磁性源非調製式發射機及控制方法
2023-12-09 14:56:36 2
磁性源非調製式發射機及控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種磁性源非調製式發射機，是由主控制模塊分別連接人機接口、GPS模塊和WIFI模塊、筆記本電腦，主控制模塊經A/D模塊和H橋路與電源連接，主控制模塊經驅動模塊、鉗位電路和H橋路與發射線圈連接，驅動模塊經阻尼吸收電路和H橋路與發射線圈連接，驅動模塊與H橋路連接，鉗位電路與A/D模塊連接構成。解決了電流下降為零時的振鈴現象，對減小淺層探測中的一次場影響具有重要作用，得到了更「純淨」的二次場信號，提高了瞬變電磁數據的質量，尤其是對瞬變電磁的早期數據，為瞬變電磁數據處理和反演提供了高質量的數據。適用於多種形式的發射線圈，發射電流波形可控制，關斷延時短、電流下降沿線性度高、發射電流大、電流前沿上升速度加快。
【專利說明】磁性源非調製式發射機及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種地球物理勘探設備，尤其是瞬變電磁發射系統，特別是發射天線為強感性磁性源(線圈)負載的磁性源電磁發射機。
【背景技術】
[0002]時間域瞬變電磁法(TEM)是地球物理探測領域裡一種應用前景十分廣闊的勘探方法，且目前已經成功地應用於煤礦、金屬礦、石油、煤氣勘查等工程探測方面。瞬變電磁發射機通常使用大電感、小電阻的線圈負載，尤其在航空電磁法和井下電磁法等特殊場合對線圈的尺寸有所限制，實際上多採用多匝小線圈。因此，對於瞬變電磁磁性源發射機的功率變換電路提出了特殊的要求。
[0003]CN203786309U公開了一種「瞬變電磁發射機被動吸收電路」，採用TVS管、SIDAC器件來吸收關斷時發射線圈中的發射電流，減小電流關斷時間，但是往往應用在強感性磁性源(線圈)負載上關斷延時還是太長，而且關斷延時電流波形下降沿非線性，不可控制，淺層盲區很大。
[0004]現有的航空瞬變電磁發射機使用調製式發射技術，雖然減小了電流關斷延時和電流上升時間，但是發射電流波形是經調製過的，波形不穩定，電流紋波較大，會產生電磁幹擾，從而影響探測精度。
[0005]趙海濤在〈儀器儀表學報>2013年第4期P803-808公開了《恆壓鉗位高速關斷瞬變電磁發射系統》，提到了 「恆壓鉗位電路」，該電路應用後，電流關斷延時短，電流下降沿線性度高，並提升了電流前沿上升速度，但在關斷後電流有反向，並且帶有振蕩，對二次場影響比較大，也給數據反演解釋帶來了很大的難度。
【發明內容】
[0006]本發明的目的就是針對上述現有技術存在的不足，提供一種針對強感性磁性源(線圈)負載，能夠在使用感性較大的發射線圈時，通過對功率變換電路改進和控制，實現發射電流高速關斷，下降沿線性度好，關斷後波形無振蕩，無反向，電流前沿上升速度加快，並且採用閉環自動控制的磁性源非調製式發射機。
[0007]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0008]磁性源非調製式發射機，是由主控制模塊I分別連接人機接口 8、GPS模塊和WIFI模塊7、筆記本電腦11，主控制模塊I經A/D模塊6和H橋路3與電源9連接，主控制模塊I經驅動模塊2、鉗位電路4和H橋路3與發射線圈10連接，驅動模塊2經阻尼吸收電路5和H橋路3與發射線圈10連接，驅動模塊2與H橋路3連接，鉗位電路4與A/D模塊6連接構成。
