【正文】 理又可以用“煙圈效應(yīng)”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(dá)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 等效電流環(huán) Z x t0 t=t3 t=t2 t=t1 Tx 3 根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)射線圈中的脈沖發(fā)射電流突然關(guān)閉時，在發(fā)射線圈周圍就會感應(yīng)出一次磁場，當(dāng)一次磁場在地下導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時，會在介質(zhì)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個電流被稱為二次電流，感應(yīng)過程如圖 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(yīng)磁場，這個磁場被稱為二次磁場。二次電流傳播過程中感應(yīng)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 所示。二次場主要由地下良導(dǎo)電體中的二次電流感應(yīng)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 瞬變電磁法工作示意圖 圖 瞬變電磁法實際發(fā)射波形示意圖 4 當(dāng)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(yīng)的感應(yīng)電動勢 )(tV ，假設(shè)線圈匝數(shù)為 N，橫截 面積為 S，真空磁導(dǎo)率為 ，螺線管長度為 ，則感應(yīng)電動勢 )(tV 的大小為： 由以上兩個公式 和 可知，在接受線圈中的感應(yīng)電動勢 )(tV 值的大小可以反應(yīng)一次磁場和二次磁場，所以，通過對感應(yīng)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)。 瞬變電磁發(fā)射機(jī)主要工作原理 一般情況下，發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率越大它的應(yīng)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(yīng)用又有了局限，因此，在滿足發(fā)射機(jī)功率的前提下減少發(fā)射機(jī) 的體積和重量一直是我們追求的目標(biāo)。本設(shè)計采用由 MOSFET 構(gòu)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(jī)，人們最關(guān)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(guān)斷延遲時間、與接收機(jī)同步等幾個方面。其中，發(fā)射功率與有效探測深度有關(guān)，關(guān)斷延遲時間與淺層探測精度有關(guān)。因此，本設(shè)計希望能實現(xiàn)發(fā)射功率較大、關(guān)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 5 式瞬變電磁發(fā)射機(jī)。 發(fā)射機(jī)的主要組成部分如圖 ，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(jìn)行驅(qū)動放大，放大后的控制信號被送到由 MOSFET構(gòu)成的 H型發(fā)射橋路，再通過 6N137光電隔離模塊和 IR2102S驅(qū)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 瞬變電磁發(fā)射機(jī)主要原理框圖 發(fā)射機(jī)的主回路為如圖 所示的 H 型橋路，負(fù)載是由一定長度導(dǎo)線構(gòu)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(dǎo)通輸出信號，功率管由圖 中 S S S S4 代表， S1 和 S3 導(dǎo)通時輸出正脈沖， S2 和S4 導(dǎo)通時輸出負(fù)脈沖，在負(fù)載上可以獲得如圖 所示的幾種輸出電壓波形，我們選擇方式 1。 6 圖 發(fā)射機(jī)主回路示意圖 圖 發(fā)射機(jī)幾種輸出電壓波形 本論文研究內(nèi)容 本設(shè)計共分為 4 章，其具體結(jié)構(gòu)主要安排如下： 第 1 章 緒論部分，主要介紹了本設(shè)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(shè)計，主要介紹了 FPGA 以及與其相關(guān)的輔助電路的設(shè)計，最 重要的是基于 Quartus II 的軟件設(shè)計，設(shè)計出了控制橋路的 FPGA 控制信號。 第 3 章 發(fā)射橋路的設(shè)計，主要包括驅(qū)動電路部分、光電隔離電路部分和由 MOSFET 構(gòu)成的 H 型橋路設(shè)計部分，最重要的是 H 型橋路部分的吸收電路設(shè)計。 第 4 章 本章介紹了國外瞬變電磁發(fā)射機(jī)的性能，并通過實驗結(jié)果分析本設(shè)計的各項指標(biāo)，通過實驗結(jié)果驗證本設(shè)計的可行性及可靠性。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itleN um be r R e vi s ionS iz eBD a te : 9 M a y 20 01 S he e t o f F ile : D :\D e s ign E xp lo r e r 99 \E xa m pl e s \M yD e s ign dbD r a w n B y:RLS1 S2S3S4E D 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itleN um be r R e vi s io nS iz eBD a te : 9 M a y 20 01 S h e e t of F ile : D :\D e sign E x pl or e r 9 9\ E x a m pl e s \M yD e s ig n2 .dd b D r a w n B y:tttVVV方式0方式1方式2 7 第 2 章 FPGA 控制電路設(shè)計 電源電路設(shè)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 。 