本科畢業(yè)設計-便攜式瞬變電磁發(fā)射機設計

PAGE中文摘要瞬變電磁法（TransientElectromagneticMethod,TEM）是探測地下未知物體電性參數(shù)的重要方法之一。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步，地下礦產(chǎn)資源變得越來越緊缺，越來越多的問題亟待解決，而隨著現(xiàn)在儀器變得越來越數(shù)字化和智能化，這些問題幾乎都可以用瞬變電磁法來解決，特別是近幾年來在地下水探測、地質(zhì)調(diào)查等領域都發(fā)揮了很大的作用。目前幾乎涉及了地球物理勘探的各個領域包括海洋和空中，可見已成為重要的地球物理勘探方法之一。本設計主要分為兩個組成部分：FPGA控制部分和H型橋路部分。其中FPGA控制部分包括：內(nèi)部電源部分、模數(shù)轉換部分、控制信號驅動電路部分；H型橋路部分包括：驅動電路部分、光電隔離電路部分、由MOSFET管構成的H橋部分?；竟ぷ鬟^程是：由FPGA產(chǎn)生脈沖控制信號，該信號經(jīng)過ULN2803達林頓管進行驅動放大，放大后的控制信號可以控制由MOSFET構成的H型橋路，再通過6N137光電隔離模塊和IR2102S驅動電路的作用，在發(fā)射線圈中就可以得到想要的脈沖發(fā)射電流。通過實驗可以證明，本設計發(fā)射機的發(fā)射線圈尺寸較小面積僅為0.64平方米，發(fā)射電流較大可以達到30A，關斷延遲時間短可以小于50微秒，并且實現(xiàn)了多個橋路的并聯(lián)疊加，達到了設計的要求。關鍵詞： 瞬變電磁法,橋路并聯(lián),便攜，發(fā)射機外文摘要TitlePortabletransientelectromagnetictransmitterAbstractTheTransientElectromagneticMethod(TEM)isoneoftheimportantwaysusedtodetecttheelectricalparametersoftheunknownundergroundobjects.Astheinstrumentsbecomedigital,intelligentandtheincreasingofpower,theTEMcansolvemoreandmoreproblems,ithasawideapplicationprospectinmineralexploration,groundwaterexploration,archaeologyandgeologicalsurvey,etc.Inrecentyearsithasapositiveimpactespeciallyingroundwaterexploration,soilsalinitysurveyandsoon.Nowitalmostinvolvesallofthefieldsofgeophysicalexplorationincludingtheoceanandtheair,ithasbecomeoneoftheimportantgeophysicalexplorationmethodsvisibly.Thisdesignismainlycomposedoftwomajorcomponents:FPGAcontrolpartandbridgesection.Amongthem,theFPGAcontrolpartmainlyincludes:FPGApowersupplymodule,ADmoduleanddrivermodule;thebridgepartmainlyincludes:drivermodule,photoelectricisolationmoduleandbridgemodulecomposedofMOSFETdevices.Thebasicworkprocessis:theFPGAproducesimpulsecontrolsignal,andthenthroughtheULN2