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一、国内外电法勘探仪器发展概况

电法勘探仪器主要用於地质部门寻找矿床,工程部门中勘测地层结构, 水利部门中寻找地下水. 电法勘探方法是按被测电信号的频率高低划分为:

1.    超低频:(0 HZ – 20 HZ)

*.直流电阻率法. 测量大地剖面不同深度的电阻率(视电阻率).

*.时间域激发极化法. 洌量大地剖面不同深度的极化率(二次电位/一次电位)%.

*.频率域频谱激发极化法. 洌量大地剖面不同深度的复数电阻率, 即对不同频率的频率响应; 包括幅度响应(电压幅度/电流幅度)和相位响应(电压相位-电流相位).

2.    音频:(20 HZ – 20 K HZ)

*.可控源音频大地电磁法(CSAMT). 用大功率电法发送机向大地供电(频率改变范围20 HZ – 8 K HZ), 用测量大地表面的交流磁埸方法测出电流的频谱(某频率的幅度与相位)

同时测量大地某测站点上的电压频谱(某频率的幅度与相位). 计算出幅度响应(电压幅度/电流幅度)和相位响应(电压相位-电流相位).

*.天然埸大地电磁法(MT). 利用大地内本身具有的天然交流电流(一般由远方的大功率无线电发送电台发出的甚低频(几十K HZ -几百 K HZ) 电流信号). 用计算机数理统计方法测大地某测站的电位. 算出大地的频谱响应.

3.    高频:(20 K HZ – 500 K HZ)

*.瞬变埸法.

*.电磁感应法

4.    射频:(500 K HZ – 20 M HZ)

*.无线电透视法.

5.    超高频:(20 M HZ – 2 G HZ)

*.测地雷达.

国外概况;

以上各种仪器国外都有专业公司生产, 国内进口的仪器最多的是加拿大凤凰公司生产的多功能(IP,CSMT,MT) 仪器. 还有美国的各种电法仪器.

国内发展概况;

电法勘探仪器在国内最近二十年里走过了艰难的道路, 自我开发能力与二十年前相比没有得到发展. 仪器的使用部门大多使用国外进口的仪器(加拿大, 美国占多数). 原有国内的专业地质仪器厂都在退出地质仪器领域. 特别是主要生产电法仪器的上海地质仪器厂在十年前己告破产. 现在只有重庆地质仪器厂还在生产电法仪器. 高校中,长春地质大学也在少量生产电法仪器(高密度电阻率仪).国土资沅部的物化探研究所也在研制和试销电法仪器(频谱激电仪). 国内仪器生产箪位主要生产的仪器品种是直流电阻率法和时间域激发极化法. 频谱激电法的仪器在十五年前由中国科学院地球物理研究所与无锡电子技术应用研究所合作生产过6套.2005年由中国科学院地质与地球物理研究所与上海绿海电脑科技有限公司合作研制了2套二总线高密度电阻率仪.2006年元月中国科学院地质与地球物理研究所与北京中科天丰测控技术公司合作研制多功能电法勘探仪, 目前已完成仪器中的1. 十千瓦大功率发送机一台.2. 多功能电法接收机五台.3. 二总线通讯控制的数据采集器十台.

仪器发展方向

6.    发现新的地球物理化学参数, 研制新参数野外测量专用仪器.

7.    提高参数测量的度, 提高测量信号的信澡比(提高发送机功率扩大供地电流密度), 提高接收机的抗干扰能力, 提高信号测量的稳定性和分辩率, 加强对信号模拟滤波和数字滤波. 模拟信号传送短导线化, 长导线传送模数转换后得到的数字信号.

8.    提高野外工作效率: 自动化操作, 多机并发同步测量, 多机通讯罔络化工作, 数据库共享. 野外数据现埸后处理(成图, 打印, 成档)

野外局域罔可控源音频磁大地电流法电法勘探仪研制项目的意义

1. 学术思想创新.

为大面积深部找矿提供野外实用仪器. 为工程物探提供高效率的仪器. 实现计算机罔络化把物探专业知识封装在仪器的软件中提高野外数据的可靠性. 野外数据现场处理成图成档提高了野外工作效率. 为大面积自动化遥控遥测提供仪器设备.

2. 技术思想创新.