[0009]所述的H橋路3正向供電開始Ql和Q4導通，Q3、Q2和Q5截止，當Ql和Q4截止，Q3和Q2導通，Q3、Q2和Q5中的續流二極體和電容Cl構成續流迴路，負載能量轉移到Cl ；負向供電截止Ql、Q4和Q5中的續流二極體和電容C1構成續流迴路。
[0010]所述的發射線圈10為100 * 10m單阻線圈、Im * Im多阻線圈、2m * 2m多阻線圈或20m * 20m多匝線圈。
[0011]所述的主控制模塊I通過雙閉環控制發射電路，其中一組閉環網絡控制鉗位電路4的鉗位電壓自動調整到所設電壓；另一組閉環網絡通過控制阻尼吸收電路3自動調整吸收，使關斷後的電流波形無震蕩。
[0012]所述的電源9進入橋路前串有二極體，二極體在發射電流截止時刻發射線圈10上的瞬間高壓不會對電源造成衝擊，鉗位電路4的高壓電容將此能量儲存，在脈衝電流上升沿放電時，能量全部加在發射線圈10上，而不會回饋到電源9，降低了能量損耗，且大大提升了電流脈衝前沿上升速度。
[0013]所述的H橋路3功率開關管兩端設有保護單元，在橋路正常打開後將保護單元中的能量經過發射線圈放掉，提升了電流前沿，並且不對電流關斷有影響。
[0014]磁性源非調製式發射機的控制方法，包括以下步驟:
[0015]A、首先儀器啟動準備設置參數，包括:頻率、佔空比、發射電流最大值、鉗位電壓和線圈類型
[0016]B、設置好參數後準備發射，儀器進入預發射狀態，啟動發射後，發射機先給電容充電，充電完成後進入參數校正階段，參數校正結束；
[0017]C、驅動控制，使用兩組閉環控制，兩組閉環同時工作:
[0018]其中一組控制鉗位電壓，通過測量高壓電容兩端的電壓後，將模擬量轉換為數字量，然後進行數字濾波，開口時間調整，參數修正；
[0019]另一組網絡通過控制阻尼吸收電路，採集發射電流，關斷延時測量，吸收時間調整，參數修正；
[0020]D、經過雙閉環控制後，發射機進行高壓參數修正和關斷延時測量修正，詢問是否停止發射，如果停止發射跳到設置參數頁面，如果不停止發射，則開始測量；
[0021]E、該控制方法實現了發射機自動工作，操作人員只需設置好初始發射機自動完成工作。
[0022]有益效果:解決了電流下降為零時的振鈴現象，對減小淺層探測中的一次場影響具有重要作用，得到了更「純淨」的二次場信號，提高了瞬變電磁數據的質量，尤其是對瞬變電磁的早期數據，對減小淺部勘探盲區有效地發揮了作用，也為也為瞬變電磁數據處理和反演方法提供了高質量的數據。適用於多種形式的發射線圈，如100m* 10m大面積單匝線圈、2m * 2m或Im * Im多阻小線圈、20m * 20m多阻線圈。發射電流波形可控制，具有關斷延時短、電流下降沿線性度高、發射電流大、電流前沿上升速度加快。
[0023]①、關斷阻尼吸收使用無感電阻和功率開關管Q6串聯在一起，然後再並聯到發射線圈兩端。當發射電流關斷到底部時，馬上打開功率開關管，把吸收電阻Rl切入，消耗負載剩餘能量，消除電流下降為零時的振鈴現象，使負載電流完全線性下降，且無反向。
[0024]②、功率開關管保護:常規的功率開關管保護電路:RCD吸收電路，雖然可以保護主橋路的Ql、Q2、Q3、Q4開關管，但是在關斷瞬間RCD吸收電路中的電容C會迅速充電，在主橋路正常工作時，電容C中的電荷會通過發射線圈放掉，這樣便會在發射電流波形中產生振蕩現象。本發明提出一種新的保護技術，與保護單元串聯一個開關，在電流上升時將電荷放掉，並加快了發射波形的前沿。
[0025]③、發射電流波形可控:發射電流下降沿、發射電流的周期、佔空比都可以由主控電路的MCU控制。發射電流下降沿可通過控制鉗位電路的鉗位高壓，從而改變關斷時間。發射電流的平頂可由電源板的輸出決定，由於發射線圈確定後，電阻也就確定了，所以發射電流可由電源的輸出電壓控制。
