CN104407391A - 磁性源非调制式发射机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁性源非调制式发射机，是由主控制模块分别连接人机接口、GPS模块和WIFI模块、笔记本电脑，主控制模块经A/D模块和H桥路与电源连接，主控制模块经驱动模块、钳位电路和H桥路与发射线圈连接，驱动模块经阻尼吸收电路和H桥路与发射线圈连接，驱动模块与H桥路连接，钳位电路与A/D模块连接构成。解决了电流下降为零时的振铃现象，对减小浅层探测中的一次场影响具有重要作用，得到了更“纯净”的二次场信号，提高了瞬变电磁数据的质量，尤其是对瞬变电磁的早期数据，为瞬变电磁数据处理和反演提供了高质量的数据。适用于多种形式的发射线圈，发射电流波形可控制，关断延时短、电流下降沿线性度高、发射电流大、电流前沿上升速度加快。

Description

磁性源非调制式发射机及控制方法

技术领域

本发明涉及一种地球物理勘探设备，尤其是瞬变电磁发射系统，特别是发射天线为强感性磁性源(线圈)负载的磁性源电磁发射机。

背景技术

时间域瞬变电磁法(TEM)是地球物理探测领域里一种应用前景十分广阔的勘探方法,且目前已经成功地应用于煤矿、金属矿、石油、煤气勘查等工程探测方面。瞬变电磁发射机通常使用大电感、小电阻的线圈负载，尤其在航空电磁法和井下电磁法等特殊场合对线圈的尺寸有所限制，实际上多采用多匝小线圈。因此，对于瞬变电磁磁性源发射机的功率变换电路提出了特殊的要求。

CN203786309U公开了一种“瞬变电磁发射机被动吸收电路”，采用TVS管、SIDAC器件来吸收关断时发射线圈中的发射电流，减小电流关断时间，但是往往应用在强感性磁性源(线圈)负载上关断延时还是太长，而且关断延时电流波形下降沿非线性，不可控制，浅层盲区很大。

现有的航空瞬变电磁发射机使用调制式发射技术，虽然减小了电流关断延时和电流上升时间，但是发射电流波形是经调制过的，波形不稳定，电流纹波较大，会产生电磁干扰，从而影响探测精度。

赵海涛在<仪器仪表学报>2013年第4期P803-808公开了《恒压钳位高速关断瞬变电磁发射系统》，提到了“恒压钳位电路”，该电路应用后，电流关断延时短，电流下降沿线性度高，并提升了电流前沿上升速度，但在关断后电流有反向，并且带有振荡，对二次场影响比较大，也给数据反演解释带来了很大的难度。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术存在的不足，提供一种针对强感性磁性源(线圈)负载，能够在使用感性较大的发射线圈时，通过对功率变换电路改进和控制，实现发射电流高速关断，下降沿线性度好，关断后波形无振荡，无反向，电流前沿上升速度加快，并且采用闭环自动控制的磁性源非调制式发射机。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

磁性源非调制式发射机，是由主控制模块1分别连接人机接口8、GPS模块和WIFI模块7、笔记本电脑11，主控制模块1经A/D模块6和H桥路3与电源9连接，主控制模块1经驱动模块2、钳位电路4和H桥路3与发射线圈10连接，驱动模块2经阻尼吸收电路5和H桥路3与发射线圈10连接，驱动模块2与H桥路3连接，钳位电路4与A/D模块6连接构成。

所述的H桥路3正向供电开始Q1和Q4导通，Q3、Q2和Q5截止，当Q1和Q4截止，Q3和Q2导通，Q3、Q2和Q5中的续流二极管和电容C1构成续流回路，负载能量转移到C1；负向供电截止Q1、Q4和Q5中的续流二极管和电容C₁构成续流回路。

