Luận án Nghiên cứu xây dựng thiết bị khảo sát địa điện

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu xây dựng thiết bị khảo sát địa điện

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------- Trần Vĩnh Thắng NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THIẾT BỊ KHẢO SÁT ĐỊA ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2020
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------- Trần Vĩnh Thắng NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THIẾT BỊ KHẢO SÁT ĐỊA ĐIỆN Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và Điện tử Mã số: 9440130.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Nguyễn Đức Vinh 2. TS. Đỗ Trung Kiên XÁC NHẬN NCS ĐÃ CHỈNH SỬA THEO QUYẾT NGHỊ CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN ÁN Chủ tịch hội đồng đánh giá Người hướng dẫn khoa học Luận án Tiến sĩ GS.TS. Bạch Thành Công TS. Nguyễn Đức Vinh Hà Nội - 2020
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án chưa từng được công bố trong công trình nào khác. Các số liệu, thông tin, minh chứng và so sánh kết quả từ các nguồn tài liệu tham khảo chỉ phục vụ cho mục đích học thuật và đã được trích dẫn tài liệu theo đúng quy định. Tác giả luận án Trần Vĩnh Thắng
4. LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Đức Vinh và TS. Đỗ Trung Kiên, vì nhờ sự hướng dẫn của các thầy tôi mới có thể hoàn thành các nội dung nghiên cứu trong luận án. Tôi cũng xin cảm ơn Ban Lãnh đạo Khoa Vật lý vì những điều kiện thuận tiện trong công việc để giúp tôi thực hiện nghiên cứu. Cảm ơn các đồng nghiệp tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến - Khoa Vật lý với nhiều giúp đỡ dành cho tôi. Với tình cảm và sự kính trọng của mình, tôi xin cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Thị Thục Hiền, PGS. TS. Lê Hồng Hà, PGS.TS. Lê Thị Thanh Bình vì các cô đã dành cho tôi tình cảm và sự hỗ trợ về tinh thần trước và trong khi thực hiện luận án. Tôi cũng chân thành cảm ơn ThS. Đỗ Anh Chung đã giúp tôi trong quá trình thí nghiệm hiện trường. Chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa Vật lý, Phòng Sau đại, học Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong công tác cũng như quá trình thực hiện luận án. Và cuối cùng, tất cả là dành cho gia đình của tôi, bởi đó là lý do và là động lực để tôi thực hiện và hoàn thành mọi việc trong đó bản luận án này. Tác giả luận án Trần Vĩnh Thắng
5. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN BẢNG VIẾT TẮT ..................................................................................................... 3 CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................................... 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. 5 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 7 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP ẢNH ĐIỆN ............................. 13 1.1. Phương pháp ảnh điện ERT, EIT hiện trường ................................................... 14 1.1.1. Cơ sở phương pháp ảnh điện ...................................................................... 14 1.1.2. Phương pháp đo điện trở suất một chiều .................................................... 18 1.1.3. Phương pháp đo IP theo miền thời gian ..................................................... 18 1.1.4. Phép đo theo miền tần số ............................................................................ 20 1.1.5. Xử lý số liệu toàn dạng sóng ...................................................................... 23 1.2. Thiết bị khảo sát ảnh điện .................................................................................. 25 1.2.1. Thiết kế khảo sát ......................................................................................... 26 1.2.2. Thiết bị đo DC, IP, SIP ............................................................................... 28 1.2.3. Tái tạo hình ảnh .......................................................................................... 31 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới phép đo trong thí nghiệm hiện trường ...................... 32 1.3.1. Ảnh hưởng của điện cực ............................................................................. 32 1.3.2. Ảnh hưởng của nguồn nhiễu ngoài ............................................................. 34 1.3.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng ghép cặp EM ...................................................... 37 1.3.4. Phương pháp ước lượng DC, IP, CR .......................................................... 39 Kết luận chương ........................................................................................................ 42 Chƣơng 2. XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO PHỔ TỔNG TRỞ CHO THÍ NGHIỆM HIỆN TRƢỜNG ...................................................................................................... 43 2.1. Thiết kế, chế tạo thiết bị đo phổ tổng trở ........................................................... 44 2.1.1. Phần điện tử ................................................................................................ 44 2.1.2. Phần mềm thu thập dữ liệu và điều khiển .................................................. 52 2.1.3. Phương pháp kiểm chuẩn - hiệu chỉnh EMCE ........................................... 58 1
