半航空电磁接收系统的设计与应用.pdf
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1、 仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2024 年第 2 期基金项目:中国科学院科研仪器设备研制项目(YJKYYQ20190004)收稿日期:2023-06-30半航空电磁接收系统的设计与应用王家琪,王旭红,张 栋,高 昂北京工业大学信息学部 摘要:利用半航空电磁法进行勘探时,半航空电磁接收系统中线圈传感器获取的电压信号很小且易受噪声等因素干扰,无法直接采样和分析。针对上述问题,设计了一套新型的低噪声半航空电磁接收系统。该系统以双通道匹配晶体管 MAT03、MAT12 和低噪声放大器 AD8429 为核心设计了低噪声放大电路,以运算放大器
2、 NE5532 为核心设计了五阶低通滤波电路。通过仿真验证了设计电路功能的可行性,并对其进行了性能测试和野外试验。测试和试验结果表明:所设计的放大电路增益可调且噪声低于市面上的放大器,低通滤波电路抑制高频干扰效果良好。关键词:半航空电磁法;线圈传感器;双通道匹配晶体管;低噪声放大电路;低通滤波电路中图分类号:P631 文献标识码:ADesign and Application of Semi-aircraft Electromagnetic Receiving SystemWANG Jiaqi,WANG Xuhong,ZHANG Dong,GAO AngFaculty of Informati
3、on Technology BJUTAbstract:When using the semi aerial electromagnetic method for exploration,the voltage signal obtained by the coil sensor in the semi aerial electromagnetic receiving system is very small and susceptible to interference from factors such as noise,making it difficult to directly sam
4、ple and analyze.A new type of low noise semi aerial electromagnetic receiving system was designed to address the above issues.The system designed a low noise amplification circuit with dual channel matching transistors MAT03,MAT12,and a low noise amplifier AD8429 as the core,and a fifth order low-pa
5、ss filtering circuit with operational amplifier NE5532 as the core.The feasibility of designing circuit functions was verified through simulation,and performance testing and field experiments were conducted on it.The test and experimental results show that the designed amplification circuit has adju
6、sta-ble gain and lower noise than commercially available amplifiers,and the low-pass filtering circuit has good suppression effect on high-frequency interference.Keywords:semi aerial electromagnetic method;coil sensor;dual channel matching transistor;low noise amplification circuit;low-pass filterin
7、g circuit0 引言电磁勘探法是地球物理探测的一个重要分支,原理是通过观测天然场源或人工场源激发的电磁响应,实现对地质结构信息的提取1。半航空电磁法也称地空电磁法,采用地面发射、空中接收的工作方式,承接了陆地电磁法大功率发射和航空电磁法大范围灵活接收的优势,具备在恶劣环境下进行地质探测的能力,相比陆地电磁法具有更好的地形适应性,相比航空电磁法探测深度更大2。我国在半航空电磁探测领域起步较晚,大多还处于理论研究阶段,目前还没有成熟且适合的低噪声放大器和高阶低通滤波器,因此研制出一套实用的半航空电磁接收系统具有重大意义3-4。本文详细介绍了半航空电磁接收系统的硬件结构以及各模块的作用,结合项