所述的发射线圈10为100＊100m单匝线圈、1m＊1m多匝线圈、2m＊2m多匝线圈或20m＊20m多匝线圈。

所述的主控制模块1通过双闭环控制发射电路，其中一组闭环网络控制钳位电路4的钳位电压自动调整到所设电压；另一组闭环网络通过控制阻尼吸收电路3自动调整吸收，使关断后的电流波形无震荡。

所述的电源9进入桥路前串有二极管，二极管在发射电流截止时刻发射线圈10上的瞬间高压不会对电源造成冲击，钳位电路4的高压电容将此能量储存，在脉冲电流上升沿放电时，能量全部加在发射线圈10上，而不会回馈到电源9，降低了能量损耗，且大大提升了电流脉冲前沿上升速度。

所述的H桥路3功率开关管两端设有保护单元，在桥路正常打开后将保护单元中的能量经过发射线圈放掉，提升了电流前沿，并且不对电流关断有影响。

磁性源非调制式发射机的控制方法，包括以下步骤:

A、首先仪器启动准备设置参数，包括：频率、占空比、发射电流最大值、钳位电压和线圈类型

B、设置好参数后准备发射，仪器进入预发射状态，启动发射后，发射机先给电容充电，充电完成后进入参数校正阶段，参数校正结束；

C、驱动控制，使用两组闭环控制，两组闭环同时工作：

其中一组控制钳位电压，通过测量高压电容两端的电压后，将模拟量转换为数字量，然后进行数字滤波，开口时间调整，参数修正；

另一组网络通过控制阻尼吸收电路，采集发射电流，关断延时测量，吸收时间调整，参数修正；

D、经过双闭环控制后，发射机进行高压参数修正和关断延时测量修正，询问是否停止发射，如果停止发射跳到设置参数页面，如果不停止发射，则开始测量；

E、该控制方法实现了发射机自动工作，操作人员只需设置好初始发射机自动完成工作。

有益效果：解决了电流下降为零时的振铃现象，对减小浅层探测中的一次场影响具有重要作用，得到了更“纯净”的二次场信号，提高了瞬变电磁数据的质量，尤其是对瞬变电磁的早期数据，对减小浅部勘探盲区有效地发挥了作用，也为也为瞬变电磁数据处理和反演方法提供了高质量的数据。适用于多种形式的发射线圈，如100m＊100m大面积单匝线圈、2m＊2m或1m＊1m多匝小线圈、20m＊20m多匝线圈。发射电流波形可控制，具有关断延时短、电流下降沿线性度高、发射电流大、电流前沿上升速度加快。

①、关断阻尼吸收使用无感电阻和功率开关管Q6串联在一起，然后再并联到发射线圈两端。当发射电流关断到底部时，马上打开功率开关管，把吸收电阻R1切入，消耗负载剩余能量，消除电流下降为零时的振铃现象，使负载电流完全线性下降，且无反向。

②、功率开关管保护：常规的功率开关管保护电路：RCD吸收电路，虽然可以保护主桥路的Q1、Q2、Q3、Q4开关管，但是在关断瞬间RCD吸收电路中的电容C会迅速充电，在主桥路正常工作时，电容C中的电荷会通过发射线圈放掉，这样便会在发射电流波形中产生振荡现象。本发明提出一种新的保护技术，与保护单元串联一个开关，在电流上升时将电荷放掉，并加快了发射波形的前沿。

③、发射电流波形可控：发射电流下降沿、发射电流的周期、占空比都可以由主控电路的MCU控制。发射电流下降沿可通过控制钳位电路的钳位高压，从而改变关断时间。发射电流的平顶可由电源板的输出决定，由于发射线圈确定后，电阻也就确定了，所以发射电流可由电源的输出电压控制。

④、单片数字可编程逻辑器件控制方法：闭环控制，控制方法采用两组闭环控制，其中一组在使用不同感性负载时，根据所测得的电流关断延时调整阻尼吸收电路的切入时间，完成电流拖尾效应的吸收；一组通过测量钳位电路中高压电容的电压来调整钳位电路打开时间，从而使高压电容两端电压与设定钳位电压值相同，实现系统自动控制。

