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一種分布式并行電法數據采集大線裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種分布式并行電法數據采集大線裝置。我國高密度電法探測系統的電極基本是集中式，電極與電纜對應，使用30芯以上的多芯電纜，大線系統復雜，單測線控制距離有限，探測精度低，可靠性差。本實用新型包括通過通信網絡相連的上位機和井下發射與控制主機還有采集線纜，線纜采用五芯，兩根發射線纜，一根公共地線，兩根雙絞線，掛載有相同構造的電極，分別為發射電極A，發射電極B，公共地線電極M、N和電位差采集電極；雙絞線一端有終結器。本實用新型線纜芯數少，使用可靠，維護方便，電極具有數據采集功能，每個電極結構相同，通過內部電路切換使用，能作為供電電極又能作為接收電極，能夠通電自動注冊、編號，無需人工調試。
【專利說明】一種分布式并行電法數據采集大線裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型屬于煤礦直流電法勘探【技術領域】，具體涉及一種分布式并行電法數據采集大線裝置。

【背景技術】
[0002]電法勘探是根據地殼中不同巖層之間、巖石和礦石之間存在的電磁性差異，觀測人工或者自然電場、電磁場分布，根據電場、電磁場變化規律研究地質構造，用來解決實際工程問題的一種地球物理勘探方法。
[0003]我國國內的礦用電法探測系統分為集中式和分布式兩種。
[0004]集中式電法探測系統的所有電極都直接與電極轉換器接口相連，由CPU發出控制信號，通過接口電路控制發射與采集。這種設計由于每一個電極對應一芯導線，優點是時序控制簡單，缺點是由于多芯電纜自重較大，電極總數不宜過多。
[0005]分布式多在長春地質學院1991年研究成果的基礎上研制，分布式電纜采用9芯?10芯電纜。
[0006]高密度電法探測系統的電極基本屬于集中式，由電極轉換或者測量主機集中。電極與電纜對應，通常使用30芯以上的多芯電纜與主機或轉換開關相連。近年來，高密度直流電法采用繼電器控制電極，實現電極功能轉換，實現了多方法自動觀測。但是存在大線系統復雜(7芯到幾十甚至百芯電纜)，單測線控制距離有限等問題，探測精度低，可靠性差。


【發明內容】

[0007]本實用新型的目的是提供一種分布式并行電法數據采集大線裝置，解決了現有技術中存在的線纜數量多，電纜自重大，解決電法勘探系統大線復雜，單線距離有限的問題。
[0008]本實用新型所采用的技術方案為:
[0009]一種分布式并行電法數據采集大線裝置，包括通過通信網絡相連的上位機和井下發射與控制主機，以及與每個井下發射與控制主機相連的采集線纜，所述線纜采用5芯電纜，一根作為第一發射線纜，一根作為第二發射線纜，一根作為公共地線，其余兩根為雙絞線作為芯片供電、通信的電纜，所述采集線纜上掛載有相同構造的電極裝置，將與第一發射線纜、雙絞線相連的電極裝置作為第一發射電極裝置；將與第二發射線纜、雙絞線相連的電極裝置作為第二發射電極裝置；將與公共地線、雙絞線相連的電極裝置作為公共地線電極裝置；其他電極裝置與第一發射線纜、第二發射線纜隔離，與雙絞線連接作為電位差采集電極裝置；所述雙絞線上設置有終結器。
[0010]所述電極裝置包括由智能網絡收發器、雙口 RAM、ARM處理器構成的電極控制電路，電極供電電路，晶振，復位電路，濾波放大采集電路，電極切換電路以及電極；所述智能網絡收發器分別與晶振和復位電路相連接；所述智能網絡收發器與雙絞線之間設置有電極供電電路；所述ARM處理器與電極之間設置有濾波放大采集電路和電極切換電路。
[0011 ] 所述終結器由電容Cl、電阻Rl與電容C2串聯而成；在自由拓撲狀態時，電阻Rl的阻值為52.3 Ω ±1%，額定功率為1/8W，電容Cl與電容C2的電容值為lOOPF，額定電壓大于等于50V ;在總線拓撲狀態時，電阻Rl的阻值為105Ω ±1%，額定功率為1/8W，電容Cl與電容C2的電容值為lOOPF，額定電壓大于等于50V。