圖 電源模塊主要電路圖 圖 電源濾波電路原理圖 8 FPGA 內(nèi)部電源設(shè)計 該部分電路主要負(fù)責(zé)給 FPGA 模塊提供工作電源，電路主要原理圖如圖 所示。 圖 FPGA內(nèi)部電源主要電路圖 AD 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 該部分電路主要包括 18 位 AD 模塊 AD7982 和驅(qū)動運(yùn)放部分。AD7982 是一款 18 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用單電源供電；驅(qū)動模塊本設(shè)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(zhuǎn)換電路原理圖如圖 所示。 圖 AD轉(zhuǎn)換電路主要原理圖 9 驅(qū)動電路設(shè)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(qū)動電路，本設(shè)計采用高電壓大電流的八達(dá)林頓晶體管ULN2803，經(jīng)過 ULN2803 的控制信號滿足設(shè)計要求，該部分主要電路圖如圖 所示。 圖 驅(qū)動電路主要原理圖 FPGA 控制信號軟件設(shè)計 該部分設(shè)計主要是對 FPGA 進(jìn)行編程控制 ，產(chǎn)生控制功率管交替關(guān)斷導(dǎo)通的信號，軟件部分主要由兩個部分構(gòu)成：分頻部分和控制信號輸出部分。 分頻模塊設(shè)計 FPGA 電路晶振頻率選用 30MHz， FPGA 提供的時鐘頻率不滿足設(shè)計要求，因此有必要在軟件設(shè)計部分對時鐘信號進(jìn)行分頻， 10 其中計數(shù)分頻模塊如圖 所示。 圖 分頻模塊原理圖 控制信號設(shè)計 由于本設(shè)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(qū)動芯片，每一個驅(qū)動芯片驅(qū)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c FPGA 外部管腳分配如圖 所示。 圖 控制信號管腳分配圖 11 FPGA 主程序 基于 Quartus II 對 FPGA 進(jìn)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(dǎo)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。 case kkk is when 0= k=0110。 when 1= k=0000。 when 2= k=1001。 when 3= k=0000。 end case。 kkk=kkk+1。 if kkk=3 then kkk=0。 end if。 控制信號仿真結(jié)果分析 仿真波形如圖 所示，根據(jù)仿真結(jié)果可知該軟件設(shè)計部分滿足系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行驅(qū)動的，并且二者用于控制兩個不同 12 的發(fā)射 橋路，以實現(xiàn)兩個發(fā)射橋路的并聯(lián)。 圖 控制信號仿真波形圖 當(dāng) k[3]、 k[0]高電平時發(fā)射線圈中產(chǎn)生正脈沖，當(dāng) k[2]、 k[1]高電平時發(fā)射線圈中產(chǎn)生負(fù)脈沖， k[7..4]原理相同。 本章小結(jié) 本章主要針對 FPGA 控制部分進(jìn)行了設(shè)計與仿真，完成了以下工作內(nèi)容： FPGA 電路設(shè)計，包括內(nèi)部電源、 AD轉(zhuǎn)換、驅(qū)動電路等方面的設(shè)計； FPGA 進(jìn)行軟件編程并仿真結(jié)果，基于 Quartus II 對 FPGA進(jìn)行編程并仿真驗證，仿真結(jié)果驗證了設(shè)計的可行性。 13 第 3 章 發(fā)射橋路設(shè)計 驅(qū)動電路設(shè)計 本設(shè)計開關(guān)器件選擇 MOSFET 功率器件 IRF3205，使用MOSFET 設(shè)計電路的關(guān)鍵之一就是驅(qū)動電路的設(shè)計， IRF3205 導(dǎo)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(qū)動電路必須有足夠大的驅(qū)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(qū)動電路，這樣能使驅(qū)動電路與 MOSFET 功率器件得到最優(yōu)的搭配。本設(shè)計的驅(qū)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(qū)動電路。驅(qū)動電路主要電路原理圖如圖 所示。 圖 驅(qū)動電路 光電隔離模塊設(shè)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(qū)動電路前還需要設(shè)計光電隔離電路，本設(shè)計選用 6N137 光電耦合器，由于 6N137 固有的特性，用它設(shè)計的光電隔離電路不會影響驅(qū)動部分的延遲。光電隔離電路主要原理圖 14 如圖 所示。 圖 光電隔離電路主要原理圖 發(fā)射橋路設(shè)計 本設(shè)計的發(fā)射橋路開關(guān)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(dá)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(diǎn)，可以并聯(lián)使用。 H 型橋路主要電路原理圖如圖 所示。 圖 發(fā)射橋路主要電路圖 15 吸收電路設(shè)計 在 IRF3205 導(dǎo)通時會流過很大的電流，關(guān)斷時又要承受很高的電壓，并且在導(dǎo)通與 關(guān)斷之間轉(zhuǎn)換