一种低频自然电位渗流场通道复用并行数据采集装置及方法与流程

本发明涉及一种低频自然电位渗流场通道复用并行数据采集装置及方法，属于地质勘探数据采集。

背景技术：

1、在地质勘测过程中，对地下水、土壤等渗流场的自然电位数据采集是至关重要的一环。然而，现有的低频自然电位渗流场数据采集技术主要依赖于多通道独立采集系统，这些系统需要大量的硬件设备和复杂的布线，导致整体成本高、系统复杂性大，限制了其在复杂环境中的应用，此外在低频信号采集过程中，系统尽管时刻进行采集，但由于信号变化缓慢，许多短时间在同一位置采集到的数据均无意义，不仅浪费时间和资源，同样降低了系统效率。虽然目前已有采用模拟开关构成的多通道信号采集的技术方案，但对于长期监测环境下，模拟开关的非线性特性、热漂移等问题会对低频信号的长期稳定性和准确性产生负面影响。

2、针对这些问题，本发明提出了一种新的数据采集装置及方法，通过电磁继电器的组合设计和信号优化处理算法，显著降低了系统的硬件成本和复杂性，并通过电磁继电器的组合设计允许多个信号在同一硬件通道上进行多路复用，减少了所需的硬件数量和布线复杂性。优化的信号处理算法提高了数据处理的效率和准确性，确保长时间低频数据采集的高质量和可靠性，是本发明的研究方向。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种低频自然电位渗流场通道复用并行数据采集装置及方法，能有效解决上述存在的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种低频自然电位渗流场通道复用并行数据采集装置，包括控制模块、采样模块、开关切换模块、测量电极和参考电极；

3、所述开关切换模块为m个，每个开关切换模块内设有m级继电器，其中一级继电器的输出端与开关切换模块的输出端连接，一级继电器的输入a端与一个测量电极连接、输入b端与二级继电器的输出端连接，第二级继电器的输入a端与另一个测量电极连接、输入b端与三级继电器的输出端连接，后续各级继电器的输入a端均分别与一个测量电极连接、输入b端均与下一级继电器的输出端连接，直至m级继电器的输入a端和输入b端均分别与一个测量电极连接；

4、所述采样模块与开关切换模块的数量相同，每个采样模块均对应一个开关切换模块，各个采样模块其中一个输入端均与其对应开关切换模块的输出端连接、另一个输入端均与参考电极连接，各个采样模块的输出端均与控制模块连接，用于将各个开关切换模块输出的电压信号分别与参考电极获取的电压信号进行比较后反馈给控制模块；

5、所述控制模块设有m个控制信号输出端口，每个控制信号输出端口分别与各个开关切换模块的各级继电器连接，且各个开关切换模块中相同级继电器均连接同一控制信号输出端口，控制模块的控制信号输出端口通过输出高低电平切换与其连接的继电器输入a端或输入b端与继电器输出端的通断，从而将不同测量电极分别与开关切换模块的输出端连通，其采集的电压信号与参考电极获取的电压信号进行比较后反馈给控制模块。

6、进一步，所述测量电极和参考电极均为不极化电极。

7、进一步，所述继电器为双输入单输出的电子式继电器。

8、进一步，所述采样模块内设有运算放大器和adc模块，运算放大器用于将开关切换模块输出的电压信号与参考电极获取的电压信号计算出电压差值，并经过adc模块完成模数转换后，将转换得到的数字信号发送给控制模块。

9、进一步，所述控制模块内设有时钟电路、电源模块和缓存模块，时钟电路用于计时；缓存模块用于将采样模块反馈的数据进行存储；电源模块为各个部件供电。

10、上述低频自然电位渗流场通道复用并行数据采集装置的工作方法，具体步骤为：

11、步骤一、布设观测系统：设每个开关切换模块连接的测量电极为n个并将其作为一组，共m组，则测量电极共m*n个；将所有测量电极按任意位置随机布置在观测区域内，并记录每个测量电极的坐标位置；同时将参考电极g布置在确定无电磁干扰的任意位置，并记录该参考电极g的坐标位置；然后将各个测量电极按照分组分别与各个开关切换模块连接，接着将低频自然电位渗流场通道复用并行数据采集装置中各个开关切换模块、各个采样模块和控制模块连接；初始状态时，各个继电器的输入a端均与各自的输出端连通、且各自的输入b端均与各自的输出端断开，完成观测系统布设过程；

12、步骤二、初始化观测系统：初始化信号一个采集周期为t，设开始时刻为t0，设采集分段的持续时间为t/(m+1)，设采样模块的采集频率为f(即1/f<t/(m+1))，控制模块的m个控制信号输出端口分别编号为p1、p2、…、pm；控制模块启动采集模块，开始进行数据采集，时钟电路开始进行计时，具体采集过程为：

13、①从开始时刻t0至t/(m+1)时刻为第一个采集分段，该分段内控制模块的控制信号输出端口p1、p2、…、pm均输出低电平并保持，此时所有继电器均处于初始状态，进而各个开关切换模块中一级继电器的输入a端与各自一级继电器的输出端连通，并由于输入b端与各自一级继电器的输出端断开，使各个一级继电器与下一级继电器保持断开，进而在该分段内各开关切换模块的输出端均与各自一级继电器的输入a端连通；各个一级继电器的输入a端所连接的测量电极将各自采集的电压信号分别输送至各个采样模块内，同时各个采样模块均获取参考电极g的电压信号，各个采样模块将各自接收的两个电压信号通过运算放大器做差值计算，求得各个测量电极与参考电极g之间的电位差，并经adc模块完成模数转换后，将转换得到的数字信号反馈至控制模块进行存储；