803drivenamplifier,thenthesignalwassentto6N137photoelectricisolatedmodule,afterthatthelaunchbridgeroadisdrivenbyIR2102S,thenwecangetthepulsewaveformfromthecoilattheoutputsideofthebridgeroad.Theexperimentsshowthatthecontrolsystemofthedesignhasperfectfunctions,thelaunchcoilhassmallsize,largelaunchcurrent,shorttimedelayforshuttingoffandothercharacteristics,itrealizesthesuperpositionofmultiplebridgeroads,ithashighreliabilityandmeetsthedesignrequirements,anditcanwellsatisfytheneedsofthefielddetections.Keywords:Transientelectromagneticmethod,superpositionofbridgeroads,portable,transmitter目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章緒論 11.1 本課題的研究背景及意義 11.2 瞬變電磁法工作原理 11.3瞬變電磁發(fā)射機主要工作原理 41.4本論文研究內(nèi)容 6第2章FPGA控制電路設計 72.1電源電路設計 72.2FPGA內(nèi)部電源設計 82.3AD轉換電路設計 82.4驅動電路設計 92.5FPGA控制信號軟件設計 92.6本章小結 12第3章發(fā)射橋路設計 133.1驅動電路設計 133.2光電隔離模塊設計 133.3發(fā)射橋路設計 143.4吸收電路設計 153.5本章總結 15第4章本設計發(fā)射機實驗結果分析 164.1加拿大Geonics公司PROTEM瞬變電磁儀 164.2本設計發(fā)射機主要指標 164.3儀器的整體調(diào)試 164.4單個發(fā)射橋路實驗結果 174.5橋路1與橋路2并聯(lián)實驗結果 184.6發(fā)射橋路關斷沿波形 194.7本章小結 20總結 21參考文獻 22致謝 24圖1外接電源電路圖 25圖2FPGA控制電路原理圖 26圖3發(fā)射橋路主要電路圖 27PAGE27第1章緒論本課題的研究背景及意義在瞬變電磁儀器研發(fā)方面，1953年第一個專利被Newmont勘探公司申請，1962年科研工作者研制出了第一臺瞬變電磁儀器，1972年Lamontagne研制出了UTEM－1型瞬變電磁儀器，1974年Crone公司推出了偶極系統(tǒng)的商品儀器，1977年CSIRO研制出了SIROTEM－I型儀器,1980年Geonics研制出了EM－37型儀器等。從70年代開始，我國開始對瞬變電磁儀器的野外應用進行研究，在80年代研制出WDC系列瞬變電磁儀，90年代研制出SD-2型儀器，2001年研制出ATEM－II型瞬變電磁儀，并且都取得了良好的應用效果。隨著現(xiàn)在的儀器變得越來越數(shù)字化和智能化，越來越多的問題可以用瞬變電磁法來解決，特別是近幾年來在地下水探測、地質(zhì)調(diào)查等領域起到良好的作用，目前幾乎涉及了地球物理勘探的各個領域包括海洋和空中，可見已成為重要的地球物理勘探方法之一。本設計的目的在于突破原有的技術，設計出更便攜、發(fā)射電流相對更大、性能更穩(wěn)定的瞬變電磁發(fā)射機。瞬變電磁法工作原理瞬變電磁法（TransientElectromagneticMethods）是近年來發(fā)展最快的勘探方法之一，關于瞬變電磁法的相關應用早在30年代就被科學家提出，50年代開始才被應用于資源勘探，在很多領域都取得了良好的應用效果。