应用范围广泛，即适用于地面大面积发射线圈，又适用于矿井隧道多匝小线圈，还适用于航空，固定翼多匝线圈。

附图说明：

图1为磁性源非调制式发射机结构框图

图2为图1中H桥路3的电路图

图3为磁性源非调制式发射机的控制方法流程图

图4为磁性源非调制式发射机的操作流程图

图5为磁性源非调制式发射机的发射电流波形示意图

1主控制模块，2驱动模块，3H桥路，4钳位电路，5阻尼吸收电路，6A/D模块，7GPS模块和WIFI模块，8人机接口，9电源，10发射线圈，11笔记本电脑，12发电机，13电池。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

磁性源非调制式发射机，是由主控制模块1分别连接人机接口8、GPS模块和WIFI模块7、笔记本电脑11，主控制模块1经A/D模块6和H桥路3与电源9连接，主控制模块1经驱动模块2、钳位电路4和H桥路3与发射线圈10连接，驱动模块2经阻尼吸收电路5和H桥路3与发射线圈10连接，驱动模块2与H桥路3连接，钳位电路4与A/D模块6连接构成。

所述的H桥路3正向供电开始Q1和Q4导通，Q3、Q2和Q5截止，当Q1和Q4截止，Q3和Q2导通，Q3、Q2和Q5中的续流二极管和电容C1构成续流回路，负载能量转移到C1；负向供电截止Q1、Q4和Q5中的续流二极管和电容C₁构成续流回路。

所述的发射线圈10为100＊100m单匝线圈、1m＊1m多匝线圈、2m＊2m多匝线圈或20m＊20m多匝线圈。

所述的主控制模块1通过双闭环控制发射电路，其中一组闭环网络控制钳位电路4的钳位电压自动调整到所设电压；另一组闭环网络通过控制阻尼吸收电路3自动调整吸收，使关断后的电流波形无震荡。

所述的电源9进入桥路前串有二极管，二极管在发射电流截止时刻发射线圈10上的瞬间高压不会对电源造成冲击，钳位电路4的高压电容将此能量储存，在脉冲电流上升沿放电时，能量全部加在发射线圈10上，而不会回馈到电源9，降低了能量损耗，且大大提升了电流脉冲前沿上升速度。

所述的H桥路3功率开关管两端设有保护单元，在桥路正常打开后将保护单元中的能量经过发射线圈放掉，提升了电流前沿，并且不对电流关断有影响。

磁性源非调制式发射机的控制方法，包括以下步骤:

A、首先仪器启动准备设置参数，包括：频率、占空比、发射电流最大值、钳位电压和线圈类型

B、设置好参数后准备发射，仪器进入预发射状态，启动发射后，发射机先给电容充电，充电完成后进入参数校正阶段，参数校正结束；

C、驱动控制，使用两组闭环控制，两组闭环同时工作：

其中一组控制钳位电压，通过测量高压电容两端的电压后，将模拟量转换为数字量，然后进行数字滤波，开口时间调整，参数修正；

另一组网络通过控制阻尼吸收电路，采集发射电流，关断延时测量，吸收时间调整，参数修正；

D、经过双闭环控制后，发射机进行高压参数修正和关断延时测量修正，询问是否停止发射，如果停止发射跳到设置参数页面，如果不停止发射，则开始测量；

E、该控制方法实现了发射机自动工作，操作人员只需设置好初始发射机自动完成工作。

主控制模块是以数字可编程逻辑器件为核心，外围设有通信总线、发射时序隔离输出电路、A/D转换模块、GPS模块、无线WIFI模块、人机接口等；所述驱动模块把桥路控制信号放大后输出给发射电路的功率开关管；所述发射电路采用可调恒压钳位高速关断技术、脉冲前沿提升技术、关断阻尼吸收技术，功率开关管保护技术；所述电源板提供12-96V电压，输出总功率很高；所述发射天线为强感性磁性源(线圈)负载。

