專利名稱：工程地質(zhì)探測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種地質(zhì)探測(cè)儀，特別是一種應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域的瞬變電磁法工 程地質(zhì)探測(cè)儀。(二) 背景技術(shù)目前，在工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域里，地質(zhì)勘察方法主要是采用物探方法(儀器)，物探方法 種類較多，主要有電法、電磁法、地震波和聲波法三大類，電法中的充電法、自然電場(chǎng)法和 激發(fā)極化法主要用于找水；電阻率法對(duì)地層巖脈、破碎帶、產(chǎn)狀等都有較高的測(cè)量精度，缺 點(diǎn)是要求地形平緩，地質(zhì)體要有一定的寬度和延伸長(zhǎng)度，且受凍土影響嚴(yán)重；電磁法中的甚 低頻方法，探測(cè)深度較淺、要求探測(cè)目標(biāo)相對(duì)周圍介質(zhì)呈明顯低阻、電磁波干擾不能太大； 頻率測(cè)深法要求地形較平坦、地表覆蓋層電阻率不能太低、要求被探測(cè)地質(zhì)體與圍巖的電性 差異較大，且有一定規(guī)模；地質(zhì)雷達(dá)適用于探測(cè)目標(biāo)與周圍介質(zhì)有一定電性差異，且埋深不 大、地表覆蓋層非含水多、含鹽度高、松散介質(zhì)的情況；地下電磁波法要求探測(cè)目標(biāo)呈低 阻、無(wú)電磁干擾；地震波和聲波法中，均要求被勘測(cè)地形較平坦，地震波法探測(cè)深度受激振 力的限制。以上所述的方法均存在著探測(cè)深度較淺、精度低、限制條件較多等缺點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外目前市場(chǎng)上的瞬變電磁法工程地質(zhì)探測(cè)儀主要有中國(guó)的EMES — 1S、 TEMS-3S系列，加拿大的TEM—37系列，澳大利亞的SIRO-TEM。這些儀器在埋體探測(cè)、找水找 礦等方面取得了較好的應(yīng)用效果，但是上述市場(chǎng)上的這些瞬變電磁法儀器產(chǎn)品無(wú)論從探測(cè)深 度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、分辨力、測(cè)量精度、便攜性等方面仍普遍存在著很大的缺點(diǎn)和不足，例 如，探測(cè)深度淺，(不超過(guò)1000米)采樣精度低，速度響應(yīng)慢、分辨能力差、體積過(guò)大、重 量偏重，目前市場(chǎng)上最輕的瞬變電磁法儀器也有18公斤左右，便攜性較差，因此無(wú)法很好適 應(yīng)國(guó)防工程勘探的需要。(三) 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種工程地質(zhì)探測(cè)儀，要解決現(xiàn)有儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、攜 帶不方便的問題；還解決在接收系統(tǒng)電路中，二次場(chǎng)信號(hào)動(dòng)態(tài)變化范圍大且晚期信號(hào)十分微 弱的問題；同時(shí)解決探測(cè)深度不夠、響應(yīng)速度、精度、分辨能力需進(jìn)一步提高的技術(shù)問題。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案一種工程地質(zhì)探測(cè)儀，包括與電源1連接的探測(cè)儀主機(jī)2、與探測(cè)儀主機(jī)連接的發(fā)射線圈3和接收線圈7，在探測(cè)儀主機(jī)的外殼8內(nèi)有一個(gè)用于數(shù)據(jù)信息處理和顯示的主處理器、 一個(gè) 用于信號(hào)發(fā)射的發(fā)射系統(tǒng)電路和一個(gè)用于接收二次場(chǎng)信號(hào)的接收系統(tǒng)電路，其特征在于上述的主處理器主要是搭載數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、傳輸軟件、圖像處理軟件的 單片機(jī)，主處理器帶有數(shù)據(jù)接口和內(nèi)存，并與顯示屏連接；關(guān)斷時(shí)間測(cè)量電路和電流測(cè)量電 路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊和緩存器與主處理器信號(hào)連接。