毕设论文--携便式瞬变电磁发射机设计.doc
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1、中文摘要瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method ,TEM)是探测地下未知物体电性参数的重要方法之一。随着经济的发展、社会的进步,地下矿产资源变得越来越紧缺,越来越多的问题亟待解决,而随着现在仪器变得越来越数字化和智能化,这些问题几乎都可以用瞬变电磁法来解决,特别是近几年来在地下水探测、地质调查等领域都发挥了很大的作用。目前几乎涉及了地球物理勘探的各个领域包括海洋和空中,可见已成为重要的地球物理勘探方法之一。本设计主要分为两个组成部分:FPGA控制部分和H型桥路部分。其中FPGA控制部分包括:内部电源部分、模数转换部分、控制信号驱动电路部分;H型桥路部分包括
2、:驱动电路部分、光电隔离电路部分、由MOSFET管构成的H桥部分。基本工作过程是:由FPGA产生脉冲控制信号,该信号经过ULN2803达林顿管进行驱动放大,放大后的控制信号可以控制由MOSFET构成的H型桥路,再通过6N137光电隔离模块和IR2102S驱动电路的作用,在发射线圈中就可以得到想要的脉冲发射电流。通过实验可以证明,本设计发射机的发射线圈尺寸较小面积仅为0.64平方米,发射电流较大可以达到30A,关断延迟时间短可以小于50微秒,并且实现了多个桥路的并联叠加,达到了设计的要求。关键词:瞬变电磁法, 桥路并联, 便携,发射机外文摘要Title Portable transient el
3、ectromagnetic transmitterAbstractThe Transient Electromagnetic Method(TEM) is one of the important ways used to detect the electrical parameters of the unknown underground objects. As the instruments become digital, intelligent and the increasing of power, the TEM can solve more and more problems, i
4、t has a wide application prospect in mineral exploration, groundwater exploration, archaeology and geological survey, etc. In recent years it has a positive impact especially in groundwater exploration, soil salinity survey and so on. Now it almost involves all of the fields of geophysical explorati
5、on including the ocean and the air, it has become one of the important geophysical exploration methods visibly.This design is mainly composed of two major components: FPGA control part and bridge section. Among them, the FPGA control part mainly includes: FPGA power supply module, AD module and driv
6、er module; the bridge part mainly includes: driver module, photoelectric isolation module and bridge module composed of MOSFET devices. The basic work process is: the FPGA produces impulse control signal, and then through the ULN2803 driven amplifier, then the signal was sent to 6N137 photoelectric
7、isolated module, after that the launch bridge road is driven by IR2102S, then we can get the pulse waveform from the coil at the output side of the bridge road .The experiments show that the control system of the design has perfect functions, the launch coil has small size, large launch current, sho
8、rt time delay for shutting off and other characteristics, it realizes the superposition of multiple bridge roads, it has high reliability and meets the design requirements, and it can well satisfy the needs of the field detections.Keywords: Transient electromagnetic method, superposition of bridge r
