宽带岩矿石标本频谱激电测试仪采集系统研制

王飞飞，陈儒军,3,4，李生杰，申瑞杰，殷昊，刘峰海，彭鑫

(1.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；2.中南大学 AIoT(人工智能物联网)与地质地球物理创新创业教育中心，湖南 长沙 410083；3.有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室，湖南 长沙 410083；4.有色金属成矿预测与地质环境检测教育部重点实验室，湖南 长沙 410083)

0 引言

频谱激电法(spectral induced polarization, SIP)或复电阻率法作为电法的一个分支，其独特的优势已成为地球物理勘探中不可或缺的方法。工作时使用和常规电阻率法相同的电极装置，通过可控人工源发射交变电流，测量一定频带范围内的视复电阻率，进而得到相位和振幅谱及其空间分布，以此发现地下地电异常，解决相关地质问题[1-2]。凭借其优异的抗干扰能力以及多电性参数的优势[3]，频谱激电法不仅可以应用到传统领域，如寻找油气田、地热田、地下水、矿产等[4-7]，还可以用于环境监测，如监测火山活动、微生物、滑坡、土壤等[8-10]。

随着频谱激电法应用范围的拓展，频谱激电仪器的缺点逐渐暴露。首先，针对岩矿石标本频谱激电测量的专用仪器少，仪器笨重，携带不方便，目前，市场上的主流仪器有SIP-FUCHSII系统、GDP系列仪器及V8系统等[11-14]。其次，传统频谱激电仪的频率测量范围多集中在n×10-2～n×102Hz，频段较低，对于金属硫化物矿石、石墨化岩石等标本，其对应的Cole-Cole激电模型极化率高、时间常数大，上述带宽已经足够。但是根据大量实验数据，对于砂岩、页岩、灰岩、黏土层等岩石标本，它们的激电效应以薄膜极化为主导，其Cole-Cole激电模型中的时间常数可低至μs级，需要使用MHz级带宽的频谱激电测试仪来测量其频谱激电响应[15-18]。

针对以上问题，本文实现了依托于物联网技术的岩矿石标本专用宽频带频谱激电测试仪的硬件开发。该仪器配备安卓终端，能够对采集数据经过一定数据处理后直接在智能手机上成图，对数据质量进行实时监测，能够配置2.5 MHz、1.25 MHz、625 kHz、312.5 kHz、156.25 kHz和78.125 kHz多种采样速率，仪器有效带宽高达200 kHz(可拓展至1 MHz，由于采集前端缓冲器带宽及压摆率的限制，要想使输入信号不衰减地传到输出端，最高只能到200 kHz，但是可以通过标定的方式使得仪器带宽达到MHz)，4通道采集板的输入阻抗为1 TΩ，测量精度达0.4%。

1 四极法测量原理

测量岩矿石标本复电阻率的方法有多种，总体可分为2类：接触法和非接触法。非接触法仪器制作工艺复杂，制造成本高，且对样本的要求较高，故而在实际工作中普遍应用接触法。接触法主要有两极法、三极法、四极法、电位法等。Zimmermann等[19]于2008年基于四极法测量原理研制了一套测量系统，并对系统的输入阻抗所引起的测量误差进行了详细分析。本文亦依据四极法测量原理进行仪器设计，四极法可以有效避免供电电极的极化效应带来的误差。

图1 四极法工作原理示意

岩矿石标本的复电阻率计算公式为

，

式中：K=S/L,S为横截面积，L为长度。

2 岩矿石SIP测试仪硬件实现

针对SIP测试仪笨重不易携带、采样速度低、工作效率不高、频带范围小、采集结果监测不及时等问题，提出了一种全新的设计方案：将信号源内置，减小仪器体积；用充电宝供电，减小仪器重量；选用高性能芯片，提高采样速率、拓宽采样频带；引入物联网技术，使数据传送更加方便快捷；配套安卓智能手机，实时监测采集数据质量。

2.1 SIP测试仪整体设计

SIP仪器的整体设计分为4部分：信号源、采集卡、控制卡、智能手机，如图2所示。

图2 SIP测试仪构成

信号源作为可控的人工源，能够产生任意频率、相位、幅度的交变电流信号，为岩矿石标本SIP测量提供稳定可靠的激励信号。

采集卡主要实现数据采集功能，它将从样本采集得到的模拟信号转变为数字信号，并上传到控制板。同时它还负责接收来自控制板的命令，解码后对采集系统的其他模块进行配置，以实现校准、自检、采集等功能。

控制卡主要是对仪器进行核心控制，相当于人体的大脑。它接收来自智能手机的命令并解码，然后下发给采集卡，控制仪器的工作状态。同时，这里还是一个数据转存中心，将从采集卡传送来的数据通过Wifi模块上传到智能手机。

