最终建立中国大陆岩石圈三维导电 性结构"标准"模型奠定基础;该项目对揭示中国大地构造特点及岩石圈结构将提供重要的 依据,对完善后板块的大地构造理论有重大意义。
[0004] 实施地壳与上地幔导电性结构探测和研究,需要采集周期长达数万秒的天然场源 电磁信号。其基本原理:当天然场源电磁信号在地下介质中传播时,由于电磁感应,地面电 磁场的观测值含有地下介质电阻率分布的信息,因此通过观测地面上相互正交的电磁场分 量,可以了解地下不同深度介质的电性结构。不同周期的电磁场信号具有不同的趋肤深度, 磁场的周期越长,其探测深度越大,当采集的天然场源电磁信号周期达数万秒时,探测深度 可达上地幔。
[0005] 目前专门用于长周期天然场源电磁信号观测的仪器只有加拿大生产的LIMS、美国 生产的NMS和乌克兰生产的LEMI-417。其中,UMS、NMS中的三分量磁传感器使用了某种 军用特殊材料,因而美国等国家一直禁止对我国出口;国内近些年使用的天然场源电磁信 号测量仪器只能是从乌克兰进口的LEMI-417,但这一型号的仪器价格一直在上涨,而且在 仪器技术性能方面也存在某些缺陷,如在接收不到GPS信号或GPS器件出故障时,系统记录 的时间错乱;未提供近参考、远参考测量功能;系统只能能对一台仪器采集的数据进行查 询分析,不能对一个时间段内多台仪器采集的数据文件进行灵活查询与直观分析。
[0006] 现在已经完成的"大陆电磁参数'标准网'实验研究(SinoProbe-ΟΙ)"项目,很好 地解决了构建阵列式(Array)大地电磁测深"标准点"观测网的一系列关键技术问题和具 体的实施方案,并提供了示范性成果;这为我国即将启动的"地壳探测工程"中所要实现的 中国大陆地壳-上地幔三维导电性结构探测这一伟大工程任务奠定了良好的技术基础。显 然,完成这项巨大工程任务必需在全国范围内完成大量周期长达数万秒、高质量的天然场 源电磁信号观测,无疑需要使用大量长周期天然场源电磁信号观测装置。
[0007] 因此,很有必要研发具有我国自主知识产权、技术性能优良、高智能化的长周期天 然场源电磁信号观测装置,这将填补我国长周期天然场源电磁信号观测仪器研制的空白, 对于加强我国在壳-幔导电性结构研究领域的仪器支撑条件,大力提升研究水平,具有重 要意义。




[0008] 为了克服在地面进行长周期天然场源电磁信号测量所面临的上述问题,本发明提 出一种智能化长周期天然场源电磁测量的装置及其使用方法。
[0009] 依据本发明的第一方面,智能化长周期天然场源电磁测量的装置包括传感器部 件、模拟数字转换模块、智能控制模块、对钟模块、存储模块、电源转换模块、铅酸蓄电池、通 信模块、便携式计算机,所述传感器部件由长周期电场传感器、三分量磁通门传感器和温度 传感器组成;所述长周期电场传感器、三分量磁通门传感器和温度传感器的输出端与模拟 数字转换模块的电压信号输入端相连接;所述模拟数字转换模块的输出端与智能控制模块 的通用I / 0 口相连接;所述对钟模块由GPS模块、GPS天线、实时时钟电路和充电电池组 成;所述GPS模块和实时时钟电路的输入输出信号与智能控制模块的通用I / 0 口相连接; 所述存储模块由存储接口、CF卡和读卡器组成;所述存储接口的I / 0总线与智能控制模 块的总线相连接,将模拟数字转换模块的转换结果通过存储接口存储到CF卡;所述CF卡通 过读卡器将模拟数字转换模块的转换结果传送到便携式计算机;所述通信模块有无线通信 和有线通信两种方式;智能控制模块通过通信模块与便携式计算机进行信息交互;所述电 源转换模块将铅酸蓄电池提供的电源转换为各部件所需电源,为各部件提供电源。
[0010] 依据本发明的第二方面,使用上述智能化长周期天然场源电磁测量装置的测量方 法,包括如下步骤:
[0011] 1)在待观测区域选择干扰相对少的地点进行布站,选择一点作为中心测点,挖 50CM深的坑埋设一个长周期电场传感器,通过导线接至本长周期天然场源电磁信号测量装 置的"地"信号端,借助森林罗盘,在中心测点的北、南、西、东四个方向的50米处,分别挖一 个直径30CM、深50CM的圆柱体坑,各埋设2个长周期电场传感器,作为电场信号的Exl+、 Ex2+、Exl-、Ex2-、Eyl+、Ey2+、Eyl-、Ey2-,通过60米的导线连接至模拟数字转换模块2,另 外挖一个50CM(长)X50CM(宽)X 100CM(高)的长方体坑,以放置三分量磁通门传感器, 并通过专用电缆连接至模拟数字转换模块。
[0012] 2)架好GPS天线,接通铅酸蓄电池给本发明装置上电,本发明装置上电后完成各 个模块的初始化,检测各部件是否正常。
