專利名稱：：隧道或坑道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及一種隧洞或者坑道中基于激發(fā)極化的時(shí)域超前預(yù)報(bào)技術(shù)，具體地說是一種隧道或坑道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備。
背景技術(shù)：
：我國(guó)水利水電、交通領(lǐng)域中有大量隧道工程，隧道工程地質(zhì)災(zāi)害是制約隧道施工的關(guān)鍵因素，往往由于隧道開挖前方地質(zhì)情況不明，經(jīng)常出現(xiàn)無法預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害，如突水、突泥、坍塌等。在井下進(jìn)行煤礦開采過程中，經(jīng)常也會(huì)遇到老空水等地質(zhì)災(zāi)害，這些地質(zhì)災(zāi)害造成的后果是輕則沖毀機(jī)具，淹沒隧道，正常施工被迫中斷；重則造成重大人員傷亡，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至有些地下工程會(huì)因此被迫停建或改線。所以，對(duì)于這些地質(zhì)災(zāi)害做出超前探測(cè)或預(yù)報(bào)就顯得很有必要，也很有意義。激發(fā)極化(IP，IntroducedPolarization)法作為一種重要的電磁勘探方法，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)(經(jīng)濟(jì)、無損、快速及信息豐富等)廣泛應(yīng)用于資源勘探與工程勘察中。激發(fā)極化法是通過接收和分析各種異常體的激發(fā)極化效應(yīng)來達(dá)到探測(cè)預(yù)報(bào)的目的。它有對(duì)隧道不良水體反映靈敏的特點(diǎn)，可用來預(yù)報(bào)工作面前方突水異常體及其涌水量情況。在隧道及地下坑道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，激發(fā)極化法對(duì)隧道水體不良地質(zhì)體的預(yù)報(bào)具有明顯的效果?？梢哉f，激發(fā)極化是目前所有超前探測(cè)方法中最有發(fā)展前景的一種方法之一。時(shí)間域激發(fā)極化法直接找水是我國(guó)物探工作者于上世紀(jì)70年代中期集體實(shí)用新型的具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的方法。它主要是利用地下水激發(fā)極化機(jī)制，形成的一個(gè)新方法。其原理是在地面向地下供給一個(gè)較大電流，它將會(huì)使地下不同的巖石或水體受激發(fā)產(chǎn)生極化，極化的巖體或水體極化二次電場(chǎng)，通過接收得到極化率和極化電流的衰減系數(shù)等參數(shù)。上世紀(jì)80年代中期，出現(xiàn)了激發(fā)極化二次時(shí)差法。該方法是向地下分別供入不同大小的電流作為激發(fā)電流，分別測(cè)取極化電位的半衰時(shí)，測(cè)出大電流供電的極化半衰時(shí)和小電流供電極化的半衰時(shí)之差，含自由水的含水層的差值為正值，且含水量越大，二次時(shí)差值越大。通過已知條件的測(cè)值相關(guān)，可以計(jì)算出含水量。經(jīng)過幾十個(gè)工地，上百個(gè)鉆孔均獲得成功。為了預(yù)報(bào)工作面前方水體及其涌水量，激發(fā)極化的接收機(jī)是很關(guān)鍵的一部分，它影響到數(shù)據(jù)的采集及最終預(yù)報(bào)成果的解釋。雖然激發(fā)極化在地面上的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但在地下隧道或坑道上的應(yīng)用也總的來說只是一個(gè)初步嘗試，由于隧道與地面的探測(cè)環(huán)境不同，地面探測(cè)的基本上是一個(gè)半空間的解釋問題，這有利于激發(fā)極化的處理與解譯；而大部分隧道中的探測(cè)則相當(dāng)于一個(gè)近全空間解釋問題，這就增加了激發(fā)極化的多解性，很不利于各種異常的判斷；另外，由于激發(fā)極化的二次場(chǎng)信號(hào)很微弱且易受干擾，使得測(cè)量精度受到影響，需要做各種各樣的處理，但其最終的解釋結(jié)果會(huì)受到很大的影響。因此，適合于隧道超前預(yù)報(bào)的激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備的研制就成了一個(gè)關(guān)鍵。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了解決上述問題，提供一種隧道或坑道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備，它是在現(xiàn)有激發(fā)極化發(fā)射機(jī)的研究基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行一定的改進(jìn)，試圖提高激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備的性能，具有更強(qiáng)的抗干擾能力，更加適應(yīng)于隧道中的探測(cè)，提高隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案—種隧道或坑道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備，它包括依次連接的被測(cè)信號(hào)輸入端、抗干擾及陷波電路、可變?cè)鲆娌罘州斎敕糯笃?