超高频电磁波（共9篇）
超高频电磁波 篇1
对于电力设备来说, 绝缘材料是不可或缺的重要组成部分, 对电力设备, 特别是高压电力设备是否能够正常运行具有直接的影响作用, 但是由于绝缘材料长时间在电场环境和机械振动等条件下, 不可避免的或出现慢慢的老化。
当电力设备在运行状态下的时候, 会因为绝缘材料的老化等原因而产生局部放电, 因此对局部放电进行监测是为了能够及时的发现电力设备中存在的绝缘缺陷, 从而预防因局部放电而造成大面积的电网停电事故。
由于局部放电电流的脉冲会造成高频空间的电磁波辐射, 再加上超高频监测频带比较宽, 与以往的脉冲电流监测方法相比, 具有更多的局部放电数据信息。
因此, 基于超高频电磁波的局部放电空间定位方法, 对电力设备, 尤其是高压电力设备局部放电进行监测和定位, 具有重要的作用和意义。
1 电站局部放电空间定位方法概述
1.1 电站局部放电定位监测的优点
随着传感器和故障诊断技术的不断发展, 使电力设备运行状态的检测增添了更多的技术支持, 而对于局部放电定位监测的方法, 在高压电力设备绝缘领域中也得到了普遍的应用, 和传统的在线检测方法相比, 局部放电定位监测具有以下几个方面的优点。
1) 局部放电进行测试能够是在设备运行状态的条件下, 从中可以获取在停电检测中无法拥有的数据和信息, 从而能够及时的将绝缘材料老化所潜在的故障得以实现, 为设备的风险进行综合评估给予更多的数据支持;另外还能够防止因为需要停电进行试验而使电气设施出现不必要的损失, 使设备的使用寿命得以延长。
2) 通过使用局部放电检测能够对电力设备在设计、制造中可能存在的绝缘缺陷进行及时的发现, 并且采取相适应的措施进行及时的处理。
3) 由于在局部放电定位监测过程中所使用到的传感器具有比较高的灵敏度, 从而能够对绝缘材料中因出现老化、局部放电的部位而产生的电磁波进行有效的采集, 之后再运用计算机诊断系统对设备中拥有的绝缘情况进行整合性的诊断和分析, 从中使检修的效率和质量得到大幅度的提高。
1.2 电站局部放电定位现有方法的缺点
目前, 在对局部放电定位的方法中主要有电气参数定位法、超声波定位法、超高频电磁波侦测法三种, 但是在实践过程中, 电气参数定位法的操作相对来说具有一定的复杂性, 并且不具备良好的通用性, 在现场特别容易受到电磁的干扰而造成影响, 因此不适用在对局部放电的在线检测上;超声波定位法由于在空间传递的程度衰减比较快, 尤其是在不同的介质中进行传播的时候, 所拥有的速度完全不同, 只能够几十厘米内进行小范围的准确定位;而超高频电磁波侦测法虽然能够对常规局部放电测量中出现的电晕、开关等各种电气干扰进行有效的躲避, 但是由于超高频电磁波的传播速度非常快, 因此对时间延误差具有很强的敏感性, 对局部放电进行定位极有可能会因为微小的时延误差而造成失败。
2 基于超高频电磁波的电站局部放电空间定位的实验
2.1 实验平台的建立
由于在常规的电站中各种类型的电气设备都会不可避免的会在发生绝缘故障之前而出现局部放电的情况, 而由其局放信号所产生的电磁波信号却能够通过不具有屏蔽效果的套管、绝缘材料、油等向电站空间进行传输。
为了能够更好的进行局部放电监测和定位, 首先需要构建一个基于超高频电磁波的局部放电测量系统, 在系统中包括了检波器、微带全向天线、数字示波器、计算机等多种设备。在实验的时候需要对局部放电而产生的超高频电磁波的单次放电信号以及150个工频周期的统计波形进行收集, 其中, 数字示波器是用来采集电磁波信号单次的波形以及统计谱图的, 计算机则是用来对电磁波信号单次波所拥有的波形特征量及统计谱图参数进行提取。
如图3、图4所示, 图3是局部放电试验系统图, 图4是局部放电电磁波测量机数据采集的系统接线图。
2.2 精确定位方法的计算原理
由于在电站中各种电气设备都会相应的封闭在一些接地性的金属外壳内, 因此当发生绝缘故障的时候很难及时的从外部对故障的位置进行判断, 因此在以往传统的检测方法中单单就对绝缘故障发生的位置进行确定就要浪费很多的时间, 若是能够及时的对电站局部放电源进行及时准确的定位那么不仅能够使查找故障源的时间缩短, 而且还能够有效的提高工作效率。
在一般情况下, 变电站内部的噪声频率通常都会在300MHz以下, 因此利用超高频电磁波中的300~1500MHz频段就能够对噪声的干扰进行有效的避开, 从而使定位的精确度得以提高。
目前, 在寻找局部放电源相近位置的时候, 为了避免出现较大的计算量以及将计算进行简化, 都会采用空间快速搜索法来进行, 也就在空间坐标系中将三维搜索区域进行等效的分为若干个小网格, 就如图5所示。
通过利用网格, 运用以下公式进行计算:
其中, L0k1为传感器到放电源的距离, 而i=1, 2, 3。由fk0= (L0K1, L0k2, L0k3) , fk= (LK1, LK2, LK3) 组成的空间向量方程进行求出两者存在的空间距离, 然后通过对不同的网格点K进行依次改变, 当dk最小的时候, 那么其所对应的网格也就是离放电源最近的位置。
3 实验结果分析
3.1 现场测量的在线系统
由于在现场所采用的是微带天线传感器, 其所具有的带宽为10~3000MHz, 所具有的优点主要有宽频带、高测量频率、大信息量以及具有较强的抗干扰能力。
在实验中将两个超高频传感器安装在试验的每一台变压器上, 可以分别在变压器的下方底座以及上方检修孔存在的绝缘缝隙地方进行安装, 如图6所示。
因为在现场还具有外界产生的电磁波的干扰, 因此有必要在传感器外面加多一层金属外壳, 以此来将外界产生的干扰进行屏蔽, 只是在缝隙的那一面上对准, 留出开口来对变压器内部产生的电磁波信号进行接收。
同时由于微带天线的耦合电磁波具有一定的方向性, 因此外界产生的对电磁信号进行的干扰性能够进入到传感器的入射角度相对来说很小, 再加上当干扰信号传递到传感器的时候已经得到了严重的衰减, 因此能够对传感器外面的电磁干扰进行有效的屏蔽。
另外, 可以将在变压器附近安装的一台工控机进行充分的利用, 对两个传感器所偶和道德超高频信号进行同时采集, 在系统中所具有的采样率为1×109s-1, 而所需的采样时间为1μs, 在进行连续采集的时间最好控制其的间隔时间为2h, 同时运用光缆将收集到的数据进行及时的传送到处于电站的主控制在线监测服务平台上, 如图7所示是传感器检测到的局部放电产生的电磁波信号。
3.2 现场测量的结果分析