80年代初開始，我國對瞬變電磁法的理論及野外實驗研究都投入了大量工作，并取得了一定研究成果。瞬變電磁法是利用發(fā)射線圈向地下發(fā)射一次脈沖電流，這個電流能夠在地下感應出穩(wěn)定的磁場，當脈沖發(fā)射電流關閉后，在地下介質(zhì)中會產(chǎn)生一個渦流，渦流的大小和地下介質(zhì)導電性等參數(shù)有關。在該渦流消失之前會有一個過渡過程，該過程中會產(chǎn)生向地表傳播的磁場，這個變化的磁場在地面接收線圈中轉化為感應電壓的變化，通過反演處理我們可以知道地下未知介質(zhì)的參數(shù)。瞬變電磁法的探測原理如圖1.2.1所示，x軸代表地面，地表接收線圈中的二次電磁場是由地下感應出的渦流產(chǎn)生的，這個渦流同時向外和向下擴散，形狀就像一個“煙圈”，因此瞬變電磁的工作原理又可以用“煙圈效應”來形象地描述。隨時間的變化，渦流的分布將受到地下介質(zhì)參數(shù)的影響，因此可以用早期的二次電磁場分析淺層地下未知介質(zhì)參數(shù)，用晚期的二次電磁場分析深層地下未知介質(zhì)的參數(shù)。因此，通過對瞬變電磁場隨時間變化規(guī)律的研究，我們就可以達到了解地下介質(zhì)參數(shù)的目的，這就是瞬變電磁法的工作原理。圖1.2.1等效電流環(huán)圖1.2.1等效電流環(huán)Zxt>0t=t3t=t2t=t1Tx。根據(jù)電磁感應原理可知，當?shù)孛姘l(fā)射線圈中的脈沖發(fā)射電流突然關閉時，在發(fā)射線圈周圍就會感應出一次磁場，當一次磁場在地下導電介質(zhì)中傳播時，會在介質(zhì)中產(chǎn)生感應電流，這個電流被稱為二次電流，感應過程如圖1.2.2所示。隨著時間的變化，在二次電流向外傳播的過程中會產(chǎn)生感應磁場，這個磁場被稱為二次磁場。二次電流傳播過程中感應出的二次磁場是隨時間大致按指數(shù)規(guī)律衰減的，衰減規(guī)律如圖1.2.3所示。二次場主要由地下良導電體中的二次電流感應而來，因此通過接收線圈對二次場的數(shù)據(jù)采集，以及后期對接收數(shù)據(jù)的處理，就可以知道地下介質(zhì)的物理參數(shù)。圖1.2.2瞬變電磁法工作示意圖圖1.2.3瞬變電磁法實際發(fā)射波形示意圖當把一個圓柱形螺線管線圈放到變化的磁場中時，在線圈中就會產(chǎn)生相應的感應電動勢，假設線圈匝數(shù)為N，橫截面積為S，真空磁導率為，螺線管長度為，則感應電動勢的大小為：1.2.11.2.2由以上兩個公式1.2.1和1.2.2可知，在接受線圈中的感應電動勢值的大小可以反應一次磁場和二次磁場，所以，通過對感應電動勢的數(shù)據(jù)處理，可以得到二次場曲線，通過對二次場曲線分析就能知道地下未知介質(zhì)的參數(shù)。1.3瞬變電磁發(fā)射機主要工作原理一般情況下，發(fā)射機的發(fā)射功率越大它的應用范圍越廣，同時體積和重量也會越大，這使得瞬變電磁法的應用又有了局限，因此，在滿足發(fā)射機功率的前提下減少發(fā)射機的體積和重量一直是我們追求的目標。本設計采用由MOSFET構成的橋式發(fā)射電路，通過發(fā)射橋路的并聯(lián)疊加，可以在小發(fā)射線圈的前提下實現(xiàn)大功率發(fā)射，這樣就可解決上述矛盾。對于瞬變電磁發(fā)射機，人們最關注的往往是最大發(fā)射電壓、最大發(fā)射電流、額定發(fā)射功率、關斷延遲時間、與接收機同步等幾個方面。其中，發(fā)射功率與有效探測深度有關，關斷延遲時間與淺層探測精度有關。因此，本設計希望能實現(xiàn)發(fā)射功率較大、關斷延遲時間較短、發(fā)射線圈面積較小、重量較輕等功能的便攜式瞬變電磁發(fā)射機。發(fā)射機的主要組成部分如圖1.3.1所示，包括外接蓄電池、發(fā)射橋路、FPGA控制電路、發(fā)射線圈等部分。