[0012]所述電極供電電路采用鏈路電源技術，在智能節點的電源模塊前端與雙絞線之間設置有使信號不能通過，只允許電流通過的低通濾波器；在智能節點的處理器信號輸入端前端設有阻止電流的通過，只能通過數據信號的高通濾波器；供電時，信號先通過低通濾波器，過濾后的電流經橋式整流濾波電路，再經過由三極管Ql組成的降壓電路，由三極管Q2和Q3組成的短路保護電路，并通過由穩壓管D5組成的穩壓電路進行穩壓。
[0013]所述濾波放大采集電路包括前置放大采集電路，雙T50Hz陷波器，6階低通15Hz濾波器，前置隔離放大電路和AD采集電路；通過電極采集到的信號先經過由INA333組成的前置放大電路，經過放大的信號再通過由0PA2734構成的雙T50Hz陷波器，經過陷波器濾除50Hz干擾的信號再通過由0PA2734組成的低通濾波器，濾除高頻干擾，而后信號通過由0PA734構成的前置隔離放大電路，經放大的電壓信號再通過由0PA163構成的濾波電路，然后由AD7767構成的A/D轉換器轉換成電壓脈沖信號，通過SPI串口送入ARM微控制器中。
[0014]所述的電極切換電路由單片機與8通道高壓模擬開關HV20220構成。
[0015]本實用新型的有益效果在于:
[0016](I)采集大線采用5芯電纜設計，與現有礦井用電法數據采集大線比較，線纜芯數少，使用更可靠，維護方便。
[0017](2)采集大線所帶智能電極具有數據采集功能，現有大部分礦井電法儀器所帶電極無此功能。
[0018](3)每個智能電極的結構是相同的，通過內部電路來切換使用，使其既能作為供電電極又能作為接收電極。
[0019](4)智能電極能夠在連接到采集大線后，通電自動注冊、自動編號，無需人工調試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為系統示意圖
[0021]圖2是線纜設計圖
[0022]圖3為智能電極設計圖
[0023]圖4為大線與電極連接切換示意圖
[0024]圖5為智能電極供電電路
[0025]圖6為電極切換控制
[0026]圖7為前置放大電路和雙T50Hz陷波器電路
[0027]圖8為6階低通15Hz濾波器電路
[0028]圖9為麗前置隔離放大電路
[0029]圖10為MN檢測AD采集電路
[0030]圖11為大線終結器設計圖和電路設計器件型號具體參數設置表
[0031]圖中，I為上位機，2為通信網絡，3為井下發射與控制主機，4為分布式電極裝置，5為采集線纜，6為智能網絡收發器，7為晶振，8為復位電路，9為雙口 RAM，10為ARM處理器，11為濾波放大采集電路，12為電極切換電路，13為電極，A為第一發射電極裝置、B為第二發射電極裝置，M、N為公共地線電極裝置，501為第一發射線纜、502為第二發射線纜、503為公共地線、504、505為雙絞線。

【具體實施方式】
[0032]本設計的大線電纜采用5芯電纜5，一根作為第一發射線纜501，一根作為第二發射線纜502 (也可作為發射地線)，一根作為公共地線503，其余兩根雙絞線作為芯片供電、通信的電纜504、505。大線掛載智能采集電極裝置4，每一個電極具有相同的構造，任意工作電極裝置，在采樣時可以設置為發射電極裝置A、發射電極裝置B、采集電極裝置M、采集電極裝置N或者閑置，在供電時又都可以設置為供電正極裝置A、供電負極裝置B、測量電極裝置M和測量電極裝置N或者閑置狀態。根據直流電法勘探方法切換電極裝置狀態，實現礦井直流電法勘探數據采集。另外本設計使用雙絞線連接設備組成網絡，必須使用網絡終結器來改善網絡的通信情況。自由拓撲結構和總線結構連接時，終結器的設計情況有所不同，大線終結器設計圖和電路設計器件型號具體參數設置如圖11所示。
[0033]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進行詳細說明。
[0034]如圖1所示，本大線裝置主要應用在采用分布式布極的智能多電極電法測量系統。其主要結構由上位機1、環網通信線路2、井下監測系統3、采集大線5和智能電極裝置組成4。這樣，按預設置的模式進行轉換，實現分布式高密度電法采集。本設計應用嵌入式控制網絡平臺，通過一根五芯電纜5實現主機對幾十至幾百根電極裝置4進行自動控制、數據采集及數據傳輸，實現不同觀測裝置、不同電極距、不同測點布置的自動觀測。
