一種掃描式瞬變電磁探測系統的制作方法

本發明涉及一種基于瞬變電磁法的超前地質預報系統，具體來說是一種掃描式瞬變電磁探測系統。

背景技術：

隧道工程地質災害是制約隧道施工的關鍵因素，往往由于隧道開挖前方地質情況不明，經常出現無法預料的地質災害，如突水、突泥、坍塌等，為隧道施工帶來了嚴重的安全問題和重大的經濟損失。在井下進行煤礦開采過程中，也經常會遇到巷道突水等地質災害，造成礦區水源枯竭、水與生態環境遭到破壞。所以隧道或坑道突水、透水事故給施工生產帶來了重大災難和經濟損失，已經成為制約隧道或坑道等地下工程建設的瓶頸問題。隧道或坑道突、涌水源頭(含水體)的超前探測是一直以來備受關注而未能解決的重大科技工程難題，尤其在含水體遠距離三維定位與水量預測方面缺乏行之有效的技術與裝備。因此，研制隧道或坑道掘進面前方含水體超前探測系統與裝備具有重要的意義和價值。

瞬變電磁法(tem)是一種時間域的電磁探測方法，介質在一次電流脈沖場激勵下會產生渦流，在脈沖間斷期間渦流不會立即消失，在其周圍空間形成隨時間衰減的二次磁場。二次磁場隨時間衰減的規律主要取決于異常體的導電性、體積規模和埋深，以及發射電流的形態和頻率。因此，可以通過接收線圈測量的二次場空間分布形態，了解異常體的空間分布。

現有的瞬變電磁探測系統只能進行點測，工作效率較低。針對該問題，本發明提供了一種可以進行連續測量的掃描式瞬變電磁探測系統。該系統的研發主要需要克服或解決以下幾個關鍵問題：①供電電流關斷不徹底普遍存在斷電后電流甩尾巴現象和電流震蕩現象；②信號影響因素改正不徹底問題，主要涉及斜階躍改正、早期一次場改正和二次場中疊加由接收線圈的電感、匹配電阻、電容引起效應的改正；③連續掃描采集數據相比于傳統逐點采集數據對儀器的穩定性提出了更高的要求。④海量數據的快速存儲、讀取、二、三維的實時顯示和分析功能等。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種掃描式瞬變電磁探測系統，它是在現有的瞬變電磁探測系統的研究基礎上進行一定的改進，結合了現有瞬變電磁儀器系統的一些特點和優點，它準確性與分辨率高，穩定性好，信息量豐富，改善了供電電流關斷不徹底普遍存在斷電后電流甩尾巴現象和電流震蕩現象，能夠更準確預報前方的不良的地質體和含水構造。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種掃描式瞬變電磁探測系統，包括一個主機；所述的主機由電源供電，

所述主機主要由cpu模塊、信號發射模塊和信號接收模塊組成；

所述的信號發射模塊包括譯碼邏輯器、波形合成電橋、續流吸收電路、脈沖輸出端；其中cpu控制譯碼邏輯器、波形合成電橋輸出電路輸出驅動電路；通過續流吸收電路加快在關斷時泄放掉發射線圈儲存的能量；

所述的信號接收模塊包括輸入放大器、陷波器、帶通濾波器和adc轉換器；接收信號依次通過輸入放大器、陷波器、帶通濾波器和adc轉換器傳入主機進行數字信號最終處理。

進一步的，所述的波形合成電橋由輸出電流調整電路對其電流進行調整。

進一步的，所述的霍爾電流傳感器通過比較器與cpu相連。

進一步的，信號發射模塊還包括輸出電流調整電路、霍爾電流傳感器、比較器與adc轉換器，其中，譯碼邏輯器輸出信號中有一路輸出驅動續流吸收電路，有一路控制波形合成電橋產生和驅動輸出雙極性脈沖測試信號，波形合成電橋連接霍爾電流傳感器，霍爾電流傳感器采集到輸出脈沖信號，之后經過整流，得到整流輸出信號；整流輸出信號一路輸出至adc轉換器得到電流大小；一路輸出給電壓比較器與設定的保護基準電壓比較，當超過基準電壓時過流狀態翻轉輸出c_ov信號，c_ov信號一路經發射信號邏輯譯碼器單元處理后關斷波形合成電橋輸出，另一路狀態信號輸送給主機cpu。

進一步的，所述的譯碼邏輯器的控制信號由主機cpu產生；在有發射信號輸出時，續流吸收電路被關斷不影響發射；在發射信號關斷停止輸出時，續流吸收電路開啟接入發射端a/b，吸收掉發射線圈中的能量。