大概工作過程是：由FPGA產(chǎn)生脈沖控制信號，經(jīng)過ULN2803進行驅動放大，放大后的控制信號被送到由MOSFET構成的H型發(fā)射橋路，再通過6N137光電隔離模塊和IR2102S驅動電路的作用，在發(fā)射線圈中就可以得到想要的脈沖發(fā)射電流。圖1.3.1瞬變電磁發(fā)射機主要原理框圖發(fā)射機的主回路為如圖1.3.2所示的H型橋路，負載是由一定長度導線構成的發(fā)射線圈，ED是外接直流電源或蓄電池。用FPGA產(chǎn)生橋路控制信號，控制功率管交替閉合導通輸出信號，功率管由圖中S1、S2、S3、S4代表，S1和S3導通時輸出正脈沖，S2和S4導通時輸出負脈沖，在負載上可以獲得如圖1.3.3所示的幾種輸出電壓波形，我們選擇方式1。圖1.3.2發(fā)射機主回路示意圖圖1.3.3發(fā)射機幾種輸出電壓波形1.4本論文研究內(nèi)容本設計共分為4章，其具體結構主要安排如下：第1章 緒論部分，主要介紹了本設計的研究背景和意義，瞬變電磁法工作原理以及本文的主要研究內(nèi)容。第2章 FPGA控制電路設計，主要介紹了FPGA以及與其相關的輔助電路的設計，最重要的是基于QuartusII的軟件設計，設計出了控制橋路的FPGA控制信號。第3章發(fā)射橋路的設計，主要包括驅動電路部分、光電隔離電路部分和由MOSFET構成的H型橋路設計部分，最重要的是H型橋路部分的吸收電路設計。第4章本章介紹了國外瞬變電磁發(fā)射機的性能，并通過實驗結果分析本設計的各項指標，通過實驗結果驗證本設計的可行性及可靠性。第2章FPGA控制電路設計2.1電源電路設計該部分主要提供FPGA控制電路及發(fā)射橋路中的電源模塊所需的12V和5V電壓。該部分電路主要包括電源模塊和濾波電路模塊，主要電路圖如圖2.1.1和2.1.2所示。 圖2.1.1電源模塊主要電路圖圖2.1.2電源濾波電路原理圖2.2FPGA內(nèi)部電源設計 該部分電路主要負責給FPGA模塊提供工作電源，電路主要原理圖如圖2.2.1所示。圖2.2FPGA內(nèi)部電源主要電路圖2.3AD轉換電路設計該部分電路主要包括18位AD模塊AD7982和驅動運放部分。AD7982是一款18位的模數(shù)轉換器，采用單電源供電；驅動模塊本設計選擇ADA4941，它無需外接其他元件就能實現(xiàn)大于2的增益，同時還具有低失真以及高信噪比（SNR）等重要特性。模數(shù)轉換電路原理圖如圖2.3所示。圖2.3AD轉換電路主要原理圖2.4驅動電路設計由于FPGA產(chǎn)生的控制信號電壓及電流值有限制，不滿足給發(fā)射橋路提供控制信號的要求，因此在FPGA控制信號輸出端需要有驅動電路，本設計采用高電壓大電流的八達林頓晶體管ULN2803，經(jīng)過ULN2803的控制信號滿足設計要求，該部分主要電路圖如圖2.4所示。 圖2.4驅動電路主要原理圖2.5FPGA控制信號軟件設計該部分設計主要是對FPGA進行編程控制，產(chǎn)生控制功率管交替關斷導通的信號，軟件部分主要由兩個部分構成：分頻部分和控制信號輸出部分。2.5.1分頻模塊設計FPGA電路晶振頻率選用30MHz，F(xiàn)PGA提供的時鐘頻率不滿足設計要求，因此有必要在軟件設計部分對時鐘信號進行分頻，其中計數(shù)分頻模塊如圖2.5.1所示。 圖2.5.1分頻模塊原理圖2.5.2控制信號設計由于本設計采用兩個發(fā)射橋路并聯(lián)輸出以提高發(fā)射功率，為滿足兩個發(fā)射橋路的同步，可以使FPGA的控制信號輸出端同時接到兩個不同的ULN2803驅動芯片，每一個驅動芯片驅動不同的發(fā)射橋路，這樣可以在滿足兩個發(fā)射橋路并聯(lián)的同時，實現(xiàn)兩個橋路控制信號的同步?？刂菩盘柵cFPGA外部管腳分配如圖2.5.2所示。圖2.5.2控制信號管腳分配圖2.5.3FPGA主程序基于QuartusII對FPGA進行編程，主要程序部分如下所示。該程序主要功能是產(chǎn)生一個控制信號，控制H型橋路中的八個功率管交替導通，在輸出端的發(fā)射線圈中即可得到想要的脈沖發(fā)射電流。