[0013] 3)便携式计算机数据交互软件通过通信模块访问并控制智能控制模块,使智能控 制模块获取GPS模块提供的GPS信息,并将获取的时间写入实时时钟电路,以保证多台长周 期天然场源电磁信号测量装置的时间同步,便于进行远参考观测,其同步精度为l〇_ 8s / s; 由于实时时钟电路在电源掉电的情况下时钟源也不会丢失,因此若观测区域的GPS信号较 差或GPS部件损坏,便携式计算机的数据交互软件通过通信模块命令智能控制模块采用实 时时钟电路提供的时间信息。
[0014] 4)便携式计算机的数据交互软件通过通信模块对智能控制模块进行控制,使本发 明装置开始试采数据,试采的数据一方面存储于CF卡,一方面通过通信模块存储于便携式 计算机,数据交互软件对数据进行解码、复原,并动态图形化显示,指导用户调节三分量磁 通门传感器的位置,使其三个方向分别指向正北、正东、正下,并帮助用户分析数据的采集 质量。
[0015] 5)便携式计算机的数据交互软件通过通信模块对智能控制模块进行控制,使试 采结束,智能控制模块在试采后,根据试采的数据计算出较佳的增益等采集参数,反馈给用 户。
[0016] 6)用户根据对试采数据的分析与智能控制模块计算得到的采集参数,综合评价, 设置合理的采集参数,并由便携式计算机的数据交互软件通过通信模块反馈给智能控制模 块,控制本发明装置开始正式采集数据,采集的数据一方面存储于CF卡,一方面通过通过 通信模块存储于便携式计算机。仪器开始采集数据后,可随时将便携式计算机与本发明装 置脱离,使本发明装置单独工作。
[0017] 7)数据采集过程中,智能控制模块可通过LED指示灯显示其工作状态,并通过通 信模块向外发送采集的数据与状态信息,便携式计算机可随时与本发明装置连接,获取上 述信息。
[0018] 8)当给定的数据采集时间到达后,将便携式计算机与本发明装置相连接,便携式 计算机的数据交互软件通过通信模块发送停止命令到智能控制模块,使采集工作结束;关 闭铅酸蓄电池提供的电源,将CF卡中的数据通过读卡器读入便携式计算机,经数据处理、 反演软件,获得地下介质的电阻率分布、三维导电性结构。
[0019] 使用本发明的智能化长周期天然场源电磁测量的装置及其使用方法,可以在地面 对长周期天然场源电磁信号进行测量,以利于研究地下介质的电阻率分布、探测地壳-上 地幔三维导电性结构。该智能化长周期天然场源电磁测量的装置可在恶劣的工作环境下能 获取幅值在nX IuV?nX IOOmV范围、频带在20S?nX 10000S范围内的天然场源电磁信 号(η为1?10间的自然数),且具备易用性好、可靠性高、功耗低等特点。




[0020] 图1为依据本发明的智能化长周期天然场源电磁测量的装置的结构示意图;
[0021] 图2为依据本发明的智能化长周期天然场源电磁测量的装置的作业示意图;
[0022] 图3为本发明的智能化长周期天然场源电磁测量的装置中的模拟数字转换模块 的原理框图;
[0023] 图4为本发明的智能化长周期天然场源电磁测量的装置中的存储模块的存储接 口电路原理不意图;
[0024] 图5为本发明的智能化长周期天然场源电磁测量的装置中的智能控制模块的电 路原理不意图;
[0025] 图6为本发明的智能化长周期天然场源电磁测量的装置中的电源转换模块的结 构框图;
[0026] 图7为本发明的智能化长周期天然场源电磁测量的装置中的基于有线通信方式 的通信模块结构框图;
[0027] 图8为本发明的智能化长周期天然场源电磁测量的装置中的基于无线通信方式 的通信模块结构框图。
[0028] 具体实施方法:
[0029] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基 于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其 他实施例,都属于本发明保护的范围。
[0030] 下面结合附图对本发明的结构原理与工作原理进行具体的描述:
[0031] 参见图1与图2,图1为本发明智能化长周期天然场源电磁测量的装置的结构示 意图,图2为本发明智能化长周期天然场源电磁测量的装置的作业示意图。本发明智能化 长周期天然场源电磁测量的装置包括传感器部件1、模拟数字转换模块2、智能控制模块3、 对钟模块4、存储模块5、电源转换模块6、铅酸蓄电池7、通信模块8、便携式计算机9,所述 传感器部件1由长周期电场传感器11、三分量磁通门传感器12和温度传感器13组成;所 述长周期电场传感器11、三分量磁通门传感器12和温度传感器13的输出端与模拟数字转 换模块2的电压信号输入端相连接;所述模拟数字转换模块2的输出端与智能控制模块3 的通用I / 0 口相连接;所述对钟模块4由GPS天线41、GPS模块42、实时时钟电路43和 充电电池44组成;所述GPS模块42和实时时钟电路43的输入输出信号与智能控制模块3 的通用I / 0 口相连接;所述存储模块5由存储接口 51、CF卡52和读卡器53组成;所述 存储接口 5的I / 0总线与智能控制模块3的总线相连接,将模拟数字转换模块2的转换 结果通过存储接口 51存储到CF卡52 ;所述CF卡52通过读卡器53将模拟数字转换模块 2的转换结果传送到便携式计算机9 ;所述通信模块8有无线通信和有线通信两种方式;智 能控制模块3通过通信模块8与便携式计算机9进行信息交互;所述电源转换模块6将铅 酸蓄电池7提供的电源转换为各部件所需电源,为各部件提供电源。
