大功率数字直流激电测量系统

廖水平，张益胜，龙祥忠，刘旭川，彭祥，陈红

（重庆地质仪器厂，重庆400033）

1 引言

大功率数字直流激电测量系统从方法来讲，就是利用人工场源，对人工建立于地下的电场进行观测和研究。可以采用两个途径实现对目标体的精细探测，一是通过加大发射系统的功率，实现高精度测量；二是通过最大限度的提高接收系统的分辨率，在同等发射功率条件下，实现高精度测量。我们的设计思路是采用两者兼顾的办法，实现对目标体的精细探测。有两个问题需要考虑，第一接收机和发送机的同步问题，因为采集二次场电压信号是在发送机断电后，经过延时某段时间进行采集的，所以必须保证接收机和发送机的严格同步。第二确保采集到的数据的可靠性，稳定性和重复性，应能满足野外技术规范的要求。同时也要保证多台接收机的一致性，因为大功率数字直流激电测量系统的工作方式大多采用一台发送机和多台接收机同时工作。

2 大功率数字直流激电测量系统的工作原理

大功率数字直流激电测量系统主要由发送机，接收机，整流源三部分组成。

由发送机通过A、B供电电极向大地供占空比为1∶1的正负方波电流信号如图1所示，地下极化体被激化后产生二次场V2，接收机接收到理想波形如图2所示。待接收机和发送机同步后，按预置时间测量一次场电位V1（VP）和二次场电压信号V2，按照视极化率计算公式求出极化率值。

图1 发射波形

图2 接收波形

根据接收机采集到一次场电压信号V1（VP）和二次场电压信号V2，按照视极化率计算公式求出极化率值。

公式：视极化率＝（100×V2／V1）%

3 发送机系统设计特点

如图3所示，上半部分是高压部分，下半部分是低压部分，高压与低压之间隔离。

图3 发送机面板

3．1 关键技术

大功率激电仪的突出特点是一次场电位、二次场电位幅值的高精度测量，实时数据处理，供电波形快速关断，为了实现这一目标，采用以下关键技术：

（1）增设高精度GPS同步技术，是视极化率测量的核心技术。发射与接收能否精确同步，是关系到视极化率测量的关键。

（2）大动态（程控放大器），高精度的16位A／D转换技术，是提高弱信号检测和信号分辨能力的关键。在同一供电电流的条件下，可以获得较大的勘探深度，有利于节省供电功率，减少发送机体积和重量，实现仪器的轻便化。

（3）高压条件下供电波形快速关断和逆变器保护技术。采用先进的IGBT模块，具有耐高压，电流容量大，开关速度快等优点，保证供电波形快速上升和下降，多种保护技术，保证发送机可靠工作。

（4）塑料密封箱体轻便坚固，适合野外工作。

（5）接触牢靠的接线柱，特点是接线柱上有穿线孔，接线柱的塑料螺帽内嵌有铜螺帽，比塑料螺帽高出一些，确保A、B供电线接触牢靠。

（6）实时记录发送机供电电流强度和对应的时间，以便处理软件计算视电阻率。

（7）去掉原有的环形变压器，内部供电电源分三种方式：内部锂电池供电；外接电池供电；接入220V（交流）供电。

（8）利用键盘专用键调节显示器的灰度。

（9）如果仪器发生故障，故障指示灯亮，同时蜂鸣器发出叫声。

（10）供电极性指示用液晶显示。

3．2 发送机主要技术指标

（1）输入电压：220V、50Hz交流电（用市电或发电机）；

（2）输出电压：50～70V、100～145V、200～280V、300～400V、500～680V、700～950V、850～1100V、1000～1200V；

（3）节拍选择：T＝1～64s；

（4）最大输出功率：10k W；

（5）输出电流：0．1～10A；

（6）电压纹波系数：＜5%；

（7）带供电极性指示和直流电压指示；

（8）仪器使用环境条件：－10～＋45℃，相对湿度小于93%；

（9）过流保护：电流大于10A时保护。

3．3 发送机原理框图（图4）

发送机系统所采用的CPU为NXP的P89V51单片机，它控制数据信号的采集、处理、传输、程控放大器及IGBT等，A／D采用TI公司的16位A／D转换器ADS7813，IGBT是采用日本三菱公司的产品。

图4 发送机框图

发送机采用脉冲后延时与接收机实现软件（主动）同步方式；发送机上装有高精度石英钟模块、高精度GPS模块，实现发送机与接收机精确同步。

4 整流电源

整流源由变压器部分、整流部分、滤波部分和输出部分组分（图5）。

图5 整流源框图

5 接收机系统DJS－9的设计特点

5．1 关键技术

（1）增设GPS同步技术。

（2）采用大动态程控放大器，高精度的A／D转换器，提高系统的分辨率，实现高精度测量。

（3）保留软件同步和内部时钟同步测量方式，方便野外测量和室内检验仪器或室内标本测量。另一方面GPS同步技术易受遮档物的影响从而使同步失败，有了软件同步和内部时钟同步测量方式就能保证测量工作正常进行。在室内进行标本测量或检验仪器，如果采用GPS同步方式，效率会很低，所以此时适合采用软件同步方式。