[0026]④、單片數字可編程邏輯器件控制方法:閉環控制，控制方法採用兩組閉環控制，其中一組在使用不同感性負載時，根據所測得的電流關斷延時調整阻尼吸收電路的切入時間，完成電流拖尾效應的吸收；一組通過測量鉗位電路中高壓電容的電壓來調整鉗位電路打開時間，從而使高壓電容兩端電壓與設定鉗位電壓值相同，實現系統自動控制。
[0027]應用範圍廣泛，即適用於地面大面積發射線圈，又適用於礦井隧道多匝小線圈，還適用於航空，固定翼多匝線圈。
【專利附圖】
【附圖說明】
:
[0028]圖1為磁性源非調製式發射機結構框圖
[0029]圖2為圖1中H橋路3的電路圖
[0030]圖3為磁性源非調製式發射機的控制方法流程圖
[0031]圖4為磁性源非調製式發射機的操作流程圖
[0032]圖5為磁性源非調製式發射機的發射電流波形示意圖
[0033]I主控制模塊，2驅動模塊，3H橋路，4鉗位電路，5阻尼吸收電路，6A/D模塊，7GPS模塊和WIFI模塊，8人機接口，9電源，10發射線圈，11筆記本電腦，12發電機，13電池。
【具體實施方式】
:
[0034]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明:
[0035]磁性源非調製式發射機，是由主控制模塊I分別連接人機接口 8、GPS模塊和WIFI模塊7、筆記本電腦11，主控制模塊I經A/D模塊6和H橋路3與電源9連接，主控制模塊I經驅動模塊2、鉗位電路4和H橋路3與發射線圈10連接，驅動模塊2經阻尼吸收電路5和H橋路3與發射線圈10連接，驅動模塊2與H橋路3連接，鉗位電路4與A/D模塊6連接構成。
[0036]所述的H橋路3正向供電開始Ql和Q4導通，Q3、Q2和Q5截止，當Ql和Q4截止，Q3和Q2導通，Q3、Q2和Q5中的續流二極體和電容Cl構成續流迴路，負載能量轉移到Cl ；負向供電截止Ql、Q4和Q5中的續流二極體和電容C1構成續流迴路。
[0037]所述的發射線圈10為100 * 10m單阻線圈、Im * Im多阻線圈、2m * 2m多阻線圈或20m * 20m多匝線圈。
[0038]所述的主控制模塊I通過雙閉環控制發射電路，其中一組閉環網絡控制鉗位電路4的鉗位電壓自動調整到所設電壓；另一組閉環網絡通過控制阻尼吸收電路3自動調整吸收，使關斷後的電流波形無震蕩。
[0039]所述的電源9進入橋路前串有二極體，二極體在發射電流截止時刻發射線圈10上的瞬間高壓不會對電源造成衝擊，鉗位電路4的高壓電容將此能量儲存，在脈衝電流上升沿放電時，能量全部加在發射線圈10上，而不會回饋到電源9，降低了能量損耗，且大大提升了電流脈衝前沿上升速度。
[0040]所述的H橋路3功率開關管兩端設有保護單元，在橋路正常打開後將保護單元中的能量經過發射線圈放掉，提升了電流前沿，並且不對電流關斷有影響。
[0041]磁性源非調製式發射機的控制方法，包括以下步驟:
[0042]A、首先儀器啟動準備設置參數，包括:頻率、佔空比、發射電流最大值、鉗位電壓和線圈類型
[0043]B、設置好參數後準備發射，儀器進入預發射狀態，啟動發射後，發射機先給電容充電，充電完成後進入參數校正階段，參數校正結束；
[0044]C、驅動控制，使用兩組閉環控制，兩組閉環同時工作:
[0045]其中一組控制鉗位電壓，通過測量高壓電容兩端的電壓後，將模擬量轉換為數字量，然後進行數字濾波，開口時間調整，參數修正；
[0046]另一組網絡通過控制阻尼吸收電路，採集發射電流，關斷延時測量，吸收時間調整，參數修正；
