一種可無級調(diào)壓激勵的激發(fā)極化系統(tǒng)及方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種可無級調(diào)壓激勵的激發(fā)極化系統(tǒng)及方法，探測主機用于響應(yīng)工控機的控制指令，輸出激勵電壓，根據(jù)控制指令選通供電電極與測量電極，通過供電電極向隧道巖層注入激勵電壓，獲取除供電電極外所有剩余電極與參考電極之間的電壓信號，并將獲取的數(shù)據(jù)輸送至工控機；工控機對數(shù)據(jù)進行處理，分析視電阻率以及視極化率，預(yù)報隧道工作面前方含水情況

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種可無級調(diào)壓激勵的激發(fā)極化系統(tǒng)及方法


[0001]本專利技術(shù)屬于激發(fā)極化設(shè)備
，涉及一種可無級調(diào)壓激勵的激發(fā)極化系統(tǒng)及方法
。

技術(shù)介紹

[0002]本部分的陳述僅僅是提供了與本專利技術(shù)相關(guān)的
技術(shù)介紹
信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)
。
[0003]隨著隧道
(
洞
)
工程的飛速發(fā)展，復(fù)雜的地質(zhì)條件和頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害成為隧道
(
洞
)
工程施工期面臨的巨大挑戰(zhàn)
。
其中，突涌水災(zāi)害往往導(dǎo)致隧道
(
洞
)
被埋
、
重大人員傷亡與惡劣的社會影響，突涌水災(zāi)害源
(
含水地質(zhì)構(gòu)造
)
的超前探測理論與技術(shù)已經(jīng)成為隧道等地下工程建設(shè)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)難題
。
[0004]激發(fā)極化方法作為一種電法類超前預(yù)報探測方法，被證明對水體的空間位置和水量大小有較好的反應(yīng)，為解決隧道等地下工程施工中突水災(zāi)害源超前預(yù)報三維定位和水量預(yù)測難題提供了可行有效的途徑
。
[0005]激發(fā)極化法，是以不同地質(zhì)介質(zhì)之間的激電參數(shù)差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，可以測量電阻率
、
極化率
、
半衰時
、
衰減度等參數(shù)，其中，激發(fā)極化半衰時與地質(zhì)中含水體的位置及大小密切相關(guān)，是獲取地質(zhì)情況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)
。
通常，半衰時采用直接計算的方法，即
U(Tsd)
＝
Us/2。
但在工程實踐中，這種方法存在如下問題：
(1)
二次電場初始信號較弱，且含有大量噪聲，信號信噪比低，所以，二次電場初始信號的準確測量存在困難；
(2)
二次電場的衰減是一個緩慢的過程，為獲得準確的數(shù)據(jù)，需要測量二次電場衰減的全過程；
(3)
由于被測巖體天然的存在自然電位，自然電位本身是波動的，探測時注入的電荷又會加劇這種波動；因此，對于激發(fā)極化法中激勵源的穩(wěn)定性有了很高的要求，且對于二次場電壓的精確采集依然是此類儀器最大的難點
。
[0006]傳統(tǒng)激發(fā)極化法探測之前需先進行接地電阻的測量，接地電阻即通過向地下供入一次激勵電壓，通過接收電極的電壓信息進行電極的接地電阻阻值的計算，根據(jù)接地電阻阻值再進行激勵電壓等參數(shù)的設(shè)定，此方法探測效率低，且無法做到激勵源的精準激發(fā)
。
[0007]同時，在數(shù)據(jù)采集方面，由于激發(fā)極化一次場電壓一般為較強信號，而二次場電壓信號一般較小，為適應(yīng)不同電壓范圍的采集需求，現(xiàn)有同類激發(fā)極化儀器采集方面多采用分檔分壓采集的方式，該方法可在其一定電壓范圍內(nèi)有效提高采集精度，但終究受其有限檔位的限制，難以真正做到適應(yīng)任意范圍內(nèi)的高精度電壓采集需求
。
[0008]綜上所述，目前適用于隧道突水突泥災(zāi)害源激發(fā)極化超前探測儀器面臨以下難題：
[0009]1、
傳統(tǒng)激發(fā)極化儀器激勵來源多為分檔電壓激勵，且大多檔位較少，難以適用于不同接地電阻的激勵需求，還會產(chǎn)生不必要的功率損耗；傳統(tǒng)激發(fā)極化法探測之前需進行接地電阻阻值的測量，再根據(jù)接地電阻阻值進行激勵電壓等參數(shù)的設(shè)定，此類方法影響探測效率，且無法精準判別所需設(shè)定的激勵電壓等參數(shù)
。
[0010]2、
激發(fā)極化法需測量一次場與二次場的電壓信號，且一次場與二次場信號相差往往較大，傳統(tǒng)儀器分壓分檔的量程劃分方式，無法適應(yīng)任意范圍內(nèi)的高精度電壓采集需求
。
[0011]3、
由于噪聲和自然電位的影響，對同一巖體多次測量的結(jié)果偏差大；主要是自然電位的影響，每次測量時都會對巖體注入電荷，電荷不會迅速消散，故測量一次自然電位就會變化一次，且變化是隨機的，由此，目前的半衰時的測量存在耗時長
、
不準確和重復(fù)性差的問題
。

