專利名稱：地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隧道等地下工程施工中基于三維聚焦激發(fā)極化法的突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，具體地說是一種地下工程施工期突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化儀器。
背景技術(shù)：
我國是隧道等地下工程突水災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，突水突泥災(zāi)害所造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失在各類隧道等地下工程地質(zhì)災(zāi)害中居于前列，往往造成重大的人員傷亡、嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境破壞。為防止隧道等地下工程突水突泥災(zāi)害的發(fā)生，需要在施工期間實(shí)施超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的目的就是探明隧道等地下工程開挖面前方一定范圍之內(nèi)的地質(zhì)情況。但是由于突水突泥災(zāi)害源的強(qiáng)隱蔽性和強(qiáng)復(fù)雜性，缺乏對(duì)突水災(zāi)害源三維定位與水量定量預(yù)測(cè)的有效方法和儀器，是國內(nèi)外隧道等地下工程工程領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵難題。自上世紀(jì)70年代起，國際上開始了隧道等地下工程施工期的不良地質(zhì)超前預(yù)報(bào)研究工作，經(jīng)過近40年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展到地震反射法、電法、電磁法等多種地球物理勘探方法。對(duì)于突水災(zāi)害源的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)而言，地震波反射超前預(yù)報(bào)方法及其設(shè)備(如TSP法、TRT法等)對(duì)水體的響應(yīng)不敏感，無法有效的識(shí)別并定位突水災(zāi)害源。電磁超前預(yù)報(bào)方法及其設(shè)備(如地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法等)對(duì)水體的空間位置信息響應(yīng)比較敏感，在水體定位方面有一定的效果，但電磁法抗干擾能力極弱，且無法預(yù)測(cè)水量的大小。電法類超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法中較為有效的是激發(fā)極化法，激發(fā)極化方法被證明對(duì)水體的空間位置和水量大小有較好的反應(yīng)，為解決隧道等地下工程施工中突水災(zāi)害源超前預(yù)報(bào)三維定位和水量預(yù)測(cè)難題提供了可行有效的途徑。但是目前已有的隧道等地下工程超前探測(cè)激發(fā)極化設(shè)備均是基于電測(cè)深理論的定點(diǎn)源非聚焦型的激發(fā)極化設(shè)備。非聚焦型的激發(fā)極化超前預(yù)報(bào)設(shè)備是將探測(cè)測(cè)線布置在隧道邊墻或底板上，測(cè)線附近的旁側(cè)干擾往往掩蓋了隧道開挖面前方的有用信息，對(duì)突水災(zāi)害源的定位和水量預(yù)測(cè)的精度低，可信性差，往往導(dǎo)致地質(zhì)探測(cè)結(jié)果錯(cuò)誤，影響了隧道施工安全。在三維聚焦型激發(fā)極化設(shè)備的發(fā)明中存在以下關(guān)鍵難題①屏蔽電極和供電電極需要同時(shí)輸出同性電流，具有自動(dòng)調(diào)制功能的多路大電流恒流發(fā)射機(jī)的發(fā)明是關(guān)鍵難題；②三維聚焦型激發(fā)極化探測(cè)方法在掘進(jìn)面上需要布置由數(shù)十個(gè)電極構(gòu)成的觀測(cè)電極系統(tǒng)，需要研制多通道觀測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集裝置，即多通道智能接收機(jī)該設(shè)備需要測(cè)量觀測(cè)電極陣列的大量數(shù)據(jù)，采集過程中需要不斷的切換電極，同時(shí)大電流的切換是一個(gè)亟待解決的難題，需要研制電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器。④該設(shè)備需要具備多元激發(fā)極化信息綜合采集的功能，包括屏蔽電流、供電電流、視電阻率、接地電阻、視極化率、激發(fā)極化衰減時(shí)等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決非聚焦型激發(fā)極化設(shè)備存在的問題，提供一種地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，它性能穩(wěn)定、靈敏度高、方便實(shí)用且能批量生產(chǎn)，能夠預(yù)報(bào)隧道等地下工程掌子面前方巖性的變化和含水層性質(zhì)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案。