【正文】 M e a s u r e m e n tV D 4V D 3V D 2makV D 10M u l t i m e t e r 12M u l t i m e t e rL2L1g mC EI G B T 4g mC EI G B T 3g mC EI G B T 2g mC EI G B T 1DC i+C u r r e n t C.I GBT 一電流信號I GBT 一電壓信號輸出電壓電流信號VD 一電流信號VD 一電壓信號橋路電壓信號第 2 章 功率發(fā)射機電路關(guān)鍵技術(shù)研究 11 串聯(lián)諧振方案 該方案 利用電感電容 支路會在合適頻率信號的激勵下 發(fā)生諧振， 而諧振 時電感線圈中將產(chǎn)生正弦的電流波形 [2326]。利用 Matlab仿真 [1819]，各個原件均采用理想模型，原理如圖 ，從圖中可以看出該方案的電路結(jié)構(gòu) 很 繁瑣，而且控制時序的產(chǎn)生也很復雜 [8]。 第 2 章 功率發(fā)射機電路關(guān)鍵技術(shù)研究 9 uuω tω tOOa )b ) 圖 SPWM 控制方式波形圖 上述矩形脈沖序列 作為驅(qū)動信號 控制功率器件的開關(guān)，這樣 SPWM 方式需要以很高頻率的信號控制功率器件 的 開關(guān) ， 本文 選用全控器件 IGBT 作為橋路開關(guān)器件 ， 電路原理如圖 。 SPWM是以面積等效原理為基礎(chǔ)的控制方式， 如圖 所示把正弦半波分成 N 等份，就可以將此正弦半波看成是由 N個相連的脈沖序列構(gòu)成的波形。 本文提出了兩種 實施 方案，全橋 SPWM 逆變方式產(chǎn)生半正弦電流波形的方案和串聯(lián)諧振方式產(chǎn)生半正弦電流的方案，并分別利用 Matlab 進行了原理仿真。 首先，介紹了功率發(fā)射電路的方案選擇，主要通過仿真 不同方案 的電路原理 來實現(xiàn) ， 并 給出了相應的仿真原理圖及仿真結(jié)果圖； 其次 ，介紹了 功率發(fā)射電路電源無功補償?shù)姆治鲈O(shè)計、 功率器件的選型以及發(fā)射線圈的設(shè)計； 再次 ，介紹了 主控 時序 信號發(fā)生單元 的設(shè)計原理 ，給出了相應的電路原理圖及仿真結(jié)果；最后，介紹了大功率晶閘管驅(qū)動單元的設(shè)計與實現(xiàn)，給出了驅(qū)動單元電路原理圖以及功率發(fā)射電路控制驅(qū)動裝置的PCB板 實物圖。國際上直升機航空瞬變電磁法勘察系統(tǒng) 的發(fā)射機有很多種， 按照 發(fā)射電流波形方式 的不同 大致分為三類：方形波（實際為梯形） 發(fā)射機 、三角波 發(fā)射機 、半正弦波 發(fā)射機，本文主要研究半正弦波發(fā)射機。 第五章對全文的研究內(nèi)容進行了總結(jié)和展望，提出了尚需深 入研究的問題和未來的研究方向。電第 1 章 緒論 7 流采集記錄主要以 51單片機為核心，完成對突變電流模擬信號的采集、 AD轉(zhuǎn)換、記錄、存儲和事后顯示的功能，電流模擬信號來自電流互感器，該信號經(jīng)過濾波采樣保持后輸出給 AD單元；電流過沖削弱是利用定時電路延時主控時序，得到新的時序信號送入晶閘管驅(qū)動單元導通雙向晶閘管，使得功率電阻在電流將要關(guān)斷的瞬間并聯(lián)于發(fā)射線圈兩端以熱能的形式消耗一部分 過沖電流 ，達到削弱過沖的目的；弱電系統(tǒng)電源的設(shè)計方式是采用每一弱電單元彼此隔離的思路來設(shè)計的，主要采用獨立的 DC/DC模塊實現(xiàn)。 對大功率晶閘管的驅(qū)動采用分立元件搭建，主要實現(xiàn)對時序信號的電流放大以 及同脈沖變壓器隔離強弱電之間的電聯(lián)系。 通過計算所得電感 參數(shù) 設(shè)計發(fā)射線圈直徑、選材、圈數(shù)等參數(shù)，最終完成整個發(fā)射線圈的組裝 。 第二章介紹了功率發(fā)射電路關(guān)鍵技術(shù)研究。 電流過沖削弱單元 是 測試并接到線圈兩端的電阻電壓波形進行分析的。過沖 削弱 單元是通過延時時序信號后控制雙向晶閘管導通，在電流將要過零時將一個功率電阻并 聯(lián)到發(fā)射線圈兩端以消耗一定功率，達到削弱電流過沖的目的，該單元的關(guān)鍵技術(shù)在于雙向晶閘管的選擇，功率電阻的選擇，延遲時間的計算。該部分的關(guān)鍵技術(shù)在于串聯(lián)諧振的應用 、 大功率晶閘管的選取 、 發(fā)射線圈的制作以及功率驅(qū)動單元的 設(shè)計 實現(xiàn)。 主要研究內(nèi)容及其關(guān)鍵技術(shù) 本文的研究內(nèi)容主要分為三個方面： （ 1）功率發(fā)射電路關(guān)鍵技術(shù)研究 主發(fā)射電路共包括三個部分： 時序發(fā)生 控制單元 ，大功率晶閘管驅(qū)動單元，串聯(lián)諧振功率電路單元 。 