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改进型高密度电阻率探针（MERPⅡ）优化设计研究

作　者: 郭磊
导　师: 贾永刚
学　校: 中国海洋大学
专　业: 环境工程
关键词: 高密度电法探针电阻率监测系统优化设计 MERPⅡ
分类号: X859
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文作为国家高技术研究发展计划（863计划）“风暴过程中海底沉积物再悬浮通量原位监测技术”（编号SQ2007AA09Z135267）的后续研究，在前期的研究成果——基于电阻率测量的海床侵蚀淤积过程现场动态原位监测系统的基础上，将使用范围拓展到包括土壤盐渍化监测、海水入侵监测、地下水位监测、海水悬沙测量、管道泄漏监测等众多领域，展现出了良好的应用前景。在实际使用过程中，对原监测系统提出了许多新的要求，例如系统的小型化与智能化、原位传感器的抗污染和高分辨率、电极的一致性与抗极化能力、算法的优化与冗余、控制端的可操作性、采集模块的准确性与误差补偿、电源的稳定性与续航性能等。基于此，本文对原有系统进行了一系列的优化改进，研制了一套改进型高密度电阻率探针（Multi-Electrode Resistivity Probe Ⅱ，下文简称MERPⅡ）。本论文包括以下四部分研究内容：（1）电阻率传感器的改进。与之前的电阻率传感器相比，其改进主要体现在电阻率传感器的整体结构上。新的电阻率传感器由若干电阻率子探杆插接而成，每段电阻率子探杆含16个环形测量电极，内部嵌入多路转换电路和数据总线结构。通过改变电阻率子探杆的内部结构，消除了由于电极位置差异带来的硬件误差。（2）下位机硬件设计和采集程序编写。下位机的硬件设计主要通过分离监测采集系统的各个模块，优化系统控制部分的整体结构。在引入遥控模块和稳压模块的基础上，成功的将硬件电路体积缩小到原来的1/4，并借此抛弃了电阻率传感器长期以来的密封舱式设计，既减小了硬件体积，也降低了系统对密封的要求。下位机的采集程序与硬件电路相结合，合理的兼容了系统各个模块，一方面为系统整体操作添加了许多功能，另一方面设置多重分级保存体制，保护采集数据的安全性与准确性。（3）上位机软件的开发。上位机软件设计以数据无线通讯为基础，首先实现了运行参数设置和工作模式转换的远程操作，其次对远程传输数据按预置的数据算法进行处理并保存，通过Matlab的集成，在VC环境下实现自动实时动态图像的绘制，最后通过一套完整的自动解析分辨算法，实现事故的自动报警等功能。（4）监测系统总体测试。在对系统经过合理集成之后，进行了一系列实验对系统的有效性和稳定性进行测试，取得了良好的效果。本文主要创新点有：（1）全新的系统组装结构：将电阻率传感器以每16个环形电极为一组分解成若干可以相互插接的电阻率子探杆；将多路电极转换电路分解成若干可以相互串联的子电路，分别嵌入到电阻率子探杆内部。（2）引入实时分析功能：上位机软件综合了典型环境下的电阻率分析方法结合数据实时处理功能，可以根据用户设置、反演对象和其他一些输入数据参量进行自动分析/反演并绘制结果曲线。（3）管线泄漏污染监测：将MERPⅡ应用于管线泄漏污染监测的室内模拟测试，并引入判定污染物泄漏的方法及其数学表达式。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
1 绪论  13-28
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 相关研究现状评述  14-17
    1.2.1 电阻率监测方法研究现状  14-15
    1.2.2 高密度电阻率原位监测技术研究现状  15-17
  1.3 MERPⅡ相关基础研究简介  17-20
  1.4 本文研究内容和技术路线  20-22
    1.4.1 研究内容  20-21
    1.4.2 技术路线  21-22
  1.5 本文研究成果与创新  22-27
  1.6 本章小结  27-28
2 MERPⅡ总体设计  28-32
  2.1 MERPⅡ结构组成功能介绍  28-29
  2.2 MERPⅡ各部分优化设计目标  29-30
    2.2.1 电阻率传感器的优化设计目标  29
    2.2.2 下位机总体结构优化设计目标  29-30