为了验证系统现场能够在具有强干扰环境下进行正常运行的效果, 可以选择在500k V的变电站进行对现场系统测试的试验, 如图8所示则为监测系统的现场测试图, 而天线则可以安装在具有可移动性的支架上, 当天线安装之后所得出的坐标则如图9所示, 并且利用模拟放电源对其进行相应的验证。
当示波器将放电源所发出的超高频电磁波信号数据进行采集之后, 运用系统对信号数据进行相应的分析和定位算法计算之后, 可以得出测试位置1的平均位置坐标是 (5.46m, 0.68m, 0.58m) , 测试位置2的平均坐标是 (0.26m, 9.34, -0.18m) , 而实际上的模拟放电源的真实位置坐标分别是 (5.3m, 0.7m, 0.6m) 和 (0.1m, 9.5m, 0) , 由此可见, 放电源在10m的范围内进行定位的结果误差比20cm小, 因此能够完全满足于对变电站全站的局部放电进行精确定位的要求。
4 总结
综上所述, 通过对基于超高频电磁波的电站局部放电空间定位方法进行介绍, 从对电站局部放电空间定位方法的作用、优点、缺点进行简单的介绍之后, 再将基于超高频电磁波的传播和定位原理进行介绍, 通过实验平台进行相应的实验之后可以得出, 基于超高频电磁波上的对电站局部放电监测和定位的方法具有明显的优势, 其在使用过程中拥有较高的灵敏度, 再加上电磁波的波速具有一定的稳定性, 信号比比较高等的特点, 能够将局部放电的大致区域进行快速的查找, 能够充分额度满足电站中对局部放电的监测和放电空间进行精确的定位, 从而为电力设备的安全运行提供必要的保障。
摘要：对高压电力设备的运行状态进行评估的其中一个方法就是对局部放电进行测量和诊断, 但是在现阶段对局部放电进行监测主要还是采取对单个设备进行监测为主要的办法, 而在测试的过程中, 所需要的测试仪器以及程序相对来说比较大, 难免对电站局部放电空间定位具有一定的缺陷, 而目前基于超高频电磁波的电站局部放电空间定位方法, 能够对电力设备的查找存在的缺陷上具有明显的优势, 因此在对高压电力设备的运行状态进行测量和诊断具有良好的发展应用前景。
关键词：超高频电磁波,电站,局部放电,空间定位
参考文献
[1]侯慧娟, 盛戈皞, 苗培青, 李秀卫, 胡岳, 姜秀臣.基于高超频电磁波的变电站局部放电空间定位[J].高电压技术, 2012.
[2]郑波, 靳海军.基于超高频电磁波和超声波精确定位局部放电的方法[J].山东电力高等专科学校学报, 2013.
[3]沈志祺.GIS超高频局部放电在线监测技术应用研究[J].科技信息, 2011.
[4]黄凤萍, 刘开贵.超高频在线监测技术在GIS局部放电检测中的应用[J].南方电网技术, 2013.
[5]赵煦, 孟永鹏, 成永红, 吴锴, 高飞.变压器现场超高频局部放电信号的时域特征分析[J].西安交通大学学报, 2011.
[6]彭超, 阮江军, 黄道春, 雷清泉, 周瑜.基于特高频谱图统计参量的局部放电定位方法研究[J].电机与控制学报, 2014.
[7]叶海峰, 钱勇, 王江, 盛戈皞, 江秀臣.用于变电站放电源空间定位的特高频传感器研究[J].电力系统保护与控制, 2013.
[8]姚晓健.基于超高频法的GIS局部放电在线监测系统的应用[J].广东输电与变电技术, 2010.
超高频电磁波 篇2
阻尼型高斯-牛顿法及其在高频电磁波测井反演中的应用
提出一种改进的.阻尼型高斯-牛顿优化算法,通过引入阻尼矩阵,对反演参数依其相对修改量不同而给以不同的阻尼作用,并将它用于高频电磁波测井资料的反演中.
作 者：张美玲 邢光龙 刘曼芬 杨善德 作者单位：吉林大学物理系,吉林,长春,130023刊 名：计算物理 ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS年，卷(期)：19(2)分类号：O241关键词：高斯-牛顿法 阻尼矩阵 高频电磁波测井反演
超高频电磁波 篇3
气体绝缘组合电器(GIS)的应用越来越广泛,其内部存在各种无法避免的绝缘缺陷,会产生导致设备故障的局部放电;同时,由于GIS中产生的PD信号脉冲陡度可达ns级[1,2,3],且严重的电磁干扰和GIS金属密封式结构使得微弱的PD信号不易被测量,再加上PD放电模式存在多样化等特点,要求准确测量和识别PD信号成为本领域关注的难点问题。超高频(Ultra-High-Frequency-UHF)法,是通过对GIS中局部放电时产生的超高频电磁波信号进行检测,从而获得局放信号的相关信息。UHF法由于其具有较强的抗干扰能力,较高的灵敏度,以及可实现局放源定位和故障类型判别等良好特性,得到了广泛的关注[4,5,6,7,8,9]。
GIS中的高压导体由若干盆式绝缘子分段支撑,其材料多为绝缘性能良好的有机聚合物,如高密度聚四氟乙烯等。因这些材料具有较大的介电常数,当GIS内局部放电激励的电磁波信号经过盆式绝缘子时,会产生折、反射现象,从而使通过绝缘子的信号产生衰减。对电磁波通过绝缘子的衰减的研究有助于传感器的选择和局放位置的判断。本文采用FDTD(Finite Difference Time Domain-FDTD)算法对GIS内超高频电磁波信号经盆式绝缘子的衰减特性进行仿真计算,重点研究了盆式绝缘子对超高频电磁波电场信号强度的衰减作用,以及经绝缘子衰减后电磁波电场信号增益的幅频特性。
1 电磁波在同轴波导中的传播理论
单相GIS可简化为一个内径为2a,外径为2b的同轴波导,其中a为导体半径,b为GIS筒内径,如图1所示。
采用柱坐标来描述局放脉冲和其激发的超高频电磁波。若要对同轴波导内的电磁波传输特性进行完整的分析计算,应考虑局放脉冲电流在所有方向的分量ir,iФ,iz和激发电场在所有方向的分量Er,EФ,Ez。但由于GIS中产生局放脉冲的高压电场为径向,故局放脉冲电流倾向于径向发展。另外,在实际应用中,UHF传感器多安装于GIS外壳处,而在同轴波导的外壁处,EФ,Ez趋近于0以满足电场边界条件。基于以上原因,笔者仅对ir和Er进行研究。
设局放路径为起于(r1,0,0)止于(r2,0,0)的一条径向线,如图2所示。则在GIS中任一点(r,Ф,Z)的各类场强分别为:
undefined
undefined
undefined
其中:
undefined
undefined
I(ω)为局放脉冲电流的频域表达式;Z0为传播媒质的波阻抗;Jn为n次第一类贝塞尔函数;pnm为Jn=0的第m个根;qnm为Jn’=0的第m个根;ωnm为高次模波的截至频率。
2 FDTD算法
