技术领域
[0001] 本
发明涉及
地震观测技术领域，特别是涉及一种交流地电阻率观测仪。
背景技术
[0002] 通常，在地震地电学科中，地电仪是指地电阻率测量仪器。当前，我国地电阻率测量仪均为直流地电阻率仪，包括ZD8B、ZD8BI、ZD8M等。
[0003] 随着我国国民经济和社会的发展，地电阻率观测受到越来越多的
电磁干扰，导致观测数据出现较大幅度的变化，严重影响了对地震异常信息的识别。现在国内一些主要的大中城市都在建设或筹建城市地
铁，观测环境已经不满足《地震台站观测环境技术要求(第2部分)：电磁观测》(GB/T 19531.2-2004)(钱家栋等，2004)的要求，严重影响了城市附近的地电阻率观测，许多地电阻率观测台站不得不选择搬迁和重建。
[0004] 目前国内的直流地电阻率观测采用4极对称的方式，即两个
电极作为供电极AB，两个电极作为测量极MN，ABMN在一条直线上对称分布，MN距离为AB距离的1/3～1/4，整个测量系统包括直流地电仪(中国地震局
地壳应
力研究所研制的ZD8M或中国地震局预测研究所生产的ZD8B地电仪)与直流稳流电源(WL6/WL-5N)。地电仪作为直流电阻率观测系统的主机，起到对系统的控制、计算、显示等功能；直流稳流电源用于提供对供电极AB进行供电，主机控制测量极进行电位的测量。
[0005] 直流地电仪由上位机和下位机两部分组成。上位机为PC104工控机、下位机是以
单片机80C31为核心的测量系统，整个仪器由PC104工控机管理，下位机在PC104的管理下完成测量工作。
[0006] 不同测道的测量极
信号(自然电位差Vsp，人工电位差ΔV)和供电
电流I(经电阻转换)通过继电器输入到前置
放大器，再由A/D转换器转换成
数字信号。
[0007] 目前国内的直流地电阻率观测的供电设备选用的是WL-5N和WL6直流稳流电源。
发明内容
[0008] 本发明要解决的技术问题是提供一种交流地电阻率观测仪，使得利用低频交流信号完成对视地电阻率的测量，避开干扰频段，从而提高对视地电阻率的测量
精度。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种交流地电阻率观测仪，所述系统包括：信号采集单元，用于采集供电极上流经的低频电流信号与测量极两端的低频
电压信号，所述供电极流经的低频电流信号(以下简称供电电流信号)为4极对称法测量地电阻率时供电极AB上流经的输出低频交流稳流电流信号，测量极两端的低频电压信号(以下简称测量电压信号)为4极对称法测量地电阻率时测量极MN端的输入低频交流电压信号；以及主控单元、
数据处理单元、通道切换单元，与所述交流供电电源及所述信号采集单元电连接，用于根据所述供电电流信号及所述测量电压信号计算视地电阻率。
[0010] 作为本发明的一种改进，所述信号采集单元包括2通道同步
数据采集电路，即电压通道与电流通道。每通道数据采集电路包括：低通
滤波器，用于对采集到的模拟测量
电信号进行低通滤波；模拟放大器，电连接至所述
低通滤波器，用于对经过低通滤波的测量电信号进行放大；以及
模数转换器，电连接至所述模拟放大器，用于对经过放大的测量电信号进行模数转换，并输出相应的数字测量电信号。
[0011] 作为本发明的一种改进，还包括：数据处理单元，用于分频段滤除所述数字测量电信号中的带外
干扰信号以及降
采样。
[0012] 作为本发明的一种改进，所述数据处理单元包括：AD控制与
接口模
块，实现对AD芯片的初始化和采集控制，用于并行采集2路采集单元的输出数据流，根据测量
频率的不同，采集单元AD的数据吐出率也相应变化；数据处理模块，负责接收来自AD转换器的数据流，并根据指令要求，对接收数据进行滤波和降采样；时钟分频模块，提供全局工作时钟；串口通讯模块和指令解析模块，解析上位机指令，将指令发送给AD控制与接口模块与数据处理模块；FIFO，用于实现将多路滤波器输出的数据进行
并串转换以及数据输出前的缓存；以及网络接口模块，实现与网络模块的接口控制，以及与主控单元socket服务端的互联互通，将处理后的数据通过网口上传。
[0013] 作为本发明的一种改进，还包括：显示单元，连接至所述主控单元，用于实现菜单操作与测量数据曲线显示。
[0014] 作为本发明的一种改进，还包括：通道切换单元，实现对外接不同方向测量装置时供电极与测量极的切换控制。
[0015] 作为本发明的一种改进，还包括：电流取样单元，用于利用标准电阻对所述交流供电电流信号进行电压取样，提供所述信号采集单元电流通道测量交流供电电流。
[0016] 作为本发明的一种改进，还包括：电源单元，用于对所述地电阻率观测系统的各个单元提供稳定电源。