上述的接收系統(tǒng)電路中，依次由前置放大器、低通濾波器、程控浮點(diǎn)放大器電路相連 接，接收電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊和緩存器與主處理器信號(hào)連接。上述的發(fā)射系統(tǒng)電路包括同步與發(fā)射電路和與之連接的保護(hù)電路，同步與發(fā)射電路與主 處理器信號(hào)連接。上述的程控浮點(diǎn)放大器電路包括三八譯碼器、鎖存器和由鎖存器控制的八選一開關(guān)，二 次場(chǎng)信號(hào)輸入到八個(gè)放大倍數(shù)都是X2的運(yùn)算放大器的輸入端，這些放大器的輸出端都分別 連接到三八譯碼器和八選一開關(guān)的輸入端，三八譯碼器的三位編碼輸出端連接至鎖存器的輸 入端，鎖存器的三位輸出端分別與八選一開關(guān)的三位輸出端并接后連接至數(shù)據(jù)總線，八選一 開關(guān)的另一輸出端連接至A/D轉(zhuǎn)換器。上述的同步與發(fā)射電路是由低阻發(fā)射線圈、晶體管放大器Tl、 T2、 T3、 T4和電源E組 成，正發(fā)射脈沖F1與晶體管放大器T1和T4的基極連接；負(fù)發(fā)射脈沖F2與晶體管放大器T2和 T3的基極連接；T1的發(fā)射極與T3的集電極同時(shí)與發(fā)射線圈3的一端連接；T2的發(fā)射極與T4的 集電極同時(shí)與發(fā)射線圈3的另一端連接；電源E的正極同時(shí)與T1、 T2的集電極連接；電源E的 負(fù)極同時(shí)與T3、 T4的發(fā)射極連接。本實(shí)用新型工程地質(zhì)探測(cè)儀應(yīng)用瞬變電磁法原理，瞬變電磁法適用于探測(cè)目標(biāo)相對(duì)周圍 介質(zhì)呈低阻、無(wú)游散電流干擾的情況， 一般不受地形限制，探測(cè)深度較深，如圖1所示，瞬 變電磁法的技術(shù)原理是通過(guò)線圈向地下發(fā)射磁脈沖，磁脈沖在穿過(guò)地下介質(zhì)時(shí)將產(chǎn)生渦 流，渦流便會(huì)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，地面接收二次磁場(chǎng)可測(cè)出地下介質(zhì)的電阻率分布，進(jìn)而推斷不 良地質(zhì)單元、地質(zhì)分層及地下水、地下埋體、等地下異常體的存在部位。與其它物探技術(shù)相 比，具有靈敏度高、分辨率強(qiáng)、探測(cè)深度大、靈活多變、適應(yīng)性強(qiáng)，以及輕便、快速、廉價(jià) 諸多優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型在主處理器中將搭載數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、傳輸軟件、反演解釋 繪圖軟件的單片機(jī)用放大、濾波和數(shù)據(jù)信號(hào)的軟件處理取代了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的硬件信號(hào)放 大、濾波、及顯示處理電路；由于采用了單片機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)的軟件處理取代了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜 的硬件信號(hào)處理電路，使得整個(gè)電路板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、體積縮小、重量減輕，其中首次采用擬地
震的方法反演分析二次磁場(chǎng)信號(hào)，反演解釋繪圖軟件使反演解釋結(jié)果多元化，不僅有道陣列 曲線，還可顯示電阻率色譜圖、電導(dǎo)率色譜圖、擬地震顯示圖和地質(zhì)分層圖。本實(shí)用新型在接收系統(tǒng)電路中采用程控浮點(diǎn)放大器電路，用以解決二次場(chǎng)信號(hào)動(dòng)態(tài)變化 范圍大且晚期信號(hào)十分微弱的問題；在發(fā)射系統(tǒng)電路中，還設(shè)置了包含低阻線圈且能降低發(fā) 射頻率和提高發(fā)射電壓的同步與發(fā)射電路，從而提高了工程地質(zhì)探測(cè)儀的探測(cè)深度，使本實(shí) 用新型探測(cè)深度大，探測(cè)深度達(dá)1000米以上、響應(yīng)速度快、精度高、分辨能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸 快、體積小、重量輕、適用范圍廣、綜合性能好，既可用于復(fù)雜地形和復(fù)雜地質(zhì)條件的國(guó) 防、人防工程的地質(zhì)勘察，也可用于民用工程的地質(zhì)勘察、地下埋體探測(cè)、施工超前預(yù)報(bào)及 找水、找礦等領(lǐng)域。(四)