采用FDTD算法对GIS内超高频电磁波信号经盆式绝缘子的衰减特性进行仿真计算。FDTD算法是直接对麦克斯韦方程作差分处理以解决电磁脉冲在电磁介质中传播和反射问题的算法。基本思想是:FDTD计算域空间节点采用Yee元胞的方法,同时电场和磁场节点空间与时间上都采用交错抽样;把整个计算域划分成包括散射体的总场区以及只有反射波的散射场区,这两个区域是以连接边界相连接,最外边是采用特殊的吸收边界,同时在这两个边界之间有个输出边界,用于近、远场转换;在连接边界上采用连接边界条件加入入射波,使得入射波限制在总场区域;在吸收边界上采用吸收边界条件,尽量消除反射波在吸收边界上的非物理性反射波[10]。由于FDTD采用吸收边界条件的方法,使得计算可以在有限的空间范围内进行,这样就可以降低程序对计算机硬件的要求。
3 仿真模型的建立
为研究电磁波经过盆式绝缘子的传播特性,建立如图3(a)所示仿真模型。模型分为三段,每段长度均为1 m,内导体直径10 cm,外壳内径为50 cm。其中间段与两端段分别用一个盆式绝缘子隔开,盆式绝缘子厚度为5 cm,内径10 cm,外径54 cm。盆式绝缘子材料介电强度ε=6。
在GIS模型一端,即z=0,Ф=0处,建立一紧贴GIS外壳的径向放电通道,以模拟外壳上的局部放电。该模拟放电通道长度l=10 mm,模拟电流采用高斯脉冲,幅值为10 mA,波形如图3(b)所示。在两个盆式绝缘子两侧及绝缘子外表面处分别设置一个电场探针,探针均置于Ф=0处。激励源位置以及探针编号和位置如图5所示。
4 绝缘子对电磁波电场强度的衰减
探针1至6测得的电磁波电场信号及其频谱如图5所示。
从探针1、2、4、5处所测得的波形频谱可以看出,GIS中部放电所产生的超高频电磁波信号多集中在300 MHz～3 000 MHz频率段,而在探针3、5处所得信号的频率集中在1 500 MHz～3 000 MHz。探针1、2、3处所测得电场强度峰-峰值分别为0.42 V/m、0.35 V/m、0.08 V/m,由此可得,在上述模型中,局部放电所激励的电磁波信号在经过第一个绝缘子后,衰减了1.58 dB,而从第一个绝缘子泄漏到GIS外部的电磁波信号则衰减了14.4 dB。探针4、5、6处所测得电场强度峰-峰值分别为0.28 V/m、0.22 V/m、0.06 V/m,由此可得,局部放电所激励的电磁波信号在经过第二个绝缘子后,衰减了2.1 dB,而从第二个绝缘子泄漏到GIS外部的电磁波信号则衰减了13.4 dB。另外,从图中还可以看到,GIS内部的电磁波信号呈周期性振荡,这是由于电磁波在腔体内多次反射引起的。
5 绝缘子对电磁波电场增益的幅频特性
绝缘子前后探针测得电磁波电场信号增益的幅频特性如图6所示。
从图6中可以看出,在GIS腔体内,盆式绝缘子对电磁波的衰减多在1 000 MHz以上频段,并且从图中可知,在信号的某些频率成分不但没有衰减,反而得到了增强。这是由电磁波在两个盆式绝缘子所封闭腔体中的谐振现象引起,这也解释了电磁波信号经过第二个绝缘子的衰减比经过第一个绝缘子的衰减大的现象。
绝缘子泄漏电磁波电场信号增益的幅频特性如图7所示。
从图7中可以看出,对于从盆式绝缘子处泄漏到GIS腔体外的电磁波信号,其衰减集中在1 500 MHz以下频率和3 000 MHz以上频率,而在1 500 MHz～3 000 MHz频率段衰减较小,这与前述绝缘子泄漏信号的频谱相符。
6 结束语
GIS盆式绝缘子对局放超高频电磁波的衰减作用具有以下特点:
(1) 绝缘子对在GIS腔体内传播的超高频电磁波电场强度衰减较小,对通过绝缘子泄漏到GIS腔体外的超高频电磁波电场强度衰减较大;
(2) 在GIS腔体内,绝缘子对超高频电磁波的衰减集中在1 000 MHz以上频段;
(3) 从绝缘子处泄漏到GIS腔体外的电磁波信号,其衰减集中在1 500 MHz以下和3 000 MHz以上频率。
参考文献
[1]SAKAKIBARA T,MURASE H,HAGENOMORI E,et al.Study of Propagation Phenomena of Partial Discharge Pulses in gas insulated substation[J].IEEE Trans on Power Delivery,1998,13(3):768-776.
[2]刘君华,王江,钱勇,等.GIS中电磁波传播特性的仿真研究[J].高电压技术,2007,33(8):139-142.
[3]王江,钱勇,刘君华,等.GIS中局部放电与超高频电磁波关系的仿真研究[J].高压电器,2008,44(5):456-459.
[4]HOSHINO T,KATO K,HAYAKAWA N,et al.A Novel Technique For Detecting Electromagnetic Wave Caused by Partial Discharge in GIS[J].IEEE Trans on Power Delivery,2001.16(4):545-551.
[5]MEIJER S,SMIT J J.UHF Defect Evaluation in Gas Insulated Equipment[J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation,2005.12(2):285-296.
[6]HOSHINO T,KOYOMA H,MARUYAMA S,et al.Comparison of Sensitivity Between UHF Method and IEC60270for Onsite Calibration in Various GIS[J].IEEE Trans on Power Delivery,2006,21(4):1948-1953.
[7]肖燕,郁惟镛.GIS中局部放电在线监测研究的现状与展望[J].高电压技术,2005,31(1):47-49.
[8]李信,李成榕丁立健,等.基于超高频信号检测GIS局放模式识别[J].高电压技术,2003,29(11):26-30.
[9]唐炬,朱伟,孙才新,等.GIS局部放电的超高频检测[J].高电压技术,2003,29(12):22-23,55.
超高频电磁波 篇4
铜山口矿区深部找矿EH-4高频大地电磁测深低阻2、3、4异常解析
通过验证2号低阻异常的钻探工程ZK02-1000、ZK03-1000施工,揭示引起2号低阻异常的原因,推测铜山口矿区深部2、3、4号低阻异常原因,确定深部找矿靶区,为指导矿山深部进一步合理找矿提供依据.
