基于SOC V9911的高密度电法仪中磁电极的研制

王奇　林新正　张金亮

摘 要：高密度电法仪是勘探地质信息的重要工具，但仪器在使用过程中需要将大量金属电极插入地表以下，这一点限制了仪器的使用范围，降低了工作效率。针对这一问题，文章提出了一种可以取代金属电极，且不需要插入到地表即可配合高密度电法仪进行测量的磁电极，围绕电磁场的基本理论建立了磁电极测量过程的数学模型，为后续的数据处理提供了理论基础。为了最大限度地对接传统的金属电极，本研究采用杭州万高科技有限公司计量SOC V9911设计的具有高集成度、稳定性、低成本的硬件结构，根据测量数据，磁电极相较于传统的金属电极其相对误差可控制在2%以内。结果表明，磁电极可以有效替代金属电极。

关键词：高密度电法仪;计量SOC;磁电极

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.069

高密度电法仪是电法勘探中的重要设备，具有直观、高效、高分辨率、高精度等特点，在各种地质探测工程中起到了重要的勘探作用[1]。

高密度电法仪在勘探的过程中需要使用几十至几百根测量电极，测量电极一般为金属电极。金属电极在使用前，要将其插入地表以下。实际勘探过程中，经常遇到公路[2]、岩石表面[3]、永久冻土、建筑物等难以打入电极的地表情况。同时，将大量的金属电极插入地表，降低了探测效率。因此，开发一款用于高密度电法仪中的非接触性电极具有重要的现实意义。

经过研究，文章提出了一种可以取代原有金属电极，且理论模型易于在工程上实现的磁电极，使之很好地与现有的高密度电法仪相匹配。同时，基于电磁场理论建立了磁电极测量过程的数学模型，并提出了磁电极硬件及软件实现方法。

1 磁电极的数学模型

高密度电法仪中的磁电极测量的基本原理如图1所示。

将高密度电法中的金属电极替换成本文所研制的磁电极，供电电极1和供电电极2向地下发射电流信号。电流信号在地下半空间流动时产生相对应的磁场信号，通过磁电极1～磁电极n测量各点的磁场信号，根据电磁场基本理论求解出该点的电位值。

根据上述测量原理可知，构建磁场信号与电位信号之间的数学模型才能将所测得的磁场信号转化为电位信号[4]，故数学模型的构建是工作重点之一。

为构建数学模型，可分析单个磁电极的测量原理。设测量点地表及地下磁感应强度分别为B0、B1;磁电极截面直径为L。

根据分界面上的衔接条件则有：Bn1=Bn0。

分界面上垂直电流可忽略不计故H1t=H0t，即：

（1）

式中：μ为磁导率。

设在磁电极下电流分布在以a为半径的圆内则有：∮lH1dl=I，同时， =I，两式联立有：

（2）

式中：γ为电导率。

在柱面中做一个半径为0.5 L的球则有：∮sDdS=q，化简可得：

（3）

式中：ρ为电荷密度。

由（1）（2）（3）联立可得：

（4）

式中：L、I、B0n、B0t为已知量;ε、ρ、γ、μ1为未知量。可向地下通四次大小不同的电流，得到方程组求解上述各未知量。然后，采用（3）式求出该点电位U。

2 磁电极系统设计

2.1 磁电极结构设计

文章研制的磁电极目的是取代原有高密度电法仪的金属电极。所以，磁电极无论是在输出信号、物理结构以及成本等各方面上都最大限度地接近金属电极。

通常，信号采集电路由放大器、滤波器、模数转换器、主控芯片等构成[5]。但是这种采用多个分立器件的设计方案相比于金属电极具有较高的成本，磁电极的体积也会增大，同时在功耗等方面也不及金属电极。

为解决上述问题，本研究创新性地使用计量SOC芯片代替上述分立器件，使得磁电极具有更高的集成度以及更稳定的结构，同时在成本上得到了很好的控制。磁电极结构包括磁阻传感器模块、高精度计量SOC。