圖l是本實(shí)用新型的工作原理示意圖。 圖2是本實(shí)用新型外形實(shí)施例的示意圖。 圖3是本實(shí)用新型工程地質(zhì)探測(cè)儀電路原理方框圖。 圖4是單片機(jī)與接收、發(fā)射線圈連接的工作原理框圖。 圖5是程控浮點(diǎn)放大器電路方框圖。 圖6是同步與發(fā)射電路原理圖。 圖7是發(fā)射脈沖時(shí)序圖。圖中標(biāo)記l一電源、2 —探測(cè)儀主機(jī)、3 —發(fā)射線圈、4一發(fā)射信號(hào)、5 —接收信號(hào)、6 — 埋體、7 —接收線圈、8 —外殼。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。實(shí)施例如圖1、 2所示，本實(shí)用新型工程地質(zhì)探測(cè)儀，包括與電源l連接的探測(cè)儀主機(jī) 2、與探測(cè)儀主機(jī)2連接的發(fā)射線圈3和接收線圈7。由探測(cè)儀主機(jī)2經(jīng)發(fā)射線圈3向埋體6發(fā)出 發(fā)射信號(hào)4;由接收線圈7將埋體的接收信號(hào)5經(jīng)接收線圈發(fā)給探測(cè)儀主機(jī)2。在探測(cè)儀主機(jī)的外殼8內(nèi)包括一個(gè)用于數(shù)據(jù)信息處理和顯示的主處理器；一個(gè)用于信號(hào)發(fā)射的發(fā)射系統(tǒng)電路；一個(gè)用于接收二次場(chǎng)信號(hào)的接收系統(tǒng)電路。參見圖3，上述的主處理器主要是搭載數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、傳輸軟件、圖像 處理軟件的單片機(jī)，主處理器帶有數(shù)據(jù)接口和內(nèi)存，并與顯示屏連接。關(guān)斷時(shí)間測(cè)量電路和 電流測(cè)量電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊和緩存器與主處理器信號(hào)連接。上述的接收系統(tǒng)電路中，依次由前置放大器、低通濾波器、程控浮點(diǎn)放大器電路相連 接，接收電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊和緩存器與主處理器信號(hào)連接。上述的發(fā)射系統(tǒng)電路包括同步與發(fā)射電路和與之連接的保護(hù)電路，同步與發(fā)射電路與主 處理器信號(hào)連接。參見圖3、 4，本實(shí)用新型的基本原理及工作過(guò)程為由主處理器的單片機(jī)指揮發(fā)射與 同步電路產(chǎn)生不同頻率正負(fù)極性的方波，再將不同頻率的方波輸出至發(fā)射線圈進(jìn)行間歇性發(fā) 射。關(guān)斷時(shí)間測(cè)量電路和電流測(cè)量電路分別測(cè)量采樣開始的時(shí)間和供電電流強(qiáng)度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn) 換后送入主處理器進(jìn)行處理。接收系統(tǒng)電路將接收到的二次場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行前置放大、低通濾 波、浮點(diǎn)放大，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入緩存區(qū)，由主處理器運(yùn)用圖像處理工具通過(guò)總線讀取緩 存區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并經(jīng)液晶屏成像顯示。