作 者：欧阳南 OUYANG Nan 作者单位：大冶有色金属设计研究院,湖北,黄石,435005刊 名：资源环境与工程英文刊名：RESOURCES ENVIRONMENT & ENGINEERING年，卷(期)：200923(4)分类号：P631.3+25关键词：电磁测探 低阻异常 矿化 地质构造
高频电磁波电阻率仪功能简析 篇5
高频电磁波电阻率测井仪 (EP3) 机械结构由线圈系和电子线路两部分组成。
1 线圈系部分
高频电磁波电阻率测井仪采用特殊金属材料作为线圈芯轴骨架, 上下各三个发射线圈 (T1-T6) 、对称排列, 中间两个接收线圈 (R1, R2) , 这样大大增强了仪器的机械强度和韧性, 从而更能保证测井的正常施工 (如图1) 。
2 电子线路部分
电子线路部分是由发射驱动电路、信号测量放大及传输和数据通讯等功能模块构成, 信号测量放大模块与线圈系集成为一体, 数据采集控制和数据传输模块位于仪器上部电子线路中。具体功能如下所述:
2.1 发射驱动电路
高频电磁波电阻率测井仪发射驱动电路分别采用上下对称的2MHz、1.1MHz、0.7M H z的6个发射信号源, 它们交替发射, 周期进行。发射线圈向地层发射电磁波时, 接收线圈不间断接收信号。由两路低噪声前置放大电路测量两个不同的信号。一路测量上接收信号, 另一路测量下接收信号。两路信号经数据采集电路传输给地面。该电路的功能是为6个发射线圈提供发射信号。
2.2 数据采集及传输电路
该电路又分为以下三个部分:
2.2.1 置于线圈系内的射频信号 (RF) 前置放大及混频电路
射频RF前放板的功能:
将A、B两个天线线圈接收到的射频信号放大后送到混频器;
混频器将射频信号与本振信号差频为低频信号;
将低频信号放大输出至接收板;
产生混频所需的3种频率的本振信号;
射频RF前放板电路流程描述:
接收天线的射频信号经过变压器耦合到射频放大器放大输出至混频器, 同时本振信号也送入混频器中, 本振信号与射频的输入信号相差2000赫兹。混频器的输出为差频信号, 差频信号经过放大后, 送入置于线路筒内的IF差频信号滤波放大、相位差计算和时序控制电路。
2.2.2 置于线路筒内的I F差频信号滤波放大、相位差计算和时序控制电路
I F差频信号滤波放大、相位差计算和时序控制电路板功能:
对差频信号放大、滤波, 使其输出信号在一个合适的范围内;
通过AC--DC电路将交流信号转换为直流信号, 供AD进行采集;
电压比较器将差频正弦波信号转换方波信号, 该信号和时序电路来的控制信号一起控制计数器的启动和停止, 实现相位差的测量;
通过隔离控制器对本振信号的选择和发射电路的启动进行控制;
单片机电路对整个仪器的工作流程进行总体控制, 负责时序电路的控制、AD数据的读取以及与通讯接口板之间的串口通讯;
接收板电路流程描述:
前放输出的A、B两个通道的信号经过放大后, 由带通滤波器进行滤波。滤波后的信号送入双路的程控放大器中, 由程控来分别对A、B通道的信号进行放大。放大后的信号, 一个分支进入RMS至DC转换电路, 将交流信号变为直流, 由模数转换器转换为数字量传送给单片机, 单片机根据AD采集到的数值, 来调整程控放大器的增益, 使得程控的输出保持在一个合理的范围内。
程控输出的另一个分支带通滤波器滤波后送入比较器中, 比较器在交流波形的过零点会输出上升和下降沿。比较器的输出经过隔离驱动器送给时序电路。
隔离驱动器的输出经过非门反相后触发单稳态延时电路, 经过D触发器二分频后启动周期计数, A、B两个通道的D触发器输出做异或运算, 异或门的输出控制计数器进行加减计数, 记录下A、B通道的相位差。
单片机控制在每一次测量前进行清除D触发器、使能信号输出等操作, 当计数结束后单片机读取计数器的数值并计算出差频信号的频率, A、B通道的相位差。还要控制AD采集RMS交流转换的直流, 读取AD的采集数据, 通过计算来控制程控增益, 保证送入比较器的交流信号在一个合理的范围内。
2.2.3 置于线路筒内的通讯控制电路
单片机通过串口接收数据通讯接口板的传输命令, 将准备好的数据上传到接口板, 然后通过遥测短节传输到地面仪器中, 进行计算处理。
3 数据通讯电路
接收下发命令、编码发送测量数据。包括遥测通信接口电路、驱动电路及温度测量采集电路, 完成通过总线接收地面仪器的命令并按命令执行相应操作的功能。
3.1 总线驱动电路
电磁波传播测井仪遵循1553通信接口规范, 不仅要满足通信协议、数据格式和传输速率, 而且要满足电气性能。驱动电路就是为了满足1553电气特性而设计。来自地面系统的数据和命令通过仪器总线接收, 这两个信号经过耦合驱动, 加到混合电路内部的译码电路完成解码。发送到地面的数据经过混合电路内部的编码电路编码, 经过驱动传回地面系统。
3.2 遥测通信接口电路
遥测通信接口电路实现对来自地面系统的命令或数据进行译码, 正常译码后通知单片机来读取有效命令或数据;对发往地面系统的数据进行曼彻斯特编码。整个通信的收发过程都通过中断查询来实现。数据的接收和发送采用了专用的曼彻斯特编译码芯片15530。曼彻斯特编译码芯片15530集成在混合电路内。
3.3 温度测量采集电路
温度测量采集电路完成对仪器线路筒内的温度测量采集功能。
摘要：电磁波在介质中传播要发生相移和幅度衰减, 在非磁性地层中, 当频率在几兆赫兹之内时, 相移和幅度衰减的大小主要取决于介质电阻率。高频电磁波电阻率测井仪 (EP3) 就是根据这一基本原理而设计出的电阻率型仪器, 本文就是对这种新型电磁波传播测井仪在设计思路上的具体介绍。
超高频电磁波 篇6
金属、非金属和复合材料等各种结构材料在可变负荷作用下都会产生疲劳现象。疲劳试验的目的即是测出试样在不同交变载荷作用下的疲劳寿命,对于产品结构设计具有十分重要的意义。目前,在各种类型的疲劳试验机中,电磁谐振式高频疲劳试验机因其采用共振原理,具有试验频率高、激振功率低等特点,被各大高校、科研院所、工厂企业等广泛应用[1]。
材料的疲劳寿命试验通常需要对不同刚度的试样进行性能测试,负载的变化与试样的刚度变化是多种多样的,会给电磁谐振式高频疲劳试验系统带来很大的扰动,造成试验过程不稳定、试验数据可靠性差,因此对采用不同试样进行材料疲劳寿命试验时针对系统动态特性的研究是非常重要的。虽然国内外对于高频疲劳试验机的动态特性研究不多,但是作为振动系统的相关领域却有着较多的成就成果。文献[2]提出了应用状态变量分析法分析振动系统的动态特性,无需对非线性因素进行近似处理。文献[3]提出了将模态迭加法和矩阵摄动法相结合应用于非线性转子系统的动态特性分析。文献[4]在机构的动态方程基础上,利用多尺度法对机构的非线性特性进行研究,得到了机构弹性位移的时域和频域响应曲线。文献[5]提出了一种建立在线性时变振动系统动力学方程系数矩阵运算基础上的区间状态转移矩阵逼近算法。