智能手机可提供一个可视化界面，以便进行仪器控制及数据监测。它能够下发命令给控制卡，实现对仪器的控制，也能够接收到控制卡传送来的数据，并对其进行一定处理，使其成图以便监测数据质量，同时可将数据和结果通过物联网技术上传到云平台，大大方便了数据的传送工作。

2.2 采集卡整体设计

采集卡的性能将对SIP测试仪性能产生直接影响，其性能好坏决定了数据质量的好坏、采集速度的快慢及采集带宽的大小等。图3为采集卡的整体构成，主要包括缓冲器、调理电路、单端转差分电路、滤波电路、ADC电路、DAC电路、FPGA电路、电源电路。

图3 采集卡整体设计

缓冲器采用芯片ADA4530完成阻抗匹配。一般选择射极跟随器作为缓冲器，由于射极跟随器的输入阻抗高，输出阻抗低，从而使得从前级的4个电极上索取的电流大大减小，减少能量的损失，使得后级拥有较强的带负载能力。ADA4530芯片输入偏置电流小，仅为fA级，输入阻抗高达1014Ω。

调理电路采用芯片ADA4898-2完成对信号的放大，提高对微弱信号的检测能力。这里使用可调的三级放大电路，每一级放大倍数均为5倍，故而可以实现1、5、25、125四档可选放大倍数，通过继电器完成对放大倍数的控制，即在每一级的反馈电阻旁均并联一个继电器，继电器的工作状态决定此级放大电路有无实现放大功能。

单端转差分电路采用芯片ADA4898-2，完成将单端信号到差分信号的转换，这是由于调理电路的输出信号为单端信号，而ADC电路的输入信号要求是差分信号。采用集成运算电路中的反相比例运算电路完成电路设计。滤波电路负责滤除电路中的噪声，减小干扰，提高测量精度。采用了AD7760芯片资料手册中推荐的一阶抗混叠滤波电路，以便滤除信号中的高频“欠采样”成分。

ADC电路采用芯片AD7760，完成模拟信号到数字信号的转换，便于后续数据的处理及传送。AD7760融合了高速、宽输入带宽和Σ-Δ转换技术的优势，是一款高性能、24位模数转换器。芯片内置缓冲、差动放大器、内部增益、低通数字FIR滤波器等模块，用以实现不同的功能。3个低通数字FIR滤波器为用户可编程滤波器，可通过控制寄存器1进行配置，不同的抽取率决定了数据输出速率。当芯片内部时钟ICLK速率为20 MHz时，AD7760在完全滤波状态下，最高数据输出速率为2.5 MHz，最低数据输出速率为78.125 kHz。图4为AD7760的功能框图。

图4 AD7760功能框

图5 AD7760与FPGA的引脚连接

DAC电路采用芯片AD9837，完成仪器自检工作。AD9837是一款低功耗、可编程波形发生器，共有正弦波、方波、三角波3种波形输出模式，支持28位频率控制字和12位相位控制字，并具有关断功能，以使功耗降到最低。本次设计中设定AD9837主时钟频率为16 MHz，可实现0.06 Hz的分辨率，其输出信号幅值为0.037～0.645 V。

当仪器工作在自检状态时，FPGA会将从控制板接收到的命令解码，然后通过SPI通讯接口发送给AD9837，同时导通继电器。AD9837接收命令后，产生相应的正弦波信号，输送到第一级放大电路输入端，完成自检。自检电路工作示意图如图6所示。

图6 自检电路工作示意

FPGA电路采用Spartan-6系列的XC6SLX25芯片，是采集卡的控制中心，负责接收来自控制卡的命令，解码后协调采集卡及信号源的工作，使仪器能够正常工作；同时FPGA也是一个数据转存站点，负责数据的接收及发送。图7为FPGA内主要模块结构图。

图7 FPGA内主要模块结构

电源电路负责为仪器各部分提供不同电压的供电电源。本次设计依据单输入、多输出的设计思路，对电源模块进行如图8所示的划分。采用LDO和DC/DC电源转换方案，用以实现所需的不同电压。

图8 电源模块划分

3 系统测试

图9为采集卡实物图，采集卡为8层电路板，长181.9 mm，宽121.5 mm。

图9 采集卡实物

3.1 噪声测试

图10为采集卡4个通道在采样率为2.5 MHz、增益为1时的短路噪声曲线，共1 000个数据点。

由图10知，4个采集通道的噪声波动均在(-1～1)×10-3V，其直流偏移量远小于1 mV，此偏移量可通过后期数据处理进行抵消。

图10 四通道短路噪声曲线

图11所示为采集通道1在增益为1倍，采样率分别为2.5 MHz、1.25 MHz、625 kHz、312.5 kHz、156.25 kHz和78.125 kHz情况下的短路噪声曲线。由图知，随着采样率的减小，噪声也随之减小。因为采样率越小，则采集系统的带宽越小，白噪声峰峰值越小。