casekkkis when0=> k<="0110"; when1=> k<="0000"; when2=> k<="1001"; when3=> k<="0000"; endcase;kkk<=kkk+1;ifkkk=3thenkkk<=0; endif;2.5.4控制信號仿真結果分析仿真波形如圖2.5.3所示，根據(jù)仿真結果可知該軟件設計部分滿足系統(tǒng)設計要求。其中clk是經(jīng)過分頻的時鐘信號，K[3..0]和K[7..4]是經(jīng)過FPGA產(chǎn)生的控制信號輸出端口，區(qū)別在于二者是經(jīng)過不同的ULN2803管腳進行驅動的，并且二者用于控制兩個不同的發(fā)射橋路，以實現(xiàn)兩個發(fā)射橋路的并聯(lián)。圖2.5.3控制信號仿真波形圖 當k[3]、k[0]高電平時發(fā)射線圈中產(chǎn)生正脈沖，當k[2]、k[1]高電平時發(fā)射線圈中產(chǎn)生負脈沖，k[7..4]原理相同。2.6本章小結本章主要針對FPGA控制部分進行了設計與仿真，完成了以下工作內(nèi)容：1.完成了提供控制信號的FPGA電路設計，包括內(nèi)部電源、AD轉換、驅動電路等方面的設計；2.對FPGA進行軟件編程并仿真結果，基于QuartusII對FPGA進行編程并仿真驗證，仿真結果驗證了設計的可行性。第3章發(fā)射橋路設計3.1驅動電路設計本設計開關器件選擇MOSFET功率器件IRF3205，使用MOSFET設計電路的關鍵之一就是驅動電路的設計，IRF3205導通后，為了保證它始終保持在飽和狀態(tài)，甚至在瞬間過載時，也要保證它不退出飽和狀態(tài)，這就要求驅動電路必須有足夠大的驅動功率。每一個生產(chǎn)MOSFET功率器件的公司在推出MOSFET的同時，一般都會同時推出與其相配套的驅動電路，這樣能使驅動電路與MOSFET功率器件得到最優(yōu)的搭配。本設計的驅動芯片選擇美國國際整流器公司生產(chǎn)的IR2102S，它是高速的MOSFET和IGBT專用的集成驅動電路。驅動電路主要電路原理圖如圖3.1所示。 圖3.1驅動電路3.2光電隔離模塊設計為了使大電流回路部分和數(shù)字電路部分隔離，保證系統(tǒng)的正常工作，在IR2102S驅動電路前還需要設計光電隔離電路，本設計選用6N137光電耦合器，由于6N137固有的特性，用它設計的光電隔離電路不會影響驅動部分的延遲。光電隔離電路主要原理圖如圖3.2所示。 圖3.2光電隔離電路主要原理圖3.3發(fā)射橋路設計本設計的發(fā)射橋路開關器件選用MOSFET器件IRF3205，IRF3205的通態(tài)電阻很小，因此在發(fā)射電流大時，不會有很大的電阻損耗，工作效率較高，不需要太大的散熱空間即可滿足散熱要求，只需要一般的散熱方式即可達到目的，這樣可以使得發(fā)射系統(tǒng)的體積減小并且工作可靠性得到提高。為了得到更好的脈沖發(fā)射電流波形，可以使兩個IRF3205并聯(lián)工作，由于IRF3205具有自均流的特點，可以并聯(lián)使用。H型橋路主要電路原理圖如圖3.3所示。圖3.3發(fā)射橋路主要電路圖3.4吸收電路設計在IRF3205導通時會流過很大的電流，關斷時又要承受很高的電壓，并且在導通與關斷之間轉換的時候，電路中的儲能元件會承受很大的沖擊，因此就有必要設計附加的能量吸收電路，提高電路的可靠性。近年來隨著軟關斷技術的發(fā)展，緩沖吸收電路有很多種，考慮到電路的實用性及設計的要求，本設計采用如圖3.4所示的充放電型RCD吸收電路。 圖3.4吸收電路主要原理圖圖中D1和D11采用超快恢復的二極管，DL1采用大電流快恢復二極管，與R31和C1共同組成RCD緩沖吸收電路。3.5本章總結本章主要對瞬變電磁發(fā)射機的發(fā)射橋路進行設計，主要包括驅動電路、光電隔離電路、H橋路的設計，其中H橋的設計是關鍵，特別是緩沖吸收電路的設計，因為緩沖吸收電路設計的好壞直接影響發(fā)射波形的下降沿關斷時間長短，而下降沿的延遲時間長短又會直接影響到瞬變電磁探測的精度。