【正文】 Keywords: Transient electromagic method, superposition of bridge roads, portable, transmitter 目錄 第 1 章 緒論 ............................................ 1 本課題的研究背景及意義 .......................... 1 瞬變電磁法工作原理 .............................. 1 瞬變電磁發(fā)射機(jī)主要工作原理 ..................... 4 本論文研究?jī)?nèi)容 ................................. 6 第 2 章 FPGA 控制電路設(shè)計(jì) ............................... 7 電源電路設(shè)計(jì) ................................... 7 FPGA 內(nèi)部電源設(shè)計(jì) ............................... 8 AD 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) ................................. 8 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ................................... 9 FPGA 控制信號(hào)軟件設(shè)計(jì) ........................... 9 本章小結(jié) ...................................... 12 第 3 章 發(fā)射橋路設(shè)計(jì) ................................... 13 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) .................................. 13 光電隔離模塊設(shè)計(jì) .............................. 13 發(fā)射橋路設(shè)計(jì) .................................. 14 吸收電路設(shè)計(jì) .................................. 15 本 章總結(jié) ...................................... 15 第 4 章 本設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ....................... 16 加拿大 Geonics 公司 PROTEM 瞬變電磁儀 ........... 16 本設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)主要 指標(biāo) .......................... 16 儀器的整體調(diào)試 ................................ 16 單個(gè)發(fā)射橋路實(shí)驗(yàn)結(jié)果 .......................... 17 橋路 1 與橋路 2 并聯(lián)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 .................... 18 發(fā)射橋路關(guān)斷沿波形 ............................ 19 本章小結(jié) ...................................... 20 總結(jié) .................................................. 21 參考文獻(xiàn) .............................................. 22 致謝 .................................................. 24 圖 1 外接電源電路圖 ................................... 25 圖 2 FPGA 控制電路原理圖 ............................... 26 圖 3 發(fā)射橋路主要電路圖 ............................... 27 1 第 1 章 緒論 本課題的研究背景及意義 在瞬變電磁儀器研發(fā)方面， 1953年第一個(gè)專(zhuān)利被 Newmont勘探公司申請(qǐng)， 1962年科研工作者研制出了第一臺(tái)瞬變電磁儀器， 1972年 Lamontagne研制出了 UTEM－ 1型瞬變電磁儀器， 1974年 Crone公司推出了偶極系統(tǒng)的商品儀器， 1977年 CSIRO研制出了 SIROTEM－ I型儀器 ,1980年 Geonics研制出了 EM－ 37型儀器等。其中 FPGA控制部分包括：內(nèi)部電源部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換部分、控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路部分； H型橋路部分包括：驅(qū)動(dòng)電路部分、光電隔離電路部分、由 MOSFET管構(gòu)成的 H橋部分。 中文摘要 瞬變電磁法（ Transient Electromagic Method ,TEM）是探測(cè)地下未知物體電性參數(shù)的重要方法之一。 本設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)組成部分： FPGA控制部分和 H型橋路部分 。 關(guān)鍵詞： 瞬變電磁法 , 橋路并聯(lián) , 便攜，發(fā)射機(jī) 外文摘要 Title Portable transient electromagic transmitter Abstract The Transient Electromagic Method(TEM) is one of the important ways used to detect the electrical parameters of the unknown underground objects. As the instruments bee digital, intelligent and the increasing of power, the TEM can solve more and more problems, it 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 exploration including the ocean and the air, it has bee one of the important geophysical exploration methods visibly. This design is mainly posed of two major ponents: FPGA control part and bridge section. Among them, the FPGA control part mainly includes: FPGA power supply module, AD module and driver module。