、陷波低通濾波器、第二級(jí)增益放大器、極性判別及信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)電路、光電隔離電路、CPU及工業(yè)級(jí)PC機(jī)；同時(shí)，光電隔離電路還分別通過第一級(jí)增益控制器控制可變?cè)鲆娌罘州斎敕糯笃鳎ㄟ^第二級(jí)增益控制器控制第二級(jí)增益放大器；CPU接收來自發(fā)射設(shè)備的停止脈沖。所述抗干擾及陷波電路包括共模/差模抑制電路和一級(jí)陷波電路，其中，共模/差模抑制電路吸收高頻信號(hào)的干擾；一級(jí)陷波電路為無源50Hz陷波電路，衰減量不小于-42dB。所述陷波低通濾波器為二級(jí)無源50Hz陷波電路，其衰減量不小于_42dB。所述光電隔離電路由模擬線性光電隔離和數(shù)字光電隔離兩部分組成。所述極性判別及信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)電路自動(dòng)將負(fù)極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為正極性信號(hào)，同時(shí)輸出代表正負(fù)極性的標(biāo)志位。所述工業(yè)級(jí)PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、繪圖和保存，采樣前設(shè)置放電時(shí)間和采樣間隔，顯示充電、放電曲線；顯示可以顯示放電參數(shù)極化率、衰減度、激發(fā)比、半衰時(shí)采樣值，并在曲線上標(biāo)注半衰時(shí)，并且提供5個(gè)顯示量程；保存放電曲線和充放電采樣值且打開已經(jīng)保存的文件，查看采樣值、放電曲線、工程名稱、檔位、放電參數(shù)等信息。本實(shí)用新型的激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備，其硬件電路包括共模/差模抑制電路、一級(jí)50Hz陷波電路、可變?cè)鲆娌罘州斎敕糯笃鳌⒍?jí)50Hz陷波電路、8階10Hz低通濾波器、二級(jí)增益放大器、極性判別及信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)電路、光電隔離電路、CPU、RS232接口等，另外工業(yè)級(jí)PC機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析、繪圖、保存等。共模/差模抑制電路主要是吸收高頻信號(hào)的干擾。50Hz陷波電路，一級(jí)無源50Hz陷波電路，衰減量不小于_42dB;在第一級(jí)放大器后插入第二級(jí)無源50Hz陷波電路，其衰減量不小于_42dB。因此，直流放大器對(duì)50Hz工頻信號(hào)有-84bB-4dB的衰減量。可變?cè)鲆娌罘州斎敕糯笃?，被測(cè)信號(hào)的幅度從幾十微伏到幾伏，跨度范圍達(dá)到80dB(10000倍)。很顯然使用固定增益來測(cè)量如此大變化范圍的信號(hào)是有很大難度的。因此，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)增益放大電路。系統(tǒng)根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)分析后自動(dòng)控制增益的增大還是減小，使12位的ADC轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于261/2位分辨率的ADC，最小分辨電壓達(dá)到了0.051uV。光電隔離電路為避免數(shù)字處理部分對(duì)放大器部分的干擾，數(shù)字部分與模擬部分之間采用模擬光電隔離技術(shù)；同時(shí)數(shù)字與模擬部分分別采用獨(dú)立的電源。極性判別及信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)電路，因輸入信號(hào)可能具有雙極性，放大器設(shè)置了極性自動(dòng)識(shí)別電路，自動(dòng)將負(fù)極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為正極性信號(hào)，同時(shí)輸出代表正負(fù)極性的標(biāo)志位。工業(yè)級(jí)PC機(jī)的分析、繪圖和保存，采樣前可以設(shè)置放電時(shí)間和采樣間隔(缺省30s和500ms)，顯示充電、放電曲線；顯示可以顯示放電參數(shù)極化率、衰減度、激發(fā)比、半衰時(shí)等采樣值，并在曲線上標(biāo)注半衰時(shí)，并且可以選擇5個(gè)顯示量程；可以保存放電曲線和充放電采樣值且可以打開已經(jīng)保存的文件，查看采樣值、放電曲線、工程名稱、檔位、放電參數(shù)等信息。如表1所示五個(gè)檔位的測(cè)量范圍<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>[0023]本實(shí)用新型的實(shí)際應(yīng)用過程操作簡(jiǎn)單1>打開終端顯示界面，填寫"工程名稱"2>打開端口——"打開端口"按鈕，建立和采集系統(tǒng)的通信連接按鈕變?yōu)?