一種分布式并行電法數(shù)據(jù)采集大線裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種分布式并行電法數(shù)據(jù)采集大線裝置。我國高密度電法探測系統(tǒng)的電極基本是集中式，電極與電纜對應(yīng)，使用30芯以上的多芯電纜，大線系統(tǒng)復(fù)雜，單測線控制距離有限，探測精度低，可靠性差。本實(shí)用新型包括通過通信網(wǎng)絡(luò)相連的上位機(jī)和井下發(fā)射與控制主機(jī)還有采集線纜，線纜采用五芯，兩根發(fā)射線纜，一根公共地線，兩根雙絞線，掛載有相同構(gòu)造的電極，分別為發(fā)射電極A，發(fā)射電極B，公共地線電極M、N和電位差采集電極；雙絞線一端有終結(jié)器。本實(shí)用新型線纜芯數(shù)少，使用可靠，維護(hù)方便，電極具有數(shù)據(jù)采集功能，每個(gè)電極結(jié)構(gòu)相同，通過內(nèi)部電路切換使用，能作為供電電極又能作為接收電極，能夠通電自動(dòng)注冊、編號，無需人工調(diào)試。
【專利說明】一種分布式并行電法數(shù)據(jù)采集大線裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于煤礦直流電法勘探【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種分布式并行電法數(shù)據(jù)采集大線裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]電法勘探是根據(jù)地殼中不同巖層之間、巖石和礦石之間存在的電磁性差異，觀測人工或者自然電場、電磁場分布，根據(jù)電場、電磁場變化規(guī)律研究地質(zhì)構(gòu)造，用來解決實(shí)際工程問題的一種地球物理勘探方法。
[0003]我國國內(nèi)的礦用電法探測系統(tǒng)分為集中式和分布式兩種。
[0004]集中式電法探測系統(tǒng)的所有電極都直接與電極轉(zhuǎn)換器接口相連，由CPU發(fā)出控制信號，通過接口電路控制發(fā)射與采集。這種設(shè)計(jì)由于每一個(gè)電極對應(yīng)一芯導(dǎo)線，優(yōu)點(diǎn)是時(shí)序控制簡單，缺點(diǎn)是由于多芯電纜自重較大，電極總數(shù)不宜過多。
[0005]分布式多在長春地質(zhì)學(xué)院1991年研究成果的基礎(chǔ)上研制，分布式電纜采用9芯?10芯電纜。
[0006]高密度電法探測系統(tǒng)的電極基本屬于集中式，由電極轉(zhuǎn)換或者測量主機(jī)集中。電極與電纜對應(yīng)，通常使用30芯以上的多芯電纜與主機(jī)或轉(zhuǎn)換開關(guān)相連。近年來，高密度直流電法采用繼電器控制電極，實(shí)現(xiàn)電極功能轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了多方法自動(dòng)觀測。但是存在大線系統(tǒng)復(fù)雜(7芯到幾十甚至百芯電纜)，單測線控制距離有限等問題，探測精度低，可靠性差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型的目的是提供一種分布式并行電法數(shù)據(jù)采集大線裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的線纜數(shù)量多，電纜自重大，解決電法勘探系統(tǒng)大線復(fù)雜，單線距離有限的問題。
[0008]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為:
[0009]一種分布式并行電法數(shù)據(jù)采集大線裝置，包括通過通信網(wǎng)絡(luò)相連的上位機(jī)和井下發(fā)射與控制主機(jī)，以及與每個(gè)井下發(fā)射與控制主機(jī)相連的采集線纜，所述線纜采用5芯電纜，一根作為第一發(fā)射線纜，一根作為第二發(fā)射線纜，一根作為公共地線，其余兩根為雙絞線作為芯片供電、通信的電纜，所述采集線纜上掛載有相同構(gòu)造的電極裝置，將與第一發(fā)射線纜、雙絞線相連的電極裝置作為第一發(fā)射電極裝置；將與第二發(fā)射線纜、雙絞線相連的電極裝置作為第二發(fā)射電極裝置；將與公共地線、雙絞線相連的電極裝置作為公共地線電極裝置；其他電極裝置與第一發(fā)射線纜、第二發(fā)射線纜隔離，與雙絞線連接作為電位差采集電極裝置；所述雙絞線上設(shè)置有終結(jié)器。