14、②从t/(m+1)时刻至2*t/(m+1)时刻为第二个采集分段，该分段内控制模块的控制信号输出端口p1输出高电平并保持，其余输出端口保持原电平不变，此时各个开关切换模块中一级继电器的输入a端与各自一级继电器的输出端断开，并由于输入b端与各自一级继电器的输出端连通，使各个一级继电器与二级继电器的输出端连通，进而在该分段内各开关切换模块的输出端均与各自二级继电器的输入a端连通；各个二级继电器的输入a端所连接的测量电极将各自采集的电压信号分别输送至各个采样模块内，同时各个采样模块均获取参考电极g的电压信号，各个采样模块将各自接收的两个电压信号通过运算放大器做差值计算，求得各个测量电极与参考电极g之间的电位差，并经adc模块完成模数转换后，将转换得到的数字信号反馈至控制模块进行存储；

15、③后续各个采集分段均重复步骤②的过程，依次使各个三级继电器至m-1级继电器各自的输入a端所连接的测量电极的电压信号经过采样模块获取电位差后存储在控制模块内；直至到达第m+1个采集分段即m*t/(m+1)时刻至t时刻，该分段内控制模块的控制信号输出端口pm输出高电平并保持，其余输出端口保持原电平不变(由于之前采集分段调节过程此时所有输出端口均为高电平)，此时各个开关切换模块中所有继电器的输入a端均与各自的输出端断开、且各自的输入b端均与各自的输出端连通，进而在该分段内各开关切换模块的输出端均与各自m级继电器的输入b端连通；各个m级继电器的输入b端所连接的测量电极将各自采集的电压信号分别输送至各个采样模块内，同时各个采样模块均获取参考电极g的电压信号，各个采样模块将各自接收的两个电压信号通过运算放大器做差值计算，求得各个测量电极与参考电极g之间的电位差，并经adc模块完成模数转换后，将转换得到的数字信号反馈至控制模块进行存储，完成该采样周期的数据采集工作；

16、④后续每个采集周期均重复步骤①至③，直至采集结束，获取所有采样周期采集的数据；

17、步骤三、数据处理：控制模块将所有采样周期采集的数据发送给数据处理模块进行分析处理，具体过程为：将参考电极g作为公共地，即能获得同一坐标系下m*n条不连续电压差u-时间t曲线，将时间轴进行压缩每个采样周期t内各个测量电极只取一次采样获取的电压值(由于每个采集分段内采样模块根据采样频率会进行多次采集，从而使得每个测量电极均会获取多次电压数据)，即能获得m*n个测量电极的连续电压差u-时间t曲线。

18、进一步，所述获取所有采样周期采集的数据中由于采样模块采用的是全时采样模式，每次获取的数据除了采集到有效的地电场数据外还会混入一些开关动作引起的脉冲信号以及一些异常的信号，为消除这些无效信号对后续数据分析处理造成影响，因此步骤三在对数据进行分析处理之前采用如下方式对数据进行预处理：

19、ⅰ、消除开关动作引起的脉冲信号影响：

20、采样模块的采样频率为f，采集分段的持续时间为t/(m+1)，每个采集分段内采集到的点数为m＝t/(m+1)/f，剔除m个数据内前、后各k个点，且m＞2k，剩余数据点即为未受开关动作引起脉冲信号影响的点；由于渗流场为低频电场，采用此办法不仅能消除开关动作引起脉冲信号的影响，同时在条件允许的情况下采用非高速切换的继电器，进一步降低继电器成本；

21、ⅱ、消除异常信号影响：

22、在消除开关动作引起脉冲信号影响的信号中仍可能混入其他干扰信号，如50hz工频等高频信号、人为引起的异常信号、电极耦合条件异常引起的信号，则进行如下处理：

23、a)取均值处理：

24、

25、其中：um为第m个采集模块输出的信号，unj为第m个采集模块第n组电极的第j个数据点；

26、b)取中位值：将m-2k个数据点自小到大进行排序后进行计算：

27、

28、ⅲ、压缩坐标轴：

29、将电压参考电极g作为公共地，即能获得同一坐标系下m*n条不连续电压差中位值um-时间t曲线，将时间轴进行压缩每个采样周期t内各个测量电极只取一次采样获取的电压值，即能获得m*n个测量电极的连续电压差u-时间t曲线。

30、与传统的自然电位采集方式和采用模拟开关进行通道复用技术相比，本发明采用电磁继电器组合设计形成通道复用的自然电位采集方法，通过电磁继电器的组合设计及特定的切换过程仅需m个采样模块即可对m*n个测量电极的电压信号进行采集，提高了设备的利用率，降低了成本，保证多通道数据采集的同时，减少了器件的数量，兼顾了较低的硬件成本。另外对采集获得的数据采用特定的数据处理方法进行优化，从而确保长时间低频数据采集的高质量和可靠性。因此本发明通过创新的技术和方法，成功解决了现有技术中的硬件成本高、系统复杂性大、数据采集效率低、长时间数据不稳定等问题，显著提升了低频自然电位渗流场数据采集和处理的效率、准确性和可靠性，从而满足了多样化和复杂环境中的应用需求。