[0047]D、經過雙閉環控制後，發射機進行高壓參數修正和關斷延時測量修正，詢問是否停止發射，如果停止發射跳到設置參數頁面，如果不停止發射，則開始測量；
[0048]E、該控制方法實現了發射機自動工作，操作人員只需設置好初始發射機自動完成工作。
[0049]主控制模塊是以數字可編程邏輯器件為核心，外圍設有通信總線、發射時序隔離輸出電路、A/D轉換模塊、GPS模塊、無線WIFI模塊、人機接口等；所述驅動模塊把橋路控制信號放大後輸出給發射電路的功率開關管；所述發射電路採用可調恆壓鉗位高速關斷技術、脈衝前沿提升技術、關斷阻尼吸收技術，功率開關管保護技術；所述電源板提供12-96V電壓，輸出總功率很高；所述發射天線為強感性磁性源(線圈)負載。
[0050]如圖1所示，瞬變電磁磁性源非調製式發射機，包括主控制模塊1、驅動模塊2、H橋路3、鉗位電路4、阻尼吸收電路5、電源9、人機接口 8、GPS模塊和WIFI模塊7構成發射機儀器整體。發射機整體分為四層。所述主控制模塊I處於儀器最上層，主控制模塊I以數字可編程邏輯器件為核心，並且資源豐富，板上的接口與驅動模塊2相連；所述驅動模塊2位於主控制模塊I的下一層，驅動模塊2的輸出信號分別接H橋路3、鉗位電路4、和阻尼吸收電路5的功率開關管來控制發射；所述H橋路3、鉗位電路4、和阻尼吸收電路5如圖2所示位於儀器整體的第三層，另外還與電源9相連，電源9給發射電路供電；所述電源9通過發射機機殼上的接口與外部的蓄電池13或者發電機12相連，電源9使用VICOR公司的電源模塊，位於儀器整體的最下層；人機接口與主控制板上的接口相連，經過線束引到了發射機面板上，所述人機接口 8包括12864液晶顯示屏、防沙防塵防水按鍵；GPS模塊和WIFI模塊7與主控制板上的接口相連，所述GPS模塊使用Ublox公司的LEA-6T，WIFI模塊使用有人科技公司的USR-WIFI232-B ;發射線圈10與發射機機殼的輸出接口相連，所述發射線圈可以是100 * 10m大面積單阻線圈，也可以是Im * Im或2m * 2m多阻線圈，還可以是20m * 20m多匝線圈。
[0051]如圖2所示，磁性源非調製式發射機的發射電路，包括由4個功率開關管(Q1、Q2、Q3、Q4)組成的H橋路3、多匝發射線圈10、由功率開關管串聯一個吸收電阻組成阻尼吸收電路、由一個功率開關管和一個高壓電容組成鉗位電路，每個功率開關管兩端都有一個保護電路，所述保護電路由一個功率開關管(S1、S2、S3、S4)串聯一個保護單元組成。發射電路供電由電源9提供，D2、L1和C2組成瞬態功率電路，為發射電路提供瞬態高電流。
[0052]發射電路在數字可編程邏輯器件的控制下輸出雙極性梯形波，橋路加電後，首先對鉗位電路的高壓電容充電，達到預設定值後(充電時間大概I分鐘)，系統開始正常工作。正向供電開始時刻，Q1、Q4導通，Q3、Q2、Q5截止，發射線圈通過正向電流。在Q1、Q4截止後，Q3、Q2和Q5中的續流二極體和電容Cl構成續流迴路，負載能量轉移到Cl。由於鉗位電壓為預設定值(一般遠大於電源9的輸出電壓)，發射線圈電壓在電流下降期間不變，發射電流迅速線性下降。在負向供電截止時刻，QU Q4和Q5中的續流二極體和電容C1構成續流迴路，同樣，發射電流迅速線性下降。配合阻尼吸收電路，消除電流下降為零附近的振鈴現象。如圖3所示，在電流下降為零時，阻尼吸收電路切入的時間不同，電流拖尾也不同。(恆壓鉗位電路實現Cl兩端電壓的穩定。設定穩壓值為U。，當電壓小於Uc時，Q5截止，Cl充電；當電壓大於U。