CN105785478A - 一种适用于测试固相试样与供电电极之间面极化效应的系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电法地质预测相关技术领域，并公开了一种适用于测试固相试样与供电电极之间面极化效应的系统，其包括信号发生单元、试样测量单元、数据采集单元和中央处理单元，其中信号发生单元用于产生幅值恒定且频率变化的正弦波电压信号，然后放大及转换为幅值恒定的正弦波电流信号；试样测量单元在供电电极与固态试样之间的界面上加载正弦波电流信号来激发极化效应，并采用多个测量电极等距插入固相试样中，由此对各测量点与供电电极之间的电压值进行测量；数据采集单元多通路采集测量数据，然后输送至中央处理单元计算得出结果。通过本发明，能够解决固相试样与供电电极之间的面极化效应测试的特有要求，并提高超前地质预测的结果准确度。

Description

一种适用于测试固相试样与供电电极之间面极化效应的系统

技术领域

本发明属于电法地质预测相关技术领域，更具体地，涉及一种适用于测试固相试样与供电电极之间面极化效应的系统。

背景技术

在地质勘查领域，通常会使用到激发极化法来根据岩、矿石的激发极化效应以便寻找金属矿物和解决水文地质、工程地质等问题。激发极化法可分为时间域激发极化法和频率域激发极化法两种类型，其中Beam超前地质预测是以频率域激发极化法为基础，是TBM隧道掘进中常用的一种超前地质预报方法，其通过采用适当的超前地质预测技术，有利于探明前方地质情况，做好相应的防护措施，从而确保施工安全正常进行。

Beam超前地质体预测在我国尚处于研发初步阶段，为有效提高测试准确性，亟待改进和提高其测试技术。目前，现有技术中的Beam法是将供电电极安装在TBM护盾上，整个设备作为电流发射源与周围介质接触，并直接测量护盾电压。由于通电情况下护盾与围岩之间存在着很大的面极化效应，而这种面极化效应相对于地质体总极化效应来说较大，这种面极化电压又是直接叠加在护盾与另一端供电电极之间电回路的电压上，因此护盾的面极化会直接影响到超前探测的准确性。现有的面极化实验测试都是在供电电极和液体之间的界面进行，而对于固态试样与供电电极之间的面极化效应测量，由于在固体试样中测量电极不可能像在液体中那样自由移动，因此不能无限接近固体供电电极表面，造成现有的面极化实验测试方案难以较好地符合实际工况。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于测试固相试样与供电电极之间面极化效应的系统，其中通过对其整体测量原理尤其是多个关键组件的结构组成及其设置方式等进行研究和设计，相应能够较好地满足固相试样与供电电极之间的面极化效应测试特有要求，并与现有技术相比可显著提高超期地址预测的结果准确度，同时具备结构紧凑、便于操控和工作效率高等优点。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种适用于测试固相试样与供电电极之间面极化效应的系统，其特征在于，该系统包括信号发生单元、信号放大单元、试样测量单元、数据采集单元和中央处理单元，其中：

所述信号发生单元用于产生幅值恒定且频率变化的正弦波电压信号，其一端与所述中央处理单元信号相连，另一端与所述信号放大单元相连并输出正弦波电压信号；所述信号放大单元用于接收和放大所输入的正弦波电压信号，并将其转换为相对应的正弦波电流信号继续输出；

所述试样测量单元包括物料筒、供电电极和测量电极，其中该物料筒由绝缘材料制成，并在其内部填充有待测试的固相试样；该供电电极相互对置地安装在所述物料筒的左右两侧，并各自通过侧向凸出的结构件插入至固相试样与之相接触；此外，所述信号放大单元、供电电极和固相试样一同形成回路，并且所述信号放大信号输出的正弦波电流信号被加载至所述供电电极与所述固态试样之间的界面上，并在交变电场中产生激发极化效应；该测量电极的数量为多个，它们分别从所述物料筒的顶部插入至固相试样中与之相接触，并且所有测量电极之间保持等距分布，由此用于对固态试样上各测量点与所述供电电极之间的电压值等相关信息进行实时测量；