[0032] 再参见图1与图2,所述传感部件1包括:长周期电场传感器11共计9个,其中1个 埋设于中心测点,通过导线接至本长周期天然场源电磁信号测量装置的"地"信号端,另外 分别在中心测点的北、南、西、东四个方向的50米处各埋设2个,采用60米的电极线将其与 模拟数字转换模块2相连接,接收天然场源中的电场信号并转换输出与电场变化相对应的 模拟信号,得到两组水平正交的电场(Ex、Ey),提高了系统的容错性,长周期电场传感器采 用自行研制的固态不极化电极;三分量磁通门传感器12,采用专用电缆将其与模拟数字转 换模块2相连接,接收天然场源中的磁场信号并转换输出与磁场变化相对应的模拟信号, 试采时,调整其位置,使其三个方向分别指向正北、正东、正下,得到三路相互正交磁场信号 (Hx、Hy、Hz),磁通门传感器选用Mag-03MSESL70,其测量范围为±7000NT、精度为0· 006NT、 重量为160g、尺寸为32mmX32mmX 166mm ;温度传感器13,测量三分量磁通门传感器的温度 变化,用于对磁场测量信号进行修正,选择了单片集成两端感温电流源AD590,测温范围广 (_55°C?150°C )、精度高、抗干扰能力强,且流过器件的电流与热力学温度成下比,易于修 正。
[0033] 参见图3,图3为本发明装置的模拟数字转换模块2的原理框图。模拟数字转换 模块2采用了 Cirrus Logic公司推出了新一代套片方案,每个套片方案由4片CS3301运 算放大器23、2片CS5372调制器24、1片CS5376滤波器25组成,本系统采用了两个套片 方案;第一个套片方案将长周期电场传感器11获取的电场模拟信号Exl、Eyl、Ex2、Ey2转 换为数字信号,第二个套片方案将三分量磁通门传感器12获取的磁场信号对应的电压信 号Hx、Hy、Hz以及温度传感器13获取的三分量磁通门传感器温度对应的电压信号Tb转换 为数字信号。为保证两片CS5376滤波器25同步,两片CS5376滤波器25外接同一高精度 晶振26,并受智能控模块3同一引脚触发其工作。该套片方案中CS3301运算放大器23有 1X、2X、4X、8X、16X、32X、64X共7种增益模式,IX增益下测量的最大信号为±2. 5V, 64 X增益下测量的最大信号为±39mV,且64 X增益下测量的精度小于IOOnV,从而使测量 动态范围可达120dB。由于三分量磁通门传感器的输出值达±10V,通过前置放大电路调 节三分量磁通门传感器的输出达到CS3301运算放大器23可允许的范围,但此举降低了测 量精度,为增大磁场的测量精度,系统采用了反馈控制,在电路中增加了数字/模拟转换器 3片DAC8565器件27,使其输出分别与Hx、Hy、Hz的恒定部分抵消,即仅对可变部分进行放 大,使第二个套片方案中CS3301运算放大器工作于64X增益。
[0034] 再参见图2,图中所示的对钟模块4由GPS天线41、GPS模块42、实时时钟电路43、 充电电池44组成。GPS天线41获取的GPS信息由GPS模块42交给智能控制模块3,并将 获取的时间写入实时时钟电路43,实时时钟电路43由充电电池44供电,实时时钟电路43 在电源掉电的情况下时钟源也不会丢失,若观测区域的GPS信号较差或GPS部件损坏,本发 明装置采用实时时钟电路43提供的时间信息。对钟模块2保证了多台长周期天然场源电 磁信号测量装置的时间同步,便于进行远参考观测,其同步精度为l〇_ 8s / s;
[0035] 参见图4,图4为本发明装置存储模块5的存储接口 51电路原理示意图,本装置采 用了耗电量低、抗震性强、插拔性优的CF卡作为存储介质,故需要设计存储接口,本发明采 用智能控制模块3提供的总线生成的存储接口 51与CF卡相连接,工作前CF卡52需要插 入该存储接口 51,获取采集的电场、磁场与温度数据,工作后,CF卡52中的数据通过读卡器 53读取至便携式计算机9, CF卡采用了 FAT16作为文件系统格式。
[0036] 参见图7,图7为基于有线通信方式的通信模块结构框图。基于有线通信方式的通 信模块采用MAX3232芯片81将TTL电平转换为RS232电平,直接与便携式计算机的串口相 连接,使智能控制模块3与便携式计算机9进行信息交互。
