高密度电法仪

高密度电法探测仪器按照数据采集模式不同可分为两类：一类是采集系统的主机只有一个信号通道，借助于转换控制器将空间上的多电极按规律组合接通，各路信号分时进入，系统结构为串行式；另一类是采集系统多通道，各路信号同时进人，系统结构为并行式。按照控制电极转换开关方式不同，探测系统分为集中式和分布式，本文介绍的HGH－m堤防隐患探测系统属分布式单道分时采集系统。

HGH一Ⅲ高密度电法探测系统的原理框图如图1所示。

电阻率测量的工作原理就是通过供电电极（A、B）向地下供人直流电形成人工电场，利用测量电极（M、N）测量由人工电场引起的电位变化，经过计算后获得地电阻率。

（一）电位测量电路

电位测量电路由前置放大器、自电补偿电路、滤波器、主放大器和模数转换等几部分组成。电位测量采用8位程控放大器l6 位高速A／D转换，保证分辨率达到lμV。A／D 转换是数字式仪器的核心部分，它直接关系仪器动态范围和采样精度。本仪器采用的A／D 转换器是美国模数器件公司出品的高速高精度AD976 16位模数转换器，该模数转换器最高转换速率为200kHz，其输入量程为±10．000 V，最小分辨率为300μV。

图1 分布式高密度电阻率探测系统整机工作原理框图

（二）供电及电流测量电路

供电电源采用12 V充电电瓶，经DC／DC升压、恒流供电，电流通过电极送人地下，电流测量也用16位高速A／D转换器进行实测，保证电流与电位测量具有同样的分辨率和测试精度。

12 V的电瓶电源通过DC／DC转换成最大输出400 V PP的电压，经过选择控制器、恒流源和换向器后输出，整机最大输出功率为400 V PP /400mA PP即160 W。正常使用时将输出功率调整到15 W左右已能完全满足测量的需要，选择恒流供电时，可以保证在场地接地条件变化很大的情况下使用，这样可以保证电流恒定，确保测量精度。但这种选择下电源功率消耗较大，特别是在大电流情况下。恒压供电适合接地比较均一的场合，如堤坝探测等。

电流取样也摆脱以往纯电阻取样隔离困难之弊端，而采用霍尔电流传感器取样，提高供电与测量间的隔离。该测量电路设置在供电线路的最后一节，无论是恒压或恒流终将进行电流实时测量。

（三）电极转换开关电路及电缆设计

高密度电阻率测量是通过不断转换供电、测量电极的位置顺序进行空间上各点电阻率测量。电极转换开关直接分布在电极处，采用无固定地址编码技术，实现电极转换开关随意连接、自动识别，仪器自动为电极串编码，使得电极转换按程序设定的装置模式、极距和测点位置自动有序换接。

本仪器电极转换开关采用分布式开关，每一个电极占有一个开关盒，该开关盒将A、B、M、N四根供电及测量线择切换到电极上。每一个开关盒均有四个继电器，由一片CPU来管理和控制这四个继电器的工作状态，接收由仪器主机发送来的指令数据，故在仪器端将有一个传送指令的接口电路。

该电路采用串行输出方式，主电脑将指令通过接口电路作串行变化，再经过输出电路作电平提升后形成DA TA数据流（LOCK时钟及ENBLE使能，形成SCI串行数据流输出给每一个电极开关。该接口电路的特点是无需判断每个开关盒自身代码，只按其排列顺序而定其位置，这样就极大地方便了野外工作。

（四）主控系统

用高性能微机作仪器主控设备，主处理器采用PentiumⅡ366MHz，内存64M，硬盘4．3G,显示器为12寸彩色液晶屏；操作系统为Windows98。由此来实现大屏幕彩色显示、大容量存储、高速运算处理。

（五）整体结构设计

本仪器结构大致分为三层：第一层为最上面的屏幕层，该层中有仪器的液晶显示器。控制薄膜键盘及触控鼠标板。液晶显示器上面镶有钢化防护玻璃，底面有隔离保温板，其主要作用是在低温下将下部电脑产生的热量供给屏幕，以确保仪器能在－200C～500C之间的温度范围内使用。第二层为主控电脑层，整个主板就夹在该层中间，上下均有屏蔽金属板，将其射频辐射减至最小。同时电脑的CPU紧贴在外壳上，以利于散热。第三层为主控采集板，它是仪器采集之关键，分为左右两部分，右半部分为高压供电电源，左半部分为采集控制和模拟放大部分，供电电源的热量主要靠仪器底壳散热。这三层结构层层相互支撑，既是散热体也是屏蔽层，与外壳紧密相连成一体，使仪器做到了美观、合理、小巧、紧凑、性能优良。

