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拖曳式海洋激电法分布式数据采集系统设计

作　者: 曾信
导　师: 李志华
学　校: 中国地质大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 双频激电分布式数据采集 RS-485 LabVIEW
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

海洋是一个资源宝库,除部分石油和天然气外,大量的资源等待人类开发。随着陆地矿产资源的逐渐枯竭,世界各国对海洋资源的开发力度不断加大,各种物探方法被应用在油气资源。海洋激电法是近些年才兴起的一种海洋物探方法,本文的研究内容主要基于激电法中的双频激电法分支。双频激电法自从70年代问世,已经广泛应用于陆地金属矿产资源勘探等方面,并取得了良好的应用效果。近几年来,国家海洋局第一海洋研究所和中国地质大学(武汉)测控系在海洋双频激电法的研究与应用中做了不少工作,研制出了一套原理样机,经过多次海洋试验取得了一批成果和经验。该双频激电仪的接收机采用集中式的数据采集方式,接收到的电信号通过一条长电缆输入数据采集卡进行模数转换。该长电缆在海上作业过程中操作不方便,同时由于海底工作环境具有恶劣与未知性等特点,容易使电缆受到损伤。而单根的长电缆一旦受损,其修复过程将非常繁琐,导致时间与金钱的大量浪费。本论文即是基于现有的海洋双频激电法应用基础上,提出并实现了一种基于分布式的数据采集系统,来改进双频激电仪的接收机。引入分布式概念后,以前的长电缆,变成了由多段短电缆组合而成的分布式“数字缆”,每段短电缆具备独立的数据采集能力,可以对接收电极接收的电压信号进行模数转换。短电缆的制造工艺实现标准化、批量化,每一段短电缆都可以被其他电缆替换。因此,仪器的可靠性得到提高,降低了海洋作业的风险,并且在保证了高密度测量功能的同时变得小型化和轻便化。同时,每段缆中的数据采集节点在最短的距离内将双频激电信号转换成了数字信号,可以最大程度避免模拟信号在电缆内传输的时候受到发送信号的电磁干扰及接收通道间的串扰,保证了测量精度。本分布式数据采集系统基于上述多段串联的短电缆而实现。系统由多个数据采集节点组成,节点之间的通讯通过电缆内的RS-485总线通讯。多段电缆连接起来就可以组成一个多通道的数据采集缆,合理的设计单段缆的长度,可以实现高密度电法测量。采集节点在硬件方面由电场传感器、信号调理电路(放大电路、滤波器、24位ADC等)、电源电路、单片机控制核心、存储电路等几个部分组成。接收电极接收的差分双频信号经过阻抗匹配后,输入到前置程控仪表放大器。该放大器可以实现增益1、2、4、…4096倍数的自由调整。信号放大以后,进入到二阶巴特沃斯低通滤波器,除去高频噪声。滤波完的信号送入24位A/D转换器,A/D转换器在分布式数据采集系统同步测量信号的控制下,以200Hz的采样率对0.6Hz/9Hz的双频信号做模数转换。单片机采集读取完ADC的转化值后,将数据以txt文件格式存储到大容量Micro SD卡内。数据采集工作完成后,运行于电脑中的上位机数据采集控制与数据处理软件将节点内将数据读出,通过LabVIEW高度发达的数据处理功能恢复出原始波形信号,然后经过数字滤波器后分别得到高频、低频的波形数据。经过一系列数值处理后按照激电参数的计算公式得到视电阻率值及视幅频率值,数据结果以曲线形式显示、以txt格式存储成文件。系统设计调试完成后,进行了多项室内及室外测试。室内测试中,对系统硬件的各项指标进行了详细测试,并对测量精度进行了检验与校正。在地空学院水槽物理模拟实验室进行了水槽实验,在水槽中对铜盒子、黄铜矿等进行了定点测试和拖动测试,验证了系统在海洋环境下测量的可行性与正确性后,在青岛石老人海滩进行了野外试验。海滩测试采用定点测量方式,测量了该海滩不同深度的视电阻率值及涨潮过程中的视电阻率值变化曲线,取得了一批具有分析价值的数据,并再次验证了分布式系统在海洋环境下电法测量的可行性与稳定性。

全文目录

作者简介  7-8
摘要  8-10
ABSTRACT  10-14
第一章绪论  14-19
  §1.1 引言  14
  §1.2 国内外发展现状  14-16
  §1.3 研究目的和意义  16-17
  §1.4 主要研究内容  17-19
    1.4.1 技术路线  17
    1.4.2 主要工作量  17-18
    1.4.3 取得的创新性成果  18-19
第二章双频激电法基本原理与系统总体设计  19-24
  §2.1 激发极化现象  19-20
  §2.2 双频激电法的提出与基本原理  20-22
  §2.3 系统总体设计  22-24
第三章数据采集节点设计  24-43
  §3.1 节点硬件电路  24-34
    3.1.1 单片机主控核心  24-26
    3.1.2 三通道信号调理电路与数模转换电路  26-28
    3.1.3 数据存储电路  28-30
    3.1.4 节点通讯电路  30-32
    3.1.5 电源电路  32-33
    3.1.6 电路微功耗与微体积设计  33-34
  §3.2 数据采集节点软件  34-43
    3.2.1 软件框架与主程序流程  34-36
    3.2.2 程控增益调整与通道选择  36-37
    3.2.3 A/D初始化设置与转换结果读取  37-38
    3.2.4 FAT16文件系统实现  38-40
    3.2.5 串口中断服务  40-43
第四章分布式数据采集网络设计  43-50
  §4.1 分布式数据采集的网络模型结构  43-45
    4.1.1 分布式采集系统的网络结构  43-44
    4.1.2 载体电缆设计  44-45
  §4.2 分布式采集网络控制软件设计  45-50
    4.2.1 ModBus协议  45
    4.2.2 通讯协议流程及层次化实现  45-48
    4.2.3 软件冗余设计与可靠性设计  48-50
第五章上位机数据采集与数据预处理软件设计  50-58
  §5.1 上位机软件简介  50-52
    5.1.1 LabVIEW简介  50
    5.1.2 上位机软件构成  50-52
  §5.2 数据采集部分  52-56
    5.2.1 操作主界面  52-53
    5.2.2 参数设置  53
    5.2.3 数据采集控制  53-54
    5.2.4 数据读取与显示  54-55
    5.2.5 现场波形分析  55-56
  §5.3 电法数据处理部分  56-58
    5.3.1 节点文件操作  56
    5.3.2 激电参数计算  56-58
第六章测试及分析  58-76
  §6.1 主要电路性能测试  58-63
    6.1.1 程控增益误差测试  58-59
    6.1.2 通道噪声测试  59
    6.1.3 数据采集精度测试  59-60
    6.1.4 通道一致性测试  60-61
    6.1.5 温度漂移测试与温漂补偿  61-62
    6.1.6 单节点功耗测试  62-63
  §6.2 阻容网络标定测试  63-65
    6.2.1 视电阻率标定  63-64
    6.2.2 视幅频率标定  64-65
  §6.3 水槽测试  65-72
    6.3.1 水槽环境下海水视电阻率测试  66
    6.3.2 铜盒测试  66-70
    6.3.3 黄铜矿测量  70-71
    6.3.4 多节点拖曳采集一致性测试  71-72
  §6.4 海滩测试  72-76
    6.4.1 定点视电阻率测试  72-74
    6.4.2 海滩定点长时间观测测试  74-76
第七章结论与建议  76-77
  §7.1 结论  76
  §7.2 不足之处与建议  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-80

拖曳式海洋激电法分布式数据采集系统设计

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