把工业自动化控制与测量新方案_现场总线局域罔运用到野外物探工地现场.

3. 技术集成创新.

把当今世界上的先进技术:

计算机数字信号处理技术(数字滤玻器,DFT离散数字富里叶变换),

微弱模拟电信号放大和预处理技术(有源滤玻器),

微弱模拟磁场信号放大和预处理技术(磁探头),

高速高分辨率数字化技术(高速1兆16位 模数转换器),

大容量数据存储技术(Flash memory),

长距离(10公里)抗干扰二总线通讯罔(CAN BUS) 技术,

全球卫星定位系统技术(GPS),

箪片微型计算机实时控制硬件软件系统技术,(C51软件)

大功率变频器技术(30KW IGBT 桥式逆变器)

和数字频率合成器锁相环技术(连续扫频发生器),

高压隔离抗干扰浮空电源技术,

高压隔离模拟量测量技术,

数据库通讯下载与后处理系统技术(VC++_RS232通讯处理软件WARTER),

 把以上新技术集成到一套仪器中.

4. 项目组现有技术.

计算机数字信号处理技术(数字滤玻器,DFT离散数字富里叶变换),

微弱模拟信号放大和预处理技术(有源滤玻器),

中速中分辨率数字化技术(中速500KPS 12位 模数转换器),

中容量数据存储技术(Flash memory29f010),

中距离(1公里)二总线通讯罔(RS485 BUS) 技术,

箪片微型计算机实时控制硬件软件系统技术,(C51软件)

中功率变频器技术(10 KW IGBT 桥式逆变器)

和数字频率合成器锁相环技术(连续扫频发生器),

高压隔离抗干扰浮空电源技术,

高压隔离模拟量测量技术,

数据库通讯下载与后处理系统技术(VC++_RS232通讯处理软件),

5. 要求研究掌握新技术.

微弱模拟磁场信号放大和预处理技术(磁探头)

*长距离(10公里)抗干扰二总线通讯罔(CAN BUS) 技术,

*全球卫星定位系统技术(GPS),

*大功率变频器技术(30KW IGBT 桥式逆变器)

*数据库通讯下载与后处理系统技术(VC++_USB接口通讯处理软件与专用电法数据处理软件SAFA接口的应用软件DS06),

*仪器的外型和内部结构设计,

*专用测试校验设备研制

*野外附助器件研制与配备(专用电榄, 供电电极, 测量电极, 充电器, 发电机组, 汽车)

6. 预期成果与效益

为我国填补了一种新仪器的空白, 先进性超过加拿大的凤凰公司同类仪器. 可替代进口设备, 同时可向国外口.预期生产量年产值5000千万元. 增值75% .

电法勘探原理简介:

有关电法勘探的物探方法是一门地球物理用地质勘探的科学。在地质院校的物探专业教科书中有详细讲述。本文是从一起测量方法原理的角度来说明。

电法野外勘探的目的是要测量大地的电特性，是把大地作为一个线性时不变系统来看待，向大地发送电流，在地下建立人工电场，在大地表面的各测点上再用仪器测量电压，利用测出的电压与发送的电流的关系，可以计算出大地的系统特性。这些特性包括大地的直流电阻率，交流电阻率，时间域的衰减曲线（即大地系统对阶跃激励电流信号的响应，是系统脉冲响应函数的积分），大地的复数电阻率（即大地的传递函数或称频谱响应函数）。

野外测量的系统是一个分布参数系统，测量的参数是电场ΔV，这些ΔV是大地系统对发送机发出的电流ΔI的反映，应ΔV/ΔI就得到了视电阻R，称为“视”电阻是因为它看上去像大地的电阻但又不是真的一只电阻器的电阻。这个电阻受到大地的地形和发送机电流供电电极的几何空间位置和接收机测量电极的几何空间位置有关。这些几何因素综合起来形成一个K值，不同的野外布极方法可以得到不同的K值。用K值乘上视电阻就得到了野外某测点上的视电阻率ρs

                   ΔV1

         ρs=          ·K……        （1）

                   ΔI

以上公式（1）计算出的视电阻率是从地表面测出的电阻率，但它反映的电阻率特性是地下面某一个深度的电阻率。所以它叫视电阻率。物探方法都是从测量地表的参数来反映底下的某几何位置的参数。

