一种可无级调压激励的激发极化系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种可无级调压激励的激发极化系统及方法，探测主机用于响应工控机的控制指令，输出激励电压，根据控制指令选通供电电极与测量电极，通过供电电极向隧道岩层注入激励电压，获取除供电电极外所有剩余电极与参考电极之间的电压信号，并将获取的数据输送至工控机；工控机对数据进行处理，分析视电阻率以及视极化率，预报隧道工作面前方含水情况

【技术实现步骤摘要】
一种可无级调压激励的激发极化系统及方法


[0001]本专利技术属于激发极化设备
，涉及一种可无级调压激励的激发极化系统及方法
。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术
。
[0003]随着隧道
(
洞
)
工程的飞速发展，复杂的地质条件和频发的地质灾害成为隧道
(
洞
)
工程施工期面临的巨大挑战
。
其中，突涌水灾害往往导致隧道
(
洞
)
被埋
、
重大人员伤亡与恶劣的社会影响，突涌水灾害源
(
含水地质构造
)
的超前探测理论与技术已经成为隧道等地下工程建设亟待解决的关键科学难题
。
[0004]激发极化方法作为一种电法类超前预报探测方法，被证明对水体的空间位置和水量大小有较好的反应，为解决隧道等地下工程施工中突水灾害源超前预报三维定位和水量预测难题提供了可行有效的途径
。
[0005]激发极化法，是以不同地质介质之间的激电参数差异为物质基础，可以测量电阻率
、
极化率
、
半衰时
、
衰减度等参数，其中，激发极化半衰时与地质中含水体的位置及大小密切相关，是获取地质情况的关键数据
。
通常，半衰时采用直接计算的方法，即
U(Tsd)
＝
Us/2。
但在工程实践中，这种方法存在如下问题：
(1)
二次电场初始信号较弱，且含有大量噪声，信号信噪比低，所以，二次电场初始信号的准确测量存在困难；
(2)
二次电场的衰减是一个缓慢的过程，为获得准确的数据，需要测量二次电场衰减的全过程；
(3)
由于被测岩体天然的存在自然电位，自然电位本身是波动的，探测时注入的电荷又会加剧这种波动；因此，对于激发极化法中激励源的稳定性有了很高的要求，且对于二次场电压的精确采集依然是此类仪器最大的难点
。
[0006]传统激发极化法探测之前需先进行接地电阻的测量，接地电阻即通过向地下供入一次激励电压，通过接收电极的电压信息进行电极的接地电阻阻值的计算，根据接地电阻阻值再进行激励电压等参数的设定，此方法探测效率低，且无法做到激励源的精准激发
。
[0007]同时，在数据采集方面，由于激发极化一次场电压一般为较强信号，而二次场电压信号一般较小，为适应不同电压范围的采集需求，现有同类激发极化仪器采集方面多采用分档分压采集的方式，该方法可在其一定电压范围内有效提高采集精度，但终究受其有限档位的限制，难以真正做到适应任意范围内的高精度电压采集需求
。
[0008]综上所述，目前适用于隧道突水突泥灾害源激发极化超前探测仪器面临以下难题：
[0009]1、
传统激发极化仪器激励来源多为分档电压激励，且大多档位较少，难以适用于不同接地电阻的激励需求，还会产生不必要的功率损耗；传统激发极化法探测之前需进行接地电阻阻值的测量，再根据接地电阻阻值进行激励电压等参数的设定，此类方法影响探测效率，且无法精准判别所需设定的激励电压等参数
。
[0010]2、
激发极化法需测量一次场与二次场的电压信号，且一次场与二次场信号相差往往较大，传统仪器分压分档的量程划分方式，无法适应任意范围内的高精度电压采集需求
。
[0011]3、
由于噪声和自然电位的影响，对同一岩体多次测量的结果偏差大；主要是自然电位的影响，每次测量时都会对岩体注入电荷，电荷不会迅速消散，故测量一次自然电位就会变化一次，且变化是随机的，由此，目前的半衰时的测量存在耗时长
、
不准确和重复性差的问题
。