[0037] 参见图8,图8为基于无线通信方式的通信模块结构框图。基于无线通信方式的 通信模块由MAX3232芯片81、无线收发模块A82与无线收发模块B83组成。智能控制模块 3发送的信息经MAX3232芯片81交给无线收发模块A82,由无线收发模块A82发送出去,无 线收发模块B83接收到信息后,经便携式计算机9的串口交给便携式计算机9。反之亦然。 无线收发模块采用信号为JN5121控制的大功率模块。无线通信方式使用户在恶劣气候条 件下可于附近的帐篷、汽车内操。
[0038] 参见图5,图5为智能控制模块3的电路原理示意图。智能控制模块3的主控器 件采用8位CMOS处理器Atmegal28, Atmegal28性能高、功耗低,其采用先进的RISC结构 与单周期指令执行时间,数据吞吐率可达IMIPS / MHz,减缓了系统在功耗与处理速度间的 矛盾,且内部资源丰富(具有128KB的FLASH内部存储器、4KB的EEPROM与4KB的SRAM数 据存储空间,含53个可编程多功能I / 0 口、2个8位定时计数器、2个16位定时计数器、 SPI、I2C、USART、8路ADC等),带JTAG接口,下载程序简单,便与调试。
[0039] Atmegal28 的 PBO ?PB7、PD4 ?PD5、PE2 ?PE5、PG3 ?PG4、PFl 共 17 个个 I/O 口与模拟数字转换模块2相连接,PB4选择第一个套片方案的CS5376、PD4选择第二个套片 方案的CS5376、PD5选择第二个套片方案的辅助用的DAC8565、PE4与PE5分别查询两个套 片方案是否准备好、PBO与PB5?PB6控制两个套片方案数据采集的同步性、PBl?PB3为 两个套片方案下载配置参数、PE2?PE3获取第一个套片方案的转换结果、PG3?PG4获取 第二个套片方案的转换结果、PFl对DAC8565进行软件复位。
[0040] Atmegal28的TxDUTxDI与INT7共3个I / 0 口与对钟模块4的GPS模块42相 连接,TxDl、TxDl为两者提供串行通信工作方式,INT7接收GPS模块42提供的秒中断(在 GPS信号有效时)。GPS模块选用的型号为iTrax02。
[0041] Atmegal28的SCL、SDA与INT6共3个I / 0 口与对钟模块4的实时时钟电路43 相连接,SCL、SDA提供I2C通信工作方式,INT6接收实时时钟电路43提供的中断(在GPS 信号无效时)。实时时钟电路采用PCF8563。
[0042] Atmegal28 的 PAO ?PA7、PC0 ?PC4、ALE、RD、WR、PD6 与 PD7 共 18 个 I / 0 口与 存储模块5相连接,PAO?PA7为存储模块5提供数据线、PCO?PC7为存储模块5提供地 址线、RD与WR为存储模块5提供读写控制信号、PD7为存储模块5提供软件复位控制信号、 PD6为存储模块5提供检测CF卡52是否存在的反馈信号。
[0043] Atmegal28的TxDO、TxDO两个I / 0 口与通信模块8相连接,两者之间的通信方 式为串行通信。
[0044] Atmegal28的PF2外接LED,指示本装置的工作状态;PF3外接按键,为智能控制模 块3提供快速停止采集的快捷方式;PR)获取铅酸蓄电池7的电量,不足时进行报警。
[0045] 参见图6,图6为电源转换模块6的结构框图。本发明装置采用铅酸蓄电池7为整 个系统供电,由于本发明装置采用的元器件与部件较多,不同的元器件或部件采用的工作 电压不同,电源转换模块6采用了大量转化效率高、噪声低的DC / DC(直流转直流电源), 具体包括:铅酸蓄电池7转+12V的DC / DC元器件61,为三分量磁通门传感器12提供工 作电压,本发明选用的铅酸蓄电池7转+12V的DC / DC元器件61是LT1962 ;铅酸蓄电池7 转+5V的DC / DC元器件62,为DAC器件(DAC8565) 27供电,本发明选用的铅酸蓄电池7转 +5V的DC / DC元器件62是LT1962 ;铅酸蓄电池7转+3. 3V的DC / DC元器件64,为智能 控制模块3、存储模块5提供工作电压,本发明选用的铅酸蓄电池7转+3. 3V的DC / DC元 器件64是LM2674 ;铅酸蓄电池7转+4V的DC / DC元器件63,为系统提供中间转换电压, 本发明选用的铅酸蓄电池7转+4V的DC / DC元器件63是LM2674 ;+4V转+2. 5V的DC / DC元器件65,为运算放大器(CS3301)23提供工作电压,本发明选用的+4V转+2. 5V的DC / DC元器件65是LT1962;+4V转-3V的DC / DC元器件66,为系统提供中间转换电压,本发 明选用的+4V转-3V的DC / DC元器件66是MAX764 ;-3V转-2. 5V的DC / DC元器件67, 为运算放大器(CS3301)23提供工作电压,本发明选用的-3V转-2. 5V的DC / DC元器件67 是LT1964 ;-3V转-12V的DC / DC元器件68,为三分量磁通门传感器12提供工作电压,本 发明选用的-3V转-12V的DC / DC元器件68是LT1964。