本研究以电磁谐振式高频疲劳试验机主流机型—天水红山试验机有限公司的PLG-100为研究对象[6],建立系统的二自由度线性振动力学模型,通过理论计算、数值仿真及实验验证来分析高频疲劳试验机振动系统的动态特性。
1 谐振式高频疲劳试验机主机模型
PLG-100高频疲劳试验机主机结构如图1所示。为建立系统动力学模型,本研究对其主机结构进行分析。机座、力传感器、滚珠丝杠、直流电机、移动横梁是连接在一起的,因此这几个物理机构可以考虑为一个整体,认为是机座质量M4。这个整体机座通过两个减振弹簧K6与大地相连接,从而可以简单地表示成一个质量块M4通过弹簧K6与大地连接。接头和试样(刚度为K5)通过测力传感器与外围机座相连接,机座质量M4通过静载环(两个板簧K4)与试台相连接,而通过接头及试样则直接和试台相连接。这里的试台包括工作台及衔铁(主振质量M2)和附加砝码M3。试台又通过动载环(两个板簧K3)与平衡铁相连,平衡铁上面连接着铁芯,铁芯和衔铁构成电磁铁。平衡铁和电磁铁合成一块称为激振质量M1,而激振质量块与滚珠丝杠间是有间隙的,即不和机座或大地连接[7]。
主机结构经简化后的模型如图2所示。
2 谐振式高频疲劳试验振动系统动态特性分析
2.1 系统固有频率计算
高频疲劳试验机的振动系统在试样未出现裂纹前,研究者可将其所受的弹性力简化为线性模型;忽略阻尼对系统的作用,可根据图2将其简化为一个双自由度线性振动系统进行分析。
其受力分析图如图3所示。
本研究根据图3对主振模块M2和激振模块M1进行受力分析,取向下为正,令k2=2k3,k1=2k4+k5,由牛顿第二定律得系统自由振动微分方程为:
对于一个双自由度无阻尼系统而言,它具有两个固有频率,当系统按任意一个固有频率作自由振动时,系统的运动是一种同步运动,称为主振动。令主振动为:
将式(2)代入式(1),令系数行列式为零,可得系统的特征方程为:
解得系统第一主振动的固有频率表达式为:
电磁谐振式高频疲劳试验机的工作频率范围一般为50 Hz~300 Hz,本研究采用系统第一主振动的固有频率为工作频率。
2.2 工作台共振振幅计算
高频疲劳试验机工作过程中,必然有阻尼的存在,如材料阻尼、相对运动阻尼等。阻尼系数是高频疲劳试验机较为重要参数之一。为分析系统的振幅,考虑阻尼的影响,所得主机模型的力学分析图如图4所示。
从而得到此时系统的运动微分方程为:
考虑谐波激振,即Fe(t)=F0eiωt,其稳态位移响应x1(t)=X1eiωt,x2(t)=X2eiωt。根据力学模型系统的运动方程可表示为:
式中:[Z]—位移阻抗矩阵,{X}—位移列向量幅值,{F}—激振力向量幅值。
根据式(6),本研究将式(5)中各系数矩阵行列所对应的值代入,可得主振模块的振幅为:
本研究根据相关材料及对系统的进一步分析发现:一般情况下有阻尼线性系统的固有频率与系统的质量、刚度和阻尼有关,但是对于小阻尼系统,它和无阻尼系统的固有频率相差不大。因此,研究者在估算小阻尼情况下高频疲劳试验机的固有频率时,可应用无阻尼时固有频率计算公式。本研究根据式(3)将固有频率代入式(8),再令阻尼系数C2=C1=C,则得主振模块共振振幅为[8]:
2.3 试样刚度对系统固有频率和工作台共振振幅的影响
由高频疲劳试验机设计手册得:m1=280.4 kg,m2=520.25 kg,k2=4.98×108N/m,k4=3.16×108N/m;同时为体现阻尼对振幅的作用,本研究取阻尼比ζ=0.06及ζ=0.1,根据式(4)和式(9),用Matlab仿真分析试样刚度对系统固有频率和共振振幅的影响,结果如图5、图6所示。
由仿真结果分析可得:
(1)固有频率fn1(由ωn1=2πfn1转换得到)随着试样刚度k5的增大而增大,共振振幅X1 max则随着刚度的增大而减小;且其曲线变化趋势皆由快而慢,最后趋于平缓,即随着k5的增大,两者的变化速率在逐渐减小;
(2)在试样刚度k5较小时(如图6所示,约小于5×109N/m)阻尼比对系统振幅影响较大。
通过调整对试验机工作性能有影响的输入参数及编程仿真计算,本研究可以预先了解系统的动力学特性,最终实现对试验机的优化设计。
3 动态特性实验及结果分析
3.1 实验平台及实验方法
根据系统动态特性及设备输入条件和实验采样精度要求,本研究搭建了基于Lab VIEW实验平台[9,10](实物图如图7所示)。当上位机发出振动信号开始实验,所得扫频的共振频率作为激振器工作频率,使试验机工作在共振状态。为求得系统位移响应,本研究将安装在试样上的力传感器转换成电信号经NI9237调理,再通过NI USB-9162转化为串口输出,经PC机标定程序测得试样受力值,由虎克定律可得系统稳态位移x(t)=F/k5,即可得系统最大振幅[11]。
3.2 实验结果及数据分析
该实验中采用5个不同直径的圆柱试样,通过有限元分析计算得到试样的刚度,经实验测得不同试样刚度下系统固有频率及工作台共振振幅,并与仿真结果进行对比,实验数据如表1所示。
动态特性实验中所得系统固有频率和工作台共振振幅的实验数据及仿真数据如图8所示。由于系统阻尼系数无法精确测定,本研究在理论上计算了ζ分别为0.06和0.1的仿真数据,由实验结果可知:实验数据分布在ζ分别为0.06和0.1的两组仿真数据之间。
实际的试验机谐振系统弹簧刚度系数和摩擦阻尼系数并非是完全线性,与简化线性化模型参数存在一定差距是误差存在的主要原因,此外本研究采用的双自由度离散集中质量模型中,主振质量和激振质量计算存在一定误差也造成固有频率和共振振幅实验值和理论值存在误差。但实验数据与仿真数据变化趋势能够较好吻合,说明本研究动力学模型的建立和计算方法是正确的,可以满足试验机动态性能预测要求。
4 结束语
为研究谐振式高频疲劳试验机的动态特性,本研究建立了振动系统的动力学模型,并通过仿真得到了试样刚度对系统固有频率及共振振幅的影响。对试验机进行的实验测试结果与仿真结果相吻合,证明了本研究动力学模型的建立和计算方法的正确性;通过调整输入参数,可以预测试验机在不同情况下的动态特性,为试验机性能的进一步优化和控制系统的设计奠定了基础。
参考文献
[1]李跃光,姬战国.国内高频疲劳试验机的技术现状及其发展[J].试验技术与试验机,2006,46(1):1-4.
[2]任中全,郭世伟,何万库.振动系统的时频域仿真分析研究[J].计算机仿真,2002,25(1):25-28.
[3]赵又群,柴山,曲庆文.非线性转子系统动态特性分析的模态—摄动方法[J].机械工程学报,2002,38(1):39-41.
[4]蔡敢为,李兆军,朱天燕.含对称叠层复合材料构件机构非线性动态特性分析[J].中国机械工程,2008,19(19):2371-2375.
[5]王生泽.线性时变振动系统动力学方程的一类解法[J].中国纺织大学学报,1998,24(3):67-73.
[6]高红俐.PLG-100型高频疲劳试验机使用说明书[K].天水:天水红山试验机厂,1982.
[7]邢彤,阮健,朱发明,等.1000Hz高频疲劳试验系统的实验与仿真研究[J].液压与气动,2010(11):31-33.