[0010]所述電極裝置包括由智能網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、雙口 RAM、ARM處理器構(gòu)成的電極控制電路，電極供電電路，晶振，復(fù)位電路，濾波放大采集電路，電極切換電路以及電極；所述智能網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器分別與晶振和復(fù)位電路相連接；所述智能網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器與雙絞線之間設(shè)置有電極供電電路；所述ARM處理器與電極之間設(shè)置有濾波放大采集電路和電極切換電路。
[0011 ] 所述終結(jié)器由電容Cl、電阻Rl與電容C2串聯(lián)而成；在自由拓?fù)錉顟B(tài)時(shí)，電阻Rl的阻值為52.3 Ω ±1%，額定功率為1/8W，電容Cl與電容C2的電容值為lOOPF，額定電壓大于等于50V ;在總線拓?fù)錉顟B(tài)時(shí)，電阻Rl的阻值為105Ω ±1%，額定功率為1/8W，電容Cl與電容C2的電容值為lOOPF，額定電壓大于等于50V。
[0012]所述電極供電電路采用鏈路電源技術(shù)，在智能節(jié)點(diǎn)的電源模塊前端與雙絞線之間設(shè)置有使信號不能通過，只允許電流通過的低通濾波器；在智能節(jié)點(diǎn)的處理器信號輸入端前端設(shè)有阻止電流的通過，只能通過數(shù)據(jù)信號的高通濾波器；供電時(shí)，信號先通過低通濾波器，過濾后的電流經(jīng)橋式整流濾波電路，再經(jīng)過由三極管Ql組成的降壓電路，由三極管Q2和Q3組成的短路保護(hù)電路，并通過由穩(wěn)壓管D5組成的穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。
[0013]所述濾波放大采集電路包括前置放大采集電路，雙T50Hz陷波器，6階低通15Hz濾波器，前置隔離放大電路和AD采集電路；通過電極采集到的信號先經(jīng)過由INA333組成的前置放大電路，經(jīng)過放大的信號再通過由0PA2734構(gòu)成的雙T50Hz陷波器，經(jīng)過陷波器濾除50Hz干擾的信號再通過由0PA2734組成的低通濾波器，濾除高頻干擾，而后信號通過由0PA734構(gòu)成的前置隔離放大電路，經(jīng)放大的電壓信號再通過由0PA163構(gòu)成的濾波電路，然后由AD7767構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓脈沖信號，通過SPI串口送入ARM微控制器中。
[0014]所述的電極切換電路由單片機(jī)與8通道高壓模擬開關(guān)HV20220構(gòu)成。
[0015]本實(shí)用新型的有益效果在于:
[0016](I)采集大線采用5芯電纜設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有礦井用電法數(shù)據(jù)采集大線比較，線纜芯數(shù)少，使用更可靠，維護(hù)方便。
[0017](2)采集大線所帶智能電極具有數(shù)據(jù)采集功能，現(xiàn)有大部分礦井電法儀器所帶電極無此功能。
[0018](3)每個(gè)智能電極的結(jié)構(gòu)是相同的，通過內(nèi)部電路來切換使用，使其既能作為供電電極又能作為接收電極。
[0019](4)智能電極能夠在連接到采集大線后，通電自動(dòng)注冊、自動(dòng)編號，無需人工調(diào)試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為系統(tǒng)示意圖
[0021]圖2是線纜設(shè)計(jì)圖
[0022]圖3為智能電極設(shè)計(jì)圖
[0023]圖4為大線與電極連接切換示意圖
[0024]圖5為智能電極供電電路
[0025]圖6為電極切換控制
[0026]圖7為前置放大電路和雙T50Hz陷波器電路
[0027]圖8為6階低通15Hz濾波器電路
[0028]圖9為麗前置隔離放大電路
[0029]圖10為MN檢測AD采集電路
[0030]圖11為大線終結(jié)器設(shè)計(jì)圖和電路設(shè)計(jì)器件型號具體參數(shù)設(shè)置表
[0031]圖中，I為上位機(jī)，2為通信網(wǎng)絡(luò)，3為井下發(fā)射與控制主機(jī)，4為分布式電極裝置，5為采集線纜，6為智能網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器，7為晶振，8為復(fù)位電路，9為雙口 RAM，10為ARM處理器，11為濾波放大采集電路，12為電極切換電路，13為電極，A為第一發(fā)射電極裝置、B為第二發(fā)射電極裝置，M、N為公共地線電極裝置，501為第一發(fā)射線纜、502為第二發(fā)射線纜、503為公共地線、504、505為雙絞線。

【具體實(shí)施方式】
