便携式瞬变电磁发射机设计--大学毕业(设计)论文.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

18、种输出电压波形1.4 本论文研究内容本设计共分为4章，其具体结构主要安排如下：第1章绪论部分，主要介绍了本设计的研究背景和意义，瞬变电磁法工作原理以及本文的主要研究内容。第2章FPGA控制电路设计，主要介绍了FPGA以及与其相关的辅助电路的设计，最重要的是基于Quartus II的软件设计，设计出了控制桥路的FPGA控制信号。第3章 发射桥路的设计，主要包括驱动电路部分、光电隔离电路部分和由MOSFET构成的H型桥路设计部分，最重要的是H型桥路部分的吸收电路设计。第4章 本章介绍了国外瞬变电磁发射机的性能，并通过实验结果分析本设计的各项指标，通过实验结果验证本设计的可行性及可靠性。第2章 FP

19、GA控制电路设计2.1 电源电路设计该部分主要提供FPGA控制电路及发射桥路中的电源模块所需的12V和5V电压。该部分电路主要包括电源模块和滤波电路模块，主要电路图如图2.1.1和2.1.2所示。图2.1.1 电源模块主要电路图图2.1.2 电源滤波电路原理图2.2 FPGA内部电源设计该部分电路主要负责给FPGA模块提供工作电源，电路主要原理图如图2.2.1所示。图2.2 FPGA内部电源主要电路图2.3 AD转换电路设计该部分电路主要包括18位AD模块AD7982和驱动运放部分。AD7982是一款18位的模数转换器，采用单电源供电；驱动模块本设计选择ADA4941，它无需外接其他元件就能实

20、现大于2的增益，同时还具有低失真以及高信噪比（SNR）等重要特性。模数转换电路原理图如图2.3所示。图2.3 AD转换电路主要原理图2.4 驱动电路设计由于FPGA产生的控制信号电压及电流值有限制，不满足给发射桥路提供控制信号的要求，因此在FPGA控制信号输出端需要有驱动电路，本设计采用高电压大电流的八达林顿晶体管ULN2803，经过ULN2803的控制信号满足设计要求，该部分主要电路图如图2.4所示。图2.4 驱动电路主要原理图2.5 FPGA控制信号软件设计该部分设计主要是对FPGA进行编程控制，产生控制功率管交替关断导通的信号，软件部分主要由两个部分构成：分频部分和控制信号输出部分。2.

21、5.1 分频模块设计FPGA电路晶振频率选用30MHz，FPGA提供的时钟频率不满足设计要求，因此有必要在软件设计部分对时钟信号进行分频，其中计数分频模块如图2.5.1所示。图2.5.1 分频模块原理图2.5.2 控制信号设计由于本设计采用两个发射桥路并联输出以提高发射功率，为满足两个发射桥路的同步，可以使FPGA的控制信号输出端同时接到两个不同的ULN2803驱动芯片，每一个驱动芯片驱动不同的发射桥路，这样可以在满足两个发射桥路并联的同时，实现两个桥路控制信号的同步。控制信号与FPGA外部管脚分配如图2.5.2所示。图2.5.2 控制信号管脚分配图2.5.3 FPGA主程序基于Quartus

22、 II对FPGA进行编程，主要程序部分如下所示。该程序主要功能是产生一个控制信号，控制H型桥路中的八个功率管交替导通，在输出端的发射线圈中即可得到想要的脉冲发射电流。case kkk iswhen 0=kkkk=0000;end case; kkk=kkk+1; if kkk=3 then kkk=0;end if;2.5.4 控制信号仿真结果分析仿真波形如图2.5.3所示，根据仿真结果可知该软件设计部分满足系统设计要求。其中clk是经过分频的时钟信号，K3.0和K7.4是经过FPGA产生的控制信号输出端口，区别在于二者是经过不同的ULN2803管脚进行驱动的，并且二者用于控制两个不同的发射桥

23、路，以实现两个发射桥路的并联。图2.5.3 控制信号仿真波形图当k3、k0高电平时发射线圈中产生正脉冲，当k2、k1高电平时发射线圈中产生负脉冲，k7.4原理相同。2.6 本章小结本章主要针对FPGA控制部分进行了设计与仿真，完成了以下工作内容：1.完成了提供控制信号的FPGA电路设计，包括内部电源、AD转换、驱动电路等方面的设计；2.对FPGA进行软件编程并仿真结果，基于Quartus II对FPGA进行编程并仿真验证，仿真结果验证了设计的可行性。第3章 发射桥路设计3.1 驱动电路设计本设计开关器件选择MOSFET功率器件IRF3205，使用MOSFET设计电路的关键之一就是驱动电路的设计