[8]孙磊,姬战国,尹廷林,等.高频疲劳试验机振动系统动力学特性分析[J].工程与试验,2010,50(2):13-15.
[9]MAJCHERCZAK D,DUFRENOY P.Dynamic analysis of a disc brake under frictional and thermomechanical internal loading[J].Archive of Applied Mechanics,2006,75(8-9):497-512.
[10]侯国平,王坤,叶启金.LabVIEW7.1编程与虚拟仪器技术[M].北京:清华大学出版社,2005.
超高频电磁波 篇7
关键词：超高压,输电线路,电磁辐射
随着社会的不断发展和科技的不断进步, 越来越多的电子电器设备应用到人们的日程生活中, 而这些电器设备共同运行时可能消耗着几十万甚至数百万瓦时的电能, 用电量也大幅度增加也要求电力输电线电压等级的不断提高。此外, 在电压等级不变的情况下, 输电距离越远, 线路的电能损耗就越大, 因此要想降低远距离输电的电能损耗, 就必须提高输电电压。本文就超高压输电线路的电磁辐射给人们带来的危害展开讨论。
1 超高压输电线路的电磁特征
1.1 电场特征
当导线通电时, 导线周围会产生电场。特别是超高压输电线路, 导线周围的电场强度比一般的输电线路电场更强。不同电压等级下的输电线路, 其地面电场场强强度如表1所示。不难看出, 当输电线路的电压等级越高, 导线周围地面的电场强度越大。
超高压输电线路中的电场强度与导线对地高度有关。从表2中500 kV超高压输电线路中, 不同高度下的电场强度的我们可以看出, 当超高压输电导线距离地面越高时, 电场强度越小。
此外, 超高压输电线路中的电场强度还与导线参数、导线相序、相间距离等有关。具体来说, 当输电导线中的导线半径、分裂根数、分裂半径变大时, 电场强度变大;同相序排列比逆相序排列时的电场强度要大;而相间距离的不断增加, 输电导线中的电场强度也不断增加。
1.2 磁场特征
我们知道, 当导线中有电流通过时, 导线周围就会产生磁场, 而磁场的大小只与电流有关, 与电压无关。图1所示为不同杆塔类型和相导线布置方式下, 超高压输电线路中的磁场分布情况。从图1中我们可以看出, 前苏联V字塔导线水平布置的线路中的磁场强度最强, 而猫头塔塔形导线正三角布置线路下方的磁场强度最小。
2 超高压输电线路的电磁辐射的影响
电磁场对人体的影响有两种机理:一是外界电磁场在人体中感生的电流对神经细胞和组织细胞的刺激;二是人体器官组织由于吸收电磁场能量而产生的热效应。电磁场对人体健康的影响主要是第一种情况:现有的流行病学、实验生物学研究表明:长期在电磁场强度超限的环境中工作, 可以造成人体多系统的功能性损害、免疫系统的损伤, 甚至引发癌症。
3 可行的防护措施
3.1 增加导线对地高度
增加导线对地高度可减小超高压输电线路下的电场强度及磁感应强度。随着超高压输电导线对地高度的抬高, 电场强度及磁感应强度相应减小, 开始时减小显著, 以后减小程度逐渐缓慢。
3.2 选择合理的布线方式
导线在满足电气绝缘要求的情况下, 尽量使导线排列紧凑, 如采用同塔多回架设、单回路采用倒三角形布置等。这样不但可以削弱工频电场, 而且可以充分利用线路走廊, 节约土地资源。
3.3 采用下层架设较低电压等级的混合线路
布置在高电压线路下方的低电压输电线路对上方的高电压输电线具有屏蔽作用, 同时利用布置在下方的低电压输电线路产生的场强与上方的高电压输电线产生的场强叠加原理, 可有效降低线下的场强。对于磁场, 采用不同电压等级混合线路, 其作用不如电场明显。
3.4 屏蔽方式
我们可以通过种植树木、架设屏蔽线、穿戴防护服等方式进行屏蔽电磁辐射。研究表面, 3至4米高的植物能够将距离地面高度为1.8米的电场强度降低80%左右, 因此, 树木对电磁辐射的屏蔽作用非常明显, 我们在进行超高压输电线路架设时, 可以采用种植树木的方法来境地电磁场的辐射, 并将其纳入环保投资预算。而架设屏蔽线可以明显降低线路下方的电磁场强度, 而且能够有效减小其他的高场强的影响范围。
结束语
随着我国超高压输电网建工作的迅速展开, 超高压输电线路中的电磁辐射也影响着人们的身体。超高压输电线路中的电磁场强度的影响因素有很多, 诸如导线对地高度、导线布线方式、导线材料等, 其中导线的对地高度最为关键。通过对这些因素的研究探讨, 本文提出一些在进行超高压输电线路架设时可行的降低、屏蔽电磁辐射的策略, 具有很高的实际应用价值。
参考文献
[1]邬雄.1000kV交流输电线路电磁环境的研究[J].电力设备, 2005, 6 (12) :24-27.
[2]吴敬儒, 徐永禧.我国特高压交流输电发展前[J].电网技术, 2005, 29 (3) :1-4.
