引用本文
王立凤, 朱学会, 赵国泽, 汤吉, 邓琰, 韩冰, 李细顺, 闫计明, 殷志刚, 王石. GMS-07电磁观测系统测量注意事项及故障检测[J]. 物探与化探, 2016,40(2): 385-389.
WANG Li-Feng, ZHU Xue-Hui, ZHAO Guo-Ze, TANG Ji, DENG Yan, HAN Bing, LI Xi-Shun, YAN Ji-Min, YIN Zhi-Gang, WANG Shi. The operation cautions and troubleshooting of the GMS-07 system in MT survey[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(2): 385-389.
Doi:10.11720/wtyht.2016.2.25  
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GMS-07电磁观测系统测量注意事项及故障检测
王立凤1, 朱学会2, 赵国泽1, 汤吉1, 邓琰1, 韩冰1, 李细顺3, 闫计明4, 殷志刚4, 王石3
1.中国地震局 地质研究所地震动力学国家重点实验室,北京 100029
2.北京欧华联科技有限责任公司,北京 102200
3.河北省地震局,河北 石家庄 050021
4.山西省地震局,山西 太原 030021

作者简介: 王立凤(1973-),女,毕业于中国地震局地质研究所固体地球物理学专业,硕士学位,助理研究员,主要从事电磁方法的应用研究工作。E-mail:wanglif309@ies.ac.cn

收稿日期: 2015-08-05
基金: 国家自然科学基金项目(41204056); 中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1214); 地震行业科研专项(201108001)
摘要

结合实际工作经验,总结了GMS-07综合电磁观测系统主机ADU-07e的主要结构特点,以及主机自检进行观测系统工作状态检查的情况,介绍该观测系统在野外观测过程中的注意事项, 梳理常见故障的现象和排除方法;通过实例说明无法自检出的未接中心电极和磁道斩波器故障引起的资料异常。故障检测方法同样适用于GMS-07电磁观测系统常规大地电磁野外施工。

关键词: GMS-07综合电磁观测系统; 大地电磁测深; 连续定点观测; 故障排除
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)02-0385-05 doi: 10.11720/wtyht.2016.2.25
The operation cautions and troubleshooting of the GMS-07 system in MT survey
WANG Li-Feng1, ZHU Xue-Hui2, ZHAO Guo-Ze1, TANG Ji1, DENG Yan1, HAN Bing1, LI Xi-Shun3, YAN Ji-Min4, YIN Zhi-Gang4, WANG Shi3
1.State Key Laboratory of Earthquake Dynamics,Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing 100029,China
2. Beijing Ouhualian Science & Technology Co., Co., Beijing 102200, China
3. Hebei Seismological Bureau, Shijiazhuang 050021, China
4. Shanxi Seismological Bureau, Taiyuan 030021, China
Abstract

Based on experience acquired in practical work,the authors summarize in this paper the main structure of the ADU-07e and the problem as to how to check the status of the ADU-07e from self test and especially sum up precautions for common trouble phenomena during field work and troubleshooting method for the operation of the GMS-07 comprehensive electromagnetic observation system. Practical examples illustrate abnormal data due to lack of ground electrode or chopper closure during recording data which cannot be checked from self test. The trouble detection method is also applicable to the GMS-07 system used in conventional MT exploration.

Keyword: GMS-07 system; MT; continuous observation; troubleshooting

大地电磁法(MT)于20世纪50年代初期提出, 近年来得到了飞速发展, 尤其是轻便、低功耗的24位采集系统的普及, 使得大地电磁测深法在油气、矿产、地下水和地热、工程勘探、环境和地震灾害监测等领域得到了广泛应用[1, 2, 3, 4]。GMS-07综合电磁观测系统是德国Metronix公司近年来研制开发的新一代综合电磁法观测系统, GMS-07的数据采集单元ADU-07e具有以下几个特点:强大的网络通讯功能, 可通过设置网络地址和自动启动工作任务列表, 实现遥控和无人值守; 采样频率设置灵活, 可观测到250 kHz~DC频带范围高分辨率原始的电磁场信号。以上特点使其特别适用于大地电磁场背景场的连续观测。

为了研究首都圈天然电磁场的时空分布特征, 在2014年夏季和冬季, 使用GMS-07观测系统在首都圈地区开展天然电磁场一个月以上连续观测工作。文中结合GMS-07观测系统实际应用经验, 总结野外施工易出现的故障现象及其排除方法。所涉及GMS-07观测系统状态检查以及故障识别排除对常规单点流动观测具有指导价值。