8、目对电路的增益、噪声水平及带宽等参数的要求,设计了一种新型的低噪声放大电路和五阶低通滤波电路,并通过仿真和测试验证了该系统电子学单元的功能,实现了对微弱电压信号的放大和对外界噪声干扰的抑制,最后完成了半航空电磁接收系统的野外试验。1 半航空电磁接收系统的设计1.1 半航空电磁接收系统的整体结构半航空电磁接收系统主要由磁感应线圈、电子学单元和数据采集单元3 部分组成。其中电子学单元包括低噪声放大电路(输入级放大电路、中间级放大电路和输出级放大电路)、滤波电路以及供电单元,结构框图如图 1 所示。半航空电磁探测系统工作流程为:发射机向地下05 第 2 期王家琪等:半航空电磁接收系统的设计与应用 图
9、 1 半航空电磁接收系统结构框图产生一次瞬变磁场,地下的不同介质由于导电能力不同,在该磁场的激励下产生的涡流大小也不同。在一次场消失后,涡流不会立即消失,将产生一个衰减的二次场向周围传播5-6。利用无人机搭载磁感应线圈接收二次磁场,但接收到电压非常小,通常只有 V级。微弱的电压信号经过放大电路放大后,进入低通滤波器抑制高频干扰,最后由数据采集单元进行采样存储,用于后期处理与分析。供电单元由 12 V、24 V锂电池和电压转换电路组成,12 V 锂电池为数据采集单元供电,电压转换电路将 24 V 转换为15 V 和5 V分别为放大电路和滤波电路供电,保证两者工作稳定。1.2 低噪声放大电路设计在
10、设计半航空电磁接收系统的放大电路时,要求在低频下也具有良好的放大性能。若在输入端接入电容,虽然可以起到隔离作用,但电路在低频情况下的放大倍数会受限,为此采用直接耦合的方式,将磁感应线圈接收的电压信号直接输入放大电路。为降低共模干扰,放大电路采用差分输入,选用双通道匹配 NPN 晶体管 MAT12 和双通道匹配 PNP 晶体管MAT03,两者的高匹配性可以降低因晶体管差异对电路造成的影响,更好地实现差分电路的功能。设计的放大电路整体拓扑如图 2 所示。当 MAT03 和 MAT12 的工作电流维持在 0.01 mA以上时,其噪声可以保持稳定。若采用电压源设计,会给三极管基极引入偏置电压,从而引入
11、共模信号。另外,电压源不能很好地控制三极管的集电极电流,不利于抑制电路噪声。因此采用电流源设计,如图 2 所示,Q1、Q2、Q10、Q11构成镜像电流源,为放大电路提供合适的工作电流。MAT12、MAT03 晶体管的高匹配性,恰好解决了镜像电流源电路对晶体管匹配度要求高的问题。输入级放大电路以 MAT12(Q3、Q4、Q7、Q8)和MAT03(Q5、Q6)为核心构成。输入信号作用于 Q3、Q4的基极,Q3、Q4构成的共集放大电路具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点,因而从信号源索取的电流小,且带负载能力强,使整个电路的电流驱动能力增强,但不具备电压放大能力。Q5、Q6构成共基极放大电路,图 2 低
12、噪声放大电路拓扑图既具有较高的电压增益,又拓展了电路的带宽。Q7、Q8、Q9可实现差分输入单端输出。当输入信号为差模信号时,ie5=-ie6,且 ib5=ib6,因此 ic5=-ic6。Q9的基极电流很小可忽略,ic5=ic7。当 R4=R5时,ic7=ic8,则 io1=ic6-ic8=-2ic5。当输入信号为共模时,ic5=ic6,同理可得 io1=0。综上所述,输入级放大电路对差分信号具有放大作用,对噪声干扰等共模信号有良好的抑制作用。此外,调节电阻 R3可以消除温度漂移和晶体管差异造成的影响。中间级放大电路以 Q12为核心构成共射极放大电路,Q12采用 NPN 型晶体管 2N2222,
13、放大电压的同时引入负反馈电阻 R0,将其连接在输入端 Ui-与 Q12集电极之间,用来控制电路放大倍数。R8为大电阻、R9为小电阻,分别用来粗调、细调失调电压,使三极管Q12的直流分量接近于零。输出级放大电路以 AD8429 为核心搭建,AD8429具有超低噪声和极高共模抑制比,特别适用于微弱信号的调理和采集。C1为去耦电容,消除直流偏置;C2、C3为滤波电容,降低电源纹波的影响;R13、R14为限流电阻,防止电流过大而损坏放大器。另外,AD8429 的输入偏置电流必须有一个对地的返回路径,R11、R12则提供对地回路。Rg为调节电阻,改变其阻值,可实现放大电路增益可调。为方便计算三级放大电路
14、的增益,可将其简化成两个放大器级联,等效电路拓扑如图 3 所示。放大倍数计算公式为G=(1+R0R2)(1+6 000Rg)(1)式中:G 为放大电路的放大倍数;R0、R2为放大电路的15 仪 表 技 术 与 传 感 器第 2 期图 3 等效放大电路原理图反馈电阻,;Rg为放大电路的调节电阻,。1.3 五阶低通滤波电路设计在半航空电磁接收系统中,磁感应线圈工作时会接收全部频率的信号,包括噪声及外界干扰,导致后期处理数据的难度增大,甚至会直接影响试验结果。因此需要设计合理的滤波器,使得频率范围内的信号可以通过,阻止不符合频率要求的信号。按含源方式不同,滤波器可以分为有源滤波和无源滤波。有源滤波电
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