超高频电磁波 篇8
矿产资源是人类可持续发展的重要物质基础。经过几千年的开发利用，地表出露及浅地表矿产资源已面临枯竭。现代工业的巨大需求，促使人们探索越来越深的矿产资源。地球物理勘探方法成为人们勘查隐伏矿产的必要的方法。重力，磁法，地震，电法勘探从不同的物理属性揭示地下可能的经济矿体分布。就电法勘探而言，要探测埋藏较深的矿体，常规传导类方法需要很大的布极尺寸，劳动强度大，工作效率不高，分辨率低。基于电磁感应原理的电磁法成为探测大埋深矿产资源的有效方法[1,2,3,4]。
EH4电导率成像系统是由美国geometrics生产的高频大地电磁观测仪器[5]。通过在地表观测不同频率的天然场源或人工源电磁信号估计出测点下方不同深度的大地电阻率。主要用于地下水，地热，金属矿产及场地工程勘查。装备轻便，工作效率高。但由于天然大地电磁场源有寂静区，在一些频段电磁场强很弱，EH4电导率成像系统采用人工场源来改善数据质量。但大部分情况下，只观测天然场。本文主要论述EH4的数理处理方法，对数据处理结果的图示有一定改善，并提出要获得高质量数据需要注意的几个问题。
1 EH4高频大地电磁测深原理
大地电磁测深原理遵循Maxwell方程。当均匀平面电磁波垂直入射于均匀各向同性大地介质中，电磁场在极化平面上是均匀的，对于谐变电磁场由Maxwell方程组，忽略位移电流，有：
由式(1)可知，在z轴向下为正的右手螺旋直角坐标系中，电磁场分量Ey只与Hx有关，Hy只与Ex有关，都沿z轴传播，物理学中称这种波为线性偏振波。以方向的分量来命名线性偏振波，对于偏振波(Ey, Hx)由式
同理，对于偏振波(Hy, Ex)由式(1)有：
式中为介质的电磁传播波数，ω为电磁信号角频率，σ为介质电导率。
这里要说明的是，这两种线性偏振波的分解是任意的，对坐标轴x, y的方位未作任何限制，如果取y方向沿磁场H的极化方向，Hy=H, Hx=0，必有Ey=E, Ey=0，因而也称这种平面电磁波为TEM波。
由式 (3) , 对于H偏振波 (Hy, Ex) , 有如下解的形式
由边界条件, 当z=∞, Hy=0, Ex=0, 当, 将波数写成复数a-ib, 则有:
对于均匀大地, 式中, 由电磁波在介质中扩散的趋肤深度定义, 平面电磁波在均匀大地中的趋肤深度为:
由式 (1) 和式 (5) , 可得均匀大地的波阻抗
由式 (7) 可知, 在地表观测相互正交的一对电磁场分量 (Ex, Hy) 或 (Ey, Hx) 可估计出大地的波阻抗, 进而得到大地的视电阻率
这种测量方式称为标量测量。对于各向异性介质, 则需要四个场分量Ex, Hy, Ey, Hx同时测量, 由下式可估计大地介质的张量阻抗
进而可计算大地的电阻率张量, 通过坐标旋转得到两个主轴方向的电阻率
通过在地表观测并记录四个场分量Ex, Hy, Ey, Hx的时间序列, 傅立叶变换估计各场分量的自功率密度谱和互功率密度谱, 由下列公式估计波阻抗
式中, E*x表示复共轭, 且
波阻抗是信号频率的函数, 不同频率的电磁波有不同的趋肤深度, 高频趋肤深度浅, 低频趋肤深度大, 因而可得到连续的大地电阻率断面。Stratagem大地电磁观测系统正是基于平面波电磁理论设计的, 频带范围从11.7Hz到100 kHz, 在一个测点只需几分钟到十几分钟时间就可得到几米到1000m左右深度的大地电阻率信息。一般采用张量观测方式。在观测时应按技术要求严格操作, 保证电极有良好的接地, 磁场传感器应尽量减小人为干扰。以确保能获得高质量的观测数据。
2 数据处理流程
EH4观测系统的时间序列是分频段、分块记录的。其高频模式有三个频段，频段一：10Hz～1kHz;频段二：500Hz～3kHz;频段三：750Hz～92kHz。在每个频带，有不同的采样频率，四个场分量的时间序列同时连续记录，分块存贮。在一个数据块中每个场分量记录12288个数据。估计功率谱时将每个分量的12288个样值分三段进行离散傅立叶变换，叠加取平均。采集多少个数据块要根据信号强弱设定，通过叠加平均提高信噪比。EH4自带的imagem处理软件数据处理主要有以下几步：
第一步：由时间序列y文件估计四个信号量的自功率谱和互功率谱，形成功率谱x文件。先对每个频率的电场道自功率谱用系数(1/5f, f为信号频率)归一化处理。将每个频段所有数据块的自功率谱和互功率谱按中心频率叠加平均。
第二步：计算(Ex, Hy)和(Ey, Hx)信号对的相关系数
取相关系数大的频率的功率谱和互功率谱，形成功率谱x文件。
第三步：对第二步的功率谱文件进行校准。用出厂校准的功率谱频率表，电场、磁场传感器标定文件，各信号采集通道标定文件，以及采集过程中各频带的放大倍数，滤波器设置参数对功率谱x文件进行校准。
第四步：用校准的各频率的信号自功率谱和互功率谱，按式(11)计算各频率的阻抗张量。计算各频率的视电阻率。
第五步：对每个测点的不同频率的电阻率值进行Bostick变换，转换为深度电阻率。将连续测量的各测点深度电阻率值进行空间域平滑滤波，得到深度电阻率断面。
但是在测量过程中，大地电磁场在一些频段上场强很弱，再加上不可避免的人文干扰，基于imagem的处理方法的改进是必要的。化希瑞(2008)提出了基于希尔伯特黄变换(HHT)的去噪和功率谱重构方法对EH4的处理结果有很大的改善。王通(2007)则尝试用高阶统计量来重构EH4的功率谱文件[6]。陈庆凯(2005)提出了数据插值和地形改正的方法。本文介绍一种基于有理插值的数据插值方法，对EH4处理结果的图示有一定的改善。
3 有理插值方法及应用
如果已知表列值(x1, f1)， (x2, f2)， (x3, f3)，…(xi, fi)，…(xn, fn)，则可以用一个连分式函数Φ(x)来逼近它[7]，连分式函数Φ(x)的形式为
式中，连分式系数a1, a2, a3，…ai, an-1, an可由表列值的倒差商算法求得，算法见表1:
显然有，Φ(xi)=fi, i=0, 1, 2，…，n，这个算法很容易编程实现，且计算量小。在插值点前后取4～5个节点就够了。本文基于matlab编制了用表列值构建连分式有理插值函数的EH4数据插值程序。
4 实例
应用编制的连分式有理插值程序处理了甘肃某测区EH4观测的一条断面。先用imagem程序处理时间序列，剔除质量不好的时间段，重新估计功率谱，相关系数均选取0.6，二维分析空间滤波系数取0.3，输出处理后的断面电阻率深度数据文件。检查输出的数据文件发现，由于一些频率场值较弱，在所需关心的深度没有电阻率数值，或电阻率数值太稀。
在应用有理插值算法时，在需要数据插值的深度，选择上下5个数据点，构造连分式有理插值函数，输入深度值，可得到该深度的电阻率插值数据。从图1可看出，应用有理插值处理后(见图1b)图像明显要比没有插值(见图1a)的表现的细致。
在插值计算中发现，当数据质量不好，或在深度变化较小的范围内，电阻率差异很大时，插值计算中会有负值出现，这时应对原数据先进行平滑处理，再进行有理插值计算。
5 结束语
EH4大地电磁观测系统已成为深部找矿的有效地球物理方法。通过数据处理及结合地质资料的数据解释，其结果能反映不同地质体的电阻率分布，连续电导率剖面可以直观地提供电性异常在剖面上的形态、规模，为隐伏矿体预测提供必要的信息。但由于天然大地电磁场在一些频段很微弱，且不可避免存在人文干扰，对EH4数据处理方法上的改进是非常有必要的。本论述尝试将连分式有理插值方法应用到EH4大地电磁数据的后处理中，结果表明，通过对电阻率深度数据的有效插值，可以使二维电阻率剖面的显示更细致，以帮助对地质信息的判读。但对于地球物理观测，采集到高质量的数据是第一位的。对于没有质量保证的数据，任何高超的数据处理技术都毫无意义。
参考文献
[1]化希瑞, 汤井田, 朱正国等.EH4系统的数据二次处理技术及应用[J].地球物理学进展, 2008, 23 (4) :1261-1268.
[2]沈远超, 申萍, 刘铁兵等.EH4在危机矿山隐伏金矿体定位预测中的应用研究[J].地球物理学进展, 2008, 23 (1) :559-567.
[3]陈庆凯, 席振铢.EH4电磁成像系统的数据处理过程研究[J].有色矿冶, 2005, 21 (5) :7-9.
[4]王志强, 朱向泰, 李瑞.EH4电导率成像系统在矿产勘查中的应用[J].地质找矿论丛, 2007, 22 (4) :306-310.