一種地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，它包括恒流多路發(fā)射機(jī)、多通道智能接收機(jī)、多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器、工控機(jī)和電極系；所述電極系包括觀測(cè)電極陣列和屏蔽電極；所述觀測(cè)電極陣列包括若干個(gè)電極，觀測(cè)電極陣列中的電極、屏蔽電極分別與多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器連接，多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器分別與恒流多路發(fā)射機(jī)、多通道智能接收機(jī)連接，恒流多路發(fā)射機(jī)、多通道智能接收機(jī)、多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器分別與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。本發(fā)明將觀測(cè)電極陣列和屏蔽電極布置在隧道掘進(jìn)面上，選擇觀測(cè)電極陣列中的任一電極作為供電電極，其他的電極作為觀測(cè)電極，工控機(jī)控制恒流多路發(fā)射機(jī)向屏蔽電極和供電電極傳輸同性電流，使得在屏蔽電極的作用下供電電極電流幾乎指向掘進(jìn)面的正前方，不存在旁側(cè)干擾；利用觀測(cè)電極進(jìn)行掃描性數(shù)據(jù)采集，并通過多通道智能接收機(jī)反饋至工控機(jī)；測(cè)完此循環(huán)后，工控機(jī)控制多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器更換供電電極再進(jìn)行下一循環(huán)測(cè)量，可得到攜帶掘進(jìn)面前方有效信息的大量數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)突水危險(xiǎn)源的三維定位和水量的預(yù)測(cè)，解決了非聚焦型激發(fā)極化設(shè)備存在問題。所述恒流多路發(fā)射機(jī)包括發(fā)射單片機(jī)系統(tǒng)、逆變電路、多路驅(qū)動(dòng)模塊、升壓模塊、整流模塊、電流電壓采樣模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊。電源通過逆變電路、升壓模塊、整流模塊產(chǎn)生高壓恒定電流，整流模塊與多路驅(qū)動(dòng)模塊連接；發(fā)射單片機(jī)系統(tǒng)控制逆變電路、升壓模塊和多路驅(qū)動(dòng)模塊，通過電流電壓采樣模塊檢測(cè)反饋電路中的電流，控制多路驅(qū)動(dòng)模塊輸出多路可調(diào)的恒流電流。所述發(fā)射單片機(jī)系統(tǒng)包含發(fā)射單片機(jī)、數(shù)字顯示模塊、時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊，主要完成檢測(cè)、顯示、開關(guān)量和模擬量控制，發(fā)射單片機(jī)及外圍電路供電與恒流源采用全隔離設(shè)計(jì)，參量設(shè)置通過鍵盤設(shè)定，并在數(shù)字顯示模塊上顯示，發(fā)射單片機(jī)系統(tǒng)利用發(fā)射單片機(jī)的定時(shí)器比較輸出功能輸出兩路PWM調(diào)制波形，控制逆變電路利用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)對(duì)直流電壓進(jìn)行逆變；電流電壓采樣模塊對(duì)經(jīng)過整流模塊后的電流進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)射單片機(jī)調(diào)節(jié)升壓電路，以滿足通過整流模塊后電流的恒定，同時(shí)電流電壓采樣模塊對(duì)多路驅(qū)動(dòng)模塊輸出的每一路電流進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)射單片機(jī)控制多路驅(qū)動(dòng)模塊，從而調(diào)節(jié)多路驅(qū)動(dòng)模塊每一路電流達(dá)到穩(wěn)定的設(shè)定值。所述多路驅(qū)動(dòng)模塊，將直流電壓，經(jīng)逆變電路和升壓模塊產(chǎn)生高壓，利用大功率MOSFET管構(gòu)成多路負(fù)反饋恒流輸出回路，從而實(shí)現(xiàn)多路恒流大電流的輸出，同時(shí)電流電壓采樣模塊反饋每一路電流大小，從而由發(fā)射單片機(jī)調(diào)節(jié)多路驅(qū)動(dòng)模塊以輸出設(shè)置的供電路數(shù)、供電時(shí)間、電流大小。所述電流電壓采樣模塊，一端分別檢測(cè)通過整流模塊后的電流以及多路驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生的多路電流，另一端通過數(shù)據(jù)采集模塊連接與發(fā)射單片機(jī)連接。電流電壓采樣模塊采用霍爾檢測(cè)電路，進(jìn)行模擬隔離。所述發(fā)射單片機(jī)系統(tǒng)還包括過壓過流保護(hù)模塊，過壓過流保護(hù)模塊分別與電流電壓采樣模塊、發(fā)射單片機(jī)連接，電流電壓采樣模塊反饋電流大小到電流電壓保護(hù)模塊，實(shí)現(xiàn)多路輸出每支路輸出電壓自動(dòng)保護(hù)。