9、oads, portable, transmitter目录第1章 绪论11.1本课题的研究背景及意义11.2瞬变电磁法工作原理11.3 瞬变电磁发射机主要工作原理41.4 本论文研究内容6第2章 FPGA控制电路设计72.1 电源电路设计72.2 FPGA内部电源设计82.3 AD转换电路设计82.4 驱动电路设计92.5 FPGA控制信号软件设计92.6 本章小结12第3章 发射桥路设计133.1 驱动电路设计133.2 光电隔离模块设计133.3 发射桥路设计143.4 吸收电路设计153.5 本章总结15第4章 本设计发射机实验结果分析164.1 加拿大Geonics公司PROTEM瞬变
10、电磁仪164.2 本设计发射机主要指标164.3 仪器的整体调试164.4 单个发射桥路实验结果174.5 桥路1与桥路2并联实验结果184.6 发射桥路关断沿波形194.7 本章小结20总结21参考文献22致谢24图1 外接电源电路图25图2 FPGA控制电路原理图26图3 发射桥路主要电路图27第1章 绪论1.1 本课题的研究背景及意义在瞬变电磁仪器研发方面,1953年第一个专利被Newmont勘探公司申请,1962年科研工作者研制出了第一台瞬变电磁仪器,1972年Lamontagne研制出了UTEM1型瞬变电磁仪器,1974年Crone公司推出了偶极系统的商品仪器,1977年CSIRO研
11、制出了SIROTEMI型仪器,1980年Geonics研制出了EM37型仪器等。从70年代开始,我国开始对瞬变电磁仪器的野外应用进行研究,在80年代研制出WDC系列瞬变电磁仪,90年代研制出SD-2型仪器,2001年研制出ATEMII型瞬变电磁仪,并且都取得了良好的应用效果。随着现在的仪器变得越来越数字化和智能化,越来越多的问题可以用瞬变电磁法来解决,特别是近几年来在地下水探测、地质调查等领域起到良好的作用,目前几乎涉及了地球物理勘探的各个领域包括海洋和空中,可见已成为重要的地球物理勘探方法之一。本设计的目的在于突破原有的技术,设计出更便携、发射电流相对更大、性能更稳定的瞬变电磁发射机。1.2
12、 瞬变电磁法工作原理瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods)是近年来发展最快的勘探方法之一,关于瞬变电磁法的相关应用早在30年代就被科学家提出,50年代开始才被应用于资源勘探,在很多领域都取得了良好的应用效果。80年代初开始,我国对瞬变电磁法的理论及野外实验研究都投入了大量工作,并取得了一定研究成果。瞬变电磁法是利用发射线圈向地下发射一次脉冲电流,这个电流能够在地下感应出稳定的磁场,当脉冲发射电流关闭后,在地下介质中会产生一个涡流,涡流的大小和地下介质导电性等参数有关。在该涡流消失之前会有一个过渡过程,该过程中会产生向地表传播的磁场,这个变化的磁场在地面
13、接收线圈中转化为感应电压的变化,通过反演处理我们可以知道地下未知介质的参数。瞬变电磁法的探测原理如图1.2.1所示,x轴代表地面,地表接收线圈中的二次电磁场是由地下感应出的涡流产生的,这个涡流同时向外和向下扩散,形状就像一个“烟圈”,因此瞬变电磁的工作原理又可以用“烟圈效应”来形象地描述。随时间的变化,涡流的分布将受到地下介质参数的影响,因此可以用早期的二次电磁场分析浅层地下未知介质参数,用晚期的二次电磁场分析深层地下未知介质的参数。因此,通过对瞬变电磁场随时间变化规律的研究,我们就可以达到了解地下介质参数的目的,这就是瞬变电磁法的工作原理。图1.2.1 等效电流环Zxt0t=t3t=t2t=
14、t1Tx。根据电磁感应原理可知,当地面发射线圈中的脉冲发射电流突然关闭时,在发射线圈周围就会感应出一次磁场,当一次磁场在地下导电介质中传播时,会在介质中产生感应电流,这个电流被称为二次电流,感应过程如图1.2.2所示。随着时间的变化,在二次电流向外传播的过程中会产生感应磁场,这个磁场被称为二次磁场。二次电流传播过程中感应出的二次磁场是随时间大致按指数规律衰减的,衰减规律如图1.2.3所示。二次场主要由地下良导电体中的二次电流感应而来,因此通过接收线圈对二次场的数据采集,以及后期对接收数据的处理,就可以知道地下介质的物理参数。图1.2.2 瞬变电磁法工作示意图图1.2.3 瞬变电磁法实际发射波形
15、示意图当把一个圆柱形螺线管线圈放到变化的磁场中时,在线圈中就会产生相应的感应电动势,假设线圈匝数为N,横截面积为S,真空磁导率为,螺线管长度为,则感应电动势的大小为: 1.2.1 1.2.2由以上两个公式1.2.1和1.2.2可知,在接受线圈中的感应电动势值的大小可以反应一次磁场和二次磁场,所以,通过对感应电动势的数据处理,可以得到二次场曲线,通过对二次场曲线分析就能知道地下未知介质的参数。1.3 瞬变电磁发射机主要工作原理一般情况下,发射机的发射功率越大它的应用范围越广,同时体积和重量也会越大,这使得瞬变电磁法的应用又有了局限,因此,在满足发射机功率的前提下减少发射机的体积和重量一直是我们追
16、求的目标。本设计采用由MOSFET构成的桥式发射电路,通过发射桥路的并联叠加,可以在小发射线圈的前提下实现大功率发射,这样就可解决上述矛盾。对于瞬变电磁发射机,人们最关注的往往是最大发射电压、最大发射电流、额定发射功率、关断延迟时间、与接收机同步等几个方面。其中,发射功率与有效探测深度有关,关断延迟时间与浅层探测精度有关。因此,本设计希望能实现发射功率较大、关断延迟时间较短、发射线圈面积较小、重量较轻等功能的便携式瞬变电磁发射机。发射机的主要组成部分如图1.3.1所示,包括外接蓄电池、发射桥路、FPGA控制电路、发射线圈等部分。大概工作过程是:由FPGA产生脉冲控制信号,经过ULN2803进行
17、驱动放大,放大后的控制信号被送到由MOSFET构成的H型发射桥路,再通过6N137光电隔离模块和IR2102S驱动电路的作用,在发射线圈中就可以得到想要的脉冲发射电流。图1.3.1 瞬变电磁发射机主要原理框图发射机的主回路为如图1.3.2所示的H型桥路,负载是由一定长度导线构成的发射线圈,ED是外接直流电源或蓄电池。用FPGA产生桥路控制信号,控制功率管交替闭合导通输出信号,功率管由图中S1、S2、S3、S4代表,S1和S3导通时输出正脉冲,S2和S4导通时输出负脉冲,在负载上可以获得如图1.3.3所示的几种输出电压波形,我们选择方式1。图1.3.2 发射机主回路示意图 图1.3.3 发射机几
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