便攜式瞬變電磁發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-26 10:01 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。隨著時(shí)間的變化，在二次電流向外傳播的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)被稱(chēng)為二次磁場(chǎng)。二次電流傳播過(guò)程中感應(yīng)出的二次磁場(chǎng)是隨時(shí)間大致按指數(shù)規(guī)律衰減的。二次場(chǎng)主要由地下良導(dǎo)電體中的二次電流感應(yīng)而來(lái)，因此通過(guò)接收線圈對(duì)二次場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，以及后期對(duì)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)。 瞬變電磁法工作示意圖 瞬變電磁法實(shí)際發(fā)射波形示意圖當(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)，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)的大小為： ，在接受線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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)。 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(shí)體積和重量也會(huì)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(jì)采用由MOSFET構(gòu)成的橋式發(fā)射電路，通過(guò)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(shí)現(xiàn)大功率發(fā)射，這樣就可解決上述矛盾。對(duì)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(shí)間、與接收機(jī)同步等幾個(gè)方面。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)。因此，本設(shè)計(jì)希望能實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率較大、關(guān)斷延遲時(shí)間較短、發(fā)射線圈面積較小、重量較輕等功能的便攜式瞬變電磁發(fā)射機(jī)。，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(guò)程是：由FPGA產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)ULN2803進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大，放大后的控制信號(hào)被送到由MOSFET構(gòu)成的H型發(fā)射橋路，再通過(guò)6N137光電隔離模塊和IR2102S驅(qū)動(dòng)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。 瞬變電磁發(fā)射機(jī)主要原理框圖，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。用FPGA產(chǎn)生橋路控制信號(hào)，控制功率管交替閉合導(dǎo)通輸出信號(hào)，功率管由圖中SSSS4代表，S1和S3導(dǎo)通時(shí)輸出正脈沖，S2和S4導(dǎo)通時(shí)輸出負(fù)脈沖，我們選擇方式1。 發(fā)射機(jī)主回路示意圖 發(fā)射機(jī)幾種輸出電壓波形 本論文研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)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(jì)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?jī)?nèi)容。第2章 FPGA控制電路設(shè)計(jì)，主要介紹了FPGA以及與其相關(guān)的輔助電路的設(shè)計(jì)，最重要的是基于Quartus II的軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了控制橋路的FPGA控制信號(hào)。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)。第4章 本章介紹了國(guó)外瞬變電磁發(fā)射機(jī)的性能，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析本設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性及可靠性。第2章 FPGA控制電路設(shè)計(jì) 電源電路設(shè)計(jì)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。 電源模塊主要電路圖 電源濾波電路原理圖 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。 FPGA內(nèi)部電源主要電路圖 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)該部分電路主要包括18位AD模塊AD7982和驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊本設(shè)計(jì)選擇ADA4941，它無(wú)需外接其他元件就能實(shí)現(xiàn)大于2的增益，同時(shí)還具有低失真以及高信噪比（SNR）等重要特性。 AD轉(zhuǎn)換電路主要原理圖 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)滿足設(shè)計(jì)要求。 驅(qū)動(dòng)電路主要原理圖 FPGA控制信號(hào)軟件設(shè)計(jì)該部分設(shè)計(jì)主要是對(duì)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(hào)，軟件部分主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：分頻部分和控制信號(hào)輸出部分。 分頻模塊設(shè)計(jì)FPGA電路晶振頻率選用30MHz，F(xiàn)PGA提供的時(shí)鐘頻
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