時，Q5在下個脈衝電流上升沿導通，Cl放電，能量由發射線圈消耗，並可提升電流上升速度，使其儘快達到穩定值。另外二極體Dl有著積極意義。由於二極體的單向導通性，發射電流截止時刻，發射線圈上的瞬間高壓不會對電源造成衝擊；電容Cl在脈衝電流上升沿放電時，能量全部加在發射線圈上，而不會回饋到電源，降低了能量損耗，且大大提升了電流脈衝前沿上升速度。電源進入H橋路之前加了一個二極體D2、緩衝電感LI和瞬態功率電容，是為了給發射電路提供瞬態電流，緩衝電感LI的作用是防止瞬態電流過大，把瞬態功率電容C2衝擊壞，起到保護作用。
[0053]如圖3磁性源非調製式發射機的控制方法流程圖所示，控制採用雙閉環控制，首先儀器啟動準備設置參數，包括:頻率、佔空比、發射電流最大值、鉗位電壓和線圈類型。設置好參數後準備發射，儀器進入預發射狀態，啟動發射後，發射機先給電容充電，充電完成後進入參數校正階段，使用兩組閉環控制網絡，其中一組控制鉗位電壓，通過測量高壓電容兩端的電壓後，將模擬量轉換為數字量，然後進行數字濾波處理，與之前設置好的參數比較後調整鉗位電路功率開關管的打開時間的長短，從而調整了高壓電容兩端的電壓，自動調整到預設置鉗位電壓；另一組網絡通過控制阻尼吸收電路，將發射電流採集回來，通過對電流關斷延時的測量，將關斷延時稍微調整，使阻尼吸收電路在電流下降為零之前切入，這樣可以防止電流過衝反向和振蕩，也可以使發射電流關斷波形儘量線性。經過雙閉環網絡控制後，系統進行高壓參數修正和關斷延時測量修正，軟體詢問是否停止發射，如果停止發射軟體跳到，設置參數頁面，如果不停止發射，則開始測量。系統採用本軟體控制實現了發射機自動化工作，操作人員只需設置好初始發射機自動完成工作。
[0054]具體工作過程:磁性源非調製式發射機通過數字可編程邏輯器件控制各個模塊和信號的輸出。儀器開關打開後，操作人員可以通過人機接口 8對發射機的工作參數進行設置，具體參數包括頻率、佔空比、發射電流最大值、鉗位電壓、線圈類型等，操作人員還可以通過筆記本電腦11對參數進行設置，將筆記本電腦11與發射機連接，並使用上位機高級語言通過串口將參數傳到數字可編程邏輯器件內解析。然後將發射機與蓄電池、發射天線連接好，最後點擊發射按鈕，發射機開始工作，如圖4所示。
[0055]數字可編程邏輯器件輸出控制橋路信號，其中有兩路信號是控制主橋Ql、Q2、Q3、Q4的信號，採用嚴格的互鎖邏輯，防止同一橋壁信號導通造成電源板的正負極導通短路。控制橋路信號輸出通過光電耦合器，目的是起到隔離作用，防止強電幹擾弱電部分，造成數字可編程邏輯器件時序混亂。從光耦輸出的信號連接到驅動模塊，驅動使用落木源公司的驅動板，能夠穩定可靠的讓橋路正常工作，通過發射線圈輸出雙極性梯形波。主控制模塊I上的A/D模塊6將發射機所發射的電流波形採集回來，在液晶屏上顯示出發射電流的平頂電流值，關斷延時等參數，還可以觀察電流關斷波形，從而在野外等環境沒有示波器的情況下就能了解到此時發射機是否工作正常。另外主控制模塊I上還有高壓保護電路模塊，當A/D模塊6測得鉗位電路的高壓電容兩端電壓高出所設定的安全電壓值後，系統就會認為此時處於危險狀態，就會自動給高壓電容放電，並停止工作，這樣就起到了高壓保護的目的，使系統更加安全地工作。
[0056]但是如果功率開關管使用常規的RCD吸收電路，此時發射線圈兩端在電流下降為零時還會有一些微小的振蕩，這種振蕩就是RCD吸收電路所帶來的影響，所以本發明使用一種特殊的保護電路。所述保護電路為當功率開關管關閉時，保護電路起作用，吸收功率開關管兩端的尖峰電壓，保護開關管；在正向供電開始時刻，S1、S4打開，將電容中的電荷放掉，在負向供電截止時刻，S2、S3打開，同樣將電容中的電荷放掉。這樣，在關斷後，保護電路的放電已經結束，不會有電流通過發射線圈，消除了發射電流拖尾的振蕩，具體發射電流示意圖見圖5，這樣的電流發射波形會為後序瞬變電磁數據處理和反演方法提供了高質量的數據。