1 主机结构

ADU-07e(主机)是GMS-07电磁观测系统的核心— — 数据采集单元。ADU-07e主要由以下几部分组成:主板(main backplane, MDB)、子背板(sub backplane, FPGA)、采集板(analog /digital converter boards, ADB)、CPU板(central processing unit boards, CPU)、GPS板(GPS/clock board, GPS)、标定板(board for calibration signals, CAL)和接口板(connector board, CON)。各个部分的主要作用详见表1。

表1 主机ADU-07e主要结构

在ADU-07e工作过程中, 表1中的各个部件相互协作。数据记录的过程如下:首先, 电道和磁道模拟信号输入到接口板, 接口板控制信号选择将信号输入到相应高频HF或者低频LF的ADB板, 进行放大、滤波、标定和极化电位补偿, 形成时间序列; 接下来, 模数转换后的时间序列数字信号输入到子背板, 数据输入到CPU板并存储。同时, GPS板将GPS信号和时钟信号输入到子背板, 标定模块将标定信号输入到子背板, 子背板将状态信息传输到状态显示模块, CPU板将所有控制信息传送到子背板。外部计算机可以通过USB总线控制ADU07e。目前存储器(SD RAM)最大可达到32G。

2 电磁观测系统状态检查

主机只要接上电源, 就会自动开始自检, 主机将对所有表1中硬件进行检查, 此外还将对与主机相连的电道、磁道以及供电系统进行检查。自检结果可以通过网页进行查询, 检查系统状态(system status)和自检结果(selftest result)中各个参数(表2)来确定观测系统工作是否正常。此外自检结果还可以通过主机面板显示屏显示的参数进行检查。

表2 自检重要参数

需要注意的是, 网页显示的主机自检结果, 主要检查ADB error和各道检测的电阻值, 所有ADB error的值都应显示为零, 但如果干扰比较大, 会出现直流偏移过大, 当偏移值大于150 mV时, 系统会给出错误代码12, 此时仪器可以正常工作, 但需区分是否是电极坏了引起直流偏移过大。大地电磁观测系统布置好后, 电道接地电阻通常在2 kΩ 以下, 若为106 Ω 以上, 标示着电道线路可能断了, 需检查线路的接触情况; 磁道电阻值应在十万欧姆左右, 若自检结果电阻值为几千欧姆, 磁探头线或者磁探头前置放大器有可能出现了故障, 需检查落实。

但主机自检, 有些部分无法检测到, 例如斩波器是否正常工作, 中心接地是否接好等, 具体检查方法将在下文中详细说明。

3 野外施工注意事项与故障排除

野外施工之前, 在室内对ADU-07e主机进行检查非常必要。不接电磁场传感器, 并接上GPS天线, ADU-07e加电后自动启动内部硬件进行检查, 自检参数都应在正常值的范围:GPS状态为“ G4fix” 、ADB Error全部为“ 0” 、电道电阻值约为1.16 MΩ 、磁道电阻值约为2.7 kΩ 。

野外施工中, 埋设好电场传感器(电极)后, 首先要使用万用表检测连接着电缆(又称电极线)的电极之间的回路电阻, 通常应小于2 kΩ , 若电阻值达到兆欧姆以上, 有可能电缆断了或者电极与地接触不良等原因。主机加电开机之前, 四个方向电道的电极线和中心接地连线以及磁探头连线务必牢固地接到主机上, GPS连接到主机上。

野外施工中, 最常见的仪器故障为GPS不能同步以及主机主控制程序被损坏造成启动失败。除了雷电等因素外, 硬件设备很少出现损坏, 偶尔会出现磁探头由于长期泡水造成损坏。主机长期不使用或者施工地点较远时, GPS可能无法同步, 可以冷启动GPS试一下。若GPS仍然无法同步, 需要进一步确定GPS板的供电是否充足, GPS天线以及GPS连线是否连通。GPS板带有3.2 V纽扣电池, 如图1所示, 使用万用表在仪器GPS接口处测量电压必须在3.0 V以上。若GPS板供电充足, GPS天线和连线也是连通的, 仍然无法锁定GPS, 可能是GPS程序有问题, 重新写GPS程序即可。

图1 测量GPS板供电电压示意

ADU-07(e)主机加电后, 无法开机。若CPU板指示灯先红后绿, 说明CPU板工作正常, 可能数据存储卡接触问题或者主控制程序问题, 可以重新安装存储卡或者对存储卡重新写系统文件。