图11 通道1在不同采样率下的短路输入噪声

3.2 功耗测试

给定5 V的供电电压，通过万用表测量得到相应的电流，计算功耗，得出采集卡的待机功耗为4.935 W，工作功耗为10.64 W；原理样机(包括信号源板卡和控制卡)整机待机功耗为10.185 W，工作功耗为13.9 W，采集卡消耗了大部分的功耗。

3.3 输入阻抗测试

由于每一通道的设计都是一样的，因此选择其中一个通道进行测量。用信号发生器来产生不同频率的正弦波给到采集端口，在采集端口和输入端的缓冲器之间串联1 GΩ/10 GΩ的电阻，用示波器观察缓冲器输入端和输出端电压的有效值。信号发生器产生的信号幅值设为1.414 V。测试结果见表1。

表1 输入阻抗测试结果

由于实验室条件有限，信号发生器、示波器及电阻精度等均存在一定的误差，但是误差在可接受范围内。由表1知，由示波器及信号发生器自身原因导致的测量误差约为1 %。低频条件下，输出和输入相比没有任何变化，这说明输入阻抗很大，至少为串联电阻的100倍，故而输入阻抗大于1 TΩ。高频条件下，输出阻抗出现了明显的衰减，但是不串联电阻的对照实验表明这是由于放大器自身带宽及压摆率限制导致的衰减，在后期数据处理中可以通过标定去除这一影响。综上，整个测量系统在全频带的输入阻抗>1 TΩ。

3.4 电阻模型测试

图12所示为搭建的电阻模型，电阻的精度为1%，阻值为1 kΩ。为了更好地彰显本仪器性能，本次测试对原理样机的测量结果和日置IM 3533 LCR电桥的测量结果进行了对比。通过定量对比得知，使用原理样机测量时，电阻率误差约为0.4%，相位误差约为2.5 mrad，且高频时误差更大。分析误差来源,为前端采集通道中电阻电容精度误差、模型中电阻精度误差以及AD7760采样误差等。 LCR电桥测量的电阻率误差约为0.9%，相位误差约为6 mrad，误差主要来自频率为1 Hz、10 Hz、100 Hz、100 kHz时的数据点，经多次测量，此4个频率点上的误差并没有消除，可能是在这些频率上存在未知的干扰。

图12 电阻模型

图13为原理样机和LCR电桥的测量结果成图。

图13 原理样机和LCR电桥的测量结果

由图13知，使用原理样机测试时，所测电阻的幅值随频率变化较小，基本为一条直线，高频时有小幅度增加；而使用LCR电桥测试时，所测电阻的幅值会在个别频点突然变小，且在高频时阻值有小幅度下降。原理样机测试下的电阻相位一直在小幅度变化，整体归零；而LCR电桥测试下的电阻相位整体很稳定，基本为0，但是在个别频点相位会突变。综上，本文所研制的SIP测试仪不仅测量精度高，而且具有很好的稳定性和抗干扰能力。

3.5 岩矿石标本测试

本次分别选取了大理石标本(高阻抗标本)和铅锌矿标本(低阻抗标本)进行测试，表2为岩矿石标本参数，图14为岩矿石标本实物。

(a)大理岩标本 (b)铅锌矿标本

表2 岩矿石标本参数

由图15可知，标本的相位和电阻率值均随频率的增大而减小，符合其各自频谱激电响应特征[20]。大理岩标本的测量结果表明，其低频时电阻率较高，约为9 kΩ·m,在50 Hz处，相位和电阻率均出现了异常，这是由50 Hz工频干扰造成的；高频时，相位值发生了翻转，本仪器的相位测量范围为-π/2～π/2，翻转后的相位值和实际相位刚好相差π；铅锌矿标本的电阻率较小，仅为几十kΩ·m。

(a)大理岩标本测量结果 (b)铅锌矿标本测量结果

4 结论

本文完成了高精度宽频带频谱激电标本测试仪的硬件研制，显著提高了采样率，大大缩短了采样时间。采集系统依据四极法测量原理，集成了4个24位A/D转换采集通道，最高采样率高达2.5 MHz；采用FPGA作为控制中心，使仪器能够有条不紊地开展各项工作。根据系统测试结果可知，2.5 MHz采样率时仪器采集通道的短路噪声小于1 mV，电阻率测量精度0.4%，符合设计预期，能够正常进行实测工作。

致谢：感谢课题组成员姚红春老师、淳少恒副教授(无锡职业技术学院控制技术学院)以及研究生陈兴生、王小杰、王子辉、刘志同对本研究的大力支持。感谢中国矿业大学陈世其老师、苏本玉副教授和中科院地质与地球物理所何兰芳副研究员对本研究的贡献和宝贵意见。