所述多通道智能接收機(jī)包括依次連接的多道并行的接收模塊、多通道ADC轉(zhuǎn)換器、接收單片機(jī)，接收信號(hào)依次通過接收模塊、ADC轉(zhuǎn)換器，并進(jìn)入接收單片機(jī)；接收單片機(jī)對(duì)每個(gè)接收模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過通信與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)控制和信息反饋，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的最終處理，完成視電阻率、接地電阻、視極化率、半衰時(shí)、激發(fā)比的測(cè)量。所述接收模塊包括依次連接的靜電高壓抑制電路、共模抑制電路、差模抑制電路、第一級(jí)50Hz限波器、差分輸入放大器、第二級(jí)50Hz限波器、IOOHz限波器、8階巴特沃斯20Hz低通濾波器連接，同時(shí)接收單片機(jī)通過DAC調(diào)零電路控制差分輸入放大器。所述靜電高壓抑制電路主要吸收工作環(huán)境中的靜電和浪涌沖擊，保護(hù)后端電路；共模抑制電路和差模抑制電路吸收輸入的共模、差模干擾信號(hào)，兩級(jí)50Hz限波器初步吸收50Hz工頻干擾，保證差分輸入放大器的直流工作點(diǎn)不隨上述干擾信號(hào)漂移；差分輸入放大器輸出信號(hào)，在經(jīng)過第一級(jí)50Hz限波器和IOOHz限波器，充分抑制工頻及工頻諧波的干擾；8階巴特沃斯低通濾波器，有40dB每十倍頻程的衰減量，且保證帶寬內(nèi)信號(hào)的平坦。所述多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器包括多路繼電器開關(guān)、解碼電路、轉(zhuǎn)換器單片機(jī)、通信模塊、電壓采樣電路，工控機(jī)通過通信模塊與轉(zhuǎn)換器單片機(jī)連接，轉(zhuǎn)換器單片機(jī)通過解碼電路與多路繼電器開關(guān)連接，多路繼電器開關(guān)一端與電極系連接，另一端通過多路電纜與恒流多路發(fā)射機(jī)和多通道智能接收機(jī)連接，可進(jìn)行溫納、偶極、微分、聯(lián)剖四種排列轉(zhuǎn)換，每改變一次測(cè)點(diǎn)只需一秒鐘，大大節(jié)省了人力、物力和時(shí)間，提高了測(cè)量的精度和效率。所述多路繼電器開關(guān)采用大功率繼電器，同時(shí)采用電壓采樣電路檢測(cè)大功率繼電器電壓，通過轉(zhuǎn)換器單片機(jī)反饋到工控機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射大電流的快速切換，避免負(fù)載太大燒毀繼電器。轉(zhuǎn)換器單片機(jī)按照工控機(jī)發(fā)送的指令，通過編碼電路控制多路繼電器開關(guān)的開、合，實(shí)現(xiàn)了多路電極快速轉(zhuǎn)換。所述工控機(jī)包含信號(hào)識(shí)別模塊、信號(hào)處理模塊和終端顯示控制模塊，工控機(jī)通過通信與恒流多路發(fā)射機(jī)連接，通過通信與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)控制和信息反饋，通過通信與多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器連接，可以設(shè)置多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器、恒流多路發(fā)射機(jī)、多通道智能接收機(jī)的參數(shù)，同時(shí)向多通道智能接收機(jī)和恒流多路發(fā)射機(jī)發(fā)送支路路數(shù)以及每支路電流大小的控制指令，完成對(duì)多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器反饋的電壓進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)經(jīng)過多通道智能接收機(jī)的多路信號(hào)的處理，并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理并終端顯示。本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用過程操作簡(jiǎn)單1、連接儀器。連接電極電纜到多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器，多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器通過電纜與恒流多路發(fā)射機(jī)多路輸出端、多通道智能接收機(jī)多路接收端連接。2、啟動(dòng)接收機(jī)。連接電源，打開發(fā)射機(jī)、接收機(jī)開關(guān)，打開控制軟件并打開端口。3、設(shè)置參數(shù)。設(shè)置供電電路路數(shù)、電流大小、供電時(shí)間，多通道智能接收機(jī)接收路數(shù)、設(shè)置采樣時(shí)間、間隔，設(shè)置多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器參數(shù)。4、儀器檢驗(yàn)。測(cè)量接地電阻，檢驗(yàn)電極與測(cè)區(qū)的接觸情況，檢測(cè)恒流多路發(fā)射機(jī)、多通道智能接收機(jī)、多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器的接通情況。