[0035]本實用新型的電極裝置4具體包括由智能網絡收發器6、雙口 RAM9、ARM處理器10構成的電極控制電路，電極供電電路，晶振7，復位電路8，濾波放大采集電路11，電極切換電路12以及電極13 ;智能網絡收發器6分別與晶振7和復位電路8相連接；智能網絡收發器7與雙絞線之間設置有電極供電電路；ARM處理器10與電極13之間設置有濾波放大采集電路11和電極切換電路12。
[0036]在本設計的電極轉換系統中，每個節點都具有相同的硬件結構，盡管它們在任意時刻只能處于5種狀態中的任意I種，而且同一個系統中不可能多于I個電極同處于前4種狀態中的任意一種形式。由單片機控制8通道高壓模擬開關HV20220通道的通斷，從而使同一個電極裝置4在工作過程中既可以作供電電極裝置，又可以作測量電極裝置。
[0037]本實用新型在電極供電上采用了鏈路電源技術，在同一個雙絞線上提供電源和發送數據。使用這種技術，可以使網絡上的節點通過通信線路來獲得電源，減少了電源線的開支，另外降低了布線和維護的難度。本設計采用鏈路電源技術給分布式智能節點供電和傳輸數據。在智能節點的電源模塊前端為了隔離數據信號，加低通濾波器。這種濾波器使信號不能通過，只允許電流通過，給節點供電。在智能節點的處理器信號輸入端前端附加高通濾波器，阻止電流的通過，使之只能通過數據信號。電路圖如圖5所示，二極管Dl、D2、D3、D4組成的橋式電路對雙絞線上傳來的電流進行無極性轉換，然后通過三極管Tl的降壓作用T2和T3的短路保護作用和穩壓管D的穩壓作用向分布式電極處理器提供3.3 V的工作電壓，該電路為線性電源電路，輸出紋波小(5mV以下)，電磁干擾弱。
[0038]同時，本實用新型的智能電極控制部分是一種基于H-B結構的LonWorks智能節點，主要有FT3150收發器、雙口 RAM、ARM芯片等組成，電路圖如圖所示。其中ARM芯片主要完成電極切換控制功能及數據采集、處理，ARM芯片的加入可以緩解Neuron芯片內部資源緊張的問題，主要使用NeUron3150芯片來完成通信功能，保證通信的順暢。它將處理過的數據通過收發器發送到基于Pyxos總線的電極大線，也可以將電極大線上的消息接收至本智能電極節點。FT3150芯片和ARM芯片的的數據共享區使用雙口 RAM。存儲數據共享是雙口 RAM最大的特點。一個雙口 RAM存儲器配備兩套獨立的地址、數據和控制線，允許兩個獨立的CPU或控制器同時異步地訪問存儲單元。內部存在訪問仲裁控制模塊控制數據共享。內部仲裁邏輯控制提供以下功能:對同一地址單元訪問的時序控制；存儲單元數據塊的訪問權限分配；信令交換邏輯(例如中斷信號)等。雙口 RAM的同一存儲單元對于FT3150及ARM芯片各有一個地址，兩個系統就都能對其進行存取操作。
[0039]另外，由于在電法勘探中，50Hz及其諧波為干擾源，物探儀器一般采用陷波器來壓制工頻信號干擾。但是井下環境復雜多變，一般的陷波器無法起到應有的作用。為了抑制外部和內部的電磁干擾，本設計采用50Hz雙T陷波器來抑制工頻干擾。陷波器也稱帶阻濾波器，主要作用是抑制輸入信號中的某一頻率的信號，同時不影響其他信號的輸入。特別適用于濾除某一特定頻率的干擾信號時的應用。MN信號進入儀表放大器INA333組成的前置放大電路，然后通過0PA2734構成的雙T50Hz陷波器，濾除50Hz工頻干擾(圖7)。信號通過雙T50Hz陷波器后，進入由0PA734和0PA2734組成的低通濾波器，濾除高頻干擾(圖8)。
[0040]采集電壓信號通過采集電極裝置進入前置放大與濾波電路，然后由A/D轉換器轉換成電壓脈沖信號，由SPI串口送入ARM微控制器中。采集模塊主要由AD7767構成的采集電路組成。
[0041 ] 本實用新型所使用的大線5上根據需要掛載多個分布式電極裝置4，將大線5的五芯都連接在每一個分布式電極裝置4上。根據直流電法勘探方法切換電極裝置4的狀態，使電極裝置4處于五種狀態中的一種。