[0017] 作为本发明的一种改进，所述主控单元还用于：对所述交流地电阻率观测仪的各个单元运行进行控制。
[0018] 采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
[0019] 通过供电端提供干扰频段外的已知频率低频交流信号，测量端进行频率选择与信号提取后可避开干扰频段，从而提高对视地电阻率的测量精度。
附图说明
[0020] 上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
[0021] 图1是现有的地电阻率仪的背景噪声
频谱曲线；
[0022] 图2是现有地电阻率仪的频率幅度图；
[0023] 图3是本发明交流地电阻率观测仪的结构图；
[0024] 图4是本发明交流地电阻率观测仪应用场景的结构图；
[0025] 图5是本发明交流地电阻率观测仪电源单元的结构图；
[0026] 图6是本发明交流地电阻率观测仪信号采集单元的结构图；
[0027] 图7是本发明交流地电阻率观测仪数据处理单元的结构图；
[0028] 图8A是本发明第一频段滤波器的幅频响应曲线图；
[0029] 图8B是本发明第二频段滤波器的幅频响应曲线图；
[0030] 图8C是本发明第三频段滤波器的幅频响应曲线图；
[0031] 图9是本发明交流地电阻率观测仪主控单元的控制
流程图；
[0032] 图10是本发明交流地电阻率观测仪通道切换的原理图。
具体实施方式
[0033] 以下结合附图对本发明的优选
实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034] 参见图1，经过对大量地铁干扰台站的数据分析，发现地铁、高铁等的干扰都是由于直流高压供电所引起的，干扰频段位于1Hz以下，利用直流供电测量电阻率的方法在地铁运行期间干扰相当大，测量数据无法使用。考虑利用交流供电的方法，避开干扰频段，研制供电频率在0.1～10Hz的交流稳流供电电源与交流地电阻率观测仪，利用FFT的方法从测量数据中提取出已知供电频率信号，通过提高
信噪比的方法提高对视电阻率的测量精度。
[0035] 参见图2，采用提供单频点的交流供电，在测量端直接检测该频率的单频点信号即可实现对地电阻率的高精度测量。
[0036] 交流地电阻率观测系统包括ZD8AC地电阻率仪与ACWL交流稳压电源。
[0037] 交流地电阻率测量装置采用低频交流稳流源进行供电，供电设备提供恒流的正弦信号，信号频率在0.1～10Hz范围内可调。按照工程上的采样定理，为尽量完整地恢复采样信号，需保证
采样频率为信号频率的5～10倍，因此测量设备的采样频率在50Hz以上。同时，为保证可测量交流稳流电源供电电流不小于2.5A，交流地电阻率观测仪内电流通道取样电阻采用0.1Ω/0.5W，采集单元的动态范围大于±800mV。
[0038] 参见图3，ZD8AC交流地电阻率仪由电源单元、采集单元、数据处理单元、显示单元、主控单元与通道切换单元以及电流取样单元组成。参见图4，系统电流通道与电压通道同步采集，便于利用FFT
算法计算电压与电流的
相位信息。
[0039] 参见图5，电源单元提供主机的工作电源，由一个宽范围输入电压的AC/DC变换器构成，交流输入范围AC140～AC250V，输出DC12V，最大功率30W。
[0040] 参见图6，信号采集单元实现将电压通道与电流通道的模拟电压信号转化为数字信号，
模拟信号首先经过RC低通滤波器进行滤波，由TCL2652进行信号放大，最后由AD进行模数转换，输出数字信号。
[0041] AD采样芯片采用TI公司的32位AD(ADS1281)，参考电压为±2.5V。为保证测值的稳定，参考电压采用高精度、低功耗、低噪声基准电压源ADR4525给出，其最大初始误差仅为±0.02％，具有出色的
温度稳定性和低输出噪声。正基准电压由ADR4525直接提供，负基准电压由正基准电压反相提供。
[0042] 为同步采集电流与电压两个物理量，系统采用两通道数据采集板分别实现对供电电流与测量电压的测量，采集板时钟均由FPGA提供，同时通过SYNC引脚控制2路AD的同步采集。
[0043] 参见图7，数据处理单元由FPGA实现，根据地电阻率交流观测仪测量的需求，数据处理单元所要实现的功能包括指令接收与解析、AD控制、数据接收与传输、数据滤波与降采样等功能。数据处理单元主要由6个功能模块构成，其原理
框图见图7，分别为AD控制、数据处理、时钟分频、串口通信、指令接收与解析、FIFO和网络接口。核心部分为AD控制和数据处理模块。AD控