[0046] 再参见图2,使用智能化长周期天然场源电磁测量的装置的方法包括如下步骤:
[0047] 1)在待观测区域选择干扰相对少的地点进行布站,选择一点作为中心测点,挖 50CM深的坑埋设一个长周期电场传感器11,通过导线接至本长周期天然场源电磁信号测 量装置的"地,"信号端,借助森林罗盘,在中心测点的北、南、西、东四个方向的50米处,分 别挖一个直径30CM、深50CM的圆柱体坑,各埋设2个长周期电场传感器11,作为电场信号 的Exl+、Ex2+、Exl-、Ex2-、Eyl+、Ey2+、Eyl-、Ey2-,通过60米的导线连接至模拟数字转换 模块2,另外挖一个50CM (长)X 50CM (宽)X 100CM (高)的长方体坑,以放置三分量磁通门 传感器13,并通过专用电缆连接至模拟数字转换模块2。
[0048] 2)架好GPS天线41,接通铅酸蓄电池7给本发明装置上电,本发明装置上电后完 成各个模块的初始化,检测各部件是否正常。
[0049] 3)便携式计算机9数据交互软件通过通信模8块访问并控制智能控制模块3,使 智能控制模块3获取GPS模块42提供的GPS信息,并将获取的时间写入实时时钟电路43, 以保证多台长周期天然场源电磁信号测量装置的时间同步,便于进行远参考观测,其同步 精度为10Λ / s ;由于RTC在电源掉电的情况下时钟源也不会丢失,因此若观测区域的GPS 信号较差或GPS部件损坏,便携式计算机9的数据交互软件通过通信模块8命令智能控制 模块3采用实时时钟电路43提供的时间信息。
[0050] 4)便携式计算机9的数据交互软件通过通信模块8对智能控制模块3进行控制, 使本发明装置开始试采数据,试采的数据一方面存储于CF卡52, 一方面通过通信模块8存 储于便携式计算机9,数据交互软件对数据进行解码、复原,并动态图形化显示,指导用户调 节三分量磁通门传感器12的位置,使其三个方向分别指向正北、正东、正下,并帮助用户分 析数据的采集质量。
[0051] 5)便携式计算机9的数据交互软件通过通信模块8对智能控制模块3进行控制, 使试采结束,智能控制模块3在试采后,根据试采的数据计算出较佳的增益等采集参数,反 馈给用户。
[0052] 6)用户根据对试采数据的分析与智能控制模块3计算得到的采集参数,综合评 价,设置合理的采集参数,并由便携式计算机9的数据交互软件通过通信模块3反馈给智能 控制模块3,控制本发明装置开始正式采集数据,采集的数据一方面存储于CF卡52, 一方面 通过通过通信模块8存储于便携式计算机9。仪器开始采集数据后,可随时将便携式计算机 9与本发明装置脱离,使本发明装置单独工作。
[0053] 7)数据采集过程中,智能控制模块3可通过LED指示灯显示其工作状态,并通过通 信模块8向外发送采集的数据与状态信息,便携式计算机9可随时与本发明装置连接,获取 上述信息。
[0054] 8)当给定的数据采集时间到达后,将便携式计算机9与本发明装置相连接,便携 式计算机9的数据交互软件通过通信模块8发送停止命令到智能控制模块3,使采集工作结 束;关闭铅酸蓄电池7提供的电源,将CF卡52中的数据通过读卡器53读入便携式计算机 9,经数据处理、反演软件,获得地下介质的电阻率分布、三维导电性结构。
[0055] 本发明的装置及其使用方法是本发明人经过长时间研究,投入巨大精力而获得技 术成果。具体地,本发明智能化长周期天然场源电磁测量的装置解决了以下技术难点:
[0056] 1)如何保证电路系统能长时间进行数据采集
[0057] 仪器在野外工作,一般采用铅酸蓄电池供电,且由于实施壳-幔导电性结构的探 测和研究,需要采集频带范围为20S?nX 10000S的天然场源电磁信号(η为1?10间的 自然数),故系统在每个测点需要连续工作10天左右,甚至3?4周,所以系统一方面要具 备低功耗的特点,另一方面要具有较强的可靠性与稳定性,能进行故障自检与系统死机后 重启。
[0058] 如何提高电路系统的抗干扰能力与信噪比
[0059] 天然场源电磁信号一般低于nX IOOmV(η为1?10间的自然数),信号极为微弱、 幅度小,且随着国家经济发展电磁噪声变得日益严重,大地电磁数据观测质量呈下降趋势, 特别是电场数据观测质量下降趋势更明显,仪器应具备高精度、低噪声特性,能检测微弱的 有用信号,要求仪器系统噪声小于luVpp,测量动态范围达120dB。