技术实现思路

[0012]本专利技术为了解决上述问题，提出了一种可无级调压激励的激发极化系统及方法，本专利技术具有能够实现不同接地电阻电阻下激励电压的自适应调节，且无需设置激励电压值，自动调节输出电压，提高激励源的稳定性，并提高探测效率；采用量程自适应模块对采集电压进行量程自适应调节，提高一次场与二次场电压的采集精度等优点，满足复杂条件下的激发极化探测需求
。
[0013]根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：
[0014]一种可无级调压激励的激发极化系统，包括工控机
、
探测主机
、
极化电缆和电极，其中，所述探测主机和工控机连接，并通过若干路极化电缆，每路极化电缆连接多个电极，所述电极包括供电电极和测量电极；
[0015]所述探测主机用于响应工控机的控制指令，输出激励电压，根据控制指令选通供电电极与测量电极，通过供电电极向隧道岩层注入激励电压，获取除供电电极外所有剩余电极与参考电极之间的电压信号，并将获取的数据输送至工控机；
[0016]所述工控机用于对数据进行处理，分析视电阻率以及视极化率，预报隧道工作面前方含水情况
。
[0017]作为可选择的实施方式，所述探测主机包括电源模块
、
连续可调激励电压源
、
主控模块
、
电极矩阵单元
、
量程自适应模块
、
多通道同步采集模块和数控采集卡，其中：
[0018]所述电源模块，用于为其他模块提供电能；
[0019]所述数控采集卡，和工控机连接，用于根据工控机的控制指令实现电极的切换
、
数据采集和激励源输出控制；
[0020]所述主控模块，用于响应所述数控采集卡的控制命令，驱动控制电极矩阵单元的电极切换功能；
[0021]所述电极矩阵单元，用于连接供电电极
、
测量电极，并控制各电极的工作，并获取电极数据；
[0022]所述量程自适应模块，用于接收电极矩阵单元的测量电压，对其电压进行最高灵敏度匹配，实现激发极化一次场电压与二次场电压采集的的自适应调节；
[0023]所述多通道同步采集模块，连接所述量程自适应模块，用于获取各电极的数据，并传输给数据采集卡；
[0024]所述连续可调激励电压源，受控于数控采集卡，用于根据数控采集卡的控制命令，进行激励电压的输出
。
[0025]进一步的，所述电极矩阵单元包括继电器阵列，所述继电器阵列中，包括方向继电器
、
测量继电器
、
单双电极供电继电器和接地电阻继电器，所述单双电极供电继电器将连续
可调激励电压源与供电电极连接，并通过方向继电器进行输出方向的控制；
[0026]所述测量继电器用于连接测量电极，进行不同电极测量通道的切换；
[0027]所述接地电阻继电器用于电极间接地电阻的测量
。
[0028]进一步的，所述电极单双供电继电器采用时分复用方式，根本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可无级调压激励的激发极化系统，其特征是，包括工控机
、
探测主机
、
极化电缆和电极，其中，所述探测主机和工控机连接，并通过若干路极化电缆，每路极化电缆连接多个电极，所述电极包括供电电极和测量电极；所述探测主机用于响应工控机的控制指令，输出激励电压，根据控制指令选通供电电极与测量电极，通过供电电极向隧道岩层注入激励电压，获取除供电电极外所有剩余电极与参考电极之间的电压信号，并将获取的数据输送至工控机；所述工控机用于对数据进行处理，分析视电阻率以及视极化率，预报隧道工作面前方含水情况
。2.
如权利要求1所述的一种可无级调压激励的激发极化系统，其特征是，所述探测主机包括电源模块
、
连续可调激励电压源
、
主控模块
、
电极矩阵单元
、
量程自适应模块
、
多通道同步采集模块和数控采集卡，其中：所述电源模块，用于为其他模块提供电能；所述数控采集卡，和工控机连接，用于根据工控机的控制指令实现电极的切换
、
数据采集和激励源输出控制；所述主控模块，用于响应所述数控采集卡的控制命令，驱动控制电极矩阵单元的电极切换功能；所述电极矩阵单元，用于连接供电电极
、
测量电极，并控制各电极的工作，并获取电极数据；所述量程自适应模块，用于接收电极矩阵单元的测量电压，对其电压进行最高灵敏度匹配，实现激发极化一次场电压与二次场电压采集的的自适应调节；所述多通道同步采集模块，连接所述量程自适应模块，用于获取各电极的数据，并传输给数据采集卡；所述连续可调激励电压源，受控于数控采集卡，用于根据数控采集卡的控制命令，进行激励电压的输出
。3.
如权利要求2所述的一种可无级调压激励的激发极化系统，其特征是，所述电极矩阵单元包括继电器阵列，所述继电器阵列中，包括方向继电器
、
测量继电器
、
单双电极供电继电器和接地电阻继电器，所述单双电极供电继电器将连续可调激励电压源与供电电极连接，并通过方向继电器进行输出方向的控制；所述测量继电器用于连接测量电极，进行不同电极测量通道的切换；所述接地电阻继电器用于电极间接地电阻的测量
。4.
如权利要求3所述的一种可无级调压激励的激发极化系统，其特征是，所述电极单双供电继电器采用时分复用方式，根据控制指令选择单号电极或双号电极进行供电
。5.
如权利要求2所述的一种可无级调压激励的激发极化系统，其特征是，所述数控采集卡，用于接收工控机的电极切换控制命令并下发给主控模块，主控模块根据指令驱动电极矩阵单元，实现对供电电极和测量电极的选择，所述数控采集卡还用于将工控机的数字控制信号转换为模拟电压信号输出至连续可调激励电压源，控制连续可调激励电压源的电压输出信号，并用于将供电电极与测量电极进行电压信号的采集，转换为数字信号至工控机进行存储和数据处理
。6.
如权利要求2所述的一种可无级调压激励的激发极化系统，其特征是，所述连续可调
激励电压源内置有交直流转换模块，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘征宇，曹弘毅，鲁登民，刘宝川，张永恒，曹玉强，李尧，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：