制模块实现对AD芯片的初始化和采集控制，用于同步并行采集2路AD的输出数据流，根据测量频率的不同，AD的数据吐出率也相应变化；数据处理模块负责接收来自AD转换器的数据流，并根据指令要求，对接收数据进行滤波和降采样；时钟分频模块提供全局工作时钟；串口通讯模块和指令解析模块解析上位机指令，将指令发送给AD
控制模块与数据处理模块；FIFO用于实现将多路滤波器输出的数据进行并串转换以及数据输出前的缓存；网络接口模块实现与网络模块的接口控制，以及与主控单元SOCKET服务端的互联互通，将处理后的数据通过网口上传。
[0044] 该单元有两个关键的技术部分，一是控制AD可变采样率与数字滤波及降采样；二是利用FPGA实现RJ45接口向主控单元ARM传输数据。
[0045] 可变采样率与数字滤波：
[0046] 交流地电阻率观测仪的工作频率为0.1～10Hz,通过FPGA的数字滤波功能可滤除带外干扰频率。观测仪器在江宁地震台试验了一段时间，分析原始观测数据发现在不同频点都存在低频干扰，地电阻率计算时会引入误差。因此，改进设计加入了
高通滤波器，也即采用分段设计，将工作频率分为三段，分别为0.1～1Hz采样率10Hz，1～5Hz采样率50Hz，5～10Hz采样率100Hz。各频段采样率和滤波器设计如下：
[0047] ①0.1～1Hz高通滤波器+低通滤波器
[0048] 低通滤波LF(fs100Hz DC-1Hz)->
抽取fs10Hz->高通滤波HF(fs＝10Hz 0.1-1Hz)[0049] LF:order＝945 Fpass＝1.1Hz Fstop＝1.6Hz Apass＝0.01dB Astop＝100dB[0050] HF:order＝548 Fpass＝0.08Hz Fstop＝0.01Hz Apass＝0.01dB Astop＝100dB[0051] ②1～5Hz高通滤波器+低通滤波器
[0052] 低通滤波LF(fs100Hz DC-5Hz)->抽取fs50Hz->高通滤波HF(fs＝50Hz 1-5Hz)[0053] LF:order＝945 Fpass＝5.1Hz Fstop＝5.6Hz Apass＝0.01dB Astop＝100dB[0054] HF:order＝958 Fpass＝0.9Hz Fstop＝0.7Hz Apass＝0.2dB Astop＝100dB[0055] ③5～10Hz高通滤波器fs100Hz
[0056] HF:order＝1012 Fpass＝9.5Hz Fstop＝9.1Hz Apass＝0.1dB Astop＝100dB[0057] 经过滤波器改进设计，电阻率值
波动变小，方差也减小，观测数据
质量提高。
[0058] RJ45接口：
[0059] 由于高采样率时FPGA与ARM间的数据传输量较大，故采用了TCP/IP协议的方式通过RJ45接口向ARM传送数据，由FPGA实现对W4510芯片的控制实现TCP/IP协议的数据传输。
[0060] 显示单元由电阻
触摸屏组成，实现菜单操作与测量数据曲线显示等功能。
[0061] 主控单元由ARM板构成，采用核心板加
底板的形式，ARM芯片为TI AM335X系列处理器，最高720MHz，DDR2(max):512MB，保证流畅的运行及存储空间；板载2路千兆网卡、多路RS232/485、2路CAN总线、GPMC总线等工业接口。
[0062] 主控单元主要实现与FPGA数据处理单元间的指令与数据交互、数据进制转换、数据服务等功能。
[0063] ARM板主机
软件的工作流程图9所示。
[0064] ZD8AC测量主机的工作时序，每个整点时ARM开启控制串口，控制配线器切换测道，控制稳流电源配置输出频率和输出电流；启动稳流电源后开始测量工作；测量完毕后进行FFT计算，将测量原始数据和计算结果写入文件；最后关闭配线器和稳流电源的控制串口。
[0065] 通道切换单元用于实现对外接不同方向测量装置时供电极与测量极的切换控制。
[0066] 图10示出了测量主机通道切换的原理。通道切换原理：根据待测量方向的设置，主机产生相应的控制指令，通过串口向通道切换单元发送指令，通道切换单元的控制中心为MCU89C52，MCU89C52接收到ARM的控制指令解析后，控制相应通道的供电电流信号与测量电压信号分别与信号采集单元的连通，该通道切换单元支持3个方向视地电阻率的测量。
[0067] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单
修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