5、儀器測(cè)量。點(diǎn)擊“調(diào)零按鈕”開始調(diào)零，待曲線顯示窗口電壓曲線在零點(diǎn)時(shí)停止調(diào)零。點(diǎn)擊“開始測(cè)量”發(fā)射電流開始測(cè)量，點(diǎn)擊“停止采樣”停止電流采樣，停止電流發(fā)射。6、保存退出。點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”保存曲線和采樣值，同時(shí)退出采集程序。本發(fā)明的有益效果是1、該發(fā)明采用大功率高精度多路驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)制功能的多路大電流恒流發(fā)射機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)6路大電流恒流輸出，從而實(shí)現(xiàn)屏蔽電極和供電電極同時(shí)輸出大小可調(diào)的同性電流，電流輸出范圍O 2. 0A，步長O. OlA。2、該發(fā)明可使用8道并行的接收模塊、三個(gè)多通道24位ADC轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了多通道觀測(cè)數(shù)據(jù)多通道智能接收機(jī)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)8通道觀測(cè)數(shù)據(jù)同步測(cè)量，大大提高了采集效率，滿足三維聚焦型激發(fā)極化探測(cè)方法探測(cè)巨大數(shù)據(jù)量的要求。3、該發(fā)明使用了多路電極轉(zhuǎn)換裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)了電極的自動(dòng)化轉(zhuǎn)換，并采用大功率繼電器和反饋電路實(shí)現(xiàn)了大電流的自動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)了聚焦激發(fā)極化探測(cè)按照預(yù)先設(shè)定的序列進(jìn)行自動(dòng)采集，提高了采集效率，為三維聚焦激發(fā)極化快速探測(cè)提供了硬件支持。4、該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了聚焦激發(fā)極化儀器的硬件系統(tǒng)，可以完成視電阻率、接地電阻、視極化率、半衰時(shí)、激發(fā)比等等多元信息綜合采集，其電流指向性好，實(shí)現(xiàn)了掌子面定向超前預(yù)報(bào)，有效的減少了掌子面后方的干擾信息，提高了探測(cè)的精度與準(zhǔn)確性?？蓾M足目前國家重點(diǎn)工程建設(shè)中地質(zhì)災(zāi)害控制的迫切需求，將帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。


圖1是本發(fā)明原理結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明恒流多路發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)圖。圖3本發(fā)明多通道智能接收機(jī)結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明多通道智能接收機(jī)的接收模塊硬件原理框圖。圖5本發(fā)明多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖。其中，1、大電流恒流多路發(fā)射機(jī)；2、多通道智能接收機(jī)；3、多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器；
4、工控機(jī)；5、電極系；6、H橋逆變電路；7、升壓模塊；8、整流模塊；9、大功率高精度多路驅(qū)動(dòng)模塊；10、電流電壓采樣模塊；11、過壓過流保護(hù)模塊；12、數(shù)據(jù)采集模塊；13、發(fā)射單片機(jī)；14、數(shù)字顯示模塊；15、時(shí)鐘模塊；16、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；17、數(shù)據(jù)通信模塊；18、接收模塊；19、ADC轉(zhuǎn)換器；20、接收單片機(jī)；21、多路繼電器開關(guān)；22、解碼電路；23、轉(zhuǎn)換器單片機(jī)；24、通信模塊；25、電壓采樣電路。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，一種地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，它包括大電流恒流多路發(fā)射機(jī)1、多通道智能接收機(jī)2、多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器3、工控機(jī)4和電極系5 ;電極系5包括觀測(cè)電極陣列和屏蔽電極；所述觀測(cè)電極陣列包括若干個(gè)電極，觀測(cè)電極陣列中的電極、屏蔽電極分別與多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器3連接，電極系5共有36路電極，多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器3分別與大電流恒流多路發(fā)射機(jī)1、多通道智能接收機(jī)2連接，大電流恒流多路發(fā)射機(jī)1、多通道智能接收機(jī)2、多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器3分別與工控機(jī)4實(shí)現(xiàn)通信。