6. 2.2. Đánh giá các đặc trưng của thiết bị .................................................................... 63 2.2.1. Đánh giá trong phòng thí nghiệm ............................................................... 63 2.2.2. Đánh giá ngoài hiện trường ........................................................................ 69 Kết luận chương ........................................................................................................ 76 Chƣơng 3. GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG.................................................................... 77 3.1. Giải pháp triển khai nhanh thiết bị khảo sát địa điện ERT đa cực .................... 77 3.1.1. Phần cứng ................................................................................................... 78 3.1.2. Phần mềm ................................................................................................... 80 3.1.3. Kiểm chuẩn ................................................................................................. 83 3.1.4. Thí nghiệm hiện trường .............................................................................. 85 3.1.5. Kết quả xử lý dữ liệu .................................................................................. 86 3.1.6. So sánh kết quả với SuperSting R1, AGI ................................................... 88 Kết luận ................................................................................................................. 90 3.2. Giải pháp nguồn năng lượng mặt trời cho thiết bị quan trắc địa điện ............... 91 3.2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 91 3.2.2. Giải pháp nguồn điện dùng năng lượng mặt trời ........................................ 94 3.2.3. Kết quả thử nghiệm .................................................................................... 95 Kết luận ................................................................................................................. 96 3.3. Ước lượng mật độ phương tiện cơ giới tham gia giao thông đường bộ ............ 96 3.3.1. Nhiễu địa điện do các phương tiện giao thông đường bộ .......................... 96 3.3.2. Giải pháp ước lượng mật độ phương tiện qua nhiễu địa điện .................. 101 Kết luận ............................................................................................................... 107 Kết luận chương ...................................................................................................... 108 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 109 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ..................................................................................................... 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 113 2
7. BẢNG VIẾT TẮT Đại lƣợng Đơn vị - Điện trở suất .m a - điện trở suất biểu kiến .m m0 độ tích (nạp) điện mV/V mint độ tích (nạp) điện tích phân mV/V max góc pha MPA Mrad  - thời gian hồi phục Cole-Cole s c - Hệ số tần số mũ Cole-Cole c K - Geometric Factor Hệ số cấu hình cực, hệ số thiết bị Z- Tổng trở  - Ôm Y- Tổng dẫn Siemen - (mÔ) CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tẳt - Tiếng Anh Giải nghĩa ADC - Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số AVG - Average Trung bình BW - Band Width Băng thông CPA - Constant Phase Angle Góc pha không đổi CR - Complex Resistivity Điện trở suất phức CNLS - Complex Non-linear Least Square Bình phương tối thiểu phi tuyến phức DAC - Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số - tương tự DAQ - Data Acquisition Bộ thu thập dữ liệu DC - Direct current Điện một chiều DCIP- Direct current Induced Polarization Điện một chiều và phân cực cảm ứng EEC - Electrical Equivalent Circuit Mạch điện tương đương EMCE - Electromagnetic Coupling effect Hiệu ứng ghép cặp điện từ 3
8. EMD - Electromagnetic Decoupling Tách cặp điện từ EIS - Electrical Impedance Spectroscopy Phổ tổng trở EIT - Electrical Impedance Tomography Ảnh tổng trở ERT - Electrical Resistance (Resistivity) Ảnh điện trở (suất) Tomography FD - Frequency domain Miền tần số FE - Field Experiment Thí nghiệm hiện trường, thực địa FFT - Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh GN - Geoelectrical Noise Nhiễu địa điện IP - Induced Polarization Phân cực cảm ứng KSTĐ Khảo sát thực địa LMA - Levenberg- Marquardt Algorithm thuật toán Levenberg- Marquardt LS - Least Square Bình phương tối thiểu MSE - Mean Square Error Sai số bình phương trung mình SIP - Spectral Induced Polarization Phổ phân cực cảm ứng (kích thích) SSIP - Spread Spectrum Induced Phân cực cảm ứng trải phổ Polarization TD - Time Domain Miền thời gian TNHT Thí nghiệm hiện trường TVS - Transient Voltage Suppresor Bộ dập điện quá độ 4
9. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý phép đo tổng trở hiện trường ........................................ 15 Hình 1.2. Minh họa phương pháp đo TDIP ............................................................. 19 Hình 1.3. Minh họa phương pháp đo theo miền tần số ............................................ 21 Hình 1.4. Các cấu hình điện cực thông dụng và hệ số K tương ứng ....................... 27 Hình 2.1. Sơ đồ khối thiết bị đo phổ tổng trở hiện trường ....................................... 45 Hình 2.2. Sơ đồ khối bộ thu thập số liệu DAQ DNA-AI-211 ................................. 45 Hình 2.3. Sơ đồ khối và hình ảnh module DAC DNA-AO-308 .............................. 47 Hình 2.4. Sơ đồ khối của mạch xử lý tín hiệu tương tự ........................................... 48 Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại cách ly AD203SN ............................. 48 Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch ASP ...................................................................... 49 Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh mạch nguồn cao áp .................................... 51 Hình 2.8. Hình ảnh minh họa hệ thiết bị đo phổ tổng trở hiện trường ..................... 52 Hình 2.9. Lưu đồ thuật toán phần mềm ................................................................... 53 Hình 2.10. Minh họa phần mềm đo phổ tổng trở (a) giao diện, (b) sơ đồ chương trình ............................................................................................... 54 Hình 2.11. Cách tính sai số của Z ............................................................................. 57 Hình 2.12. Module ước lượng tham số Zm() .......................................................... 58 Hình 2.13. Sơ đồ tương đương của tổng trở có tính EMCE .................................... 59 Hình 2.14. Giản đồ pha của tổng trở ........................................................................ 61 Hình 2.15. Độ lớn và pha của Z theo EM ................................................................ 62 Hình 2.16. Biên độ và pha của Z theo CP với R =100 Ohm ..................................... 63 Hình 2.17. Minh họa thiết bị thí nghiệm .................................................................. 64 Hình 2.18. Nhiễu nền của bộ thu dữ liệu U và I ...................................................... 64 Hình 2.19. Đặc trưng dòng - tần số .......................................................................... 65 Hình 2.20. Đặc trưng tải của nguồn phát dòng ........................................................ 66 Hình 2.21. Phổ biên độ và pha của M ...................................................................... 67 Hình 2.22. Phổ phổ biên độ và pha của Cp ............................................................... 67 Hình 2.23. Phổ tổng trở: biên độ (a) và pha (b) của thuần trở R .............................. 68 5
10. Hình 2.24. Phổ tổng trở của mạch RC song song .................................................... 69 Hình 2.25. Thí nghiệm hiện trường .......................................................................... 69 Hình 2.26. Phổ nhiễu nền tại khu vực khảo sát ........................................................ 70 Hình 2.27. Phổ nhiễu theo trục logarit ..................................................................... 70 Hình 2.28. Phổ FFT của dòng phát và hiệu điện thế phản hồi ................................. 71 Hình 2.29. Dữ liệu thu toàn dạng sóng ở các tần số phát khác nhau ....................... 72 Hình 2.30. Phổ tổng trở của cấu hình Wenner và Dipole - Dipole ...................... 73 Hình 2.31. Phổ tổng trở cường độ dòng phát khác nhau.......................................... 74 Hình 2.32. Kết quả đo ảnh hưởng của cùng và tách cáp .......................................... 74 Hình 2.33. Kết quả hiệu chỉnh EMCE ..................................................................... 75 Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ ERT ................................................................................... 78 Hình 3.2. Hình ảnh minh họa thiết bị ERT hiện trường........................................... 80 Hình 3.3. Phần mềm GUI ......................................................................................... 83 Hình 3.4. Sơ đồ minh họa mạng điện trở chuẩn....................................................... 83 Hình 3.5. Biểu đồ phân bố kết quả đo với các điện trở chuẩn ................................. 84 Hình 3.6. Hình ảnh minh họa thí nghiệm hiện trường ............................................. 85 Hình 3.7. Kết quả các quá trình xử lý dữ liệu .......................................................... 87 Hình 3.8. Hai cách ước lượng điện trở suất biểu kiến ............................................. 88 Hình 3.9. Kết quả so sánh hai thiết bị ...................................................................... 89 Hình 3.10. Hình ảnh 2D được tạo bởi phần mềm tái tạo hình ảnh Earth Imager .... 90 Hình 3.11. Sơ đồ khối thiết bị nguồn tối ưu năng lượng mặt trời ............................ 94 Hình 3.12. Nguyên lý hoạt động của nguồn tối ưu năng lượng ............................... 95 Hình 3.13. Phổ tương quan của nhiễu điện từ do ô-tô gây ra .................................. 97 Hình 3.14. Phổ FFT theo tốc độ vòng tua động cơ .................................................. 98 Hình 3.15. Thiết bị dùng module ADS1282 EVM và sơ đồi khối........................... 99 Hình 3.16. Nhiễu nền của bộ thu thập dữ liệu 31 bit ............................................. 100 Hình 3.17. TD và Phổ time-FFT của nhiễu địa điện tại 334 Nguyễn Trãi ............ 101 Hình 3.18. Mô tả phương pháp và thiết bị ước lượng mật độ và tốc độ trung bình .......................................................................................................... 105 6