基于地球電磁感應原理的地下水源探測儀的制作方法

專利名稱：基于地球電磁感應原理的地下水源探測儀的制作方法
技術領域：
本實用新型主要涉及到水源探測領域，特指一種基于地球電磁感應原理的水源探 測裝置。
背景技術：
目前地面物探方法找水首推電法和測量地層磁分量的甚低頻法，以及核磁共振 法。電法和地層磁分量的甚低頻法共同點是測量地質體物性綜合值，測量結果存在多解性， 全憑測量者的主觀經驗判斷，誤差大，找水成功率只有百分之二、三十。核磁共振法探測方 法成功率高，但探測深度有限、辨別不出是否為流動的水，同時設備昂貴、體積大不適合野 外工作。且傳統物探找水的儀器使用復雜，需要人工記錄每一組測量數據，然后根據測量 數據繪制測量曲線圖，必須有豐富水文地質經驗的工程師根據測量曲線圖判定是否有水， 人為因素占比重很大，當測量點比較多時，數據量也是相當大，后期人工分析的任務相當繁 重。
實用新型內容本實用新型要解決的技術問題就在于針對現有技術存在的技術問題，本實用新 型提供一種結構簡單緊湊、便攜性好、操作方便、快捷、直觀及準確率高的基于地球電磁感 應原理的地下水源探測儀。為解決上述技術問題，本實用新型采用以下技術方案。一種基于地球電磁感應原理的地下水源探測儀，其特征在于包括一個以上感應 探針組、信號處理單元和主控制器，所述每個感應探針組由兩個感應探針組成，所述感應探 針用來實時采集所在處由地球電磁感應所產生的電壓信號，所述電壓信號經信號處理單元 放大、濾波后轉換成兩個感應探針所在處每個時刻的電壓差值U及關于電壓差值U的時域 信號示意圖并送至主控制器，主控制器由關于電壓差值U的時域信號示意圖得到關于電阻 率R值的時域信號示意圖以及頻域信號示意圖，并根據頻域信號示意圖做出是否有地下水 源的判斷。作為本實用新型的進一步改進所述信號處理單元包括依次相連的50Hz工頻陷波單元、差動放大單元、一級放大 單元、低通濾波單元、可調帶通濾波單元、二級可調放大單元以及模數轉換單元。所述每組中兩個感應探針之間保持一定距離L，L大于等于10米且小于等于20 米，感應探針插入地表深度大于等于10厘米小于等于20厘米。所述主控制器含一存儲單元。所述主控制器含一顯示單元。與現有技術相比，本實用新型的優點就在于1、本實用新型的找水準確率高，該裝置找水準確率在95%以上，而傳統物探找水 的準確率僅為20% 30%。2、本實用新型的找水深度大，該裝置找水的深度可以達到1000米，而傳統物探找 水的探測深度有限，一般在100米以內。[0016]3、本實用新型的探測裝置找水采用了動態信息的探測方法，因此可以分清地下是 流動的水還是不動水，所有找到的水的水質相對比較好。4、本實用新型的探測儀結構簡單、成本低廉、體積小、重量輕、便攜性好、耗電量很 小，每一組電池充一次電可以連續工作50個小時以上，同時用戶可以根據需要攜帶多組電 池，使用時間更長，因此攜帶很方便。5、本實用新型探測儀，采用全電腦控制，軟件自動采集，自動分析，自動判別是否 有水，自動繪制地層含水分布圖，采集完成后通過語音提示用戶，數據采集完成后，當場便 可以得到測量結果，系統自動生成地下地層含水分布圖，使用非常方便、直觀。
圖1是本實用新型所采用探測方法的流程示意圖；圖2是本實用新型中探測儀的框架結構示意圖；圖3是本實用新型具體實施例中探測儀信號處理單元的電路原理示意圖；圖4是本實用新型具體實施例中探測儀軟件算法單元的電路原理示意圖；圖5是本實用新型探測儀在應用實例中的示意圖；圖6是本實用新型具體實施例中探測儀的工作原理流程示意圖；圖7是本實用新型具體實施例中第一種情況下關于電壓差值U的時域信號示意 圖；圖8是本實用新型具體實施例中第一種情況下關于電阻率R值的時域信號示意 圖；圖9是本實用新型具體實施例中第一種情況下的頻域信號示意圖；圖10是本實用新型具體實施例中第二種情況下關于電壓差值U的時域信號示意 圖；圖11是本實用新型具體實施例中第二種情況下關于電阻率R值的時域信號示意 圖；圖12是本實用新型具體實施例中第二種情況下的頻域信號示意圖；圖13是本實用新型具體實施例測量剖面的水層分布示意圖。