本發(fā)明將觀測(cè)電極陣列和屏蔽電極組布置在隧道掘進(jìn)面上，選擇觀測(cè)電極陣列中的任一電極作為供電電極，其他的電極作為觀測(cè)電極，工控機(jī)4控制大電流恒流多路發(fā)射機(jī)I向屏蔽電極和供電電極傳輸同性電流，使得在屏蔽電極的作用下供電電極電流幾乎指向掘進(jìn)面的正前方，不存在旁側(cè)干擾；利用觀測(cè)電極進(jìn)行掃描性數(shù)據(jù)采集，并通過多通道智能接收機(jī)2反饋至工控機(jī)4 ;測(cè)完此循環(huán)后，工控機(jī)4控制多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器3更換供電電極再進(jìn)行下一循環(huán)測(cè)量，可得到攜帶掘進(jìn)面前方有效信息的大量數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)突水危險(xiǎn)源的三維定位和水量的預(yù)測(cè)，解決了非聚焦型激發(fā)極化設(shè)備存在問題。所述大電流恒流多路發(fā)射機(jī)I主要由發(fā)射單片機(jī)系統(tǒng)、H橋逆變電路6、大功率高精度多路驅(qū)動(dòng)模塊9、升壓模塊7、整流模塊8、電流電壓采樣模塊10、過壓過流保護(hù)模塊11以及數(shù)據(jù)采集模塊12組成，如圖2。36V電源通過H橋逆變電路6、升壓模塊7、整流模塊8產(chǎn)生高壓恒定電流，整流模塊8與大功率高精度多路驅(qū)動(dòng)模塊9連接；發(fā)射單片機(jī)系統(tǒng)控制H橋逆變電路6、升壓模塊7和大功率高精度多路驅(qū)動(dòng)模塊9，通過電流電壓采樣模塊10檢測(cè)反饋電路中的電流，控制大功率高精度多路驅(qū)動(dòng)模塊9輸出6路可調(diào)的恒流電流給多路繼電器開關(guān)。所述發(fā)射單片機(jī)系統(tǒng)包含發(fā)射單片機(jī)13，其型號(hào)為MSP430F169、數(shù)字顯示模塊14、時(shí)鐘模塊15、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊16、數(shù)據(jù)通信模塊17，主要完成檢測(cè)、顯示、開關(guān)量和模擬量控制，發(fā)射單片機(jī)13及外圍電路供電與恒流源采用全隔離設(shè)計(jì)，參量設(shè)置通過鍵盤設(shè)定并顯示，顯示采用LED方式。發(fā)射單片機(jī)控制系統(tǒng)利用發(fā)射單片機(jī)13的定時(shí)器比較輸出功能輸出兩路PWM調(diào)制波形，控制H橋逆變電路6利用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)對(duì)直流電壓進(jìn)行逆變；電流電壓采樣模塊10對(duì)經(jīng)過整流模塊8后的電流進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)射單片機(jī)13調(diào)節(jié)升壓模塊7，以滿足通過整流模塊8后電流的恒定，同時(shí)電流電壓采樣模塊10對(duì)大功率高精度多路驅(qū)動(dòng)模塊9輸出的每一路電流進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)射單片機(jī)13控制大功率高精度多路驅(qū)動(dòng)模塊9，從而調(diào)節(jié)大功率聞精度多路驅(qū)動(dòng)|旲塊9每一路電流達(dá)到穩(wěn)定的設(shè)定值。所述大功率高精度多路驅(qū)動(dòng)模塊9，通過從蓄電池組輸出的36V直流電壓，經(jīng)H橋逆變電路6和升壓模塊7產(chǎn)生高壓，利用大功率MOSFET管構(gòu)成多路負(fù)反饋恒流輸出回路，從而實(shí)現(xiàn)6路恒流大電流的輸出，同時(shí)電流電壓采樣模塊10反饋每一路電流大小，從而由發(fā)射單片機(jī)13調(diào)節(jié)大功率高精度多路驅(qū)動(dòng)模塊9以輸出設(shè)置的供電路數(shù)、供電時(shí)間、電流大小，電流設(shè)定值范圍O 2. 0A,步長O. OlA0所述電流電壓采樣模塊10，一端分別檢測(cè)通過整流模塊8后的電流以及大功率高精度多路驅(qū)動(dòng)模塊9產(chǎn)生的多路電流，另一端分別與電流電壓保護(hù)模塊11、數(shù)據(jù)采集模塊12連接，并與發(fā)射單片機(jī)13連接。電流電壓采樣模塊10采用霍爾檢測(cè)電路，進(jìn)行模擬隔離，同時(shí)，電流電壓采樣模塊10反饋電流大小到電流電壓保護(hù)模塊11，實(shí)現(xiàn)多路輸出每支路輸出電壓超過1000V自動(dòng)保護(hù)。所述多通道智能接收機(jī)2包括8道并行的接收模塊18、三個(gè)多通道24位ADC轉(zhuǎn)換器19、接收單片機(jī)20組成，如圖3，接收信號(hào)依次通過接收模塊18、多通道24位ADC轉(zhuǎn)換器19，并進(jìn)入接收單片機(jī)20 ;接收單片機(jī)20對(duì)每個(gè)接收模塊18的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過通信與工控機(jī)4實(shí)現(xiàn)控制和信息反饋。