關(guān)閉端口""操作提示"顯示連接情況成功或失敗，按鈕上面圖標(biāo)顏色顯示當(dāng)前狀態(tài)(紅關(guān)閉，綠打開)3>設(shè)置采樣時(shí)間——"設(shè)置采樣時(shí)間"按鈕，設(shè)置放電的采樣時(shí)間按鈕上面圖標(biāo)顏色顯示當(dāng)前狀態(tài)(藍(lán)未設(shè)置，綠已設(shè)置)缺省值為30s4>設(shè)置采樣間隔——"設(shè)置采樣間隔"按鈕，設(shè)置放電和充電采樣的時(shí)間間隔按鈕上面圖標(biāo)顏色顯示當(dāng)前狀態(tài)(藍(lán)未設(shè)置，綠已設(shè)置)缺省值為500ms5>開始采樣——"開始采樣"按鈕，對(duì)充電過程進(jìn)行采樣按鈕變?yōu)?結(jié)束采樣";按鈕上面圖標(biāo)顏色顯示當(dāng)前狀態(tài)(紅關(guān)閉，綠打開)，這時(shí)a)啟動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行采樣，顯示充電采樣值和充電曲線；b)當(dāng)充電完畢之后，采集系統(tǒng)反饋放電開始信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)入放電狀態(tài)C)當(dāng)點(diǎn)狀態(tài)下，顯示放電采樣值和放電曲線，并計(jì)算并顯示放電參數(shù)d)當(dāng)放電完畢之后，采集系統(tǒng)反饋放電結(jié)束信號(hào)，停止接受采樣值6>停止采樣——停止采樣動(dòng)作，以便于保存曲線和采樣值停止采樣系統(tǒng)的采樣動(dòng)作；7〉保存曲線和數(shù)據(jù)——"保存數(shù)據(jù)"按鈕，此時(shí)可以保存放電曲線和充放電的采樣值，保存在"d:V'd盤根目錄下，名為曲線"工程名"+"當(dāng)前日期"+_+"測(cè)量次數(shù)"+_(3111^6+.jpg數(shù)據(jù)"工程名"+"當(dāng)前日期"+_+"測(cè)量次數(shù)"+_(1￡^￡1+.xls8>結(jié)束一次測(cè)量過程——"清除屏幕"、"關(guān)閉端口"清除屏幕——清除采樣值和采樣曲線關(guān)閉端口——斷開和采集系統(tǒng)的通信[0036]9>退出程序——"退出"按鈕注在觀察放電曲線的時(shí)候，隨時(shí)可以改變觀察量程在"關(guān)閉端口"的狀態(tài)下可以打開已保存的文件(數(shù)據(jù)文件或者圖片文件)，這時(shí)可以回復(fù)保存前的狀態(tài)充電放電采樣值、放電曲線、觀察量程、工程名稱以及各個(gè)放電參數(shù)本實(shí)用新型的有益效果是該設(shè)備可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)極化補(bǔ)償，系統(tǒng)加電后自動(dòng)跟蹤輸入的初始極化電壓的變化調(diào)整調(diào)零信號(hào)，使放大器的直流工作點(diǎn)始終保持在0軸上，當(dāng)系統(tǒng)正式啟動(dòng)工作時(shí)，停止跟蹤調(diào)整并保持在啟動(dòng)前最新一次的跟蹤點(diǎn)上。該設(shè)備抗干擾能力強(qiáng)，電路的輸入級(jí)有一級(jí)無源50Hz陷波電路，在第一級(jí)放大器后插入第二級(jí)無源50Hz陷波電路，可以極大的壓制50Hz工頻信號(hào)的干擾；輸入級(jí)設(shè)有高頻共模/差模高頻干擾抑制電路吸收高頻信號(hào)的干擾；同時(shí)電路中設(shè)有8階巴特沃茲低通濾波器，另外，數(shù)字部分與模擬部分之間采用模擬光電隔離技術(shù)并分別采用獨(dú)立的電源，可以好好的避免數(shù)字處理部分對(duì)放大器部分的干擾。該設(shè)備測(cè)量量程大，測(cè)量精度高，信號(hào)電壓增益為l(OdB)10000倍(80dB)，可以放大士20uV士2000mV的直流信號(hào)。該設(shè)備方面有效，放大器設(shè)置了極性自動(dòng)識(shí)別電路，自動(dòng)將負(fù)極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為正極性信號(hào)，輸出代表正負(fù)極性的標(biāo)志位。此外該設(shè)備以此同步脈沖時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)的參數(shù)在屏幕上顯示并實(shí)時(shí)顯示充放電曲線，同時(shí)保存原始數(shù)據(jù)和放電曲線，方面用戶判斷數(shù)據(jù)的真實(shí)性。圖1是本實(shí)用新型時(shí)域接收設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)建原理圖。其中，l.被測(cè)信號(hào)輸入端，2.抗干擾及陷波電路，3.可變?cè)鲆娌罘州斎敕糯笃鳎?.陷波低通濾波器，5.第二級(jí)增益放大器，6.極性判別及信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)電路，7.光電隔離電路，8.CPU，9.工業(yè)級(jí)PC機(jī)，IO.第一級(jí)增益控制器控制，ll.第二級(jí)增益控制器，12.停止脈沖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。