LQC-II型三维电阻率采集系统的设计研究

徐哈宁， 肖 慧， 黎正根， 曾正军

(东华理工大学核工程与地球物理学院，江西抚州 344000)

电法勘探理论和仪器研究随着科学技术的发展和找矿工作的需要日臻完善。尤其是大规模集成电路的应用和计算速度的进一步提高，使电法勘探已开始向三维方向发展(杨振威等，2012;张彬等，2011;汤洪志等，2011;孙大明等，2002)。现阶段国内、外比较先进的电法勘探仪器有:德国的DMT公司生产的RESECSⅡ高密度电法仪、美国AGI公司的SUPERSTING-R8和法国IRIS公司的SYSCAL Pro。上述仪器都属于典型的第三代二维和准三维电阻率测量仪器，均难以满足三维电阻率采集过程中大量电极管理和海量高精度数据并行采集的要求。

二维电法的数据采集采用单一顺次方式，测量效率低，且地质目标体多为三维地电结构，对三维体若仅进行一维或二维数据采集与反演解释，不可避免会产生偏差(Shore，1992;Sasaki，1994;Lokem et al.，1996，1994;赵亮等，2010;邱航等，2010)。目前只有美国、法国和瑞典等少数几个国家开展了三维电阻率采集系统和三维反演成像技术的研究工作，我国尚未掌握相应的关键技术(周立功等，2005)。因此，三维电法勘探领域需要大量电极的同步管理和海量数据处理等关键技术，已经成为资源勘查技术的重要研究方向(李昊，2012;刘鑫明等，2013)。

1 总体设计

针对国内、外常见的二维电阻率采集系统存在着电极管理集中、信号测读集中，不能并行快速采集数据和软硬件系统集成差等不足(张卫等，2011;鲁晶津等，2010;Shima，1990)。本文设计一种三维并行直流电法勘探系统:LQC-II型三维电阻率采集系统(我校与美国劳雷工业公司合作研制的新型三维电阻率采集系统)。该系统由主机、电测子站、多模式智能电极等组成。主机通过CAN总线与各电测子站相连控制各电测子站16通道、24位电性数据的并行采集和传输;每个电测子站管理16个智能电极组成的电极系，所有电极通过一条24芯(VCC、GND、A、B、M、N、RA、RB、信号 1、…、信号16)的电缆与电测子站相连，每个电极上使用电缆上的9根线(VCC、GND、A、B、M、N、RA、RB 和1 根数据信号线)，通过控制电极完成电极状态在供电电极、普通测量电极、不极化测量电极或空置之间的自动转换，系统可以管理n×16个电极。系统设计框图如图1所示。

2 采集系统硬件设计

硬件电路设计主要由模拟信号调理电路和A/D转换后的数字信号处理及传输电路组成。

模拟信号调理电路模块如图2所示。16路电极采集信号经过+15 V、－15 V过压保护后输入多路模拟开关，实现多路信号的16选1通道，采用具有失调电压低，导通电阻小的集成芯片ADG526。带阻模块针对50 Hz的工频干扰，滤波除去48～52 Hz干扰信号，有效提高采集系统在野外环境下使用的抗干扰性能。考虑输入信号频率低，幅值小的特点，先对信号进行一阶小倍率放大，选用可编程增益放大器PGA205，放大倍数可编程设定为2、4和8。信号二阶放大选用与 PGA205同系列的PGA204，放大倍数可设定为10、100和1000。通过两阶放大电路之后，输入信号调整在ADS1258的最佳转换范围内。

模拟量采集选用美国TI公司高精度24位模数转换芯片ADS1258，通过程序控制设计数据速率达到125kSPS，采样误差小于0.000 3%;应用高速32位ARM7TDMI(LPC2378)处理器作为主控芯片，主频频率可达72 MHz;ADS1258采用双极性±2.5 V的电压差模采集方式，有效避免了前端引入的基准误差;采集方式设定固定通道模式，避免因通道差异引入的干扰误差整体采用4层PCB板设计，综合考虑采集板的电磁兼容性、信号完整性和电源完整性，提高系统的抗干扰性能。

图2 信号调理电路模块结构框图Fig.2 Structure diagam of signal conditioning circuit

目标体电性信号经过两个8通道模数转换器ADS1258采集，转化为24位数字量，通过SPI总线传输到主处理器件ARM7，其中每次测量的第一个数据为自然电位，采集程序编写时定义为一个全局变量，通过ARM7控制数模转换器，使其转换成模拟量输入到一阶程控放大器PGA205的基准端，与之后采集的目标体电性信息相减;由于ADS1258跨接模拟电路和数字电路两端，为了减少信号受到的干扰，采用光耦隔离模拟开关的控制信号，使用ADuM1200ARZ隔LPC2378与A/D的数字信号。LQC－II型三维电阻率采集系统实物图如图3所示。

数字电路模块以LPC2378微处理器为核心，外围配有复位控制电路、CAN总线接口、RS485通信接口。主机通过CAN总线传输数据，实现子站与主机通信，通过RS485总线实现子站与智能电极通信，子站根据测量需要转换智能电极的状态。

3 采集系统软件设计

采集过程如图4所示。首先对系统进行初始化设置，并完成对所有电测子站和智能电极的测试(检验其是否能够正常工作);然后设置系统的各个参数，包括:采样时间，工作方式，装置类型等;主机发送采集开始指令，系统进行采集并传输数据。

4 测试试验

图3 LQC－II型三维电阻率采集系统实物图Fig.3 LQC-Ⅱ three-dimensional resistivity collection system

图4 采集系统软件流程图Fig.4 Software flowchart of collection system

低阻体模型试验在三维电法水池内进行。水池设计尺寸为6 000 mm×6 000 mm×3 000 mm。布置16×16的三维测量网格，电极间距为20 cm，试验模型铜球直径38.2 cm。铜球处于网格中央，埋深8 cm。采用全三维E－SACN测量方式，见图5。电极按行列式形式编号成1～256号电极。

试验过程:主机向16个电测子站发送采集开始指令;1号电测子站控制1号电极转换为供电电极，其余255个电极转换成测量电极;16个子站同时采集电性数据，采集完成后将255个数据通过CAN总线传到主机;主机接收完毕发送第二次采集指令，2号电极转换成供电电极，其余255个电极转换为测量电极，进行测量;重复上述过程直到完成256号电极供电，其余电极转换为测量电极，整个测量过程完毕。

图5 电极网格布置图Fig.5 Electrode grid layout

整个测量过程共计得到65 280个数据，根据电位互换原理，同一深度点数据进行平均处理，实际数据点为32 640个。在一次性布置完电极后，测量时间仅约30 min。

5 结论

本文介绍的LQC－II型三维电阻率采集系统，可根据需要扩展为由主机并行控制N个电测子站，每个电测子站控制16个智能电极，在较短的时间内，实现N×16个点的电性数据采集。该系统可广泛应用于水、工、环地质勘查和矿产资源勘探。

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