具體實施方式
以下將結合具體實施例和說明書附圖對本實用新型做進一步詳細說明。如圖2所示，本實用新型的基于地球電磁感應原理的水源探測儀，包括一個以上 感應探針組11、信號處理單元和主控制器12，每個感應探針組11由兩個感應探針組成，如 果為多組感應探針組時，則可采用多路開關對其進行切換控制或并行控制。感應探針用來 實時采集所在處由地球電磁感應所產生的電壓信號，電壓信號經信號處理單元放大、濾波 后轉換成兩個感應探針所在處每個時刻的電壓差值U及關于電壓差值U的時域信號示意圖 并送至主控制器12，主控制器12由關于電壓差值U的時域信號示意圖得到關于電阻率R值 的時域信號示意圖以及頻域信號示意圖，并根據頻域信號示意圖做出是否有地下水源的判 斷。信號處理單元包括依次相連的50Hz工頻陷波單元1、差動放大單元2、一級放大單 元3、低通濾波單元4、可調帶通濾波單元5、二級可調放大單元6以及模數轉換單元7，主控 制器12含一存儲單元9，用來記錄所測量的所有信息，能夠記錄的量根據硬盤的大小來定，一幀數據的大小為2. 7Kbit。主控制器12與一顯示單元10相連，用來顯示最后的探測結果。如圖1所示，本實用新型所采用的探測方法，其步驟為①、將一個以上感應探針組11插入到地表內，每個感應探針組11由兩個感應探針組成，兩個感應探針之間保持一定距離L ；②、分別通過兩個感應探針實時采集所在處由地球電磁感應所產生的電壓信號， 將該電壓信號經過放大、濾波處理后得到兩個感應探針所在處每個時刻的電壓差值U及關 于電壓差值U的時域信號示意圖，并將該電壓差值U及關于電壓差值U的時域信號示意圖 作為信號傳送至主控制器12，所述電壓差值U為交流值；③、主控制器12給定某一通帶的頻率f對關于電壓值差U的時域信號示意圖依次 進行帶通濾波、低通濾波，由于兩個感應探針之間區域的電流值I是恒定的，通過公式U = R*I得到與各個時刻下電壓差值U對應的電阻率R，電阻率R值即為所測地區的巖石電阻 率；然后根據濾波后的波形示意圖得到關于電阻率R值的時域信號示意圖；最后對關于電 阻率R值的時域信號示意圖進行頻譜分析，得到頻率在5Hz以內的頻域信號示意圖；④、在得到的頻率在5Hz以內的頻域信號示意圖中，如果幅值信號最大的10個幅 值信號對應的頻率均在5Hz以內，則在兩個感應探針之間的區域內有地下水源。測量一條 或若干條剖面(即測量多個點)時，能夠得到整個剖面的水層分布圖，能直觀的體現出剖面 的有水分布情況。在步驟④中，將關于電阻率R值的時域信號示意圖中數據的最大值減去最小值后 的差值除以最小值得到能量系數，當能量系數大于100%時，計為100%，所述能量系數用 來表示地下水量的大小。在步驟④中，將頻域圖中10個最大幅值的頻率值各自除以20后與對應的幅值相 乘，再將十個所得到乘積值相加，將累加后和值除以50得到有水比例，所述有水比例用來 表示地下水的流速。在具體實施例中，本實用新型探測儀的工作原理為參見圖2、圖3、圖4、圖5和圖 6，感應探針在使用時插入地表，插入地表的深度以感應探針金屬部分基本不外漏為準，感 應探針上金屬部分的長度大于10厘米小于25厘米，每個感應探針組11中兩個感應探針之 間保持一定距離L，L大于等于10米且小于等于20米。通過感應探針采集到的電壓信號由屏蔽電纜傳入到信號處理單元的采集端口 INAU INB1，再經電解電容El、E2隔直，為了防止對內部電路的損壞，本實施例中加入D1、 D2、D3、D4四個二極管進行限幅，對上述信號的正、負都進行限幅。上述采集到的電壓信號輸入到50Hz工頻陷波單元1中，該50Hz工頻陷波單元1 用來防止工頻干擾，該50Hz陷波電路設計參數的品質因素Q等于10，則其帶寬為5Hz。經50Hz工頻陷波單元1處理后的信號輸入到差動放大單元2內，差動放大單元2 采用芯片ICl (例如AD623)，該芯片可以通過調節電阻R12的阻值來調節放大倍數，在此為 使運放穩定工作，將放大倍數設置在100倍輸出信號。