本設(shè)計(jì)的目的在于突破原有的技術(shù)，設(shè)計(jì)出更便攜、發(fā)射電流相對(duì)更大、性能更穩(wěn)定的瞬變電磁發(fā)射機(jī)。在該渦流消失之前會(huì)有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，該過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生向地表傳播的磁場(chǎng)，這個(gè)變化的磁場(chǎng)在地面接收線圈中轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓的變化，通過(guò)反演處理我們可以知道地下未知介質(zhì)的參數(shù)。 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(shí)，在發(fā)射線圈周?chē)蜁?huì)感應(yīng)出一次磁場(chǎng)，當(dāng)一次磁場(chǎng)在地下導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)在介質(zhì)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個(gè)電流被稱(chēng)為二次電流，感應(yīng)過(guò)程如圖 所示。 圖 瞬變電磁法工作示意圖 圖 瞬變電磁法實(shí)際發(fā)射波形示意圖 4 當(dāng)把一個(gè)圓柱形螺線管線圈放到變化的磁場(chǎng)中時(shí)，在線圈中就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) )(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(zhǎng)度為 ，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) )(tV 的大小為： 由以上兩個(gè)公式 和 可知，在接受線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) )(tV 值的大小可以反應(yīng)一次磁場(chǎng)和二次磁場(chǎng)，所以，通過(guò)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)據(jù)處理，可以得到二次場(chǎng)曲線，通過(guò)對(duì)二次場(chǎng)曲線分析就能知道地下未知介質(zhì)的參數(shù)。其中，發(fā)射功率與有效探測(cè)深度有關(guān)，關(guān)斷延遲時(shí)間與淺層探測(cè)精度有關(guān)。 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(zhǎng)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。 第 3 章 發(fā)射橋路的設(shè)計(jì)，主要包括驅(qū)動(dòng)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(jì)部分，最重要的是 H 型橋路部分的吸收電路設(shè)計(jì)。 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(jì) 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 AD轉(zhuǎn)換電路主要原理圖 9 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 由于 FPGA 產(chǎn)生的控制信號(hào)電壓及電流值有限制，不滿(mǎn)足給發(fā)射橋路提供控制信號(hào)的要求，因此在 FPGA 控制信號(hào)輸出端需要有驅(qū)動(dòng)電路，本設(shè)計(jì)采用高電壓大電流的八達(dá)林頓晶體管ULN2803，經(jīng)過(guò) ULN2803 的控制信號(hào)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，該部分主要電路圖如圖 所示?？刂菩盘?hào)與 FPGA 外部管腳分配如圖 所示。 when 1= k=0000。 kkk=kkk+1。其中 clk 是經(jīng)過(guò)分頻的時(shí)鐘信號(hào)， K[3..0]和K[7..4]是經(jīng)過(guò) FPGA 產(chǎn)生的控制信號(hào)輸出端口，區(qū)別在于二者是經(jīng)過(guò)不同的 ULN2803 管腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，并且二者用于控制兩個(gè)不同 12 的發(fā)射 橋路，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)發(fā)射橋路的并聯(lián)。每一個(gè)生產(chǎn) MOSFET 功率器件的公司在推出 MOSFET 的同時(shí)，一般都會(huì)同時(shí)推出與其相配套的驅(qū)動(dòng)電路，這樣能使驅(qū)動(dòng)電路與 MOSFET 功率器件得到最優(yōu)的搭配。光電隔離電路主要原理圖 14 如圖 所示。 圖 發(fā)射橋路主要電路圖 15 吸收電路設(shè)計(jì) 在 IRF3205 導(dǎo)通時(shí)會(huì)流過(guò)很大的電流，關(guān)斷時(shí)又要承受很高的電壓，并且在導(dǎo)通與 關(guān)斷之間轉(zhuǎn)換的時(shí)候，電路中的儲(chǔ)能元件會(huì)承受很大的沖擊，因此就有必要設(shè)計(jì)附加的能量吸收電路，提高電路的可靠性。 16 第 4 章 本設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 本章介紹了國(guó)外瞬變電磁發(fā)射機(jī)的主要性能指標(biāo)，并且對(duì)本設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，通過(guò)結(jié)果驗(yàn)證系統(tǒng)的工作性能。 圖 兩個(gè)橋路并聯(lián)發(fā)射電壓波形圖 19 發(fā)射橋路關(guān)斷沿波形 發(fā)射橋路 1 關(guān)斷波形如圖 所示，根據(jù)示波器波形可看出，關(guān)斷延遲時(shí)間小于 50us，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于發(fā)射橋路的設(shè)計(jì)以及發(fā)射橋路的并聯(lián)，因此發(fā)射橋路的功率器件選擇、光電隔離及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、緩沖吸收電路設(shè) 計(jì)、控制信號(hào)的同步成為本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)以及難點(diǎn)。 朱凱光 。 其次 ，我要向培養(yǎng)了我四年的學(xué)院表示崇高的敬意與真誠(chéng)的感謝，沒(méi)有學(xué)院就沒(méi)有我 的 現(xiàn)在。 也要感謝地質(zhì)宮所有幫助過(guò) 我的師兄師姐，以及核磁組其他的老師，是你們的幫助讓我能夠順利地完成畢業(yè)