[0032]本設(shè)計(jì)的大線電纜采用5芯電纜5，一根作為第一發(fā)射線纜501，一根作為第二發(fā)射線纜502 (也可作為發(fā)射地線)，一根作為公共地線503，其余兩根雙絞線作為芯片供電、通信的電纜504、505。大線掛載智能采集電極裝置4，每一個(gè)電極具有相同的構(gòu)造，任意工作電極裝置，在采樣時(shí)可以設(shè)置為發(fā)射電極裝置A、發(fā)射電極裝置B、采集電極裝置M、采集電極裝置N或者閑置，在供電時(shí)又都可以設(shè)置為供電正極裝置A、供電負(fù)極裝置B、測量電極裝置M和測量電極裝置N或者閑置狀態(tài)。根據(jù)直流電法勘探方法切換電極裝置狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)礦井直流電法勘探數(shù)據(jù)采集。另外本設(shè)計(jì)使用雙絞線連接設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，必須使用網(wǎng)絡(luò)終結(jié)器來改善網(wǎng)絡(luò)的通信情況。自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和總線結(jié)構(gòu)連接時(shí)，終結(jié)器的設(shè)計(jì)情況有所不同，大線終結(jié)器設(shè)計(jì)圖和電路設(shè)計(jì)器件型號具體參數(shù)設(shè)置如圖11所示。
[0033]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0034]如圖1所示，本大線裝置主要應(yīng)用在采用分布式布極的智能多電極電法測量系統(tǒng)。其主要結(jié)構(gòu)由上位機(jī)1、環(huán)網(wǎng)通信線路2、井下監(jiān)測系統(tǒng)3、采集大線5和智能電極裝置組成4。這樣，按預(yù)設(shè)置的模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)分布式高密度電法采集。本設(shè)計(jì)應(yīng)用嵌入式控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過一根五芯電纜5實(shí)現(xiàn)主機(jī)對幾十至幾百根電極裝置4進(jìn)行自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)不同觀測裝置、不同電極距、不同測點(diǎn)布置的自動(dòng)觀測。
[0035]本實(shí)用新型的電極裝置4具體包括由智能網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器6、雙口 RAM9、ARM處理器10構(gòu)成的電極控制電路，電極供電電路，晶振7，復(fù)位電路8，濾波放大采集電路11，電極切換電路12以及電極13 ;智能網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器6分別與晶振7和復(fù)位電路8相連接；智能網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器7與雙絞線之間設(shè)置有電極供電電路；ARM處理器10與電極13之間設(shè)置有濾波放大采集電路11和電極切換電路12。
[0036]在本設(shè)計(jì)的電極轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有相同的硬件結(jié)構(gòu)，盡管它們在任意時(shí)刻只能處于5種狀態(tài)中的任意I種，而且同一個(gè)系統(tǒng)中不可能多于I個(gè)電極同處于前4種狀態(tài)中的任意一種形式。由單片機(jī)控制8通道高壓模擬開關(guān)HV20220通道的通斷，從而使同一個(gè)電極裝置4在工作過程中既可以作供電電極裝置，又可以作測量電極裝置。
[0037]本實(shí)用新型在電極供電上采用了鏈路電源技術(shù)，在同一個(gè)雙絞線上提供電源和發(fā)送數(shù)據(jù)。使用這種技術(shù)，可以使網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)通過通信線路來獲得電源，減少了電源線的開支，另外降低了布線和維護(hù)的難度。本設(shè)計(jì)采用鏈路電源技術(shù)給分布式智能節(jié)點(diǎn)供電和傳輸數(shù)據(jù)。在智能節(jié)點(diǎn)的電源模塊前端為了隔離數(shù)據(jù)信號，加低通濾波器。這種濾波器使信號不能通過，只允許電流通過，給節(jié)點(diǎn)供電。在智能節(jié)點(diǎn)的處理器信號輸入端前端附加高通濾波器，阻止電流的通過，使之只能通過數(shù)據(jù)信號。電路圖如圖5所示，二極管Dl、D2、D3、D4組成的橋式電路對雙絞線上傳來的電流進(jìn)行無極性轉(zhuǎn)換，然后通過三極管Tl的降壓作用T2和T3的短路保護(hù)作用和穩(wěn)壓管D的穩(wěn)壓作用向分布式電極處理器提供3.3 V的工作電壓，該電路為線性電源電路，輸出紋波小(5mV以下)，電磁干擾弱。