經過差動放大單元2處理后的信號輸入到一級放大單元3內，因為輸入的信號都 是在幾十微伏到幾十毫伏的范圍內，所以必須再次放大。因為在差動放大單元2中已經將 信號放大了 100倍，在此再放大50倍，同時考慮到對直流分量的放大，通過C15對信號隔直，再輸入到運算放大器芯片IC2-1(例如LM324)放大，反饋電阻R17與R15的比例為50，使該級放大的放大倍數為50。經過一級放大單元3處理后的信號輸入到低通濾波單元4內，因為此時有用信號 頻率低于3KHz，因此低通濾波單元4用來防止出現高頻干擾的情況。低通濾波單元4采用 運算放大器芯片IC2-2作為低通濾波器運放(例如LM324)，其采用的是“二階壓控電壓源 低通濾波”方式，其截止頻率在3KHz，品質因數Q設定于1，通帶增益為1.6，這種參數設定 能使電路穩定工作。為了得到不同頻率的信號，經過低通濾波單元4處理后的信號輸入到可調帶通濾 波單元5中，可調帶通濾波單元5采用芯片IC2-3(例如LM324)進行帶通濾波器運放。本 實施例中所采用的二階有源帶通濾波器，品質因數Q設定在5，通帶增益設定為1. 4，因深度 要可控變化，在此采用可調電容，調節帶通濾波器的通帶頻率；采用可調電容CN1、CN2的容 值取決于帶通濾波器要使用的通帶頻率，目前使用的范圍為3KHz到10Hz，理論的分辨率為 IHz,因為Q為5，所以存在帶寬為帶通濾波器中心頻率的五分之一，實際分辨率是隨帶通濾 波器中心頻率變化的。由公式“H = A*(R/f)°_5”可知深度與帶通濾波器中心頻率的關系， 公式中的“H”表示要測量的深度，“A”為一常數“969. 5”，“R”為所測量地區的巖石電阻率， “f”為通帶頻率(即可調帶通濾波單元中的帶通濾波器的中心頻率)，由公式可看出，在“R” 一定時，“H”與“f”的關系為H2 = (A*A*R)/f，則通過算法可以從f得到要測量的深度。 因不同地區的電阻率是有較大差異的，則感應探針采集到的電壓信號也是有很大 變化，為了獲得較好的信號，信號經C22隔直后再到二次可調放大單元6中進行二次放大。 該二次可調放大單元6采用芯片IC2-4，在此采用可調放大得到不同幅度的信號，調節可調 電阻RT，調整放大倍數，在此設定的放大倍數為1到20倍連續可調，經放大后即得到“電壓 差值U”。得到了“電壓差值U”信號后，用模數轉換單元(A/D) 7將模擬信號數字化。模數轉 換單元采用芯片U6 (例如ADS1225)，該芯片是極低噪聲24bit最高采樣率為30KHz的模數 轉換芯片，芯片的數字端接口是采用SPI方式，方便與主控制器12中的軟件算法單元8中 的DSP芯片連接。考慮到復雜的算法，本實施例中，軟件算法單元8采用低功耗高速的數字 信號處理器(DSP)——TMS320VC5402,為了配合復雜的算法和存儲程序，外擴展了 SRAM(U2IS61LV51216)禾口 FLASH MEM(U3SST39VF160)芯片，DSP、SRAM、FLASH MEM 構成“軟 件算法單元”。通過A/D轉換芯片采集“電壓差值U”信號，A/D采樣的頻率不低于100Hz，連 續采集的時間不少于20秒鐘，DSP通過SPI接口與模數轉換單元中的A/D轉換芯片連接， 將“電壓差值U”信號數字化，如果連續采集的時間為20秒鐘，則為20秒離散數字化的“電 壓差值U”信號。將20秒離散數字化的“電壓差值U”信號通過軟件算法單元的DSP芯片實 現軟件的FIR低通濾波，低通的截止頻率為3KHz，去除模擬電路和外界的干擾，再用自適應 濾波算法鎖定設置通帶(即深度)的信號。通過公式U = R*I，得到20秒離散數字化的電 阻率R值的時域信號，用FFT頻譜分析算法分析電阻率R值的時域信號得到頻域信號，DSP 通過算法找出幅度最高的十種頻譜，剔除5Hz以上頻率成分的頻譜，DSP分析找出的十種最 高幅度的頻譜是否都在5Hz以內，如果都在，表示有水，如果少于十個表示無水。