[0042]在進行對稱四級測深時，將電極裝置4通過電極切換電路12，在大線與第一發射線纜上501導通作為第一發射電極裝置A，將電極裝置4通過電極切換電路與大線的第二發射線纜502導通作為第二發射電極裝置B，將電極M、N之間通過公共地線連通作為接收電極裝置，大線上的其他電極裝置與線纜501、502、503隔離，只通過504和505來供電和傳輸數據，電極13采集電位差后處理和存儲，按照預先設定的電極切換方式依次使用大線上的電極來完成對稱四極測深操作。
【權利要求】
1.一種分布式并行電法數據采集大線裝置，包括通過通信網絡(2)相連的上位機(I)和井下發射與控制主機(3)，以及與每個井下發射與控制主機(3)相連的采集線纜(5)，其特征在于: 所述線纜(5)采用五芯電纜，一根作為第一發射線纜(501)，一根作為第二發射線纜(502), 一根作為公共地線(503)，其余兩根為雙絞線(504)、(505)作為芯片供電、通信的電纜， 所述采集線纜(5 )上掛載有相同構造的電極裝置(4 )， 將與第一發射線纜、雙絞線相連的電極裝置作為第一發射電極裝置A ; 將與第二發射線纜、雙絞線相連的電極裝置作為第二發射電極裝置B ; 將與公共地線、雙絞線相連的電極裝置作為公共地線電極裝置M、N; 其他電極裝置與第一發射線纜、第二發射線纜隔離，與雙絞線連接作為電位差采集電極裝置； 所述雙絞線(504)、(505) 一端設置有終結器。
2.根據權利要求1所述的一種分布式并行電法數據采集大線裝置， 其特征在于: 所述電極裝置(4)包括由智能網絡收發器(6)、雙口 RAM (9)、ARM處理器(10)構成的電極控制電路，電極供電電路，晶振(7)，復位電路(8)，濾波放大采集電路(11)，電極切換電路(12)以及電極(13)； 所述智能網絡收發器(6)分別與晶振(7)和復位電路(8)相連接； 所述智能網絡收發器(7)與雙絞線之間設置有電極供電電路； 所述ARM處理器(10 )與電極(13 )之間設置有濾波放大采集電路(11)和電極切換電路(12)。
3.根據權利要求1所述的一種分布式并行電法數據采集大線裝置， 其特征在于: 所述終結器由電容Cl、電阻Rl與電容C2串聯而成； 在自由拓撲狀態時，電阻Rl的阻值為52.3 Ω 土 1%，額定功率為1/8W，電容Cl與電容C2的電容值為lOOPF，額定電壓大于等于50V ； 在總線拓撲狀態時，電阻Rl的阻值為105Ω ±1%，額定功率為1/8W，電容Cl與電容C2的電容值為lOOPF，額定電壓大于等于50V。
4.根據權利要求2所述的一種分布式并行電法數據采集大線裝置，其特征在于: 所述電極供電電路采用鏈路電源技術，在智能節點的電源模塊前端與雙絞線之間設置有使信號不能通過，只允許電流通過的低通濾波器； 在智能節點的處理器信號輸入端前端設有阻止電流的通過，只能通過數據信號的高通濾波器； 供電時，信號先通過低通濾波器，過濾后的電流經橋式整流濾波電路，再經過由三極管Ql組成的降壓電路，由三極管Q2和Q3組成的短路保護電路，并通過由穩壓管D5組成的穩壓電路進行穩壓。
5.根據權利要求2所述的一種分布式并行電法數據采集大線裝置，其特征在于: 所述濾波放大采集電路(11)包括前置放大采集電路，雙T50Hz陷波器，6階低通15Hz濾波器，前置隔離放大電路和AD采集電路； 通過電極采集到的信號先經過由INA333組成的前置放大電路， 經過放大的信號再通過由0PA2734構成的雙T50Hz陷波器， 經過陷波器濾除50Hz干擾的信號再通過由OPA2734組成的低通濾波器，濾除高頻干擾， 而后信號通過由OPA734構成的前置隔離放大電路， 經放大的電壓信號再通過由OPA163構成的濾波電路， 然后由AD7767構成的A/D轉換器轉換成電壓脈沖信號， 通過SPI串口送入ARM微控制器中。
6.根據權利要求2所述的一種分布式并行電法數據采集大線裝置，其特征在于: 所述的電極切換電路(12)由單片機與八通道高壓模擬開關HV20220構成。
【文檔編號】G01V3/22GK204154907SQ201420468687
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月20日 優先權日:2014年8月20日
【發明者】李鵬, 馮宏, 張鵬, 王小波, 劉京科, 李淵, 董建梁, 趙兆, 呂琦 申請人:中煤科工集團西安研究院有限公司