24、，IRF3205导通后，为了保证它始终保持在饱和状态，甚至在瞬间过载时，也要保证它不退出饱和状态，这就要求驱动电路必须有足够大的驱动功率。每一个生产MOSFET功率器件的公司在推出MOSFET的同时，一般都会同时推出与其相配套的驱动电路，这样能使驱动电路与MOSFET功率器件得到最优的搭配。本设计的驱动芯片选择美国国际整流器公司生产的IR2102S，它是高速的MOSFET和IGBT专用的集成驱动电路。驱动电路主要电路原理图如图3.1所示。图3.1 驱动电路3.2 光电隔离模块设计为了使大电流回路部分和数字电路部分隔离，保证系统的正常工作，在IR2102S驱动电路前还需要设计光电隔离电路，本设计

25、选用6N137光电耦合器，由于6N137固有的特性，用它设计的光电隔离电路不会影响驱动部分的延迟。光电隔离电路主要原理图如图3.2所示。图3.2 光电隔离电路主要原理图3.3 发射桥路设计本设计的发射桥路开关器件选用MOSFET器件IRF3205， IRF3205的通态电阻很小，因此在发射电流大时，不会有很大的电阻损耗，工作效率较高，不需要太大的散热空间即可满足散热要求，只需要一般的散热方式即可达到目的，这样可以使得发射系统的体积减小并且工作可靠性得到提高。为了得到更好的脉冲发射电流波形，可以使两个IRF3205并联工作，由于IRF3205具有自均流的特点，可以并联使用。H型桥路主要电路原理图

26、如图3.3所示。图3.3 发射桥路主要电路图3.4 吸收电路设计在IRF3205导通时会流过很大的电流，关断时又要承受很高的电压，并且在导通与关断之间转换的时候，电路中的储能元件会承受很大的冲击，因此就有必要设计附加的能量吸收电路，提高电路的可靠性。近年来随着软关断技术的发展，缓冲吸收电路有很多种，考虑到电路的实用性及设计的要求，本设计采用如图3.4所示的充放电型RCD吸收电路。图3.4 吸收电路主要原理图图中D1和D11采用超快恢复的二极管，DL1采用大电流快恢复二极管，与R31和C1共同组成RCD 缓冲吸收电路。3.5 本章总结本章主要对瞬变电磁发射机的发射桥路进行设计，主要包括驱动电路、

27、光电隔离电路、H桥路的设计，其中H桥的设计是关键，特别是缓冲吸收电路的设计，因为缓冲吸收电路设计的好坏直接影响发射波形的下降沿关断时间长短，而下降沿的延迟时间长短又会直接影响到瞬变电磁探测的精度。第4章 本设计发射机实验结果分析本章介绍了国外瞬变电磁发射机的主要性能指标，并且对本设计的发射机进行实验分析，通过结果验证系统的工作性能。4.1 加拿大Geonics公司PROTEM瞬变电磁仪TEM47HP井下探水系统主要技术指标如下：电流波形：偶极性方波基本频率：25、62.5、285Hz发射线圈尺寸：面积2.25平方米的正方形线圈输出电压：012V最大输出电流：10A重量：6公斤4.2 本设计发射

28、机主要指标本设计主要指标如下：发射线圈尺寸：面积0.64平方米的正方形线圈线圈1的电阻约为0.1，线圈2的电阻约为0.05输出电压范围：02V输出电流范围：030A重量：2公斤以下4.3 仪器的整体调试如下图4.3所示，将FPGA控制电路和发射桥路中的电源模块分别与外接电源连接，用大功率电源给MOSFET供电，在发射线圈即可得到想要的脉冲发射电压波形。图4.3 本设计各部分电路板相连实物图4.4 单个发射桥路实验结果当发射系统只使用单个发射桥路时，发射波形如下图所示，指标满足设计要求。图4.4.1 桥路1发射电压波形图图4.4.2 桥路2发射电压波形图4.5 桥路1与桥路2并联实验结果当发射系

29、统使用两个并联桥路时，发射电压波形如下图4.5所示，根据示波器波形可以看出，两个桥路很好地实现了并联，实现了发射电流的同步。图4.5 两个桥路并联发射电压波形图4.6 发射桥路关断沿波形发射桥路1关断波形如图4.6.1所示，根据示波器波形可看出，关断延迟时间小于50us，满足设计要求。图4.6.1 发射桥路1关断延迟时间波形图发射桥路2关断波形如图4.6.2所示，根据示波器波形可看出，关断延迟时间小于50us，满足设计要求。图4.6.2 发射桥路2关断延迟时间波形图4.7 本章小结本章主要对该设计进行实验结果分析，并与国外已有瞬变电磁发射机性能进行比较，通过实验结果分析可知该设计满足了设计要求