如果有水， 將十種頻譜的頻率乘以對應的幅度，再將十個乘積相加，將累加和除以50得到該幀數據的“有水比例”。如果無水，則“有水比例”顯示為0%。再利用電阻率R值的時域信號算出“能量系數”，在20秒離散數字化的電阻率R值的時域信號中，DSP通過算法找到數據的最大值 減去最小值(即最高的波峰減最低的波谷)的值除以最小值得到“能量系數”，當“能量系 數”大于100%時，按100%計算。其中“能量系數”說明水量的大小，“有水比例”說明水 的流速，當兩者都很大的前提下表示測量點下的某一深度處有較大流速且水量較大的地下 水。DSP存儲在5Hz以內且屬于十種最高幅度頻譜的頻譜，有幾種存幾種，以及對應的時域 波形、能量系數、有水比例、采集深度、放大倍數、測線、測點，此代表一幀數據。DSP將每幀數 據提交到計算機，計算機通過顯示單元將所有信息顯示出來，并將信息通過存儲單元存儲。 如果測量的是一個剖面即多個測量點，繪出水層分布圖，如圖13所示其橫坐標表示隨機 定義坐標原點的一條測線(即地表的某位置)，其坐標N米表示到原點的距離為N米。縱坐 標表示離地表的深度，其坐標N米表示離地表的深度為N米。用“■"圖標表示水量豐富，用 “·"圖標表示水量匱乏，為“□”表示對應的地方沒有測量數據。測量完后立即可以生成直 觀的測量報告，由“有水比例”乘以“能量系數”得出水量的大小，如果測量了多次，將多次 的結果取平均，如果水量大則含水量豐富圖標"■”越高，表示水量越豐富，含有水量匱乏圖 標"β"的段表示沒有水。為了方便處理后的數據要提交顯示及方便人機交換，擴展了 USB芯片(U4 CH372) 與計算機連接。經過DSP處理完的數據提交顯示單元10顯示，并將所有數據都存儲到存儲單元9。實例一、如圖7所示顯示的是實際測量中某一測點的某一深度的電壓差值U的時域信號示 意圖，圖中“時域信號”為20秒離散數字化的“電壓差值U”信號，再將20秒離散數字化的 “電壓差值U”信號通過軟件算法單元8的DSP芯片實現軟件的FIR低通濾波，再用自適應 濾波算法鎖定設置通帶(即深度)的信號，再通過公式<formula>formula see original document page 7</formula>，得到20秒離散數字化的電 阻率R值的時域信號示意圖，如圖8。用FFT頻譜分析算法分析電阻率R值的時域信號得 到頻域信號，DSP通過算法找出幅度最高的十種頻譜，剔除5Hz以上頻率成分的頻譜，得到 頻域信號示意圖，如圖9。由圖9可看出幅值最大的10種頻率，其格式是“數字1-數字2”， “數字1”代表的是幅值在十種最大頻率中的第幾個大的幅值，“數字2”代表的是實際頻率 的20倍。將實際頻率乘以對應的幅度再累加，將累加的和除以50取平均得到“有水比例”。 十種最高幅度的頻譜都在5Hz以內，有水比例按上述算法算出為53.6%，表示有水。對于 圖8中的時域信號，將這20秒離散數字化電阻率R值的最大值減去最小值(即最高的波峰 減最低的波谷)的值除以最小值得到“能量系數”，當“能量系數”大于100%時，按100%計算。實例二、如圖10所示顯示的是實際測量中某一測點的某一深度的電壓差值U的時域信號 示意圖，圖中“時域信號”為20秒離散數字化的“電壓差值U”信號，再將20秒離散數字化 的“電壓差值U”信號通過軟件算法單元8的DSP芯片實現軟件的FIR低通濾波，再用自適 應濾波算法鎖定設置通帶(即深度)的信號，再通過公式<formula>formula see original document page 7</formula>得到20秒離散數字化 的電阻率R值的時域信號示意圖，如圖11。用FFT頻譜分析算法分析電阻率R值的時域信 號得到頻域信號，DSP通過算法找出幅度最高的十種頻譜，剔除5Hz以上頻率成分的頻譜，得到頻域信號示意圖，如圖12。由圖12可看出10種最大幅值的頻率只有兩種落在5Hz以 內，且通過有水比例算法算出有水比例為0%，表示無水。對于圖11中的時域信號，用能量 系數算法算出能量系數為25%，說明水量基本沒有。