（六）数据处理软件结构设计

该软件系统采用模块化设计方法，具有很好的可扩展性，功能完整、算法独特，引入了数据库管理系统，使得所测资料可以有条不紊地进行管理。系统最佳运行环境是Windows NT4.0及Windows2000，同时对Windows95／98有很好的兼容性。数据处理流程如图3所示。

图3 数据资料处理流程图

（七）系统特点与性能指标

（1）系统特点

“HGH－Ⅲ高密度电法探测系统”与国内外同类产品相比，具有以下技术创新：

①多功能；“HGH－Ⅲ高密度电法探测系统”是集高密度电阻率剖面成像系统、高密度自然电位测量系统。高密度充电电位探测系统以及双频高密度激电成像系统于一体的智能化综合电测站。高密度电阻率成像系统具有单极一单极、单极一偶极。偶极一偶极。温纳和斯龙贝格等装置的测量功能；高密度自然电位和充电电位测量系统具有电位和梯度测量功能；高密度激电系统主要采用频散率进行成像测量。

②一体化。采用计算机与采集主板一体化设计，实现了高速采集、快速处理、实时显示、网络通讯。可视化操作等；实现了电极转换开关与电缆一体化（电极转换开关盒本身是电缆的组成部分）设计，减少了设备重量和连接次数，野外作业非常方便。

③实时性。实时采集，实时处理，实时通讯。数据采集实现了实时显示电阻率色谱图，

可以形象直观地给出地电结构图像形态，便于实时分析判断；通过无线和有线网络通讯，实现野外实测资料的实时传输。

④自动选址。分布式电极转换开关采用无固定地址编码技术，实现电极转换开关随意连接。仪器自动为电极串编码，使得电极转换按程序设定的装置模式、极距和步长自动有序地转接，从而实现了自动寻址功能。

⑤智能供电。高压供电电源是将仪器统一使用的12 V电瓶通过 DC／DC变换器逆变成400V的高压直流电，针对实测样值来实时调整供电电源的输出，在接地电阻高的场地，使用高电压、低电流输出；在接地电阻低的场地，使用低电压、大电流的供电模式。在电源功率没有变化的情况下，可得到非常好的效果，使仪器的供电方式具有智能化。

⑥工艺新。仪器采用高性能电脑作为主处理器，加之内置大功率电源、高精度信号采集电路，这一切要溶于一身，诸如干扰、屏蔽、散热、隔离、退耦及电源分配等问题层出不穷，现已得到较好的解决。采用了铸铝合金外壳，它的特点是散热好、屏蔽性能好、美观坚固。分布式电极转换开关盒采用不锈钢管注塑工艺，实现了防潮、密封、耐高温、连接方便，可在阴雨天和水中工作。

⑦精度高。采样信号经8位程控放大，16位高速模数转换，使得采样分辨率达到1μV 此外，电位和电流同时测量，从而保证了Δ（V/I）的误差小于1％。

（2）性能指标

A、主机部分。

1）输人阻抗：大于20 MΩ。

2）电位测量：最小采样信号lμV，最大采样信号4 000 mV，精度0．5％，分辨率1μV。

3）电流测量：最小采样信号0．1mA，最大采样信号1000mA，精度0．5％，分辨率1μA

4）放大器：程控放大，自动电位补偿（极化补偿范围3V，补偿精度1％）

5）采样分辨率：A／D：16bit，程控放大：8 bitt，计：24bit。

6）噪声抑制：50 Hz工频抑制。

7）滤波器：模拟低切、高切及陷波器，数字各型滤波器。

8）主处理器：Pentume MMX366。

9）显示器：600 ×800T，液晶显示器。

10）内存：64M。

11）内置硬盘：4．3G。

12）接口：标准232串型口、并行口、外接VGA显示器口、键盘口及无线数据通讯接口、外接软盘驱动器口。

13）仪器操作板：全密封触摸式键及触控杆操作。

14）操作系统：全Windows界面编程、操作。

15）内置供电电源：400 V PP, 0．4 A PP

16) 外置供电电源：400 V PP2A PP

17）供电方式：采用恒流方波供电或实测方波供电，供电电流10mA、20 mA、50mA、100mA、200mA、400mA、1A可选。实测方式下，可选50 V、100V、200V、400V。供电时间由lS、2S。4S、8S可选。

18）测试误差：仪器的观试误差Δ（V／I）＜1％。

19）主机重量：6 kg。

20）工作环境：温度－20～＋50℃；湿度95％（40℃时）。