（4）采用缓冲数据采集技术，提高采样率。系统对测量电场信号幅值的分辨能力提高，有利于提高接收系统的测量精度。

（5）利用科学采样计算法采样，可以消除在采样过程中自然电位漂移的影响。

（6）优化提升硬件电路的技术含量，巧妙合理设计印刷电路版，在模拟板上将数字器件和模拟器件分开走线，最大化扩大地线面积，将数字地和模拟地分开最后一点接地。最大化扩大电源线面积，将电源线与地线分别放置在印刷电路板两面，并利用敷铜工艺。

图6 DJS－9接收机

图7 中间梯度装置示意图

（7）根据某一个测点的坐标位置，采用激电处理软件可以计算出该测点的K值（中梯），再参考发送机测量的电流和接收机测量一次场电位V1（VP），根据视电阻率公式计算出视电阻率。该项工作可在激电处理软件上完成。其（X，Y）坐标系是以供电电极A为原点，主测线为X轴，垂直X轴为Y轴，不仅可以做视极化率剖面曲线图，还可以做视电阻率剖面曲线图。

5．2 主要技术指标

（1）一次场VP：测量范围±6V；

（2）测量误差：当VP＞3m V时，为±1%±1个字；

当VP＜3m V时，±2%±1个字；

（3）VP分辨率：10u V；

（4）视极化率测量误差：当 MS＜3%时，±0．1；当MS＞3%时，±2%；

（5）自然电位Vsp测量范围：±1000m V；

自然电位Vsp测量精度：Vsp＜10m V时，±2%；Vsp＞10m V时，±1．5%；

（6）50 Hz工频压制60d B；

（7）输入阻抗大于5MΩ。

5．3 接收机原理框图（图8）

接收机由机箱、面板、模拟通道，模数转换，同步系统，控制系统，人机接口，电源系统等组成。

图8 接收机原理框图

内部集成了CPU模块、GPS模块、ADC模块、高精度石英钟模块以及模拟信号调理模块等。

5．4 DJS－9主要功能

可以实现SP自然电位法和TDIP（时间域激电）激发极化法测量，既可以独立完成SP测量工作，也可以与发射机一起完成TDIP人工场方法测量工作。

能自动调节增益，补偿、计算、测量及预置有关数据。

参数测量能直读，通过面板上液晶显示器直接显示一次场VP，视极化率M1～M4。

具有三种授时功能：①手动授时；②发送机同步授时；③GPS同步授时。

具有三种同步测量方式：①软件同步；②内部时钟同步；③GPS同步测量方式。

6 在重庆某地野外工作实例

根据该测量系统多年的野外使用过程中反映的情况，如主动同步存在的问题、采集数据不稳定跳动大、重复性差和严重超差的问题。针对上述问题，对该系统软硬件进行全面提升。本次野外工作是对该测量系统提升后各方面指标进行全面检验。

工作方法：中间梯度法；

地形：平坦

仪器类型：DJS－9

供电脉宽T＝4s；

取样宽度40ms；

延迟时间200ms；

测量次数：1次；

同步方式：GPS同步

供电极距AB：1000m；

接收极距MN：20m；

点距：20m；

测点数：18个；

供电电压：300V，供电电流：1．88A；

测量一次场的强度为2～10m V；

表1 仪器编号：Z1100101同步方式：GPS同步（固体不极化电极）

（续表）

视极化率MS的均方相对误差公式为（计算结果乘100%）：

式中：Msi——第i点原始观测数据；M′si——第i点系统检查观测数据——Msi与和M′si的平均值；n——参加统计计算的测点数。

计算结果 M＝5．37%（小于野外技术规范10%）。

表2 仪器编号：Z1100102同步方式：GPS同步（固体不极化电极）

（续表）

视极化率MS的均方相对误差公式为（计算结果乘100%）：

式中：Msi——第i点原始观测数据；M′si——第i点系统检查观测数据；——Msi与和M′si的平均值；n——参加统计计算的测点数。

计算结果M＝5．2%（小于野外技术规范10%）

7 结论

为了达到设计的要求，满足用户的需求，进一步提高仪器同步的可靠性，提高数据采集的重复性，该产品对软件，硬件进行了大量的升级工作，增加GPS同步方式（发射机，接收机）。

经本次整改升级后的大功率激电测量系统质量有了很大幅度的提高，其结果如下：

在小信号2～10mV，视极化率为1%左右背景值情况下，新仪器的三种同步方式均满足设计要求，一次场信号的重复性变化小于1%。多台仪器的一致性小于1%（一次场），数据采集的重复性好，总均方相对误差在5%左右，完全符合野外要求。

在整个实验过程中，GPS同步，时钟同步和软件同步三种同步方式正常。本系统在野外某单位使用过程中，利用软件同步方式测量高视极化率值效果良好。

实践证明本大功率数字激电测量系统设计是成功的，并取得很好的地质效果。