圖1中，它包括依次連接的被測(cè)信號(hào)輸入端1、抗干擾及陷波電路2、可變?cè)鲆娌罘州斎敕糯笃?、陷波低通濾波器4、第二級(jí)增益放大器5、極性判別及信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)電路6、光電隔離電路7、CPU8及工業(yè)級(jí)PC機(jī)9;同時(shí)，光電隔離電路7還分別通過第一級(jí)增益控制器10控制可變?cè)鲆娌罘州斎敕糯笃?，通過第二級(jí)增益控制器11控制第二級(jí)增益放大器5;CPU8接收來自發(fā)射設(shè)備的停止脈沖12。抗干擾及陷波電路2包括共模/差模抑制電路和一級(jí)陷波電路，其中，共模/差模抑制電路吸收高頻信號(hào)的干擾；一級(jí)陷波電路為無源50Hz陷波電路，衰減量不小于-42dB。陷波低通濾波器4為二級(jí)無源50Hz陷波電路，其衰減量不小于_42dB。光電隔離電路7由模擬線性光電隔離和數(shù)字光電隔離兩部分組成。極性判別及信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)電路6自動(dòng)將負(fù)極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為正極性信號(hào)，同時(shí)輸出代表正負(fù)極性的標(biāo)志位。工業(yè)級(jí)PC機(jī)9進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、繪圖和保存，采樣前設(shè)置放電時(shí)間和采樣間隔，顯示充電、放電曲線；顯示可以顯示放電參數(shù)極化率、衰減度、激發(fā)比、半衰時(shí)采樣值，并在曲線上標(biāo)注半衰時(shí)，并且提供5個(gè)顯示量程；保存放電曲線和充放電采樣值且打開已經(jīng)保存的文件，查看采樣值、放電曲線、工程名稱、檔位、放電參數(shù)等信息。權(quán)利要求一種隧道或坑道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備，其特征是，它包括依次連接的被測(cè)信號(hào)輸入端、抗干擾及陷波電路、可變?cè)鲆娌罘州斎敕糯笃?、陷波低通濾波器、第二級(jí)增益放大器、極性判別及信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)電路、光電隔離電路、CPU及工業(yè)級(jí)PC機(jī)；同時(shí)，光電隔離電路還分別通過第一級(jí)增益控制器控制可變?cè)鲆娌罘州斎敕糯笃?，通過第二級(jí)增益控制器控制第二級(jí)增益放大器；CPU接收來自發(fā)射設(shè)備的停止脈沖。2.如權(quán)利要求1所述的隧道或坑道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備，其特征是，所述抗干擾及陷波電路包括共模/差模抑制電路和一級(jí)陷波電路，其中，共模/差模抑制電路吸收高頻信號(hào)的干擾；一級(jí)陷波電路為無源50Hz陷波電路，衰減量不小于_42dB。3.如權(quán)利要求1所述的隧道或坑道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備，其特征是，所述陷波低通濾波器為二級(jí)無源50Hz陷波電路，其衰減量不小于_42dB。4.如權(quán)利要求1所述的隧道或坑道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備，其特征是，所述光電隔離電路由模擬線性光電隔離和數(shù)字光電隔離兩部分組成。5.如權(quán)利要求1所述的隧道或坑道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備，其特征是，所述極性判別及信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)電路自動(dòng)將負(fù)極性信號(hào)轉(zhuǎn)換為正極性信號(hào)，同時(shí)輸出代表正負(fù)極性的標(biāo)志位。專利摘要本實(shí)用新型是一種隧道或坑道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備。它提高了激發(fā)極化時(shí)域接收機(jī)設(shè)備的性能，具有更強(qiáng)的抗干擾能力，更加適應(yīng)于隧道中的探測(cè)，提高隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。其結(jié)構(gòu)為它包括依次連接的被測(cè)信號(hào)輸入端、抗干擾及陷波電路、可變?cè)鲆娌罘州斎敕糯笃鳌⑾莶ǖ屯V波器、第二級(jí)增益放大器、極性判別及信號(hào)極性翻轉(zhuǎn)電路、光電隔離電路、CPU及工業(yè)級(jí)PC機(jī)；同時(shí)，光電隔離電路還分別通過第一級(jí)增益控制器控制可變?cè)鲆娌罘州斎敕糯笃?，通過第二級(jí)增益控制器控制第二級(jí)增益放大器；CPU接收來自發(fā)射設(shè)備的停止脈沖。文檔編號(hào)G01V3/02GK201508417SQ20092022714公開日2010年6月16日申請(qǐng)日期2009年9月22日優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日發(fā)明者劉斌,李利平,李術(shù)才,李樹忱,聶利超,許振浩申請(qǐng)人:山東大學(xué)