【權利要求】
1.一種磁性源非調製式發射機，其特徵在於，是由主控制模塊(1)分別連接人機接口(8)、GPS模塊和WIFI模塊(7)、筆記本電腦(11)，主控制模塊(1)經A/D模塊(6)和Η橋路⑶與電源(9)連接，主控制模塊⑴經驅動模塊(2)、鉗位電路(4)和Η橋路(3)與發射線圈(10)連接，驅動模塊(2)經阻尼吸收電路(5)和Η橋路(3)與發射線圈(10)連接，驅動模塊⑵與Η橋路(3)連接，鉗位電路⑷與A/D模塊(6)連接構成。
2.按照權利要求1所述的磁性源非調製式發射機，其特徵在於，所述的Η橋路(3)正向供電開始Q1和Q4導通，Q3、Q2和Q5截止，當Q1和Q4截止，Q3和Q2導通，Q3、Q2和Q5中的續流二極體和電容C1構成續流迴路，負載能量轉移到C1 ;負向供電截止Ql、Q4和Q5中的續流二極體和電容q構成續流迴路。
3.按照權利要求1所述的磁性源非調製式發射機，其特徵在於，所述發射線圈(10)為100*100m單阻線圈、lm*lm多阻線圈、2m*2m多Θ?線圈或20m*20m多β?線圈。
4.按照權利要求1所述的瞬變電磁磁性源非調製式發射機，其特徵在於，所述主控制模塊(1)通過雙閉環控制發射電路，其中一組閉環網絡控制鉗位電路(4)的鉗位電壓自動調整到所設電壓；另一組閉環網絡通過控制阻尼吸收電路(3)自動調整吸收，使關斷後的電流波形無震蕩。
5.按照權利要求1所述的磁性源非調製式發射機，其特徵在於，所述的電源(9)進入橋路前串有二極體，二極體在發射電流截止時刻發射線圈(10)上的瞬間高壓不會對電源造成衝擊，鉗位電路(4)的高壓電容將此能量儲存，在脈衝電流上升沿放電時，能量全部加在發射線圈(10)上，而不會回饋到電源(9)，降低了能量損耗，且大大提升了電流脈衝前沿上升速度。
6.按照權利要求1所述的磁性源非調製式發射機，其特徵在於，Η橋路(3)的功率開關管兩端設有保護單元，在橋路正常打開後將保護單元中的能量經過發射線圈放掉，提升了電流前沿，並且不對電流關斷有影響。
7.按照權利要求1所述的磁性源非調製式發射機的控制方法，其特徵在於，包括以下步驟: Α、首先儀器啟動準備設置參數，包括:頻率、佔空比、發射電流最大值、鉗位電壓和線圈類型 Β、設置好參數後準備發射，儀器進入預發射狀態，啟動發射後，發射機先給電容充電，充電完成後進入參數校正階段，參數校正結束； C、驅動控制，使用兩組閉環控制，兩組閉環同時工作: 其中一組控制鉗位電壓，通過測量高壓電容兩端的電壓後，將模擬量轉換為數字量，然後進行數字濾波，開口時間調整，參數修正； 另一組網絡通過控制阻尼吸收電路，採集發射電流，關斷延時測量，吸收時間調整，參數修正； D、經過雙閉環控制後，發射機進行高壓參數修正和關斷延時測量修正，詢問是否停止發射，如果停止發射跳到設置參數頁面，如果不停止發射，則開始測量； Ε、該控制方法實現了發射機自動工作，操作人員只需設置好初始發射機自動完成工作。
【文檔編號】G01V3/08GK104407391SQ201410740634
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月5日 優先權日:2014年12月5日
【發明者】王世隆, 楊宇, 胡雪巖, 林君 申請人:吉林大學