42 025002 00I / At / m s 圖 半正弦電流波形參數(shù)圖 針對 課題要求指標參數(shù) ，本文所 研究的 發(fā)射機 主要包括 時序信號產(chǎn)生 的 控制單元、串聯(lián)諧振 功率發(fā)射 單元、為發(fā)射機供電的直流電源單元、峰值電流 突變 采集記錄單元、過沖削弱單元五部分，發(fā)射機整體功能結(jié)構(gòu)如圖 。本論文的主要研究目的是 根據(jù)課題需要研究串聯(lián)諧振式的 半正弦電流波形發(fā)射 機 的關(guān)鍵技術(shù) 。 近年來直升機航空瞬變電磁勘探儀器在國際上發(fā)展很快，由于我國地域遼闊，礦產(chǎn)資源分布廣泛，而且資源多分布于植被覆蓋區(qū)，利用地面瞬變電磁開展勘測工作將會耗費大量的人力和物力，快速著手發(fā)展直升機航空瞬變電磁勘察系統(tǒng)變得很重要。 （ 5）直升機航空瞬變電磁勘察系統(tǒng)的靈活、高效的特點，使得它越來越多的 應用 到 地下水勘查、 大型工程基礎(chǔ)調(diào)查、 地質(zhì)填圖、 礦產(chǎn)勘查、 土壤鹽漬化調(diào)查 , 以及遺留未爆炸物 的找尋 等 地質(zhì)勘察任務中 。同時， 為 使解釋更準確 ，三分量測量還 可測量吊艙的位置變化。 （ 3） 能夠 進行 x、 y、 z 三個方向的多分量測量， 同時測量 磁感應強度 B 和磁感應強度隨時間的變換 dB/ dt。 （ 2） 該系統(tǒng) 的一個標識性進步 在于 直升機航空瞬變電磁 可在發(fā)射電流關(guān)斷和開通時測量二次場。 表 目前國際上主要直升機航空瞬變電磁系統(tǒng)的技術(shù)指標 系統(tǒng) 指標 名稱 HeliGEOTEM HoisTEMⅡ AeroTEM IV VTEM THEM EMOSQUITO 發(fā)射面積 (m2) 95 375 113 531 105 發(fā)射線圈（圈數(shù)） 2 1 7 4 2 發(fā)射電流（ A） 1210 320 500 300 1400 偶極矩峰值（ NIA） 230,000 120,000 395,000 650,000 250,000 發(fā)射波形 半正弦 方形 三角 梯形 半正弦 發(fā)射脈沖時間（ ms） 4 5 4 發(fā)射方向 z z z z z 接收分量 x， y， z z x， z z x， y， z 是否全波記錄 是 否 是 計劃中 是 接收帶寬 3011520 2519722 30/9023040 25/3025000 3030720 系統(tǒng) 指標 名稱 ORAGSTEM NewTEM SkyTEM SCORPION ExplorHEM 發(fā)射面積 (m2) 36 300 283 314 36 發(fā)射線圈（圈數(shù)） 4 1 4 4 8 發(fā)射電流（ A） 30 265 83 200 偶極矩峰值（ NIA） 4320 80000 45000 250000 25600 發(fā)射波形 方形 方形 長斜波梯形 三角 方形 發(fā)射脈沖時間（ ms） 10 4 發(fā)射方向 z z z z z 接收分量 z和垂直梯度 x， y， z x， z x， z x， y， z 是否全波記錄 否 否 否 是 是 接收帶寬（ Hz） 90/2705400 25/30100000 7519200 現(xiàn)代 直升機航空 瞬變 電磁 勘察 系統(tǒng) 主要 特點 通過 以上 總結(jié) 分析 ，現(xiàn)代直升機航空瞬變電磁系統(tǒng)具有以下特點 [2]： （ 1）新型大功率器件的應用使得發(fā)射電流得到很大的提高，從而 在相同發(fā)第 1 章 緒論 4 射線圈尺寸下具有更大 發(fā)射磁矩。 國外直升機航空瞬變電磁法儀器發(fā)展狀況 自 2022 年以來 , 特別是 2022 年以后 ， 直升機時間域電磁法發(fā)展很快 ，比較第 1 章 緒論 3 有代表性的 系統(tǒng)有南非 Spectrem Air 公司的 Explor HEM（ 1997）； 澳大利亞 Normandy Exploration 公司的 HOISTEM（ 1998）；美國 Newmont Mining Corporation 公司的 NEWTEM（ 1998）； 加拿大 的THEM _ EMOSQUITO（ 1998）；加拿大 Aeroquest International 公司 的 Aero TEM （ 1999）； 加拿大 McPhar Geophysics Pty. SCORPION（ 2022）； 加拿大 Geotech Ltd. 公司 的 VTEM （ 2022）；加拿大 Fugro 公司 的 HELIGEOTEM（ 2022）；丹麥 SkyTEM Aps 公司的 SkyTEM（ 2022）；美國 Oak Ridge National Laboratory 公司 的 ORAGSTEM（ 2022）。