本實用新型屬于地球物理測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置。

背景技術(shù)：

電法勘探是通過人工建立的大地電流場，研究地殼下礦石的導(dǎo)電性差異從而進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)分析的一種勘探方法。電法勘探廣泛應(yīng)用于礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)和工程地質(zhì)勘探。土壤電阻率作為電法勘探中的重要參數(shù)，在氣象、地質(zhì)和電力等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。在接地工程中，土壤電阻率值的大小決定了接地裝置的設(shè)計與施工。在地質(zhì)勘探中真實的土壤電阻率值可以反映出土壤真實的層次結(jié)構(gòu)，從而為建筑設(shè)計和礦產(chǎn)勘測等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，不同深度層次的土壤電阻率值還會對雷電的定位精度、雷擊位置以及雷電流在土壤中的泄放路徑產(chǎn)生較大的影響。所以準(zhǔn)確測量土壤的電阻率值至關(guān)重要。

國外在地面電法勘探方面一直處于領(lǐng)先地位。例如：美國AGI公司研發(fā)的SuperStingR8/IP型高密度電法儀、德國DMT公司開發(fā)的高密度電法儀RESECSII、法國II公司開發(fā)的Syscal/Syscal Switch系列高密度電法儀、日本研發(fā)的McOHMProfiler高密度電法儀、加拿大開發(fā)的V8多功能電測儀等，都可完成復(fù)雜電阻率以及多項地電參數(shù)的測量。國內(nèi)研究和生產(chǎn)高密度電法儀的廠家主要有中國地質(zhì)裝備總公司重慶地質(zhì)儀器廠、矯鵬科技(北京)有限公司、中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)等多家科研院所。重慶地質(zhì)儀器廠的DUK-2A集中式高密度電法測量系統(tǒng)、矯鵬E60系列分布式高密度電法儀、中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司的YD32(A)高分辨電法儀、北京華安奧特科技有限公司研發(fā)YDJ256礦用繞封兼本安型高密度電法儀等，已在多個地區(qū)取得一定的應(yīng)用效果。

目前現(xiàn)有的測量儀器系統(tǒng)雖然可以實現(xiàn)土壤電阻率測量，但精度和分辨率都不高，且在復(fù)雜多干擾的環(huán)境下，為得到幅值較大的地電位信號，多采用大功率發(fā)射電流，造成存在野外設(shè)備笨重、工作時間短等問題，工作效率大大降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本實用新型提供了一種分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置，其目的在于基于串口總線雙向通訊能夠?qū)Ψ謱油寥离娮杪蕦崟r進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)一步提高精度和靈敏度，由此解決現(xiàn)有技術(shù)中測量精度低、分辨率低的技術(shù)問題。

本發(fā)明提供了一種分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置，包括：上位機、發(fā)射機、主控采集單元、m個測量電極和n個信號電纜；所述上位機連接主控采集單元,所述主控采集單元連接所述發(fā)射機并通過n個信號電纜依次連接m個測量電極；m、n均為大于等于2的正整數(shù)，且m大于等于n。

更進(jìn)一步地，發(fā)射機包括：高壓DC-DC模塊，根據(jù)不同的指令產(chǎn)生不同大小的高壓激勵信號。

更進(jìn)一步地，主控采集單元包括：控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元；所述放大器的輸入端用于接收土壤電位模擬信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸入端連接所述放大器的輸出端，控制器的控制端連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸入輸出控制端，控制器的第一控制端連接至數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的輸入端，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的輸出端連接至所述放大器的控制端，控制器的第二控制端連接至所述上位機。

更進(jìn)一步地，控制器為STM32控制器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元為24位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換單元為16位高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

更進(jìn)一步地，還包括：上位機接口電路，其輸入端連接所述上位機，輸出端連接所述主控采集單元。

更進(jìn)一步地，信號電纜由TXD和RXD兩條信號傳輸線構(gòu)成，負(fù)責(zé)所述上位機與所述主控采集單元之間的數(shù)據(jù)通信。

本實用新型提供的分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置具有較高的勘探精度，野外抗干擾能力強，主控采集單元與上位機僅通過兩根信號傳輸線連接，方便野外操作，提高工作效率。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本實用新型提供的分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置中發(fā)射機的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3為本實用新型提供的分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置中主控采集單元的結(jié)構(gòu)框圖。