测出的参数可以分为“正常”的参数和“异常”的参数。物探工作的目的是寻找“异常”。正常是指底下没有矿体，大地是电特性均匀分布的无穷大剖面。异常是指底下埋有电特性与周围岩石电特性不同的矿体。

物体方法人员通过分析异常，推断，解释来寻找地下矿体，对于物探仪器要求是能够的测量出各种电参数，为方法人员提供可靠的资料。

* 物探方法人员与仪器人员的共同点和不同侧重点：

1：共同的目的是通过寻找异常实现找矿或者了解地质结构（工程物探）。

2：方法人员是研究大地分布参数，使用的数学物理方法是电场理论（场论），基础是马克斯惠尔的4个场方程式（扁微分方程）。

3：仪器人员研究的是测量仪器的电路，把野外某测点作为一个四端线性系统网络来看待。研究的是这个网络的脉冲响应函数（时间域的方法）和传递函数（频率域的方法）。数字无论基础是线性系统论。使用的数学方法是线性常微分方程，拉普拉式变换，傅立叶变换。

4：把仪器单测点测量与一条测量线上各测点测量联系起来。就把单点的集中参数测量转化成一条测线的分布参数测量，这样把仪器人员的电路与方法人员的电场统一起来了，这样就得到一个剖面，再把不同的平行测线结合起来就形成了大地上的一块面积。

5：现代计算机与网络通讯技术用于野外勘探旧可以提高测量功率，与方法人员的分布参数系统与仪器人员的集中参数电路系统统一起来，引成一个多端点的野外现场总线局域网。

电法勘探测量方法与仪器的分类：

1：按电场生成分类：

可分为天然电场法和人工电场法。天然电场是大地中自然产生的，或者是有雷电，远距离长波无线电台发出的电场，底下电化学效应自己引起的电场（自然电场）。

  人工电场是勘探人员用发送机法术固定的电流波形在底下建立的人工电场。人工电场还可以分成传导类电场和感应类电场，传导类电场是发送机的发送电极接地的（用铜电极赶插入地下）。感应类电场是用无线电发送天线向空中发射后感应到地下的，即发送机发送端不接地（如测地雷达）。

  2：按被测的参数分类：

  根据测量不同的物探参数可以分成不同的测量仪器，从被测信号频率的高低可分成以下几类：

  * 直流：（超低频1HZ以下） 直流电阻率法

  * 低频：（0.1HZ～20HZ）  激发极化法

  * 音频：（20HZ～10KHZ）  音频磁大地电流法

  3：按测量效率分类：

  按一次供电可同时测多少的物理册点分类：

  * 单点普通方法：每测一个物理点后要移动测量电极到新物理点再测，需要“跑极”，这种方法仪器简单，人工多，效率低。

* 多点同时测量的高密度法：这种方法可以一次发送机供电。同时多个物理测点上同时测量，测量效率高，数据可靠性高。

高密度测量中还可分为多线制和总线制。

多线制是一台主机上引出多道测量线，用星形网直接接到不同物理点的MN接线电极上。这种方法的缺点是要用 长导线传诵模拟量ΔV信号，而ΔV信号是mV级的微弱信号，容易受空中电磁波干扰，测量精度受影响。

 总线制是一台主机与多台从机用一根电缆连接起来，组成一个野外现成总线局域网，主机用数字通讯指挥各从机同时测量，测量完成后用数字通讯把各从机测得的信号分时传送给主机。在长线上传送的是数字信号。选用半双工的RS485通讯总线，距离可达1000米，数字不易受干扰，一根电缆线最多可以带128个从机。

4：按野外的布极方法分类，以下介绍几种常用的布极和K值计算公式

* 中间梯度法

Kmn = (2π* AM * AN * BM * BN) / [MN *(AM * AN + BM * BN)]

A,B供电电极是固定的，MN在A，B中间区域移动（在A，B的1/2区域内）

* 电测探法（对称测探法）

  K值与中间梯度法计算相同，只是这儿的AM = BN

在此M，N是固定在AB中间，而A，B供电电极是可以对称的向两边移动。随着A，B的加大距离，接收机测出的参数反映的是距地面1/2AB处的特性。

Kmn = (2π* AM * AN * BM * BN) / [MN *(AM * AN + BM * BN)]