技術(shù)實現(xiàn)思路

[0012]本專利技術(shù)為了解決上述問題，提出了一種可無級調(diào)壓激勵的激發(fā)極化系統(tǒng)及方法，本專利技術(shù)具有能夠?qū)崿F(xiàn)不同接地電阻電阻下激勵電壓的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，且無需設(shè)置激勵電壓值，自動調(diào)節(jié)輸出電壓，提高激勵源的穩(wěn)定性，并提高探測效率；采用量程自適應(yīng)模塊對采集電壓進行量程自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高一次場與二次場電壓的采集精度等優(yōu)點，滿足復(fù)雜條件下的激發(fā)極化探測需求
。
[0013]根據(jù)一些實施例，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：
[0014]一種可無級調(diào)壓激勵的激發(fā)極化系統(tǒng)，包括工控機
、
探測主機
、
極化電纜和電極，其中，所述探測主機和工控機連接，并通過若干路極化電纜，每路極化電纜連接多個電極，所述電極包括供電電極和測量電極；
[0015]所述探測主機用于響應(yīng)工控機的控制指令，輸出激勵電壓，根據(jù)控制指令選通供電電極與測量電極，通過供電電極向隧道巖層注入激勵電壓，獲取除供電電極外所有剩余電極與參考電極之間的電壓信號，并將獲取的數(shù)據(jù)輸送至工控機；
[0016]所述工控機用于對數(shù)據(jù)進行處理，分析視電阻率以及視極化率，預(yù)報隧道工作面前方含水情況
。
[0017]作為可選擇的實施方式，所述探測主機包括電源模塊
、
連續(xù)可調(diào)激勵電壓源
、
主控模塊
、
電極矩陣單元
、
量程自適應(yīng)模塊
、
多通道同步采集模塊和數(shù)控采集卡，其中：
[0018]所述電源模塊，用于為其他模塊提供電能；
[0019]所述數(shù)控采集卡，和工控機連接，用于根據(jù)工控機的控制指令實現(xiàn)電極的切換
、
數(shù)據(jù)采集和激勵源輸出控制；
[0020]所述主控模塊，用于響應(yīng)所述數(shù)控采集卡的控制命令，驅(qū)動控制電極矩陣單元的電極切換功能；
[0021]所述電極矩陣單元，用于連接供電電極
、
測量電極，并控制各電極的工作，并獲取電極數(shù)據(jù)；
[0022]所述量程自適應(yīng)模塊，用于接收電極矩陣單元的測量電壓，對其電壓進行最高靈敏度匹配，實現(xiàn)激發(fā)極化一次場電壓與二次場電壓采集的的自適應(yīng)調(diào)節(jié)；
[0023]所述多通道同步采集模塊，連接所述量程自適應(yīng)模塊，用于獲取各電極的數(shù)據(jù)，并傳輸給數(shù)據(jù)采集卡；
[0024]所述連續(xù)可調(diào)激勵電壓源，受控于數(shù)控采集卡，用于根據(jù)數(shù)控采集卡的控制命令，進行激勵電壓的輸出
。
[0025]進一步的，所述電極矩陣單元包括繼電器陣列，所述繼電器陣列中，包括方向繼電器
、
測量繼電器
、
單雙電極供電繼電器和接地電阻繼電器，所述單雙電極供電繼電器將連續(xù)
可調(diào)激勵電壓源與供電電極連接，并通過方向繼電器進行輸出方向的控制；
[0026]所述測量繼電器用于連接測量電極，進行不同電極測量通道的切換；
[0027]所述接地電阻繼電器用于電極間接地電阻的測量
。
[0028]進一步的，所述電極單雙供電繼電器采用時分復(fù)用方式，根本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
1.
一種可無級調(diào)壓激勵的激發(fā)極化系統(tǒng)，其特征是，包括工控機
、
探測主機
、
