基于SOC V9911的高密度電法儀中磁電極的研制

王奇　林新正　張金亮

摘 要：高密度電法儀是勘探地質信息的重要工具，但儀器在使用過程中需要將大量金屬電極插入地表以下，這一點限制了儀器的使用范圍，降低了工作效率。針對這一問題，文章提出了一種可以取代金屬電極，且不需要插入到地表即可配合高密度電法儀進行測量的磁電極，圍繞電磁場的基本理論建立了磁電極測量過程的數(shù)學模型，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供了理論基礎。為了最大限度地對接傳統(tǒng)的金屬電極，本研究采用杭州萬高科技有限公司計量SOC V9911設計的具有高集成度、穩(wěn)定性、低成本的硬件結構，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，磁電極相較于傳統(tǒng)的金屬電極其相對誤差可控制在2%以內。結果表明，磁電極可以有效替代金屬電極。

關鍵詞：高密度電法儀;計量SOC;磁電極

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.069

高密度電法儀是電法勘探中的重要設備，具有直觀、高效、高分辨率、高精度等特點，在各種地質探測工程中起到了重要的勘探作用[1]。

高密度電法儀在勘探的過程中需要使用幾十至幾百根測量電極，測量電極一般為金屬電極。金屬電極在使用前，要將其插入地表以下。實際勘探過程中，經常遇到公路[2]、巖石表面[3]、永久凍土、建筑物等難以打入電極的地表情況。同時，將大量的金屬電極插入地表，降低了探測效率。因此，開發(fā)一款用于高密度電法儀中的非接觸性電極具有重要的現(xiàn)實意義。

經過研究，文章提出了一種可以取代原有金屬電極，且理論模型易于在工程上實現(xiàn)的磁電極，使之很好地與現(xiàn)有的高密度電法儀相匹配。同時，基于電磁場理論建立了磁電極測量過程的數(shù)學模型，并提出了磁電極硬件及軟件實現(xiàn)方法。

1 磁電極的數(shù)學模型

高密度電法儀中的磁電極測量的基本原理如圖1所示。

將高密度電法中的金屬電極替換成本文所研制的磁電極，供電電極1和供電電極2向地下發(fā)射電流信號。電流信號在地下半空間流動時產生相對應的磁場信號，通過磁電極1～磁電極n測量各點的磁場信號，根據(jù)電磁場基本理論求解出該點的電位值。

根據(jù)上述測量原理可知，構建磁場信號與電位信號之間的數(shù)學模型才能將所測得的磁場信號轉化為電位信號[4]，故數(shù)學模型的構建是工作重點之一。

為構建數(shù)學模型，可分析單個磁電極的測量原理。設測量點地表及地下磁感應強度分別為B0、B1;磁電極截面直徑為L。

根據(jù)分界面上的銜接條件則有：Bn1=Bn0。

分界面上垂直電流可忽略不計故H1t=H0t，即：

（1）

式中：μ為磁導率。

設在磁電極下電流分布在以a為半徑的圓內則有：∮lH1dl=I，同時， =I，兩式聯(lián)立有：

（2）

式中：γ為電導率。

在柱面中做一個半徑為0.5 L的球則有：∮sDdS=q，化簡可得：

（3）

式中：ρ為電荷密度。

由（1）（2）（3）聯(lián)立可得：

（4）

式中：L、I、B0n、B0t為已知量;ε、ρ、γ、μ1為未知量。可向地下通四次大小不同的電流，得到方程組求解上述各未知量。然后，采用（3）式求出該點電位U。

2 磁電極系統(tǒng)設計

2.1 磁電極結構設計

文章研制的磁電極目的是取代原有高密度電法儀的金屬電極。所以，磁電極無論是在輸出信號、物理結構以及成本等各方面上都最大限度地接近金屬電極。

通常，信號采集電路由放大器、濾波器、模數(shù)轉換器、主控芯片等構成[5]。但是這種采用多個分立器件的設計方案相比于金屬電極具有較高的成本，磁電極的體積也會增大，同時在功耗等方面也不及金屬電極。

為解決上述問題，本研究創(chuàng)新性地使用計量SOC芯片代替上述分立器件，使得磁電極具有更高的集成度以及更穩(wěn)定的結構，同時在成本上得到了很好的控制。磁電極結構包括磁阻傳感器模塊、高精度計量SOC。

2.2 磁電極硬件設計

磁電極整體電路圖如圖2所示。

2.2.1 計量SOC V9911

V9911是一款工業(yè)級高性能、低功耗的計量SOC芯片，為眾多嵌入式控制系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。芯片內部集成模擬前端、高精度計量模塊以及增強型8052內核，兼具RTC、WDT、FLASH、SRAM等常用外設。同時，V9911內部集成起振電路和PLL，運算能力最高可達26 MHz/6.5 MIPS。片外僅需32 768 Hz的晶振，外圍電路簡單可靠。芯片內部含有128 kb Flash存儲器，具有寫保護和加密功能，支持ISP和IAP;以及8 kb外部SRAM存儲器，完全可以滿足一般的編程需求。