* 偶极剖面法：

偶极剖面法装置的特点是A，B和M，N的距离都相当小，可以把AB和MN为两对偶极，这两对偶极之间的距离很大。

它的K值用下式计算

Kmn = (2π* AM * AN * BM * BN) / [MN *( BM * BN  - AM * AN )]

以上公式是假定供电时A为正，B为负。如果在实际工作中A，B都是可为正，也可为负的。这时算出的Kmn会变为负值。但是K值不会是负值的，这时只要把K值取值。| Kmn |

高密度电阻绿法用偶极剖面法的优点：

  高密度电阻率法的目的是提高测量效率和度。效率的提高方法是用AB供电电极向地下供电，可以在不移动测量电极的情况下同时测量多个MN惦记的电位差ΔVmn。精度的提高得益于这些ΔVmn是同一次供电时得到的，在计算电阻率时只要除以同一个电流，避免了不同次供电时电流ΔI变化造成的误差，虽然可以用功率恒流电源来稳定电流，但这种恒六源难以达到大功率，在野外测量中为了提高信噪比的方法是提高发送机功率，尤其是做偶极剖面法测量时，如果AB偶极与MN偶极距离较大时（大与300米），AB上供电较小时（小于1A），在MN上得到的ΔV是很小的，有时只有几个毫伏，此时虽然可以采用高分辨率的A/D转换器（如24位）来获得0.01mV的分辨率。但是由于野外的各种干扰因数使得低于0.1mV的信号难以稳定的测得。其中影响的因数有以下这些：

  1：A，B供电电极的极化和发热造成供电电流的不稳定。

  2：M，N测量电极与土壤接触，产生极化电压，这个电压在2mV左右，而且在做缓慢的漂移。

  3：M，N测量电极上来的大地上两点之间自然电位SP一般也有几到几十毫伏，这个自然电位也在做缓慢的漂移。

  4：以上这些因素可以通过仪器测量电路的改进加以减小，仪器中的放大器部分一般都要设计一级自电补偿电路。这个自电补偿电路是每一个供电周期间补偿一次。但对于一个周期内时间上自电的漂移是无法补偿的。

为了提高电阻率的测量精度，本仪器将采用数字信号处理的方法，对接近与直流的超低频信号进行傅立叶变换的办法，这样可以大大提高测量度，上世纪80年代中间做过的工作证明可以得到0.01mV的分辨率。本文将在软件编制的章节中专题说明这种技术。

大功率高压串联变频电法勘探发送机优点

* 野外使用轻便化,用三台10KW发电机代替一台30KW发电机,便於搬运.

* 三台10KW发电机与大地绝缘,使电源浮空.可省去隔离变压器,大大减轻整套仪器的重量.

* 串联变频电源可以向地下输出高电压(可达1800V),有利於在A,B接地条件不好的地区工作.

* 使用灵活,可以根椐需要选用一台,二台或三台发电机,分别向A,B供电电极输出600V,1200V,或1800V电压.

整套仪器组装在一辆越野工程车上, 车上装备大功率发电装置.

装备成套汽油发电机组三台. 发出三相50HZ,380V交流电输出三组独立的交流电压. 经过发送机内的三相桥式整流模块输出三组独立的600V直流电压. 再经发送机内的大功率串联变频器逆变成各种频率的方波电压(600V,1200V,1800V)向大地A,B电极供电.

与加拿大凤凰公司的T30发送机比较有以下的优点:

1.输出电压幅度提高2倍. 加拿大凤凰公司T30_800V     中国DF30_1800V

2.轻便化,重量可减轻为1/2.因为采用串联浮空发电机技术省去了三相隔离400HZ变压调压器的重量.

3.输出电流的频率连续可调,使CSMT参数的频谱更加完整.(T30的频率是2的N次方跳变的,我们的频率是由数字频率合成器技术产生的,可以做到以1HZ为增量输出从1HZ,2HZ,3HZ____4096HZ___8192HZ.)

4.提高了仪器的大功率输出器件的自我保护能力(用大功率硬件采用快速摸拟电路保护和开关电路保护有机结合保护技术.本技术是笔者的发明)

5.发送机内装智能控制微机具有野外数据小型数据库和串行通讯接口(RS232,RS485,CAN等).使它能作为野外局域网中的主机或从机.可与多台数据采集器组合组成高密度测控网.也可以受接收主机的控制与数据采集器同步工作.也可以接收全球卫星定位系统(GPS)控制实现定时同步工作.