所述接收模塊18包括依次連接的靜電高壓抑制電路、共模抑制電路、差模抑制電路、第一級(jí)50Hz限波器、差分輸入放大器、第二級(jí)50Hz限波器、IOOHz限波器、8階巴特沃斯20Hz低通濾波器連接，同時(shí)接收單片機(jī)20通過DAC調(diào)零電路控制差分輸入放大器，其原理框圖如圖4。所述靜電高壓抑制電路主要吸收工作環(huán)境中的靜電和浪涌沖擊，保護(hù)后端電路；共模抑制電路和差模抑制電路吸收輸入的共模、差模干擾信號(hào)，兩級(jí)50Hz限波器初步吸收50Hz工頻干擾，保證差分輸入放大器的直流工作點(diǎn)不隨上述干擾信號(hào)漂移；差分輸入放大器輸出信號(hào)，在經(jīng)過第一級(jí)50Hz限波器和IOOHz限波器，充分抑制工頻及工頻諧波的干擾；8階巴特沃斯低通濾波器，有40dB每十倍頻程的衰減量，且保證帶寬內(nèi)信號(hào)的平坦。ADC轉(zhuǎn)換器19的輸入雙極性信號(hào)，最大信號(hào)電壓為±15V，每級(jí)增益下轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)分辨率可達(dá)24位。DAC調(diào)零電路與差分輸入放大器連接，最小調(diào)零電壓為±4. 8uV。所述多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器3主要由多路繼電器開關(guān)21、解碼電路22、轉(zhuǎn)換器單片機(jī)23、通信模塊24、電壓采樣電路25等組成，如圖5。工控機(jī)4通過通信模塊與轉(zhuǎn)換器單片機(jī)23連接，轉(zhuǎn)換器單片機(jī)23通過解碼電路22與多路繼電器開關(guān)21連接，多路繼電器開關(guān)21 一端與36路電極連接，另一端通過多路電纜分別與大功率高精度多路驅(qū)動(dòng)模塊9和接收模塊18連接，可進(jìn)行溫納、偶極、微分、聯(lián)剖四種排列轉(zhuǎn)換，每改變一次測(cè)點(diǎn)只需一秒鐘，大大節(jié)省了人力、物力和時(shí)間，提高了測(cè)量的精度和效率。所述多路繼電器開關(guān)21采用大功率繼電器，同時(shí)采用電壓采樣電路25檢測(cè)大功率繼電器電壓，通過轉(zhuǎn)換器單片機(jī)23反饋到工控機(jī)4，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射大電流的快速切換，避免負(fù)載太大燒毀繼電器。轉(zhuǎn)換器單片機(jī)23按照工控機(jī)4發(fā)送的指令，通過編碼電路22控制多路繼電器開關(guān)21的開、合，實(shí)現(xiàn)了 36路電極快速轉(zhuǎn)換。所述工控機(jī)4包含信號(hào)識(shí)別模塊、信號(hào)處理模塊和終端顯示控制模塊，工控機(jī)4通過通信與大電流恒流多路發(fā)射機(jī)I連接，工控機(jī)4通過通信與大電流恒流多路發(fā)射機(jī)I實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制，并且工控機(jī)4進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的最終處理，完成視電阻率、接地電阻、視極化率、半衰時(shí)、激發(fā)比的測(cè)量。通過通信與多通道智能接收機(jī)2實(shí)現(xiàn)控制和信息反饋，通過通信與多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器3連接，可以設(shè)置多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器3、大電流恒流多路發(fā)射機(jī)1、多通道智能接收機(jī)2的參數(shù)，同時(shí)向多通道智能接收機(jī)2和大電流恒流多路發(fā)射機(jī)I發(fā)送支路路數(shù)以及每支路電流大小的控制指令，完成對(duì)多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器3反饋的電壓進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)經(jīng)過多通道智能接收機(jī)2的多路信號(hào)的處理，并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理并終端顯示。本發(fā)明在工作時(shí)，通過在掌子面上布置掃描電極陣列和屏蔽電極，使得在屏蔽電極的作用下供電電極電流幾乎沿徑向流入圍巖，即可得到攜帶掌子面前方有效信息，采用多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器3、多通道智能接收機(jī)2、大電流恒流多路供電發(fā)射機(jī)1，實(shí)現(xiàn)了對(duì)掌子面前方信息的快速采集可獲得豐富的數(shù)據(jù)，利用三維電阻率反演成像技術(shù)和水量估算技術(shù)對(duì)掌子面前方的含水體進(jìn)行地質(zhì)解譯，電流的指向性好，有效解決了測(cè)線附近的旁側(cè)干擾(如低阻含水體、金屬構(gòu)件)問題，使得背景干擾數(shù)據(jù)少，預(yù)報(bào)精度以及探測(cè)距離大大提高。