綜合能量系數和有水比例得出該測量 點對應地下某一深度沒有水。實例三、如圖13所示，該圖表示的是在現場測量中的某一實例，測量一個剖面，測量剖面 的長度為80米，每次測量感應探針組11的距離L長度為10米，插入深度為15厘米。先在 第一個點(即圖中橫坐標的0到10米)測量，要求測量的深度為7種分別為40米到75 米，75米至Ij 110米，110米至Ij 145米，145米到180米，180米到225米，225米到260米，260 米到300米。每種深度重復測量三幀數據，每幀數據對應的A/D轉換芯片采集時間長度為 20秒鐘，先測量40米到75米段的深度，依次由淺入深測量，一直到260米到300米段測完。 然后移動感應探針組到10米和20米處，再按照上一測量點的順序依次測量，直到第二個測 量點的260米到300米深度段測完，……按照以上步驟移動感應探針組，直到測完整個80 米長的剖面。每個測量點的每個深度都重復測量了三次，將三次測量的能量系數和有水比 例相乘后，再將三次乘積相加，再將相加的和除以3得到該深度的有水情況。因為每測量一 幀數據計算機都將數據存儲了，根據每幀里的測點、深度、有水比例、能量系數等數據，繪制 出水層分布示意圖。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，本實用新型的保護范圍并不僅局限于 上述實施例，凡屬于本實用新型思路下的技術方案均屬于本實用新型的保護范圍。應當指 出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理前提下的若干改進和 潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
權利要求一種基于地球電磁感應原理的地下水源探測儀，其特征在于包括一個以上感應探針組(11)、信號處理單元和主控制器(12)，所述每個感應探針組(11)由兩個感應探針組成，所述感應探針用來實時采集所在處由地球電磁感應所產生的電壓信號，所述電壓信號經信號處理單元放大、濾波后轉換成兩個感應探針所在處每個時刻的電壓差值U及關于電壓差值U的時域信號示意圖并送至主控制器(12)。
2.根據權利要求1所述的基于地球電磁感應原理的地下水源探測儀，其特征在于所 述信號處理單元包括依次相連的50Hz工頻陷波單元(1)、差動放大單元(2)、一級放大單元(3)、低通濾波單元(4)、可調帶通濾波單元(5)、二級可調放大單元(6)以及模數轉換單元 ⑵。
3.根據權利要求1或2所述的基于地球電磁感應原理的地下水源探測儀，其特征在于 所述每組中兩個感應探針之間保持一定距離L，L大于等于10米且小于等于20米，所述感 應探針插入地表深度大于等于10厘米小于等于20厘米。
4.根據權利要求1或2所述的基于地球電磁感應原理的地下水源探測儀，其特征在于 所述主控制器(12)含存儲單元(9)。
5.根據權利要求1或2所述的基于地球電磁感應原理的地下水源探測儀，其特征在于 所述主控制器(12)含一顯示單元(10)。
專利摘要一種基于地球電磁感應原理的地下水源探測儀，包括一個以上感應探針組、信號處理單元和主控制器，所述每個感應探針組由兩個感應探針組成，所述感應探針用來實時采集所在處由地球電磁感應所產生的電壓信號，所述電壓信號經信號處理單元放大、濾波后轉換成兩個感應探針所在處每個時刻的電壓差值U及關于電壓差值U的時域信號示意圖并送至主控制器，主控制器由關于電壓差值U的時域信號示意圖得到關于電阻率R值的時域信號示意圖以及頻域信號示意圖，并根據頻域信號示意圖做出是否有地下水源的判斷。本實用新型具有結構簡單緊湊、便攜性好、操作方便、準確率高等優點。
文檔編號G01V3/08GK201569754SQ20092026887
公開日2010年9月1日 申請日期2009年10月28日 優先權日2009年10月28日
發明者劉彥, 李新年, 石文明 申請人:湖南金宏源電子科技有限公司