因此對航空電磁法系統(tǒng)的研究就顯得尤其重要 [3]。雖然我國 AEM 發(fā)展不順利 ， 但我國物探工作者對該方法的數(shù)據(jù)質(zhì)量評價、數(shù)據(jù)處理、圖示、反演、解釋等還是開展了必要的研究工作。 直 升 機發(fā) 射 線 圈接 收 線 圈吊 艙 圖 吊艙式直升機 航空電磁探測系統(tǒng)示意圖 航空 瞬變 電磁法儀器的發(fā)展現(xiàn)狀 及其特點 國內(nèi)航空瞬變電磁法儀器發(fā)展狀況 我國 在 20世紀 50年代 開始 對航空電磁法 進行 研究 ，但是發(fā)展過程并不順利，改革開放后 我國開始 加大對 國外先進的 探測設(shè)備的 引進 。 在實際應用中，經(jīng)常采用多次疊加的手段來提高數(shù)據(jù)精度。 吊艙式 直升機 航空 瞬變 電磁 探測原理簡介 圖 是 吊艙式 直升機航空瞬變電磁勘查系統(tǒng)示意圖， 由直升機、吊艙、發(fā)射接收系統(tǒng)組成 。我國 幅員遼闊而且多 高 山 ， 淡水層或 良導 體礦 的覆蓋層分布廣泛，且所需勘探 目標體 深度有時在 200m 以下，雖然國際上 已研制出勘探 深度較大 的固定翼時間域電磁系統(tǒng)，但因系統(tǒng) 過于笨重 ，難以在地形 起伏比較大的 地區(qū)工作。 眾多航空物探技術(shù)里， 航空電磁 法 （ Airborne Electromagic Method）在找 尋地 層 水、良導礦 體 以及地質(zhì)填圖等 地質(zhì)勘察領(lǐng)域應用非常廣泛 。近 幾十年 來，航空物探技術(shù) 在 航空技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、勘探地球物理技術(shù)的飛速發(fā)展 的背景下 得到了 長足的 提高和發(fā)展。 關(guān)鍵詞： 航空電磁法，串聯(lián)諧振，發(fā)射機，功率電子，單片機 V Abstract Helicopter airborne electromagic method (Airborne Electromagic Method) geophysical survey system has outstanding advantages of fast, flexible, efficient , and takes geological survey tasks in plex terrain environment. Foreign countries have successful developed helicopter airborne electromagic method survey system and made a series of research results, while China39。通過示波器觀測互感器輸出波形 ，分析 發(fā)射電流的大小、波形以及脈寬等參數(shù) ，25Hz正弦半波、脈寬 、峰值電流 2725A達到了課題要求的指標 。而后 設(shè)計了整個弱電系統(tǒng)的機 箱面板，弱電系統(tǒng)的整合裝箱，給出了面板設(shè)計圖和機箱實物照片 。 針對發(fā)射電流過沖對接收系統(tǒng)的不良影響，設(shè)計了電流過沖削弱單元。該單元首先經(jīng)過峰值檢測電路將電流互感器輸出模擬信號轉(zhuǎn)換為直流電平信號。大功率晶閘管驅(qū)動的設(shè)計采用分立元件搭建，主要實現(xiàn)對時序信號的電流放大以及 通過 脈沖變壓器隔離強弱電之間的電聯(lián)系 ，最后給出了控制驅(qū)動單元的 PCB板實物 照片 和輸出驅(qū)動信號波形 。 通過對 功率器件工作條件分析 ，選取了 Y45KPE型號的 大功率 晶閘管 的作為 功率 開關(guān) 器件； 根據(jù) 計算所得 電感數(shù)值 ，設(shè)計確定了 發(fā)射線圈 選材、 直徑、圈數(shù)等參數(shù)，最終完成整個發(fā)射線圈的組裝 。最終通過互感器分析測試發(fā)射線圈電流波形， 主要指標為 25Hz 正弦半波電流峰值達到 2725A，脈寬 ，基本滿足課題要求。直升機航空瞬變電磁系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成， 本文主要研究半正弦發(fā)射電流的串聯(lián)諧振式航空電磁法發(fā)射機的關(guān)鍵技術(shù) 。I 分 類 號： TH763 單位代碼： 10183 研究生學號： 2022552053 密 級：公 開 吉林大學 碩士學位論文 串聯(lián)諧振式航空電磁法發(fā)射機 關(guān)鍵技術(shù)研究 Research on Key Technology ofSerialResonant Airborne Electromagic