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，其特征是，包括恒流多路發(fā)射機(jī)、多通道智能接收機(jī)、多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器、工控機(jī)和電極系；所述電極系包括觀測(cè)電極陣列和屏蔽電極；所述觀測(cè)電極陣列包括若干個(gè)電極，觀測(cè)電極陣列中的電極、屏蔽電極分別與多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器連接，多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器分別與恒流多路發(fā)射機(jī)、多通道智能接收機(jī)連接，恒流多路發(fā)射機(jī)、多通道智能接收機(jī)、多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器分別與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)通信；所述觀測(cè)電極陣列和屏蔽電極布置在隧道掘進(jìn)面上，選擇觀測(cè)電極陣列中的任一電極作為供電電極，其他的電極作為觀測(cè)電極，工控機(jī)控制恒流多路發(fā)射機(jī)向屏蔽電極和供電電極傳輸同性電流，使得在屏蔽電極的作用下供電電極電流幾乎指向掘進(jìn)面的正前方；利用觀測(cè)電極進(jìn)行掃描性數(shù)據(jù)采集，并通過多通道智能接收機(jī)反饋至工控機(jī)；工控機(jī)控制多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器更換供電電極再進(jìn)行下一循環(huán)測(cè)量。
2.如權(quán)利要求1所述的地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，其特征是，所述恒流多路發(fā)射機(jī)包括發(fā)射單片機(jī)系統(tǒng)、逆變電路、多路驅(qū)動(dòng)模塊、升壓模塊、整流模塊、電流電壓采樣模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊；電源通過逆變電路、升壓模塊、整流模塊產(chǎn)生高壓恒定電流，整流模塊與多路驅(qū)動(dòng)模塊連接；發(fā)射單片機(jī)系統(tǒng)控制逆變電路、升壓模塊和多路驅(qū)動(dòng)模塊，通過電流電壓采樣模塊檢測(cè)反饋電路中的電流，控制多路驅(qū)動(dòng)模塊輸出多路可調(diào)的恒流電流。
3.如權(quán)利要求2所述的地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，其特征是，所述發(fā)射單片機(jī)系統(tǒng)包含發(fā)射單片機(jī)、數(shù)字顯示模塊、時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)通信模塊，完成檢測(cè)、顯示、開關(guān)量和模擬量控制，發(fā)射單片機(jī)控制逆變電路對(duì)直流電壓進(jìn)行逆變；電流電壓采樣模塊對(duì)經(jīng)過整流模塊后的電流進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)射單片機(jī)調(diào)節(jié)升壓電路，以滿足通過整流模塊后電流的恒定，同時(shí)電流電壓采樣模塊對(duì)多路驅(qū)動(dòng)模塊輸出的每一路電流進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)射單片機(jī)控制多路驅(qū)動(dòng)模塊，從而調(diào)節(jié)多路驅(qū)動(dòng)模塊每一路電流達(dá)到穩(wěn)定的設(shè)定值。
4.如權(quán)利要求2所述的地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，其特征是，所述多路驅(qū)動(dòng)模塊，與直流電壓、經(jīng)逆變電路、升壓模塊構(gòu)成多路負(fù)反饋恒流輸出回路，從而實(shí)現(xiàn)多路恒流大電流的輸出。
5.如權(quán)利要求2所述的地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，其特征是，所述電流電壓采樣模塊，一端分別檢測(cè)通過整流模塊后的電流以及多路驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生的多路電流，另一端通過數(shù)據(jù)采集模塊連接與發(fā)射單片機(jī)連接。
6.如權(quán)利要求2所述的地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，其特征是，所述發(fā)射單片機(jī)系統(tǒng)還包括過壓過流保護(hù)模塊，過壓過流保護(hù)模塊分別與電流電壓采樣模塊、發(fā)射單片機(jī)連接，電流電壓采樣模塊反饋電流大小到電流電壓保護(hù)模塊，實(shí)現(xiàn)多路輸出每支路輸出電壓自動(dòng)保護(hù)。