V9911具有良好的低功耗設計，芯片在全速工作時，其典型工作電流為3.9 mA;而在休眠時在保持RAM數(shù)據(jù)時的情況下，其典型工作電流僅為6.8 μA。

2.2.2 V9911的計量模塊

在V9911內部集成高精度的計量模塊。4路獨立的過采樣Σ/Δ ADC，電流在5 000：1動態(tài)范圍內，計量誤差小于0.1%。電流在1 000：1動態(tài)范圍內，數(shù)值計量誤差小于0.5%。ADC同時具有放大功能，最高可實現(xiàn)5倍放大增益。最多24個計量時鐘周期，硬件電路就會把目標地址的數(shù)據(jù)DATA加載到讀寫緩存寄存器中。

MCU通過32—bit的數(shù)據(jù)總線訪問計量控制和計量數(shù)據(jù)寄存器，這使得芯片具有較快的測量速度。

2.2.3 磁阻傳感器的工作原理

單軸磁阻傳感器HMC1001，在硅襯底上制備四個相同的坡莫合金帶形成惠斯通電橋，傳感器利用坡莫合金各向異性磁阻效應（AMR），使電橋阻值產生變化，導致傳感器輸出的電壓發(fā)生變化[6]。

當空間內的磁場為零時，電阻均為R;當外加磁場時，坡莫合金阻值發(fā)生變化，在線性范圍內輸出電壓與外加磁場及電橋輸入電壓成正比關系，公式如下：

（5）

式中：R為坡莫合金阻值，ΔR為阻值變化量，S為磁阻傳感器的靈敏度，B為外加磁場強度。由上式可得：

（6）

以上為HMC1001測量磁場強度的基本原理。HMC1002為雙軸磁阻傳感器，其測量原理和HMC1001一致。

2.3 磁電極軟件設計

軟件設計基于芯片內部增強型8052內核實現(xiàn)，主要功能包括：控制計量等模塊對磁阻傳感器輸出信號進行采集，HMC1001、HMC1002輸出的模擬信號經計量模塊5倍放大后經ADC轉換成數(shù)字信號;將采集到的數(shù)據(jù)進行降噪和數(shù)字濾波;將1節(jié)中的數(shù)學模型轉化為實際算法，計算出測量點的電壓值;與高密度電法儀進行通信。

磁電極的軟件流程圖如圖3所示。

3 測試結果

目前，選擇在實驗室內進行磁電極的模擬測試。實驗室在長1 m、寬0.5 m、高0.5 m的木質箱中盛滿沙土，為使得待測介質視電阻率一致，撒入適量鹽水，使介質視電阻率穩(wěn)定在300 Ω·m左右。

實驗分為兩組。第一組實驗中，供電電極提供5 V恒定電壓，測量電極為6根磁電極。磁電極在1 m長的木箱內，間隔20 cm直線排列。采用PC機代替高密度電法儀對磁電極測量數(shù)據(jù)U1進行抄讀。第二組實驗中，磁電極換成金屬電極（鋼電極），采用電壓表測量金屬電極電壓U0，從而對比驗證磁電極的工作性能。

實驗數(shù)據(jù)如表1所示，通過計算磁電極和金屬電極的6個測量數(shù)據(jù)可知，金屬電極其相對誤差在2%以內，因此，磁電極的測量數(shù)據(jù)是合理的。

4 結語

本研究研制了一種用于高密度電法儀的磁電極，構建了易于通過算法實現(xiàn)的磁電極測量過程的數(shù)學模型。同時，文章結合性能、功耗、成本等多方面設計了磁電極的硬件和軟件，并對磁電極性能進行測試。

根據(jù)初步測試結果可知，本研究研制的磁電極是可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬電極進行測量的。磁電極的研制為高密度電法儀中的非接觸電極提供了新的解決方案，提高了工作效率，解決了電極難以打入硬質地面等問題，使得高密度電法儀具有更廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 羅明會.基于嵌入式的超高密度電法儀的設計與實現(xiàn)[D].桂林：桂林電子科技大學，2019.

[2] 劉芳，姜慶紅，李宏賓.高密度電法在公路下伏采空區(qū)探測中的應用[J].建筑技術開發(fā)，2008，35（3）：28-30.

[3] 鄧弟平，王俊杰，鄧文杰，等.高密度電法在玄武巖熔空洞探測中的應用[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2012，31（1）：98-102.

[4] 馮慈璋，馬西奎.工程電磁場導論[M].北京：高等教育出版社，2000.

[5] BORON A.Front-end circuit for energetic signal data acquisition[J].Przeglad Elektrotechniczny，2008，84（5）：119-121.

[6] MA G，LU J，GAO M，et al.Design of Metal Detecting System Based on HMC1001 Magnetic Sensor;proceedings of the 13th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications（ICIEA）[C].Wuhan，PEOPLES R CHINA，2018.