圖4為本實用新型提供的分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置中上位機工作流程圖。

圖5為本實用新型提供的分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置中主控采集單元工作流程圖。

圖6為本實用新型分層土壤電阻率監(jiān)測儀布置一實施例示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1為上位機，2為發(fā)射機，3為主控采集單元，4為采集盒單元，5為信號電纜線，6為上位機接口電路，7為STM32控制器，8為24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，9為前置放大器電路，10為16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，11為高壓DC-DC模塊。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。此外，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本實用新型涉及一種基于采用地電位測量方法對分層土壤電阻率實現(xiàn)實時監(jiān)測的地球物理測量。本實用新型提供了一種基于串口總線雙向通訊、能夠?qū)Ψ謱油寥离娮杪蕦崟r進(jìn)行監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)一步提高精度和靈敏度。

圖1示出了本實用新型提供的分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置的結(jié)構(gòu)，為了便于說明，僅示出了與本實用新型相關(guān)的部分，詳述如下：

本實用新型中，分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置包括：上位機1、發(fā)射機2、主控采集單元3、m個測量電極4和n個信號電纜5；上位機1連接主控采集單元3,主控采集單元3連接發(fā)射機2并通過n個信號電纜5依次連接m個測量電極4；通過上位機1控制各部分協(xié)調(diào)工作。其中m、n均為大于等于2的正整數(shù)，且m大于等于n。

主控采集單元3首先接受上位機1的控制信號，決定發(fā)射機2的激勵信號類型及激勵時間，然后根據(jù)相應(yīng)的控制命令采集電位數(shù)據(jù)，并通過上位機接口電路6傳輸至上位機1。

上位機1運行監(jiān)控軟件，用于對采集過程的控制和數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，在完成電位及相關(guān)數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)上完成勘探參數(shù)的計算。

如圖2所示，發(fā)射機2包括：高壓DC-DC模塊，根據(jù)不同的指令產(chǎn)生不同大小的高壓激勵信號。

如圖3所示，主控采集單元3包括：放大器9、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元8、控制器7和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元10，完成土壤電位信號的采集和上傳。

在本實用新型中，上位機1可以通過上位機接口電路6連接主控采集單元3。主控采集單元3是由上位機接口電路6經(jīng)STM32控制器7分別與24位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路8、16位高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路10相連接，前置的放大器9與24位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路8、16位高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路10構(gòu)成。

測量電極4由不極化電極構(gòu)成，通過信號電纜5依次與主控采集單元3連接。

信號電纜5由RXD和TXD兩條信號傳輸線構(gòu)成，負(fù)責(zé)上位機1與主控采集單元3之間的數(shù)據(jù)通信。

本實用新型采用集中式設(shè)計，主控采集單元通過數(shù)傳電纜連接多個測量電極組成一個完整的測試網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集完成之后通過數(shù)傳電纜將采集單元所測的數(shù)據(jù)上傳至上位機中，同時結(jié)合相關(guān)微弱地電位信號提取技術(shù)，提高整個測網(wǎng)的信噪比。

為了更進(jìn)一步的說明本實用新型，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進(jìn)一步說詳細(xì)明：

如圖1、圖2和圖3所示，分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置是由上位機1經(jīng)上位機接口電路6連接主控采集單元3，主控采集單元3連接發(fā)射機2并通過信號電纜5依次連接測量電極4。發(fā)射機2由高壓DC-DC模塊構(gòu)成。主控采集單元3是由上位機接口電路6經(jīng)STM32控制器7分別于24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路8、16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換電路10相連接，前置放大器電路9與24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路8、16位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換電路10連接構(gòu)成。