7.如權(quán)利要求1所述的地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，其特征是，所述多通道智能接收機(jī)包括依次連接的多道并行的接收模塊、多通道ADC轉(zhuǎn)換器、接收單片機(jī)，接收信號(hào)依次通過接收模塊、ADC轉(zhuǎn)換器，并進(jìn)入接收單片機(jī)；接收單片機(jī)對(duì)每個(gè)接收模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過通信與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)控制和信息反饋，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的最終處理。
8.如權(quán)利要求7所述的地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，其特征是，所述接收模塊包括依次連接的靜電高壓抑制電路、共模抑制電路、差模抑制電路、第一級(jí)50Hz限波器、差分輸入放大器、第二級(jí)50Hz限波器、IOOHz限波器、8階巴特沃斯20Hz低通濾波器連接，同時(shí)接收單片機(jī)通過DAC調(diào)零電路控制差分輸入放大器。
9.如權(quán)利要求1所述的地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，其特征是，所述多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器包括多路繼電器開關(guān)、解碼電路、轉(zhuǎn)換器單片機(jī)、通信模塊、電壓采樣電路，工控機(jī)通過通信模塊與轉(zhuǎn)換器單片機(jī)連接，轉(zhuǎn)換器單片機(jī)通過解碼電路與多路繼電器開關(guān)連接，多路繼電器開關(guān)一端與電極系連接，另一端通過多路電纜與恒流多路發(fā)射機(jī)和多通道智能接收機(jī)連接；所述多路繼電器開關(guān)采用大功率繼電器，同時(shí)采用電壓采樣電路檢測(cè)大功率繼電器電壓，通過轉(zhuǎn)換器單片機(jī)反饋到工控機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射大電流的快速切換；轉(zhuǎn)換器單片機(jī)按照工控機(jī)發(fā)送的指令，通過編碼電路控制多路繼電器開關(guān)的開、合，實(shí)現(xiàn)多路電極快速轉(zhuǎn)換。
10.如權(quán)利要求1所述的地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，其特征是，所述工控機(jī)包含信號(hào)識(shí)別模塊、信號(hào)處理模塊和終端顯示控制模塊，工控機(jī)通過通信與恒流多路發(fā)射機(jī)連接，通過通信與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)控制和信息反饋，通過通信與多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器連接，能夠設(shè)置多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器、恒流多路發(fā)射機(jī)、多通道智能接收機(jī)的參數(shù)，同時(shí)向多通道智能接收機(jī)和恒流多路發(fā)射機(jī)發(fā)送支路路數(shù)以及每支路電流大小的控制指令，完成對(duì)多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器反饋的電壓進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)經(jīng)過多通道智能接收機(jī)的多路信號(hào)的處理，并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理并終端顯示。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地下工程突水災(zāi)害源超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三維聚焦激發(fā)極化設(shè)備，包括恒流多路發(fā)射機(jī)、多通道智能接收機(jī)、多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器、工控機(jī)、觀測(cè)電極陣列和屏蔽電極；選擇觀測(cè)電極陣列中的電極分別作為供電電極和觀測(cè)電極，工控機(jī)控制恒流多路發(fā)射機(jī)向屏蔽電極和供電電極傳輸同性電流，使得在屏蔽電極的作用下供電電極電流幾乎指向掘進(jìn)面的正前方；利用觀測(cè)電極進(jìn)行掃描性數(shù)據(jù)采集，并通過多通道智能接收機(jī)反饋至工控機(jī)；工控機(jī)控制多路電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器更換供電電極。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)多路供電以及多路采集，實(shí)現(xiàn)掌子面的定向探測(cè)，電流的指向性好，有效解決了測(cè)線附近的旁側(cè)干擾問題，使得背景干擾數(shù)據(jù)少，預(yù)報(bào)精度以及探測(cè)距離大大提高。
文檔編號(hào)G01V3/04GK103064121SQ20131001343
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者李術(shù)才, 劉斌, 聶利超, 隋青美, 宋杰, 郝亭宇, 曹玉強(qiáng), 張法業(yè), 王靜, 劉征宇, 孫懷鳳 申請(qǐng)人:山東大學(xué)