進一步的，接收線圈感應的信號以差分形式接入輸入放大器，輸入放大器后加入陷波器，再通過帶通濾波器，濾波器輸出級后插入可變增益放大器，增益級輸出的單端信號需要轉換為差分信號，adc轉換器設定為差分輸入模式，轉換得到的數據由cpu緩沖、處理后輸出給上位機。

進一步的，所述主機cpu采用高速工業級單片機c8051f120采集發射級的輸出電壓和發射電流；采用128k字節的sram，多于100k字節的部分用于cpu數據變量的存儲空間。

進一步的，所述譯碼邏輯器、波形合成電橋組成的輸出電路變換極性驅動器使用ir2110驅動發射不同的輸出電壓和發射電流，輸出電壓分為12v、24v和36v三檔，發射電流最大值為10a。

進一步的，所述續流吸收電路在發射輸出接口處加載適當的泄放回路，減小輸出級的關斷時間，降低一次場對二次場的干擾。

進一步的，所述輸入放大器輸入前置級電路形式為差分輸入形式，以適應輸入信號的接入要求，本級增益為2.7倍。

進一步的，所述帶通濾波器與輸入放大器相連，輸入信號經過前置級放大后，插入50hz陷波器和270khz的低通濾波器。陷波器對50hz的衰減量大于30db，增益為1倍；低通濾波器為4階巴特沃斯濾波器，保證通帶內信號平坦，降低噪聲和提高信噪比，增益為2.576倍。

進一步的，所述可變增益放大器由數字電位器或模擬開關與運放組成。增益調整為0db、6db、12db、18db、24db、30db、36db、42db共7級，每級以2的指數形式遞增。增益調整輸出時轉換為差動形式輸出，信號不做1/2衰減，故可以視為差動輸出有2倍的增益，其折算到前置級輸入相當于前置級提供5.4倍增益。

進一步的，所述adc轉換器ads1610的轉換率可以由公式10*(fclk/60mhz)決定。在輸入48mhz時鐘時，轉換速率為8msps，相當于8msps/16bit＝500khz的采樣速率，滿足2μs的采樣時間要求。

本發明還提供了一種掃描式瞬變電磁系統的使用方法，采用下述技術方案：

1>連接主機、鋰電池組、發射線圈與接收線圈；

2>啟動主機，打開控制軟件，設置測線號。

3>設置基本參數：頻率、疊加次數、發射面積、發射匝數、接收面積等。

4>開始系統測試，進行校準檢查；

5>由信號發射模塊進行發射，由信號接收模塊進行采樣；

6>保存和打開曲線數據。

7>退出程序。

本發明的功能如下：

(1)實現掃描式瞬變電磁探測，可對測量數據進行連續采集與接收。

(2)儀器系統為一體機，即發射模塊和接收模塊集成在一起。此外，一體機與供電電源分離。供電電源的設計應滿足鋰電池和鉛酸蓄電池均通用，但研發的樣機或成機應配鋰電池組。

(3)具有過流和極性保護裝置，較好的工頻抗干擾性能。

(4)一體機的接收接口應設計成既可以用探頭接收，也可以用線圈接收。另外，發射電流可在一定范圍內進行自由調節。

(5)在工作過程中，儀器的供電電壓應在面板上實時顯示。數據采集過程中的發射電流也應實時顯示。

(6)數據采集方式為點測，采集時物理點的編號可以設置為自動遞增或遞減，也可以手動編輯點。

(7)數據采集可以自動保存在指定的目錄或指定的文件中。

(8)采集的數據可顯示成三種刻度類型的坐標曲線圖：對數坐標圖，半對數坐標圖和等間距坐標圖等。

(9)采集的數據應具有回放顯示和初步編輯功能：不同物理點的數據可以作對比分析，如數據表格顯示對比，數據曲線成圖對比等；可以對數據點和采樣點進行刪除、修改及刪除、修改后的文件保存。

(10)數據的輸出應做到可以用u盤直接拷貝，也可以通過無線傳輸。

(11)采集系統軟件應該做到穩定，不易感染病毒，可手動恢復或修復，而且有相應的備份。

本發明在相關試驗測試中效果良好，成果顯著，具體成果見附圖。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。

圖1是本發明的整體結構邏輯圖；

圖2是本發明的發射電路信號合成邏輯圖；

圖3是信號接收電路邏輯圖；

圖4是本發明應用中某測線感應電動勢衰減曲線圖

圖5是本發明應用中某測線感應電動勢剖面圖

圖6是本發明應用中某測線視電阻率等值線剖面圖

其中，1.主機cpu，2.譯碼邏輯器，3.波形合成電橋，4.輸出電流調整電路，5.續流吸收電路，6.霍爾電流傳感器，7.比較器，8.可變增益放大器，9.輸入放大器，10.adc轉換器，11.發射線圈，12.接收線圈，13.整流，14.基準電壓，15.陷波器，16.帶通濾波器。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