所述数据采集单元的一端与所述中央处理单元信号相连，另一端设置有多个数据采集通道，这些数据采集通道与所述测量电极一一相对应，并用于对各个所述测量电极的测量数据进行采集，然后将相应信号输送至所述中央处理单元；该中央处理单元用于向所述信号发生单元提供用于产生不同正弦波电压信号的信号，同时接收、存储和处理来自所述数据采集单元信号，进而计算得出固相试样与供电电极之间的面极化效应值。

作为进一步优选地，所述供电电极、测量电极优选由钢材料制成。

作为进一步优选地，所述信号放大单元优选为恒流源。

作为进一步优选地，所述固相试样与供电电极之间的面极化效应值优选按照以下公式进行计算：

${\mathrm{\η}}_{Rs}=\frac{R_{S1,f_{low}}-R_{S1,f_{high}}}{R_{S1,f_{low}}}\×100\%$

其中，η_Rs表示所述固相试样与供电电极之间的面极化效应值；表示固相试样与供电电极之间的低频电阻，其单位为欧姆；表示固相试样与供电电极之间的高频电阻，其单位为欧姆。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，通过对其整体测量原理特别是多个关键组成单元，譬如试样测量单元的结构组成及设置方式以及信号发生单元的工作参数等方面进行研究和设计，能够有效克服现有设备中固体试样中测量电极不能自由移动等问题，较好地满足固相试样与供电电极之间的面极化效应测试的特有要求，同时具备结构紧凑、便于操控和工作效率高等优点，因而尤其适用于固相试样与供电电极之间的面极化效应测试用途，同时也可应用于其他相与电极之间界面的高精度极化特性研究场合。

附图说明

图1是按照本发明所构建的适用于测试固相试样与供电电极之间极化效应的系统的整体构造示意图；

图2是用于更具体地显示图1中所示物料筒的结构剖视图；

图3是按照本发明优选实施例的供电电极的结构剖视图；

图4更为具体地显示了图1中固相试样的测量应用场景示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-信号发生单元2-信号放大单元3-试样测量单元4-数据采集单元5-中央处理单元31-物料筒32-供电电极33-测量电极321-圆柱体322-通孔

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明所构建的适用于测试固相试样与供电电极之间极化效应的系统的整体构造示意图。如图1中所示，该系统主要包括信号发生单元1、信号放大单元2、试样测量单元3、数据采集单元4和中央处理单元5等，下面对这些组成部分逐一进行具体解释说明。

信号发生单元1譬如为信号发生器的形式，并用于产生幅值恒定且频率变化的正弦波电压信号，它的一端与中央处理单元5信号相连，另一端譬如为正、负极，并分别与信号放大单元2的正、负极相连，并输出正弦波电压信号。

信号放大单元2譬如呈恒流源的形式，并用于接收和放大所输入的正弦波电压信号，并将其转换为相对应的正弦波电流信号继续输出，也即保持原有的幅值恒定和频率。然后，该正弦波电流信号通过恒流源的正、负极加载到下面将具体说明的供电电极与固相试样之间的界面上，并在交变电场中产生激发极化效应。

作为本发明的另一关键组件，试样测量单元3包括物料筒31、供电电极32和测量电极33等。具体而言，如图2中所示，物料筒31譬如呈立方体结构由绝缘材料制成，中间开有一定尺寸的圆柱通孔，并在其内部填充有待测试的固相试样；在物料筒31的顶部，开有多个(图2中显示为5个)等距分布的螺孔，这些螺孔分别用于插入测量电极。此外，该物料筒的左右两侧分别开有对称的多个螺孔，供电电极32上开有对应的通孔，由此使得两个供电电极相互对置地安装在物料筒的两侧，并各自通过侧向凸出的结构件插入至固相试样与之相接触。当将譬如为岩样的固相试样装进物料筒之后，两个供电电极上套上密封圈，凸出的结构件(优选为圆柱体)的上表面插入待测试样两端与之接触。然后用螺钉通过供电电极上的通孔插入物料筒上对应的螺孔并拧紧，使得供电电极与岩样充分接触。对于测量电极33而言，它的数量为多个并分别从物料筒31的顶部插入至固相试样中与之相接触，由此形成多个相互独立的测量点并且所有测量电极之间保持等距分布。