如图1所示，瞬变电磁磁性源非调制式发射机，包括主控制模块1、驱动模块2、H桥路3、钳位电路4、阻尼吸收电路5、电源9、人机接口8、GPS模块和WIFI模块7构成发射机仪器整体。发射机整体分为四层。所述主控制模块1处于仪器最上层，主控制模块1以数字可编程逻辑器件为核心，并且资源丰富，板上的接口与驱动模块2相连；所述驱动模块2位于主控制模块1的下一层，驱动模块2的输出信号分别接H桥路3、钳位电路4、和阻尼吸收电路5的功率开关管来控制发射；所述H桥路3、钳位电路4、和阻尼吸收电路5如图2所示位于仪器整体的第三层，另外还与电源9相连，电源9给发射电路供电；所述电源9通过发射机机壳上的接口与外部的蓄电池13或者发电机12相连，电源9使用VICOR公司的电源模块，位于仪器整体的最下层；人机接口与主控制板上的接口相连，经过线束引到了发射机面板上，所述人机接口8包括12864液晶显示屏、防沙防尘防水按键；GPS模块和WIFI模块7与主控制板上的接口相连，所述GPS模块使用ublox公司的LEA-6T，WIFI模块使用有人科技公司的USR-WIFI232-B；发射线圈10与发射机机壳的输出接口相连，所述发射线圈可以是100＊100m大面积单匝线圈，也可以是1m＊1m或2m＊2m多匝线圈，还可以是20m＊20m多匝线圈。

如图2所示，磁性源非调制式发射机的发射电路，包括由4个功率开关管(Q1、Q2、Q3、Q4)组成的H桥路3、多匝发射线圈10、由功率开关管串联一个吸收电阻组成阻尼吸收电路、由一个功率开关管和一个高压电容组成钳位电路，每个功率开关管两端都有一个保护电路，所述保护电路由一个功率开关管(S1、S2、S3、S4)串联一个保护单元组成。发射电路供电由电源9提供，D2、L1和C2组成瞬态功率电路，为发射电路提供瞬态高电流。

发射电路在数字可编程逻辑器件的控制下输出双极性梯形波，桥路加电后，首先对钳位电路的高压电容充电，达到预设定值后(充电时间大概1分钟)，系统开始正常工作。正向供电开始时刻，Q1、Q4导通，Q3、Q2、Q5截止，发射线圈通过正向电流。在Q1、Q4截止后，Q3、Q2和Q5中的续流二极管和电容C1构成续流回路，负载能量转移到C1。由于钳位电压为预设定值(一般远大于电源9的输出电压)，发射线圈电压在电流下降期间不变，发射电流迅速线性下降。在负向供电截止时刻，Q1、Q4和Q5中的续流二极管和电容C₁构成续流回路，同样，发射电流迅速线性下降。配合阻尼吸收电路，消除电流下降为零附近的振铃现象。如图3所示，在电流下降为零时，阻尼吸收电路切入的时间不同，电流拖尾也不同。(恒压钳位电路实现C1两端电压的稳定。设定稳压值为U_C，当电压小于U_C时，Q5截止，C1充电；当电压大于U_C时，Q5在下个脉冲电流上升沿导通，C1放电，能量由发射线圈消耗，并可提升电流上升速度，使其尽快达到稳定值。另外二极管D1有着积极意义。由于二极管的单向导通性，发射电流截止时刻，发射线圈上的瞬间高压不会对电源造成冲击；电容C1在脉冲电流上升沿放电时，能量全部加在发射线圈上，而不会回馈到电源，降低了能量损耗，且大大提升了电流脉冲前沿上升速度。电源进入H桥路之前加了一个二极管D2、缓冲电感L1和瞬态功率电容，是为了给发射电路提供瞬态电流，缓冲电感L1的作用是防止瞬态电流过大，把瞬态功率电容C2冲击坏，起到保护作用。