[0060] 2)如何实现电磁信号的多通道、智能化采集
[0061] 系统测量的信号包括3道互相正交的磁信号HX、Hy、Hz,水平面上互相垂直的电信 号Ex、Ey,以及仪器的工作温度Tb。由于同磁场电场数据观测质量相比,电场数据观测质量 下降趋势更明显,为提高测量的可靠性与容错性,选用高性能的长周期电场传感器,且电场 信号Ex、Ey各测两路,分别为Exl、Ex2与Eyl、Ey2 ;磁场传感器选用三分量磁通门传感器, 温度传感器选用抗干扰能力强、精度高的AD590,上述8个测量信号在采集时应保持同步。 仪器所有的操作均应智能化,自动进行数据采集、存储、检查数据是否丢失并进行插值等。
[0062] 3)如何实现远参考技术
[0063] 由于电磁场信号为微弱信号,仪器工作时,各测量信号容易受到各种噪音干扰,且 可能是相同噪音干扰。当用多台仪器进行工作时,若仪器之间的距离选择合适,则它们既 可能避开相同噪音影响,保证噪音不相关,又由于磁场较少受到地表电性不均匀影响,保证 磁场信号间有相关性。此时,若用另外一台仪器采集的磁场信号代替本仪器采集的磁场信 号,则可消除不相关噪音的影响。该技术称带远参考方式的观测技术,是当前最先进的电磁 测深资料观测技术。该技术需要仪器采用相同的时钟计时方式。采用GPS对钟方式,可为 多台仪器实现远参考测量提供保证。但GPS信号较弱或GPS部件出现故障时,仪器的时间 记录容易出现错误;为此,本仪器设计了 1个带充电电池的应急实时时钟源RTC(Real_Time Clock),工作前,系统在附近GPS信号较强的地方进行一次对钟,获取国际标准时间,保存 在RTC中,由于RTC在仪器电源掉电的情况下时钟源也不会丢失,因此系统在测点工作时, 当没有GPS信号时,依靠该高精度的时钟源获取时间,可成功解决无 GPS信号时,仪器不工 作或时间记录出错等问题。
[0064] 4)选择数据存储介质依据及如何对采集的数据进行存储与管理
[0065] 由于本仪器在野外采集数据的时间较长,在每个测量点一般连续测量10天,有时 达3-4周,甚至更长,因此需要大容量的数据存储介质,且存储介质应有抗震性、体积小、重 量轻、功耗低、插拔性好等特点,综合各类存储介质,选择了 CF卡。由于采集数据最终需要 利用读卡器读取后在PC机上进行检查、回放、处理等,故CF卡的文件格式应与PC机文件系 统相一致,即用Windows操作系统在CF卡中建立一个文件系统,使该文件系统能够对CF卡 中的数据进行有效管理。目前PC机中广泛使用的文件系统包括FAT (又分为FAT12、FAT16、 FAT32)、NTFS,其中FAT (File Allocation Table文件分配表)文件系统产生于20世纪80 年代初,是MS-DOS、WindowsXP操作系统支持的文件系统,由于长周期大地电磁数据处理系 统大多基于DOS和WindowsXP,故本系统采用了 FAT16。
[0066] 5)如何避免用户在恶劣环境下必须在现场工作
[0067] 仪器在野外工作,经常遇到大雪、大风、寒冷等恶劣天气,为避免工作人员只能在 寒风等恶劣条件下工作,便携式计算机与仪器的通信采用了两种方式一有线通信(串行通 信)与无线通信,前者适合于正常天气下的现场操作,后者适用于恶劣天气条件下在附近 的帐篷、汽车内操作。另外,仪器工作时,出现铅酸蓄电池工作电压不足、CF卡存储空间不 够等,报警信息也可通过无线操作及时传递给看站的工作人员。
[0068] 6)上位机数据交互软件开发
[0069] 采集部件采集后的数据通过串行通信或无线通信,上传至便携式计算机,由上位 机的数据回放软件进行预处理、时间序列图形化回放浏览等。
[0070] 本发明智能化长周期天然场源电磁测量的装置达到了如下技术指标:
[0071] >频率范围:20S?n*10000S(n为1?10间的自然数);
[0072] >测量电路中包含有8路数据采集通道,其中分别采集水平正交的四路电场(Exl、 Eyl、Ex2、Ey2)、水平与垂直相互正交的三路磁场(Hx、Hy、Hz)、一路温度信号;
[0073] >测量幅值:nX IuV?nX 100mV(n为1?10间的自然数);
[0074] >采用高速度高精度24位模拟数字转换;
[0075] >采用基于精简指令集RISC的低功耗8位CMOS处理器Atmegal28单片机作为控 制芯片,实现智能化自动操作、记录与存储;
[0076] >测量动态范围:120dB ;
[0077] >系统噪声小于1 μ Vrms ;
[0078] >存储空间2GB ;
[0079] >"GPS+高精度温度补偿晶振"方式同步误差小于20ns ;
[0080] >时钟稳定度优于10_8s / s ;
[0081] >采用自行研制的固态不极化电场电极作为长周期电场传感器;