由上位機1經(jīng)上位機接口電路6連接主控采集單元3，測量電極4經(jīng)過信號電纜線5與主控采集單元3相連接后，形成一個完整的測試網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)成功后，上位機1向主控采集單元3發(fā)送高壓激勵類型、激勵時間等命令，主控采集單元3在接收到該命令后，按指令配置相應(yīng)參數(shù)等待執(zhí)行數(shù)據(jù)采集命令，再向下面連接的發(fā)射機2發(fā)送相應(yīng)指令，發(fā)射機2在接收到該指令后自動配置相應(yīng)參數(shù)等待執(zhí)行發(fā)射命令。接受指令配置成功后，主控采集單元3將配置信息經(jīng)過上位機接口電路6傳遞給上位機1。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，上位機1向主控采集單元3發(fā)送采集指令，主控采集單元3接收到該指令后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)采集過程結(jié)束后，主控采集單元3將所采集的數(shù)據(jù)通過上位機接口電路6傳遞給上位機1中。

上位機1通過上位機接口電路6與主控采集單元3連接，負(fù)責(zé)向主控采集單元3發(fā)送命令和接收主控采集單元3傳遞上來的數(shù)據(jù)。發(fā)射機2與主控采集單元3連接，根據(jù)接收到主控采集單元3的指令產(chǎn)生高壓激勵信號。主控采集單元3主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集工作、控制與管理發(fā)射機2以及與上位機1的數(shù)據(jù)通訊。工作狀態(tài)以及采集到的數(shù)據(jù)通過上位機接口電路6實時傳遞給上位機1，并在上位機1中實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。

如圖4所示為本實用新型上位機工作流程圖；上位機的具體工作過程為：

(1)全局變量定義和動態(tài)連接庫聲明；

(2)系統(tǒng)初始化；

(3)向下位機發(fā)送控制命令和系統(tǒng)采集配置參數(shù)；

(4)等待和接收主控采集單元發(fā)送的采集數(shù)據(jù)；判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，若是，則執(zhí)行下一步，否則轉(zhuǎn)到步驟(3)；

(5)儲存數(shù)據(jù)。

如圖5所示為本實用新型主控采集單元工作流程圖；采集盒的具體工作過程為：

(1)系統(tǒng)初始化并進(jìn)行自檢；

(2)自檢成功轉(zhuǎn)到執(zhí)行下一步，否則執(zhí)行步驟(1)；

(3)加入測試網(wǎng)絡(luò)；

(4)等待上位機發(fā)送來的采集控制命令和系統(tǒng)配置參數(shù)；

(5)如果有控制命令到來，首先判斷該命令是不是系統(tǒng)配置參數(shù)指令，轉(zhuǎn)到執(zhí)行下一步，否則做相應(yīng)處理后轉(zhuǎn)到第(4)步等待上位機控制指令；

(6)啟動A/D轉(zhuǎn)換，將經(jīng)過信號調(diào)理之后的電位信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；

(7)判斷A/D轉(zhuǎn)換是否完成，未完成則等待其轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換完成后執(zhí)行下一步；

(8)啟動D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號輸入給前置放大器的參考電壓端口，進(jìn)行自然電位補償；

(9)再次啟動A/D轉(zhuǎn)換，將經(jīng)過信號調(diào)理之后的電位信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；

(10)將所采集到的數(shù)據(jù)通過上位機接口電路發(fā)送給上位機。

如圖6所示為本實用新型采集盒一實施例安裝結(jié)構(gòu)示意圖。儀器安裝結(jié)構(gòu)包括箱體12，電源接口13，信號電纜接口14，數(shù)據(jù)采集控制板卡15。電源接口13位于箱體12的前面板上，控制著整個采集盒的電源；信號電纜接口14位于箱體12的前面板上，并通過同軸電纜與數(shù)據(jù)采集控制板卡15相連。

在本實用新型的實施例中，主控采集單元3可以采用STM32器件，器件具有合適的邏輯資源、管腳資源和存儲器資源。信號采集過程的控制與數(shù)據(jù)的緩存在一片STM32器件中完成，器件的資源得到最充分的利用，性能達(dá)到最優(yōu)。

本實用新型提供的分層土壤電阻率監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集裝置具有較高的勘探精度，野外抗干擾能力強，主控采集單元與上位機僅通過兩根信號傳輸線連接，方便野外操作，提高工作效率。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。