按照本发明的一个优选实施例，如图3中所示，对于直接影响到测量结果精度的供电电极而言，在本发明中优选被设计为：圆盘被直线截取下面一小部分后所余留的结构，并且在该结构的侧面上不仅设有多个通孔322用于嵌入螺钉与物料筒相组合，而且在中央区域还设有横向突出的圆柱体321以便充分插入至固态试样之中，相应地，在保证与固相试样之间的充分接触的同时，还有助于提高整个测量过程的可靠性和精确度。

数据采集单元4譬如为信号采集卡，该采集卡的一端与中央处理单元5信号相连，另一端设置有多个数据采集通道，这些数据采集通道与各个测量电极33一一相对应，由此同时各个测量电极的测量数据进行采集，然后将相应信号输送至中央处理单元。

中央处理单元5用于向信号发生单元提供用于产生不同正弦波电压信号的信号，同时接收、存储和处理来自数据采集单元4的所有信号，进而计算得出固相试样与供电电极之间的面极化效应值，相应地，可在此中央处理单元上读出不同频率下各个通道的电压值，同时包括测试时间、视极化率等信息。例如，可由上述所测得的五个测量电极的电压值，根据各测量电极和供电电极之间的几何距离，通过外推的方法可得整个试样介质两端的电压值。两个供电电极的电压值减去试样介质的电压值之差即得面电压。

下面将以含水量一定的高岭土为测试试样，钢材质制成的供电电极，钢材质制成的测量电极，以及电流密度一定的实验条件下，具体说明面极化的测量和计算。

基于本专利申请以上所建立的面极化测试系统，可由信号采集卡采集得到不同频率下，供电电极两端、以及五个测量电极电压随时间变化的瞬时值，经过运算处理得到电压幅值。

具体而言，可以将标准纯电阻R₀串联在整个电路中，用于标定通过整体测量体系的电流。安装在物料筒两端供电电极为A、B，供电电极与试样接触电阻分别为R_S1、R_S2。

在交流供电条件下测得的供电电极A端电压值为B端电压值为

如图4中所示，将所有五个测量电极从左到右依次命名为第一测量电极、第二测量电极、第三测量电极、第四测量电极和第五测量电极，其中第一测量电极处采集的电压值为第五测量电极处采集到的电压值为从第一测量电极到右侧供电电极的阻抗为Z₁，从第一测量电极到左侧供电电极的阻抗为Z₃，第一测量电极到第五测量电极之间的阻抗为Z₂。此外，通过整个串联电路的电流为

根据串联电路原理，可以得到公式(1)、(2)、(3)、(4)：

${\tilde{V}}_4=R_0\×\tilde{I}---\left(1\right)$

${\tilde{V}}_3=(R_0+R_{S1}+Z_3)\×\tilde{I}---\left(2\right)$

${\tilde{V}}_2=(R_0+R_{S1}+Z_3+Z_2)\×\tilde{I}---\left(3\right)$

${\tilde{V}}_1=(R_0+R_{S1}+Z_3+Z_2+Z_1+R_{S2})\×\tilde{I}---\left(4\right)$

从而可以推导出(5)、(6)、(7)：

$Z_3+R_{S1}=\frac{({\tilde{V}}_3-{\tilde{V}}_4)}{\tilde{I}}---\left(5\right)$

$Z_2=\frac{({\tilde{V}}_2-{\tilde{V}}_3)}{\tilde{I}}---\left(6\right)$

$Z_1+R_{S2}=\frac{({\tilde{V}}_1-{\tilde{V}}_2)}{\tilde{I}}---\left(7\right)$

其中复数电压通过信号采集卡采集得到。

总的复数电流可通过公式(1)求得。

由公式(2)、(3)、(4)通过多项式加减运算，可推出第一测量电极到第五测量电极之间，总长为4d(即第一测量电极到第五测量电极之间的间距)的介质的阻抗Z₂。此外，第一测量电极到相邻物料筒边缘距离、以及第五测量电极到相邻物料筒边缘距离均优选被设定为d/2。