    2.2.3 上位机软件优化设计目标  30
  2.3 MERPⅡ总体功能设计目标  30
  2.4 系统有效性评估方法  30-31
  2.5 本章小结  31-32
3 MERPⅡ电阻率传感器优化设计  32-41
  3.1 MERP 电阻率传感器简介  32-34
  3.2 优化设计原则  34-35
  3.3 MERPⅡ电阻率传感器结构  35-37
    3.3.1 电阻率子探杆的结构  35-36
    3.3.2 多路电极转换电路  36
    3.3.3 电阻率传感器的结构  36-37
  3.4 MERPⅡ电阻率传感器的优势  37-39
  3.5 MERPⅡ电阻率传感器技术性能参数  39
  3.6 本章小结  39-41
4 MERPⅡ下位机设计  41-57
  4.1 MERP 下位机简介  41-45
    4.1.1 MERP 下位机硬件简介  41-43
    4.1.2 MERP 主控软件简介  43
    4.1.3 MERP 采集控制电路技术参数  43-44
    4.1.4 MERP 下位机存在的问题  44-45
  4.2 优化设计原则  45
  4.3 MERPⅡ采集控制电路的改进  45-48
  4.4 多路电极转换电路设计  48-52
    4.4.1 两级开关矩阵结构介绍  48-50
    4.4.2 第二级开关矩阵  50
    4.4.3 串并转换和开关驱动  50-51
    4.4.4 电路设计  51-52
  4.5 MERPⅡ主控软件优化设计  52-54
    4.5.1 采集模块软件优化设计  52
    4.5.2 通信模块软件优化设计  52-54
  4.6 相关技术参数  54-55
  4.7 本章小结  55-57
5 MERPⅡ上位机软件设计  57-69
  5.1 MERP 上位机软件简介  57-58
  5.2 优化设计原则  58-59
  5.3 MERPⅡ的上位机软件功能模块  59-61
  5.4 软件系统的具体实现  61-68
    5.4.1 远程控制台模块  62-63
    5.4.2 实时数据处理及自动绘图模块  63-66
    5.4.3 数据分析和反演曲线模块  66-68
  5.5 本章小结  68-69
6 MERPⅡ系统集成与应用效果评价  69-78
  6.1 附属设备  69-72
    6.1.1 远程服务器  69
    6.1.2 太阳能供电系统  69-70
    6.1.3 多功能三脚架  70-71
    6.1.4 浮漂  71
    6.1.5 GPS 卫星定位跟踪器  71-72
    6.1.6 开关遥控器  72
    6.1.7 锚和配重  72
    6.1.8 警示灯及光控开关  72
  6.2 系统集成  72-73
  6.3 MERPⅡ系统误差分析  73-77
    6.3.1 采集控制电路误差分析  73-75
    6.3.2 电阻率传感器误差分析  75-77
  6.4 本章小结  77-78
7 综合应用效果评价  78-100
  7.1 不同盐度水溶液测试  78-83
    7.1.1 实验过程及结果分析  78-83
    7.1.2 结论实验  83
  7.2 判定模拟海床界面测试  83-87
    7.2.1 实验过程及结果分析  83-87
    7.2.2 实验结论  87
  7.3 地下污水管线泄漏原位自动监测模拟实验  87-99
    7.3.1 研究背景、依据和目的  87-89
    7.3.2 实验材料与方法  89-93
    7.3.3 结果与讨论  93-98
    7.3.4 实验结论  98-99
  7.4 本章小结  99-100
8 结论与展望  100-102
  8.1 结论  100
  8.2 本文主要创新  100-101
  8.3 下一步的研究  101-102
参考文献  102-109
致谢  109-110
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  110

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