除了以上所述的仪器故障, 在野外还经常遇到由于供电不足造成仪器死机的情况。带负载的情况下, 电压不得低于11.5 V。为保证电磁观测系统正常工作, 必须保障供电。需要格外注意的是, 当由于电压低引起主机停止工作时, 即使重新加上充足的电源, 主机也无法正常启动恢复工作, 必须卸除所有供电装置, 再重新加电启动主机方可正常工作。

GPS状态、电源状态、ADB板以及外部设备(电极、磁探头)都可以通过检查仪器的自检参数来判断其工作状态。除此之外, 在野外观测中发现, 有些故障无法通过自检结果进行判断:未接中心接地、磁探头的斩波器(chopper)未开启。

如图2所示, 在未接中心电极的情况下, 4 096 Hz的电道时间序列曲线已经完全看不到50 Hz的正弦波波形, 也就是说电道没有记录到信号。记录电场需要参考中心接地的电位, 若中心接地没有正确连接, 电场通道数据会出现飘移, 那将记录不到有效数据。而磁道记录无需参考中心接地电极作为差分信号, 只要磁探头标定被激活, 输入信号会参考ADB板的接地, 但这时记录会增加一些外部噪声。

图2 ADU-07e未接(黑色虚线前)和接中心电极前后(黑色虚线后)4 096 Hz采样率大地电磁场时间序列对比

如图3所示, 当斩波器打开时, 4 Hz的电磁场时间序列都显示出自然波动, 且南北电场和东西磁场、东西电场和南北磁场时间序列变化一致, 有很好的对应关系, 视电阻率和相位曲线总体连续光滑误差小; 而斩波器未打开4 Hz电磁场时间序列, 电场时间序列自然波动, 但磁场时间序列未显示出这种自然波动, 整体表现为与内部噪声随机信号变化曲线相似的波形曲线, 南北电场和东西磁场、东西电场和南北磁场时间序列变化未显示出相关性, 视电阻率曲线在0.7 Hz以后出现剧烈下掉, 变化不合理, 相位曲线与斩波器正常打开时相比误差大且凌乱。记录低频(低于512 Hz)数据时斩波器需打开, 斩波器位于磁道前放板上, 但控制斩波器开关的控制信号由主机发出。主机能否正常发送斩波器打开信号, 可以通过检测接口板上磁道接口3和4插孔之间的电压进行判定, 如图4所示, 仪器在供电情况下, 接口3和4插孔之间电压5V左右, 即表明能正常开启斩波器。磁探头斩波器是否正常无法检测, 通常磁探头很少出现故障, 但若磁探头长期泡水造成线路短路, 主机开机不能检测到所有硬件, 自检界面将无法显示所有硬件的序列号。此时必须联系进行维修。

图3 斩波器开启(左上)和关闭(右上)时采样率4 Hz大地电磁场时间序列 以及低频段斩波器开启(左下)和关闭时视电阻率相位曲线(右下)

图4 主机侧面磁探头接口平面

4 总结

为获得真实可靠的电磁资料, 做好观测系统的检查尤为重要。除了检查“ 自检重要参数表” 中的参数外, 外线路尤其是四个电极接线和中心电极接线必须连接牢固, 防止牵拉造成接触不良。磁探头做好防水工作。长期连续观测, 供电必须保障。夏季观测, 还要做好防雷工作。为了跟踪主机ADU-07e的工作状态, 可以加装无线路由器进行远程监控。

排除GMS-07电磁观测系统本身故障和野外工作中容易发生的错误都是笔者实际经验的总结, 供同行参考使用。

致谢:非常感谢在仪器使用过程中, 德国Metronix公司Ulrich Matzander和Martin Wilde工程师的耐心解答。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 赵国泽, 王立凤, 詹艳, 等. 地球交变电磁场法应用研究新进展[J]. 工程地球物理学报, 2014, 11(3): 271-276. [本文引用:1]
[2] 陈乐寿, 王光锷. 大地电磁测深法[M]. 北京: 地质出版社, 1990. [本文引用:1]
[3] 刘国栋. 电磁法及电法仪器的新进展和应用[J]. 石油地球物理勘探, 2004, 39(增刊): 46-51. [本文引用:1]
[4] 孙洁, 晋光文, 白登海, 等. 大地电磁测深资料的噪声干扰[J]. 物探与化探, 2000, 24(2): 119-127. [本文引用:1]
[5] Matzand er U, Wilde M. ADU-07e Operating Manual(Rev 1. 5)[M]. Germany: Branschweiger, Metronix, 2013. [本文引用:1]