極化電纜和電極，其中，所述探測主機和工控機連接，并通過若干路極化電纜，每路極化電纜連接多個電極，所述電極包括供電電極和測量電極；所述探測主機用于響應(yīng)工控機的控制指令，輸出激勵電壓，根據(jù)控制指令選通供電電極與測量電極，通過供電電極向隧道巖層注入激勵電壓，獲取除供電電極外所有剩余電極與參考電極之間的電壓信號，并將獲取的數(shù)據(jù)輸送至工控機；所述工控機用于對數(shù)據(jù)進行處理，分析視電阻率以及視極化率，預(yù)報隧道工作面前方含水情況
。2.
如權(quán)利要求1所述的一種可無級調(diào)壓激勵的激發(fā)極化系統(tǒng)，其特征是，所述探測主機包括電源模塊
、
連續(xù)可調(diào)激勵電壓源
、
主控模塊
、
電極矩陣單元
、
量程自適應(yīng)模塊
、
多通道同步采集模塊和數(shù)控采集卡，其中：所述電源模塊，用于為其他模塊提供電能；所述數(shù)控采集卡，和工控機連接，用于根據(jù)工控機的控制指令實現(xiàn)電極的切換
、
數(shù)據(jù)采集和激勵源輸出控制；所述主控模塊，用于響應(yīng)所述數(shù)控采集卡的控制命令，驅(qū)動控制電極矩陣單元的電極切換功能；所述電極矩陣單元，用于連接供電電極
、
測量電極，并控制各電極的工作，并獲取電極數(shù)據(jù)；所述量程自適應(yīng)模塊，用于接收電極矩陣單元的測量電壓，對其電壓進行最高靈敏度匹配，實現(xiàn)激發(fā)極化一次場電壓與二次場電壓采集的的自適應(yīng)調(diào)節(jié)；所述多通道同步采集模塊，連接所述量程自適應(yīng)模塊，用于獲取各電極的數(shù)據(jù)，并傳輸給數(shù)據(jù)采集卡；所述連續(xù)可調(diào)激勵電壓源，受控于數(shù)控采集卡，用于根據(jù)數(shù)控采集卡的控制命令，進行激勵電壓的輸出
。3.
如權(quán)利要求2所述的一種可無級調(diào)壓激勵的激發(fā)極化系統(tǒng)，其特征是，所述電極矩陣單元包括繼電器陣列，所述繼電器陣列中，包括方向繼電器
、
測量繼電器
、
單雙電極供電繼電器和接地電阻繼電器，所述單雙電極供電繼電器將連續(xù)可調(diào)激勵電壓源與供電電極連接，并通過方向繼電器進行輸出方向的控制；所述測量繼電器用于連接測量電極，進行不同電極測量通道的切換；所述接地電阻繼電器用于電極間接地電阻的測量
。4.
如權(quán)利要求3所述的一種可無級調(diào)壓激勵的激發(fā)極化系統(tǒng)，其特征是，所述電極單雙供電繼電器采用時分復(fù)用方式，根據(jù)控制指令選擇單號電極或雙號電極進行供電
。5.
如權(quán)利要求2所述的一種可無級調(diào)壓激勵的激發(fā)極化系統(tǒng)，其特征是，所述數(shù)控采集卡，用于接收工控機的電極切換控制命令并下發(fā)給主控模塊，主控模塊根據(jù)指令驅(qū)動電極矩陣單元，實現(xiàn)對供電電極和測量電極的選擇，所述數(shù)控采集卡還用于將工控機的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號輸出至連續(xù)可調(diào)激勵電壓源，控制連續(xù)可調(diào)激勵電壓源的電壓輸出信號，并用于將供電電極與測量電極進行電壓信號的采集，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號至工控機進行存儲和數(shù)據(jù)處理
。6.
如權(quán)利要求2所述的一種可無級調(diào)壓激勵的激發(fā)極化系統(tǒng)，其特征是，所述連續(xù)可調(diào)
激勵電壓源內(nèi)置有交直流轉(zhuǎn)換模塊，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉征宇，曹弘毅，魯?shù)敲?/a>，劉寶川，張永恒，曹玉強，李堯，
申請(專利權(quán))人：山東大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：