2.2 磁电极硬件设计

磁电极整体电路图如图2所示。

2.2.1 计量SOC V9911

V9911是一款工业级高性能、低功耗的计量SOC芯片，为众多嵌入式控制系统提供灵活、有效的解决方案。芯片内部集成模拟前端、高精度计量模块以及增强型8052内核，兼具RTC、WDT、FLASH、SRAM等常用外设。同时，V9911内部集成起振电路和PLL，运算能力最高可达26 MHz/6.5 MIPS。片外仅需32 768 Hz的晶振，外圍电路简单可靠。芯片内部含有128 kb Flash存储器，具有写保护和加密功能，支持ISP和IAP;以及8 kb外部SRAM存储器，完全可以满足一般的编程需求。

V9911具有良好的低功耗设计，芯片在全速工作时，其典型工作电流为3.9 mA;而在休眠时在保持RAM数据时的情况下，其典型工作电流仅为6.8 μA。

2.2.2 V9911的计量模块

在V9911内部集成高精度的计量模块。4路独立的过采样Σ/Δ ADC，电流在5 000：1动态范围内，计量误差小于0.1%。电流在1 000：1动态范围内，数值计量误差小于0.5%。ADC同时具有放大功能，最高可实现5倍放大增益。最多24个计量时钟周期，硬件电路就会把目标地址的数据DATA加载到读写缓存寄存器中。

MCU通过32—bit的数据总线访问计量控制和计量数据寄存器，这使得芯片具有较快的测量速度。

2.2.3 磁阻传感器的工作原理

单轴磁阻传感器HMC1001，在硅衬底上制备四个相同的坡莫合金带形成惠斯通电桥，传感器利用坡莫合金各向异性磁阻效应（AMR），使电桥阻值产生变化，导致传感器输出的电压发生变化[6]。

當空间内的磁场为零时，电阻均为R;当外加磁场时，坡莫合金阻值发生变化，在线性范围内输出电压与外加磁场及电桥输入电压成正比关系，公式如下：

（5）

式中：R为坡莫合金阻值，ΔR为阻值变化量，S为磁阻传感器的灵敏度，B为外加磁场强度。由上式可得：

（6）

以上为HMC1001测量磁场强度的基本原理。HMC1002为双轴磁阻传感器，其测量原理和HMC1001一致。

2.3 磁电极软件设计

软件设计基于芯片内部增强型8052内核实现，主要功能包括：控制计量等模块对磁阻传感器输出信号进行采集，HMC1001、HMC1002输出的模拟信号经计量模块5倍放大后经ADC转换成数字信号;将采集到的数据进行降噪和数字滤波;将1节中的数学模型转化为实际算法，计算出测量点的电压值;与高密度电法仪进行通信。

磁电极的软件流程图如图3所示。

3 测试结果

目前，选择在实验室内进行磁电极的模拟测试。实验室在长1 m、宽0.5 m、高0.5 m的木质箱中盛满沙土，为使得待测介质视电阻率一致，撒入适量盐水，使介质视电阻率稳定在300 Ω·m左右。

实验分为两组。第一组实验中，供电电极提供5 V恒定电压，测量电极为6根磁电极。磁电极在1 m长的木箱内，间隔20 cm直线排列。采用PC机代替高密度电法仪对磁电极测量数据U1进行抄读。第二组实验中，磁电极换成金属电极（钢电极），采用电压表测量金属电极电压U0，从而对比验证磁电极的工作性能。

实验数据如表1所示，通过计算磁电极和金属电极的6个测量数据可知，金属电极其相对误差在2%以内，因此，磁电极的测量数据是合理的。

4 结语

本研究研制了一种用于高密度电法仪的磁电极，构建了易于通过算法实现的磁电极测量过程的数学模型。同时，文章结合性能、功耗、成本等多方面设计了磁电极的硬件和软件，并对磁电极性能进行测试。

根据初步测试结果可知，本研究研制的磁电极是可以代替传统金属电极进行测量的。磁电极的研制为高密度电法仪中的非接触电极提供了新的解决方案，提高了工作效率，解决了电极难以打入硬质地面等问题，使得高密度电法仪具有更广阔的应用前景。

参考文献

[1] 罗明会.基于嵌入式的超高密度电法仪的设计与实现[D].桂林：桂林电子科技大学，2019.

[2] 刘芳，姜庆红，李宏宾.高密度电法在公路下伏采空区探测中的应用[J].建筑技术开发，2008，35（3）：28-30.

[3] 邓弟平，王俊杰，邓文杰，等.高密度电法在玄武岩熔空洞探测中的应用[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2012，31（1）：98-102.

[4] 冯慈璋，马西奎.工程电磁场导论[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.