本實(shí)用新型工程地質(zhì)探測(cè)儀在主處理器中將搭載了數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、傳輸 軟件、反演解釋繪圖軟件的單片機(jī)用放大、濾波和數(shù)據(jù)信號(hào)的軟件處理取代了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù) 雜的硬件信號(hào)放大、濾波及顯示處理電路；在主處理器中采用了程控浮點(diǎn)放大器，以解決二 次場(chǎng)信號(hào)動(dòng)態(tài)變化范圍大且晚期信號(hào)十分微弱的問題。如圖5所示，程控浮點(diǎn)放大器包括三八譯碼器、鎖存器和由鎖存器控制的八選一開關(guān)， 二次場(chǎng)信號(hào)輸入到8個(gè)的放大倍數(shù)都是X2的運(yùn)算放大器的輸入端，這些放大器的輸出端分別 連接到三八譯碼器和八選一開關(guān)的輸入端，三八譯碼器的三位編碼輸出端連接至鎖存器的輸 入端，鎖存器的三位輸出端分別與八選一開關(guān)的三位輸出端并接后連接至數(shù)據(jù)總線，八選一 開關(guān)的另一輸出端連接至A/D轉(zhuǎn)換器。由于地質(zhì)探測(cè)儀觀測(cè)的二次場(chǎng)信號(hào)是負(fù)指數(shù)衰減曲 線，早期信號(hào)很強(qiáng)，有時(shí)可達(dá)數(shù)伏級(jí)，而且變化率很大，頻率成分很高。而晚期信號(hào)十分微 弱，有時(shí)達(dá)到幾微伏，甚至小于l微伏。該曲線動(dòng)態(tài)范圍大，可達(dá)10—6 107微伏；分辨率要 求很高，需0.2yv;頻帶很寬，高端可達(dá)100kHz。而這三項(xiàng)指標(biāo)在數(shù)字儀器中是互相制約、 相互矛盾的，很難同時(shí)滿足三項(xiàng)指標(biāo)的要求，即便選用當(dāng)前最先進(jìn)的高速、高分辨率16位 A/D轉(zhuǎn)換器，也只能實(shí)現(xiàn)10±5的動(dòng)態(tài)范圍。在采用程控浮點(diǎn)放大器后，當(dāng)二次場(chǎng)信號(hào)同時(shí)輸 入至八個(gè)串聯(lián)的放大倍數(shù)都是X2的運(yùn)算放大器，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后輸出到三八譯碼器和 八選一開關(guān)，該浮點(diǎn)放大電路首先進(jìn)行階梯比較。比較后，經(jīng)三八譯碼器立即得到標(biāo)志信號(hào) 強(qiáng)弱的三位編碼，該三位編碼通過(guò)鎖存器控制八選一開關(guān)，即可對(duì)應(yīng)選通某一開關(guān)。將最適 宜的放大信號(hào)輸入到16位A/D。在A/D轉(zhuǎn)換采樣時(shí)，三位編碼鎖定，并將此三位編碼視為數(shù)據(jù) 的階碼，通過(guò)計(jì)算機(jī)總線與A/D的數(shù)據(jù)同時(shí)存入數(shù)據(jù)內(nèi)存。該程控浮點(diǎn)放大器可使A/D擴(kuò)展為6
高速24位A/D，如果串接放大器為X4位，則可擴(kuò)展為32位。如圖6、 7所示，本實(shí)用新型工程地質(zhì)探測(cè)儀在發(fā)射系統(tǒng)電路中采用了能降低發(fā)射頻率和 提高發(fā)射電壓的同步與發(fā)射電路，它由低阻發(fā)射線圈、晶體管放大器T1、 T2、 T3、 T4和電源 E組成，正發(fā)射脈沖F1與晶體管放大器T1和T4的基極連接；負(fù)發(fā)射脈沖F2與晶體管放大器 T2和T3的基極連接；T1的發(fā)射極與T3的集電極同時(shí)與發(fā)射線圈的一端連接；T2的發(fā)射極與 T4的集電極同時(shí)與發(fā)射線圈的另一端連接；電源的正極同時(shí)與T1、 T2的集電極連接；電源的 負(fù)極同時(shí)與T3、 T4的發(fā)射極連接。同步是由單片機(jī)指揮產(chǎn)生的，不同探測(cè)深度采用不同發(fā)射頻率，為消除50周干擾，發(fā)射 頻率總是整倍或幾分之幾倍于50周的脈沖，防振電路即電流脈沖關(guān)斷后防止其過(guò)沖的電路， 電流關(guān)斷時(shí)間測(cè)量是為確定接收采樣從所測(cè)的關(guān)斷時(shí)間開始采樣，以便捕捉淺層信號(hào)。