一．仪器的主要用途和性能

D03FD电法勘探发送机是一台智能化网络化的野外电法勘探中使用的主机。主要用途是使用电阻率法，高密度电阻率法，激发极化法（时域，频域）寻找地下矿体，地下水，地下空洞。寻找具有激发极化效应的金属矿，如铜矿，铅锌矿，具有铜矿伴生的金矿。用高密度电阻率法可以寻找地下水，地下空洞，可用于工程物探中探测铁路公路的路基质量。本仪器配套使用三相220V工业交流电或野外通用的发电机组（三相220V 50HZ 10KW）发出的三相220V交流电，由三个专用隔离变压器转换成50V~，100V~，200V~，300V~，400V~，500V~各种交流电输入到本仪器，仪器中的整流电路把交流三相电转换为直流80V——800V。本仪器在机内微机控制下，可以输出幅度从80V到800V的方波信号或中间有停电的双向方波脉冲,输出电流12A，输出功率为10KW。波形的频率可变范围是128秒/周期到频率8KHZ。

仪器使用安全可靠，机内具有输出过电流自保电路，输出欠电流保护功能（防止野外有人碰断供电线造成触电事故）。

本仪器中具有二条通讯控制二总线接口，一种是编码的二总线PG控制，用它可以同时控制32个供电电极控制器联合工作，可以控制用地址编码的供电电极A或B“通”与“断”，从而实现偶极偶极法中供电位置改变的功能。另一种二总线控制是采用了RS485标准，它可以在二根线上实现发送和接受串行化的数据信号。用它与最多32个接收电极（M，N）放大器联接，可以同时指挥32对MN电极同时测量从地下返回的电法测量参数（ΔV1，ΔV2），同时测量后暂存在放大器中的微处理机系统中，然后用RS485二总线分时的传送给D03T-2主机。这样的测量方法就可以使野外工作效率大大提高，可以实现大面积高密度的野外勘探工作，特别适合寻矿中的大面积普查和工程勘探工作。

仪器中还有一条三总线的RS232串行通讯接口，它可以与室内系统微型计算机（PC机）实现串行通讯。本仪器内有大容量的Flash存储器，它以野外数据记录的形式建立了一个野外数据记录本式的小型数据库。在本仪器上可以记录，查找，也可以用RS232接口把整个野外记录数据库下载到PC机中去，形成PC机中Acses数据库中的数据记录。这些原始记录可以为电法勘探人员进行资料后处理，用PC机中的各种处理软件实现野外地质剖面参数的成图打印等工作。综上所述，本仪器是一套用各种串行通讯联网的野外电法勘探局域网中的一台设备，但是它可以单独作为一台独立的电法勘探发送机使用。

(1)仪器的机械结构指标

材料：硬质铝合金，机箱和机架，面板全部铝质。

性能：防震，防水，全密封结构，轻便。

外形尺寸：  长：560mm；宽：350mm；高：320mm。

仪器重量：  18 公斤。

(2)仪器的电气指标

交流电频率：50Hz，60Hz，400Hz兼容。

三相隔离变压器输入电压： 220V。

三相隔离变压器交流输出电压：50V，100V，200V，300V，400V，500V（由专用变压箱提供）。

仪器直流输入电压：80V~800V（由专用DC/DC变换器提供，或者由蓄电池组提供）

输入电流：（3A~16A）*3。

仪器输出电压波形峰值：80V~800V。

输出频率范围：128秒/周期~8KHz，变频用数字频率合成器完成，使得频率分辨率为1/213，近似频率连续可调，频率稳定性1/10万。

输出峰值电流范围：1A ~ 12A。当负载（即大地电阻）过大时有短路保护功能，当负载断开时有切断输出电压的功能。

输出电流自检功能：机内具有的交流方波输出电流隔离测量功能，机内微机可以测量和显示输出电流的幅度，电流测量度为3% （该电流不作视电阻率计算用，作视电阻率计算用的电流来自一个数据采集器）。输出波形：方波，正负间断的方波脉冲。