30、，设计出了发射线圈面积0.64平方米、最大发射电流30A、关断延迟时间小于50um、可以多个发射桥路并联叠加的瞬变电磁发射机。总结本文主要介绍了利用FPGA进行控制的瞬变电磁发射机，并完成了相应部分的电路设计。设计的重点在于发射桥路的设计以及发射桥路的并联，因此发射桥路的功率器件选择、光电隔离及驱动电路设计、缓冲吸收电路设计、控制信号的同步成为本设计的重点以及难点。本设计的创新点在于使用了两个发射桥路并联，国内外研制出的瞬变电磁发射机都是使用单个发射桥路，发射功率及发射电流等参数有所局限，本设计考虑使用两个发射桥路并联，因此发射功率和发射电流都得到明显提高。通过实验结果验证，本设计达到了设计的

31、要求，设计出了发射线圈面积0.64平方米、最大发射电流30A、关断延迟时间小于50um、可以多个发射桥路并联叠加的瞬变电磁发射机。参考文献1 林君.电磁探测技术在工程与环境中的应用现状J.物探与化探（2000）.6:1-112 王淑玲基于浮点放大的瞬变电磁法接收机的研制D长春：吉林大学.20013 刘丽萍基于DSP的瞬变电磁数据采集系统的研制D长春：吉林大学.20054 嵇艳鞠，林君，程德福，于生宝.ATEM-瞬变电磁仪数据处理软件的研制与应用J.吉林大学学报(地球科学版).2003，33(2):242-245 5 嵇艳鞠，林君，于生宝; 朱凯光; 王忠; 王静.强场源TEM测量仪器和在大矿山

32、接替资源勘探中的应用研究.地震地质.2005年，115-122 6 王忠，嵇艳鞠,林君,于生宝,周国华.全程瞬变电磁探测系统的浅层探测实验研究.吉林大学学报（地球科学版）.35（增）：95-987 李俊唐，付志红，苏向丰，刘翔宇.梯形脉冲瞬变电磁发射机.电测与仪表.2012年第2期.8 韩莉，童敏明，邓世建，张剑英，郭秀兰，徐楠.瞬变电磁探测发射机的设计.软件导刊.第10卷第8期.9 陈忠仁，董浩斌.瞬变电磁法新型发射机的研制.微型机与应用.2005年第2期.10 周国华，林君，周逢道，王艳.浅海底瞬变电磁探测发射系统研究.电力电子技术.第40卷第5期.11 谭国贞，付志红，周雒维，罗强.瞬变

33、电磁发射机控制系统设计.电测与仪表.2006年第3期.12 康华光.电子技术基础模拟部分M.北京：高等教育出版社.2006.6.13 康华光.电子技术基础数字部分M.北京：高等教育出版社.2006.6.14 王兆安,黄俊.电力电子技术M.北京：机械工业出版社.2000第4 版.15 周润景,图雅,张丽敏.基于Quartus 的FPGA/CPLD数字系统设计实例M.北京：电子工业出版社.2007.8.16 史久贵.基于Altium Designer的原理图与PCB设计M.北京：机械工业出版社.2009.11.17 唐清善,邱宝良.Protel DXP高级实例教程M.北京：中国水利水电出版社.20

34、04.4.致谢值此论文即将完成之际，我的大学生涯即将画上完美的句号，这不禁让我感叹时光如梭，也使我更加懂得珍惜以后的时光。首先，我要向我的毕业设计指导老师段清明教授表示衷心的感谢以及崇高的敬意，本文从选题到完成都得到了段老师的悉心指导与帮助，段老师的人格魅力和科研精神将会使我受益终身。其次，我要向培养了我四年的学院表示崇高的敬意与真诚的感谢，没有学院就没有我的现在。感谢学院的所有老师，感谢你们在我学业上的指导及生活上的帮助，你们的人格魅力和科研精神将会一直影响着我。还要感谢电气5班的所有同学们，能够在这样一个温暖的集体里度过四年大学时光我很欣慰，你们的友谊将是我一生的回忆。更要感谢与我朝夕相处的室友，感谢你们在四年来给予我的帮助与包容，感谢你们陪伴我度过了无数最快乐的时光，和你们在一起的回忆我永远不会忘记。也要感谢地质宫所有帮助过我的师兄师姐，以及核磁组其他的老师，是你们的帮助让我能够顺利地完成毕业设计。最后我要感谢我的父母，你们是我生活与学习的最坚强的后盾。感谢你们多年来对我的养育教导以及给予我的充分信任、期望与关爱，你们辛苦了。图1 外接电源电路图图2 FPGA控制电路原理图图3 发射桥路主要电路图26