[0038]同時(shí)，本實(shí)用新型的智能電極控制部分是一種基于H-B結(jié)構(gòu)的LonWorks智能節(jié)點(diǎn)，主要有FT3150收發(fā)器、雙口 RAM、ARM芯片等組成，電路圖如圖所示。其中ARM芯片主要完成電極切換控制功能及數(shù)據(jù)采集、處理，ARM芯片的加入可以緩解Neuron芯片內(nèi)部資源緊張的問題，主要使用NeUron3150芯片來完成通信功能，保證通信的順暢。它將處理過的數(shù)據(jù)通過收發(fā)器發(fā)送到基于Pyxos總線的電極大線，也可以將電極大線上的消息接收至本智能電極節(jié)點(diǎn)。FT3150芯片和ARM芯片的的數(shù)據(jù)共享區(qū)使用雙口 RAM。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共享是雙口 RAM最大的特點(diǎn)。一個(gè)雙口 RAM存儲(chǔ)器配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，允許兩個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)異步地訪問存儲(chǔ)單元。內(nèi)部存在訪問仲裁控制模塊控制數(shù)據(jù)共享。內(nèi)部仲裁邏輯控制提供以下功能:對同一地址單元訪問的時(shí)序控制；存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)塊的訪問權(quán)限分配；信令交換邏輯(例如中斷信號)等。雙口 RAM的同一存儲(chǔ)單元對于FT3150及ARM芯片各有一個(gè)地址，兩個(gè)系統(tǒng)就都能對其進(jìn)行存取操作。
[0039]另外，由于在電法勘探中，50Hz及其諧波為干擾源，物探儀器一般采用陷波器來壓制工頻信號干擾。但是井下環(huán)境復(fù)雜多變，一般的陷波器無法起到應(yīng)有的作用。為了抑制外部和內(nèi)部的電磁干擾，本設(shè)計(jì)采用50Hz雙T陷波器來抑制工頻干擾。陷波器也稱帶阻濾波器，主要作用是抑制輸入信號中的某一頻率的信號，同時(shí)不影響其他信號的輸入。特別適用于濾除某一特定頻率的干擾信號時(shí)的應(yīng)用。MN信號進(jìn)入儀表放大器INA333組成的前置放大電路，然后通過0PA2734構(gòu)成的雙T50Hz陷波器，濾除50Hz工頻干擾(圖7)。信號通過雙T50Hz陷波器后，進(jìn)入由0PA734和0PA2734組成的低通濾波器，濾除高頻干擾(圖8)。
[0040]采集電壓信號通過采集電極裝置進(jìn)入前置放大與濾波電路，然后由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓脈沖信號，由SPI串口送入ARM微控制器中。采集模塊主要由AD7767構(gòu)成的采集電路組成。
[0041 ] 本實(shí)用新型所使用的大線5上根據(jù)需要掛載多個(gè)分布式電極裝置4，將大線5的五芯都連接在每一個(gè)分布式電極裝置4上。根據(jù)直流電法勘探方法切換電極裝置4的狀態(tài)，使電極裝置4處于五種狀態(tài)中的一種。
[0042]在進(jìn)行對稱四級測深時(shí)，將電極裝置4通過電極切換電路12，在大線與第一發(fā)射線纜上501導(dǎo)通作為第一發(fā)射電極裝置A，將電極裝置4通過電極切換電路與大線的第二發(fā)射線纜502導(dǎo)通作為第二發(fā)射電極裝置B，將電極M、N之間通過公共地線連通作為接收電極裝置，大線上的其他電極裝置與線纜501、502、503隔離，只通過504和505來供電和傳輸數(shù)據(jù)，電極13采集電位差后處理和存儲(chǔ)，按照預(yù)先設(shè)定的電極切換方式依次使用大線上的電極來完成對稱四極測深操作。
【權(quán)利要求】
