直流电法探测系统设计与实现

论文摘要

水资源短缺是全世界共同面对的难题,我国水资源短缺问题尤为突出,地下水勘探成为人们当前研究的重要课题。目前,我国电法勘探方法已经达到国际先进水平,然而目前从事该领域的技术研发人员较少,缺乏可靠有效的探测系统,探测准确率未达到理想效果。为了解决这个问题,本文基于直流电法找水原理研制了一种用于地面找水的直流电法探测系统,可用于水资源匮乏地区的地面找水工作。直流电法找水原理是通过供电电极向大地供入恒定电流,测量电极之间的电压会随着供电时间逐渐增大并趋于稳定的饱和值,当断开供电电流,测量电极之间的电压在断电瞬间很快下降,然后随时间缓慢下降,一段时间之后衰减到于零附近,采集并分析大地的充放电曲线,可以得到相关参数,从而探明地下水源,达到找水的目的。系统硬件主要包括恒流源、主机、.上位机、状态显示模块和外部电极。恒流源为供电回路提供激励。上位机发送指令至主机和状态显示模块,主机根据上位机指令控制电极切换和恒流源输出电流,状态显示模块根据上位机指令显示系统当前工作状态,外部电极分为供电电极、测量电极和参考电极。本文重点介绍了电极控制电路、电流测量电路、电压测量电路以及状态显示模块的设计,并对数据采集卡和电源模块进行了说明。软件方面,结合图形化编程软件LabVIEW和数学计算软件MATLAB二者的优点,通过混合编程开发了上位机软件,主要包括用户主界面以及数据采集与存储、接地电阻探测、信号滤波、参数计算和串口发送等重要功能。用户可以通过操作用户主界面进行参数设置,控制系统在不同方式的探测。数据采集功能中采用自动量程切换设计,提高测量准确度。接地电阻探测功能可以帮助用户快速准确地判断电极与大地接触是否良好。对多组实测数据进行频率分析,结合大地的充放电曲线特征和实际需求,采用低通滤波和小波去噪的方法,实现了信号滤波,在此基础上,根据自然电位、视电阻率和半衰时的计算方法,设计软件实现了参数的自动计算。软件还具有串口发送功能,能够控制状态显示模块实时显示系统当前工作状态。系统研制完成后,对系统进行了标定,然后搭建实验平台,进行了准确度实验和功能性实验,包括电压准确度实验、电流准确度实验、接地电阻实验、探测方式实验、自然电位和视电阻率实验以及半衰时实验,通过实验研究得到,系统准确度和功能均达到设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 国内外发展现状
•   1.3 主要研究内容
•   1.4 论文章节安排
• 第2章 探测系统总体设计
•   2.1 用户需求分析
•   2.2 系统总体构成及工作原理
•     2.2.1 系统总体构成
•     2.2.2 硬件部分说明
•     2.2.3 软件部分说明
•   2.3 本章小结
• 第3章 探测系统硬件设计
•   3.1 直流电法找水原理
•   3.2 电极控制电路设计
•   3.3 电流测量电路设计
•   3.4 电压测量电路设计
•   3.5 状态显示模块设计
•   3.6 数据采集卡
•   3.7 电源模块
•   3.8 本章小结
• 第4章 探测系统软件设计
•   4.1 软件总体设计
•     4.1.1 软件设计目标
•     4.1.2 软件功能框图
•     4.1.3 软件工作流程
•   4.2 用户主界面设计
•     4.2.1 触发区
•     4.2.2 设置区
•     4.2.3 显示区
•     4.2.4 按钮锁定
•   4.3 数据采集与存储
•     4.3.1 自动量程切换
•     4.3.2 数据校准
•     4.3.3 数据存储
•   4.4 接地电阻探测
•   4.5 信号滤波原理及实现
•     4.5.1 信号特征分析
•     4.5.2 低通滤波
•     4.5.3 小波去噪
•   4.6 参数计算软件设计
•     4.6.1 自然电位和视电阻率
•     4.6.2 半衰时
•   4.7 串口发送软件设计
•     4.7.1 串口通信协议
•     4.7.2 程序实现
•   4.8 本章小结
• 第5章 探测系统实验研究
•   5.1 实验平台搭建
•   5.2 准确度实验
•   5.3 接地电阻实验
•   5.4 探测方式实验
•   5.5 自然电位和视电阻率实验
•   5.6 半衰时实验
•   5.7 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 丁昌鑫

导师: 曹玉强

关键词: 地下水勘探,直流电法,小波去噪

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地球物理学,水利水电工程

单位: 山东大学

分类号: TV213.4;P631.3

总页数: 79

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