[0082] >采用三分量磁通门传感器;
[0083] >可测量仪器的观测位置、内部温度等参数;
[0084] >仪器整机功耗:〈4W ;
[0085] >仪器工作温度范围-20°C?+70°C。
[0086] 上述步骤详细描述了本发明提出的装置及方法,本领域的普通技术人员可以理 解,在不背离所附权利要求定义的本发明的精神与范围的情况下,可以在形式和细节中做 出多种修改。因此,所有参考本发明技术方案所做的各种修改,均应归入本发明保护的范围 之内。

1. 一种智能化长周期天然场源电磁测量的装置,其包括本发明装置包括传感器部件 1、模拟数字转换模块(2)、智能控制模块(3)、对钟模块(4)、存储模块(5)、电源转换模块 (6)、铅酸蓄电池(7)、通信模块(8)、便携式计算机(9),其特征在于: 所述传感器部件(1)由长周期电场传感器(11)、三分量磁通门传感器(12)和温度传感 器(13)组成;所述长周期电场传感器(11)、三分量磁通门传感器(12)和温度传感器(13) 的输出端与模拟数字转换模块(2)的电压信号输入端相连接;所述模拟数字转换模块(2) 的输出端与智能控制模块(3)的通用I / 0 口相连接;所述对钟模块(4)由GPS天线(41)、 GPS模块(42)、实时时钟电路(43)和充电电池(44)组成;所述GPS模块(42)和实时时钟电 路(43)的输入输出信号与智能控制模块(3)的通用I / 0 口相连接;所述存储模块(5)由 存储接口(51)、CF卡(52)和读卡器(53)组成;所述存储接口(5)的I / 0总线与智能控 制模块(3)的总线相连接,将模拟数字转换模块(2)的转换结果通过存储接口(51)存储到 CF卡(52);所述CF卡(52)通过读卡器(53)将模拟数字转换模块(2)的转换结果传送到 便携式计算机(9);所述通信模块(8)有无线通信和有线通信两种方式;智能控制模块(3) 通过通信模块(8)与便携式计算机(9)进行信息交互;所述电源转换模块(6)将铅酸蓄电 池(7)提供的电源转换为各部件所需电源,为各部件提供电源。
2. 如权利要求1所述的装置,其中所述传感器部件包括:9个长周期电场传感器(11), 其中1个长周期电场传感器埋设于中心测点,通过导线接至该长周期天然场源电磁信号测 量装置的"地"信号端;另外分别在中心测点的北、南、西、东四个方向的50米处各埋设2个 长周期电场传感器,采用60米的电极线将北、南、西、东四个方向埋设的共计8个长周期电 场传感器与模拟数字转换模块(2)相连接,接收天然场源中的电场信号并转换输出与电场 变化相对应的模拟信号,长周期电场传感器采用自行研制的固态不极化电极; 采用专用电缆将三分量磁通门传感器(12)与模拟数字转换模块(2)相连接,接收天然 场源中的磁场信号并转换输出与磁场变化相对应的模拟信号,三分量磁通门传感器的型号 为 Mag-03MSESL70 ; 温度传感器13,测量三分量磁通门传感器的温度变化,用于对磁场测量信号进行修正, 选择了单片集成两端感温电流源AD590。
3. 如权利要求1所述的装置,其中所述模拟数字转换模块采用Cirrus Logic公司推出 的套片方案。
4. 如权利要求1所述的装置,其中所述对钟模块包括: GPS天线(41),获取由通信卫星提供的的GPS信息,通过专用信号线交给GPS模块 (42); GPS模块(42),与智能控制模块(3)的串口 2连接,将GPS天线(41)获取的GPS信息 交给智能控制模块(3),由智能控制模块(3)析出测点的位置信息与采集时间信息,GPS模 块采用型号为42iTrax02 ; 实时时钟电路(43),与智能控制模块(3)的I2C 口连接,智能控制模块(3)将获取的时 间写入实时时钟电路(43),实时时钟电路(43)由充电电池(44)供电,实时时钟电路(43) 型号为PCF8563 ; 充电电池(44),为实时时钟电路供电,使实时时钟电路在掉电的情况下,时钟源信号不 丢失。
5. 如权利要求1所述的装置,其中所述存储模块包括: 存储接口(51),与智能控制模块(3)的总线相连接,转化为适于CF卡工作的信号线,并 与CF卡连接,接收智能控制模块(3)传输来的采集参数与采集数据,存储到CF卡; CF卡(52),与存储接口(51)相连接,存储智能控制模块(3)传输来的采集参数与采集 数据,CF卡采用了计算机操作系统通用的FAT16文件系统格式; 读卡器(53),将CF卡(52)的存储数据以文件格式传递到便携式计算机(9),便于便携 式计算机(9)处理。
6. 如权利要求1所述的装置,其中所述电源转换模块包括: 电源转换模块,采用铅酸蓄电池为整个长周期天然场源电磁信号进行测量的装置供 电,电源转换模块采用了直流转直流电源LT1962、LT1964、MAX764或LM2674。