1.一種分布式并行電法數(shù)據(jù)采集大線裝置，包括通過通信網(wǎng)絡(luò)(2)相連的上位機(jī)(I)和井下發(fā)射與控制主機(jī)(3)，以及與每個(gè)井下發(fā)射與控制主機(jī)(3)相連的采集線纜(5)，其特征在于: 所述線纜(5)采用五芯電纜，一根作為第一發(fā)射線纜(501)，一根作為第二發(fā)射線纜(502), 一根作為公共地線(503)，其余兩根為雙絞線(504)、(505)作為芯片供電、通信的電纜， 所述采集線纜(5 )上掛載有相同構(gòu)造的電極裝置(4 )， 將與第一發(fā)射線纜、雙絞線相連的電極裝置作為第一發(fā)射電極裝置A ; 將與第二發(fā)射線纜、雙絞線相連的電極裝置作為第二發(fā)射電極裝置B ; 將與公共地線、雙絞線相連的電極裝置作為公共地線電極裝置M、N; 其他電極裝置與第一發(fā)射線纜、第二發(fā)射線纜隔離，與雙絞線連接作為電位差采集電極裝置； 所述雙絞線(504)、(505) 一端設(shè)置有終結(jié)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式并行電法數(shù)據(jù)采集大線裝置， 其特征在于: 所述電極裝置(4)包括由智能網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器(6)、雙口 RAM (9)、ARM處理器(10)構(gòu)成的電極控制電路，電極供電電路，晶振(7)，復(fù)位電路(8)，濾波放大采集電路(11)，電極切換電路(12)以及電極(13)； 所述智能網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器(6)分別與晶振(7)和復(fù)位電路(8)相連接； 所述智能網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器(7)與雙絞線之間設(shè)置有電極供電電路； 所述ARM處理器(10 )與電極(13 )之間設(shè)置有濾波放大采集電路(11)和電極切換電路(12)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分布式并行電法數(shù)據(jù)采集大線裝置， 其特征在于: 所述終結(jié)器由電容Cl、電阻Rl與電容C2串聯(lián)而成； 在自由拓?fù)錉顟B(tài)時(shí)，電阻Rl的阻值為52.3 Ω 土 1%，額定功率為1/8W，電容Cl與電容C2的電容值為lOOPF，額定電壓大于等于50V ； 在總線拓?fù)錉顟B(tài)時(shí)，電阻Rl的阻值為105Ω ±1%，額定功率為1/8W，電容Cl與電容C2的電容值為lOOPF，額定電壓大于等于50V。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種分布式并行電法數(shù)據(jù)采集大線裝置，其特征在于: 所述電極供電電路采用鏈路電源技術(shù)，在智能節(jié)點(diǎn)的電源模塊前端與雙絞線之間設(shè)置有使信號不能通過，只允許電流通過的低通濾波器； 在智能節(jié)點(diǎn)的處理器信號輸入端前端設(shè)有阻止電流的通過，只能通過數(shù)據(jù)信號的高通濾波器； 供電時(shí)，信號先通過低通濾波器，過濾后的電流經(jīng)橋式整流濾波電路，再經(jīng)過由三極管Ql組成的降壓電路，由三極管Q2和Q3組成的短路保護(hù)電路，并通過由穩(wěn)壓管D5組成的穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種分布式并行電法數(shù)據(jù)采集大線裝置，其特征在于: 所述濾波放大采集電路(11)包括前置放大采集電路，雙T50Hz陷波器，6階低通15Hz濾波器，前置隔離放大電路和AD采集電路； 通過電極采集到的信號先經(jīng)過由INA333組成的前置放大電路， 經(jīng)過放大的信號再通過由0PA2734構(gòu)成的雙T50Hz陷波器， 經(jīng)過陷波器濾除50Hz干擾的信號再通過由OPA2734組成的低通濾波器，濾除高頻干擾， 而后信號通過由OPA734構(gòu)成的前置隔離放大電路， 經(jīng)放大的電壓信號再通過由OPA163構(gòu)成的濾波電路， 然后由AD7767構(gòu)成的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓脈沖信號， 通過SPI串口送入ARM微控制器中。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種分布式并行電法數(shù)據(jù)采集大線裝置，其特征在于: 所述的電極切換電路(12)由單片機(jī)與八通道高壓模擬開關(guān)HV20220構(gòu)成。
【文檔編號】G01V3/22GK204154907SQ201420468687
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】李鵬, 馮宏, 張鵬, 王小波, 劉京科, 李淵, 董建梁, 趙兆, 呂琦 申請人:中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司