發(fā)射 線圈中的正負(fù)脈沖F1及F2是為消除50周干擾而設(shè)計(jì)的，發(fā)射線圈中的正負(fù)發(fā)射脈沖F1及F2的 時(shí)序如圖6所示，Tl、 T4導(dǎo)通，線圈形成正向電流脈沖；T2、 T3導(dǎo)通，線圈形成反向電流脈 沖。由于是磁耦合，線圈為磁發(fā)射，所以線圈和儀器都不接地，同時(shí)選用電阻小的線圈。如 果要加大發(fā)射功率，只需提高電池電壓即可。 一般在50m深的范圍內(nèi)，用一塊12V18AH免維護(hù) 電池即可；在50m 100m范圍內(nèi)，用兩塊12V18AH免維護(hù)電池即可；在100m 200m范圍內(nèi)，用 三塊12V18AH免維護(hù)電池即可；在200m 1000m范圍內(nèi)，用四塊12V18AH免維護(hù)電池，由于發(fā) 射電源對(duì)發(fā)射線圈來(lái)講基本上是短路的，因此如果線圈線徑選擇不當(dāng)或發(fā)射電壓過(guò)高都有可 能造成發(fā)射電路燒壞。為此，設(shè)計(jì)了硬件與軟件保護(hù)電路。硬件是用高速專用電路取樣比較 保護(hù)的，軟件是用超電流限停止發(fā)射的方法保護(hù)的。
權(quán)利要求1.一種工程地質(zhì)探測(cè)儀，包括與電源(1)連接的探測(cè)儀主機(jī)(2)、與探測(cè)儀主機(jī)連接的發(fā)射線圈(3)和接收線圈(7)，在探測(cè)儀主機(jī)的外殼(8)內(nèi)有一個(gè)用于數(shù)據(jù)信息處理和顯示的主處理器、一個(gè)用于信號(hào)發(fā)射的發(fā)射系統(tǒng)電路和一個(gè)用于接收二次場(chǎng)信號(hào)的接收系統(tǒng)電路，其特征在于上述的主處理器主要是搭載數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、傳輸軟件、圖像處理軟件的單片機(jī)，主處理器帶有數(shù)據(jù)接口和內(nèi)存，并與顯示屏連接；關(guān)斷時(shí)間測(cè)量電路和電流測(cè)量電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊和緩存器與主處理器信號(hào)連接；上述的接收系統(tǒng)電路中，依次由前置放大器、低通濾波器、程控浮點(diǎn)放大器電路相連接，接收系統(tǒng)電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊和緩存器與主處理器信號(hào)連接；上述的發(fā)射系統(tǒng)電路包括同步與發(fā)射電路和與之連接的保護(hù)電路，同步與發(fā)射電路與主處理器信號(hào)連接。
專利摘要一種應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域的工程地質(zhì)探測(cè)儀，包括與電源連接的探測(cè)儀主機(jī)、與探測(cè)儀主機(jī)連接的發(fā)射線圈和接收線圈，在探測(cè)儀主機(jī)的外殼內(nèi)有一個(gè)用于數(shù)據(jù)信息處理和顯示的主處理器、一個(gè)用于信號(hào)發(fā)射的發(fā)射系統(tǒng)電路以及一個(gè)用于接收二次場(chǎng)信號(hào)的接收系統(tǒng)電路，主處理器帶有數(shù)據(jù)接口和內(nèi)存，并與顯示屏連接；關(guān)斷時(shí)間測(cè)量電路和電流測(cè)量電路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊和緩存器與主處理器信號(hào)連接；在接收系統(tǒng)電路中，依次由前置放大器、低通濾波器、程控浮點(diǎn)放大器電路相連接。發(fā)射系統(tǒng)電路包括同步與發(fā)射電路和與之連接的保護(hù)電路。解決了二次場(chǎng)信號(hào)動(dòng)態(tài)變化范圍大且晚期信號(hào)十分微弱的問題，提高了工程地質(zhì)探測(cè)儀的探測(cè)深度、精度、分辨能力和響應(yīng)速度。
文檔編號(hào)G01V3/08GK201035157SQ20072020043
公開日2008年3月12日 申請(qǐng)日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者張連城, 李興碧, 楊海杰, 高明亮 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍總參謀部工程兵第四設(shè)計(jì)研究院