则对于介质而言，得到公式(8)：

$Z_1=Z_3=\frac{Z_2}{8}---\left(8\right)$

由Z₁、Z₃，带入公式(5)、(7)可得到R_S1、R_S2，即供电电极与介质接触界面上的阻抗。

$R_{S1}=R_{S2}=\frac{{\tilde{V}}_1-{\tilde{V}}_2}{I}-\frac{({\tilde{V}}_2-{\tilde{V}}_3)}{8I}---\left(9\right)$

供电电极与测试试样接触界面上的面极化率：

${\mathrm{\η}}_{Rs}=\frac{R_{S1,f_{low}}-R_{S1,f_{high}}}{R_{S1,f_{low}}}\×100\%---\left(10\right)$

其中，η_Rs表示所述固相试样与供电电极之间的面极化效应值；表示固相试样与供电电极之间的低频电阻，其单位为欧姆；表示固相试样与供电电极之间的高频电阻，其单位为欧姆；相应地，得以高精度、快捷地求出了供电电极与固体试样界面上激发极化效应大小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于测试固相试样与供电电极之间面极化效应的系统，其特征在于，该系统包括信号发生单元(1)、信号放大单元(2)、试样测量单元(3)、数据采集单元(4)和中央处理单元(5)，其中：

所述信号发生单元(1)用于产生幅值恒定且频率变化的正弦波电压信号，其一端与所述中央处理单元(5)信号相连，另一端与所述信号放大单元(2)相连并输出正弦波电压信号；所述信号放大单元(2)用于接收和放大所输入的正弦波电压信号，并将其转换为相对应的正弦波电流信号继续输出；

所述试样测量单元(3)包括物料筒(31)、供电电极(32)和测量电极(33)，其中该物料筒(31)由绝缘材料制成，并在其内部填充有待测试的固相试样；该供电电极(32)相互对置地安装在所述物料筒(31)的左右两侧，并各自通过侧向凸出的结构件插入至固相试样与之相接触；此外，所述信号放大单元(2)、供电电极(32)和固相试样一同形成回路，并且所述信号放大信号输出的正弦波电流信号被加载至所述供电电极与所述固态试样之间的界面上，并在交变电场中产生激发极化效应；该测量电极(33)的数量为多个，它们分别从所述物料筒(31)的顶部插入至固相试样中与之相接触，并且所有测量电极之间保持等距分布，由此用于对固态试样上各测量点与所述供电电极(32)之间的电压值等相关信息进行实时测量；

所述数据采集单元(4)的一端与所述中央处理单元(5)信号相连，另一端设置有多个数据采集通道，这些数据采集通道与所述测量电极一一对应，并用于对各个所述测量电极的测量数据进行采集，然后将相应信号输送至所述中央处理单元；

所述中央处理单元用于向所述信号发生单元(1)提供用于产生不同正弦波电压信号的信号，同时接收、存储和处理来自所述数据采集单元(4)的信号，进而计算得出固相试样与供电电极之间的面极化效应值。

2.如权利要求1所述的适用于测试固相试样与供电电极之间面极化效应的系统，其特征在于，所述供电电极、测量电极优选由钢材料制成。

3.如权利要求1或2所述的适用于测试固相试样与供电电极之间面极化效应的系统，其特征在于，所述信号放大单元优选为恒流源。

4.如权利要求1-3任意一项所述的适用于测试固相试样与供电电极之间面极化效应的系统，其特征在于，所述固相试样与供电电极之间的面极化效应值优选按照以下公式进行计算：

${\mathrm{\η}}_{Rs}=\frac{R_{S1,f_{low}}-R_{S1,f_{high}}}{R_{S1,f_{low}}}\×100\%$

其中，η_Rs表示所述固相试样与供电电极之间的面极化效应值；表示固相试样与供电电极之间的低频电阻，其单位为欧姆；表示固相试样与供电电极之间的高频电阻，其单位为欧姆。