第4章本設計發(fā)射機實驗結果分析本章介紹了國外瞬變電磁發(fā)射機的主要性能指標，并且對本設計的發(fā)射機進行實驗分析，通過結果驗證系統(tǒng)的工作性能。4.1加拿大Geonics公司PROTEM瞬變電磁儀TEM47HP井下探水系統(tǒng)主要技術指標如下：電流波形：偶極性方波基本頻率：25、62.5、285Hz發(fā)射線圈尺寸：面積2.25平方米的正方形線圈輸出電壓：0—12V最大輸出電流：10A重量：6公斤4.2本設計發(fā)射機主要指標本設計主要指標如下：發(fā)射線圈尺寸：面積0.64平方米的正方形線圈線圈1的電阻約為0.1Ω，線圈2的電阻約為0.05Ω輸出電壓范圍：0—2V輸出電流范圍：0—30A重量：2公斤以下4.3儀器的整體調(diào)試如下圖4.3所示，將FPGA控制電路和發(fā)射橋路中的電源模塊分別與外接電源連接，用大功率電源給MOSFET供電，在發(fā)射線圈即可得到想要的脈沖發(fā)射電壓波形。圖4.3本設計各部分電路板相連實物圖4.4單個發(fā)射橋路實驗結果當發(fā)射系統(tǒng)只使用單個發(fā)射橋路時，發(fā)射波形如下圖所示，指標滿足設計要求。圖4.4.1橋路1發(fā)射電壓波形圖圖4.4.2橋路2發(fā)射電壓波形圖4.5橋路1與橋路2并聯(lián)實驗結果當發(fā)射系統(tǒng)使用兩個并聯(lián)橋路時，發(fā)射電壓波形如下圖4.5所示，根據(jù)示波器波形可以看出，兩個橋路很好地實現(xiàn)了并聯(lián)，實現(xiàn)了發(fā)射電流的同步。 圖4.5兩個橋路并聯(lián)發(fā)射電壓波形圖4.6發(fā)射橋路關斷沿波形發(fā)射橋路1關斷波形如圖4.6.1所示，根據(jù)示波器波形可看出，關斷延遲時間小于50us，滿足設計要求。圖4.6.1發(fā)射橋路1關斷延遲時間波形圖發(fā)射橋路2關斷波形如圖4.6.2所示，根據(jù)示波器波形可看出，關斷延遲時間小于50us，滿足設計要求。圖4.6.2發(fā)射橋路2關斷延遲時間波形圖4.7本章小結本章主要對該設計進行實驗結果分析，并與國外已有瞬變電磁發(fā)射機性能進行比較，通過實驗結果分析可知該設計滿足了設計要求，設計出了發(fā)射線圈面積0.64平方米、最大發(fā)射電流30A、關斷延遲時間小于50um、可以多個發(fā)射橋路并聯(lián)疊加的瞬變電磁發(fā)射機。 總結本文主要介紹了利用FPGA進行控制的瞬變電磁發(fā)射機，并完成了相應部分的電路設計。設計的重點在于發(fā)射橋路的設計以及發(fā)射橋路的并聯(lián)，因此發(fā)射橋路的功率器件選擇、光電隔離及驅動電路設計、緩沖吸收電路設計、控制信號的同步成為本設計的重點以及難點。本設計的創(chuàng)新點在于使用了兩個發(fā)射橋路并聯(lián)，國內(nèi)外研制出的瞬變電磁發(fā)射機都是使用單個發(fā)射橋路，發(fā)射功率及發(fā)射電流等參數(shù)有所局限，本設計考慮使用兩個發(fā)射橋路并聯(lián)，因此發(fā)射功率和發(fā)射電流都得到明顯提高。通過實驗結果驗證，本設計達到了設計的要求，設計出了發(fā)射線圈面積0.64平方米、最大發(fā)射電流30A、關斷延遲時間小于50um、可以多個發(fā)射橋路并聯(lián)疊加的瞬變電磁發(fā)射機。參考文獻[1]林君.電磁探測技術在工程與環(huán)境中的應用現(xiàn)狀[J].物探與化探（2000）.6:1-11[2]王淑玲．基于浮點放大的瞬變電磁法接收機的研制[D]．長春：吉林大學.2001．[3]劉麗萍．基于DSP的瞬變電磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[D]．長春：吉林大學.2005．[4]嵇艷鞠，林君，程德福，于生寶.ATEM-Ⅱ