[5]Stratagem Operation Manual[OL/B].http://www.geometrics.com.
[6]王通.大地电磁测深信号的高阶谱估计及应用研究[D].中南大学, 2007.
超高频电磁波 篇9
矿产资源作为不可再生资源及工业发展必不可少的要素, 长期以来人们对其勘探、开发、利用以及治理投入了大量的工作。近年来高频大地电磁 (High Frequency Magnetotelluric, 以下简称HF-MT) 勘探技术作为一种实用、方便和高效的电磁勘探手段, 被广泛的应用于地质灾害预报、地下水资源勘探及矿产资源勘察工作中[1,2,3,4]。
高频大地电磁测深是通过观测地面天然交变电磁场来研究地下岩层电学性质及其分布特征的勘查方法, 所使用的仪器设备为美国EMI公司和Geometrics公司联合研制生产的StratageTM EH-4电导率成像系统。该方法选用的工作频率在10 Hz～100 KHz之间, 能够接收天然场和人工源的电磁场信号, 主要勘探地表以下几米到1000米深度范围内的电阻率变化[5]。
目前发达国家的部分大型矿山采矿深度已达到了2000～3000m, 中国现阶段金属矿山探矿和采矿深度多在300～500m[6]。MT法采集时间较长, 测点间距较大, 长期以来主要被应用于区域性调查工作中。CSAMT法设备较庞大, 费用较高, 发射源选择及布设和测量要求相对较高, 地形复杂山区数据处理难度大[7]。相对而言, 高频大地电磁勘探在中国山区矿产资源勘察中更具优势。
2 矿区地质概述及地球物理观测方案
桂北某铅锌矿区位于马海背斜南端倾伏区, 矿区出露地层为:奥陶系黄隘组 (O1h) 上部浅灰色中细粒砂岩夹薄层页岩, 中部灰色厚层细粒砂岩夹页岩, 底部灰绿色薄层页岩;白洞组 (o1b) 块状灰岩、白云岩, 局部夹页岩;寒武系边溪组 (Є1b) :不等粒砂岩。矿区断裂构造发育, 主要有NEE向和NE向两组, 矿化受断裂破碎带控制明显, 已发现矿体受NEE向F1和NE向F2控制, 矿体呈脉状、透镜状产出。控制矿体最长610米, 平均厚度在3～4米间。成矿作用以深渊热液充填交代为主。
设计剖面与主断裂构造斜交, 可有效的查清矿区内控矿断裂构造走向、延伸以及矿体赋存的空间位置。工作中采用EMAP (Electromagnetic Array Profiling) 方式进行测量。EMAP法野外观测时, 设计同一剖面上测线方向各个测点电偶极子首尾相连, 组成一系列观测点, 获得电性沿剖面的连续变化信息, 提高横向分辨率, 有利于识别和消除静态干扰[8,9]。对野外实测剖面分别采用Bostick和快速松弛迭代反演进行拟合处理, 以提高数据解释精度和可信度。
3 数据反演理论
3.1 博斯蒂克 (BOSTICK) 反演
该方法基于大地电磁测深曲线低频渐近线性质, 将视电阻率随周期变化的曲线变换到随深度变化。由地下电阻率为零和无穷大两种极限情况得到, S渐近线:ρa=1/ωμS2;H渐近线:ρa=ωμD2。其中, S为半空间多层介质总纵向电导, D为多层介质的总厚度。两条渐近线交点坐标值为电阻率ρa和圆频率ω。通常用计算法对实测大地电磁曲线进行反演, 下面为Bostick反演公式[10]:
由于数据具有一定的分散性, 对实测数据进行处理, 会导致 (1) 式的导数运算结果偏差较大, 故在进行Bostick反演前先对测数据进行平滑处理[11]。
3.2 快速松弛迭代 (RRI) 反演
笛卡尔坐标系下假设地质构造为二维分布的, 电阻率沿走向沿x方向是稳定的, 而沿倾向y方向和垂向z方向是变化的。忽略位移电流的影响, 由谐变场Maxwell方程组推导出两组独立的平行于构造的线性偏振波 (3, 4式) , 根据需要加上边界条件后, 即可进行正演模拟。
以电导率的对数为模型参数, 可得到模型扰动量与资料扰动量间的关系式[12,13]。
其中δdxy和δdyx为观测数据与理论数据的差值, σ0为模型改变前的电导率值, E0 (y i, 0) 、H0 (y i, 0) 为模型改变前第i个测点下地表电场值和磁场值。E0 (y i, z) 为初始模型或本次迭代前模型的理论波场。
由于模型横向变化复杂, 目标函数要能均衡纵向和横向的变化, 构造的目标函数[14]:
e为给定期望的拟合差, z0一般为模型表层电阻率值和最高频率情况下的趋肤深度。
RRI方案避免了直接线性搜索带来的繁重计算, 通过解与一维相近的反演问题, 计算出每个测站地质介质的电阻率扰动, 把剖面二维反演问题转化为一系列一维反演问题。
4 实测资料解释
对矿区L2和L6两条高频大地电磁勘探剖面实测数据分别应用Bostick方法和RRI方法进行反演, 反演结果分别见图1和图2。
根据2线实测数据反演得到的电阻率断面图推测并圈定三个矿致异常, 分别编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号主要异常, 推测矿区内控矿断裂构造如图1所示。由于该矿区为探采结合的生产方式, 边探矿边采矿。经生产平洞验证, 图中卡尼亚电阻率小于50Ω⋅m的Ⅰ号和Ⅱ号矿体异常目前正在开采中。Ⅲ号矿体异常虽未完全揭露, 但是坑道施工已经在圈定边界发现细小矿脉, 且岩性变化符合本区成矿特征。Ⅰ号和Ⅱ号异常之间的断裂构造, 在其地表发现脉状铅锌矿体露头。
实测6线数据经反演后电阻率断面图如图2所示, 图中标示了两个矿致异常和控矿断裂构造F2。其中, Ⅳ号异常在山谷中出露含大量硫化矿物的矿化体, 矿体已经过浅部槽探工程验证;圈定Ⅴ号异常, 标高380m、水平点位880m处为矿区平洞附近。该异常经坑道工程验证为不同岩性接触带上脉状及层间透镜状铅锌矿体造成。
从反演结果来看, Bostick和RRI算法都是比较稳定的算法。Bostick反演直观的揭示了地下电性结构的特征, 尤其是对电性层的起伏形态有较好的反映。该方法通过逐点变换取得逐点反演的结果, 保证了整条测线反演结果的连续性。
RRI方法在目标函数的构造及雅可比矩阵的求取上都有改进, 对初始模型要求相对较高。运算过程中用前一次迭代模型的场量的横向梯度替代迭代后模型的场量的横向梯度, 大大减少了反演过程中正演的次数。从实测数据的反演结果分析较好的消除了地表局部不均匀体对下部数据的影响, 对深部横向电性变化分辨率较高。
5 结论
(1) EMAP方案横向分辨率高, 对断裂构造的反映清晰, 同时有效的压制了静态干扰。
(2) 应用两种不同的反演方法对实测数据进行解释处理, 均取得了理想的效果。结合先验信息及坑道探采工程证明反演解释正确可靠。