如圖1所示，一種掃描式瞬變電磁探測系統，包括主機(發射與接收模型一體)、發射電纜和接收電纜、鋰電池組以及配套軟件系統，所述主機主要由脈沖輸出級(包括譯碼邏輯器、波形合成電橋、輸出電流調整電路、續流吸收電路等)，接收級(包括輸入放大器、陷波器、帶通濾波器、可變增益放大器、adc轉換器等)組成；其中主機控制譯碼邏輯器、波形合成電橋輸出電路輸出驅動電路；通過續流吸收電路加快在關斷時泄放掉發射線圈儲存的能量；接收信號依次通過輸入放大器、陷波器、帶通濾波器、可變增益放大器和adc轉換器傳入主機進行數字信號最終處理。

圖2中，發射單元主要由譯碼邏輯器2、波形合成電橋3、輸出電流調整電路4、續流吸收電路5、霍爾電流傳感器6、比較器7與adc轉換器10等組成，其中，譯碼邏輯器2輸出信號中有一路輸出驅動續流吸收電路5，有一路控制波形合成電橋產生和驅動輸出雙極性脈沖測試信號，霍爾電流傳感器6采集到輸出脈沖信號，之后經過整流13，得到整流輸出信號。整流輸出信號一路輸出至adc轉換器10得到電流大小；一路輸出給電壓比較器7與設定的保護基準電壓14比較，當超過基準電壓14時過流狀態翻轉輸出c_ov信號，c_ov信號一路與發射信號邏輯譯碼器2單元邏輯后關斷波形合成電橋3輸出，另一路狀態信號輸送給主機cpu1。

所述的譯碼邏輯器2的控制信號si1、si2、pi由主機cpu1產生；在有發射信號輸出時，續流吸收電路5被關斷不影響發射；在發射信號關斷停止輸出時，續流吸收電路5開啟接入發射端a/b，吸收掉發射線圈12中的能量，吸收電路響應時間小于500ns，等效內阻小于0.2歐姆。

譯碼邏輯器2、波形合成電橋3組成的輸出電路變換極性驅動器使用ir2110驅動發射不同的輸出電壓和發射電流，輸出電壓分為12v、24v和36v三檔，發射電流最大值為10a。

所述續流吸收電路5在發射輸出接口處加載適當的泄放回路和器件，并接泄放電阻、瞬態抑制管tvs、低阻抗泄放器件、火花抑制電路等，減小輸出級的關斷時間，降低一次場對二次場的干擾。

圖3中，信號接收單元主要包括輸入放大器9、陷波器15、帶通濾波器16、可變增益放大器8與adc轉換器10等組成，其中，接收線圈感應的信號以差分形式接入輸入放大器9，輸入放大器9后加入50hz陷波器15，再通過帶通濾波器16，濾波器16輸出級后插入可變增益放大器8，增益級輸出的單端信號需要轉換為差分信號，adc轉換器10設定為差分輸入模式，轉換得到的數據由cpu緩沖、處理后輸出給上位機。

所述的輸入放大器9由三只高精密、低噪聲放大器組成差分放大器，對由接收線圈輸入的響應信號放大，抑制掉由接收線圈輸入的共模干擾信號，輸出信號轉換為單端信號輸出。

所述的陷波器15每一級產生不小于30db(32倍)的衰減，經過兩級衰減可以達到60db的衰減。

所述的可變增益放大器8增益可在1-128倍(0到42db)之間設定。

所述的掃描式瞬變電磁探測系統，所述主機cpu采用高速工業級單片機c8051f120采集發射級的輸出電壓和發射電流；采用128k字節的sram，多于100k字節的部分用于cpu數據變量的存儲空間。

所述輸入放大器輸入前置級電路形式為差分輸入形式，以適應輸入信號的接入要求，本級增益為2.7倍。

所述帶通濾波器與輸入放大器相連，輸入信號經過前置級放大后，插入50hz陷波器和270khz的低通濾波器。陷波器對50hz的衰減量大于30db，增益為1倍；低通濾波器為4階巴特沃斯濾波器，保證通帶內信號平坦，降低噪聲和提高信噪比，增益為2.576倍。

所述可變增益放大器由數字電位器或模擬開關與運放組成。增益調整為0db、6db、12db、18db、24db、30db、36db、42db共7級，每級以2的指數形式遞增。增益調整輸出時轉換為差動形式輸出，信號不做1/2衰減，故可以視為差動輸出有2倍的增益，其折算到前置級輸入相當于前置級提供5.4倍增益。

所述adc轉換器ads1610的轉換率可以由公式10*(fclk/60mhz)決定。在輸入48mhz時鐘時，轉換速率為8msps，相當于8msps/16bit＝500khz的采樣速率，滿足2μs的采樣時間要求。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。