7. 如权利要求1所述的装置,其中所述智能控制模块(3)的型号为Atmegal28。
8. 如权利要求1所述的装置,其中所述通信模块包括: 基于有线通信方式的通信模块,采用MAX3232芯片(81)将TTL电平转换为RS232电平, 直接与便携式计算机(9)的串口相连接,使智能控制模块(3)与便携式计算机(9)进行信 息交互; 基于无线通信方式的通信模块,由MAX3232芯片(81)、无线收发模块A82与无线收发模 块B83组成,智能控制模块(3)发送的信息经MAX3232芯片(81)交给无线收发模块A82,由 无线收发模块A82发送出去,无线收发模块B83接收到信息后,经便携式计算机(9)的串口 交给便携式计算机(9)。
9. 使用权利要求1-8之任一所述测量装置的测量方法,包括如下步骤: 1) 在待观测区域选择干扰相对少的地点进行布站,选择一点作为中心测点,挖50CM深 的坑埋设一个长周期电场传感器(11),通过导线接至智能化长周期天然场源电磁测量的装 置的"地"信号端;借助森林罗盘,在中心测点的北、南、西、东四个方向的50米处,分别挖一 个直径30CM、深50CM的圆柱体坑,各埋设2个长周期电场传感器(11),分别作为电场信号 的Exl+、Ex2+、Exl-、Ex2-、Eyl+、Ey2+、Eyl-、Ey2-,通过60米的导线连接至模拟数字转换 模块(2),另外挖一个50CM (长)X 50CM (宽)X 100CM (高)的长方体坑,以放置三分量磁通 门传感器(13),并通过专用电缆连接至模拟数字转换模块(2); 2) 架好GPS天线(41),接通铅酸蓄电池(7)给智能化长周期天然场源电磁测量的装置 上电,智能化长周期天然场源电磁测量的装置上电后完成各个模块的初始化,检测构成智 能化长周期天然场源电磁测量的装置的各部件是否正常; 3) 便携式计算机(9)数据交互软件通过通信模块(8)访问并控制智能控制模块(3), 使智能控制模块(3)获取GPS模块(42)提供的GPS信息,并将时间写入实时时钟电路(43), 以保证多台智能化长周期天然场源电磁测量的装置时间同步,同步精度为l〇_8s / s; 4) 便携式计算机(9)的数据交互软件通过通信模块(8)对智能控制模块(3)进行控 制,使智能化长周期天然场源电磁测量的装置开始试采数据,试采的数据一方面存储于CF 卡(52),一方面通过通信模块8存储于便携式计算机(9),数据交互软件对数据进行解码、 复原,并动态图形化显示,指导用户调节三分量磁通门传感器(12)的位置,使其三个方向 分别指向正北、正东、正下,并帮助用户分析数据的采集质量; 5) 便携式计算机(9)的数据交互软件通过通信模块(8)对智能控制模块(3)进行控 制,使试采结束,智能控制模块(3)在试采后,根据试采的数据计算出采集参数,反馈给用 户; 6) 用户根据对试采数据的分析与智能控制模块(3)计算得到的采集参数、综合评价 和设置合理的采集参数,并由便携式计算机(9)的数据交互软件通过通信模块(3)反馈给 智能控制模块(3),控制智能化长周期天然场源电磁测量的装置开始正式采集数据,采集的 数据一方面存储于CF卡(52),一方面通过通过通信模块(8)存储于便携式计算机(9);智 能化长周期天然场源电磁测量的装置开始采集数据后,可随时将便携式计算机(9)与智能 化长周期天然场源电磁测量的装置脱离,使智能化长周期天然场源电磁测量的装置单独工 作; 7) 数据采集过程中,智能控制模块(3)可通过LED指示灯显示其工作状态,并通过通信 模块(8)向外发送采集的数据与状态信息,便携式计算机(9)可随时与智能化长周期天然 场源电磁测量的装置连接; 8) 当给定的数据采集时间到达后,将便携式计算机(9)与智能化长周期天然场源电磁 测量的装置相连接,便携式计算机(9)的数据交互软件通过通信模块(8)发送停止命令到 智能控制模块(3),使采集工作结束;关闭铅酸蓄电池(7)提供的电源,将CF卡(52)中的 数据通过读卡器(53)读入便携式计算机(9),经数据处理、反演软件,获得地下介质的电阻 率分布、三维导电性结构。
G01N27/02GK104459803SQ201310425060
2015年3月25日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
魏文博, 巩秀钢, 金胜, 邓明, 陈凯, 王猛, 叶高峰, 景建恩, 张启升 申请人:中国地质大学(北京)

最新智能化长周期天然场源电磁测量装置及其使用方法的相关内容如下:

标题:最新智能化长周期天然场源电磁测量装置及其使用方法|http://www.wc10086.cn/327992.html

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