如图3磁性源非调制式发射机的控制方法流程图所示，控制采用双闭环控制，首先仪器启动准备设置参数，包括：频率、占空比、发射电流最大值、钳位电压和线圈类型。设置好参数后准备发射，仪器进入预发射状态，启动发射后，发射机先给电容充电，充电完成后进入参数校正阶段，使用两组闭环控制网络，其中一组控制钳位电压，通过测量高压电容两端的电压后，将模拟量转换为数字量，然后进行数字滤波处理，与之前设置好的参数比较后调整钳位电路功率开关管的打开时间的长短，从而调整了高压电容两端的电压，自动调整到预设置钳位电压；另一组网络通过控制阻尼吸收电路，将发射电流采集回来，通过对电流关断延时的测量，将关断延时稍微调整，使阻尼吸收电路在电流下降为零之前切入，这样可以防止电流过冲反向和振荡，也可以使发射电流关断波形尽量线性。经过双闭环网络控制后，系统进行高压参数修正和关断延时测量修正，软件询问是否停止发射，如果停止发射软件跳到，设置参数页面，如果不停止发射，则开始测量。系统采用本软件控制实现了发射机自动化工作，操作人员只需设置好初始发射机自动完成工作。

具体工作过程：磁性源非调制式发射机通过数字可编程逻辑器件控制各个模块和信号的输出。仪器开关打开后，操作人员可以通过人机接口8对发射机的工作参数进行设置，具体参数包括频率、占空比、发射电流最大值、钳位电压、线圈类型等，操作人员还可以通过笔记本电脑11对参数进行设置，将笔记本电脑11与发射机连接，并使用上位机高级语言通过串口将参数传到数字可编程逻辑器件内解析。然后将发射机与蓄电池、发射天线连接好，最后点击发射按钮，发射机开始工作，如图4所示。

数字可编程逻辑器件输出控制桥路信号，其中有两路信号是控制主桥Q1、Q2、Q3、Q4的信号，采用严格的互锁逻辑，防止同一桥壁信号导通造成电源板的正负极导通短路。控制桥路信号输出通过光电耦合器，目的是起到隔离作用，防止强电干扰弱电部分，造成数字可编程逻辑器件时序混乱。从光耦输出的信号连接到驱动模块，驱动使用落木源公司的驱动板，能够稳定可靠的让桥路正常工作，通过发射线圈输出双极性梯形波。主控制模块1上的A/D模块6将发射机所发射的电流波形采集回来，在液晶屏上显示出发射电流的平顶电流值，关断延时等参数，还可以观察电流关断波形，从而在野外等环境没有示波器的情况下就能了解到此时发射机是否工作正常。另外主控制模块1上还有高压保护电路模块，当A/D模块6测得钳位电路的高压电容两端电压高出所设定的安全电压值后，系统就会认为此时处于危险状态，就会自动给高压电容放电，并停止工作，这样就起到了高压保护的目的，使系统更加安全地工作。

但是如果功率开关管使用常规的RCD吸收电路，此时发射线圈两端在电流下降为零时还会有一些微小的振荡，这种振荡就是RCD吸收电路所带来的影响，所以本发明使用一种特殊的保护电路。所述保护电路为当功率开关管关闭时，保护电路起作用，吸收功率开关管两端的尖峰电压，保护开关管；在正向供电开始时刻，S1、S4打开，将电容中的电荷放掉，在负向供电截止时刻，S2、S3打开，同样将电容中的电荷放掉。这样，在关断后，保护电路的放电已经结束，不会有电流通过发射线圈，消除了发射电流拖尾的振荡，具体发射电流示意图见图5，这样的电流发射波形会为后序瞬变电磁数据处理和反演方法提供了高质量的数据。

Claims (7)

1.一种磁性源非调制式发射机，其特征在于，是由主控制模块(1)分别连接人机接口(8)、GPS模块和WIFI模块(7)、笔记本电脑(11)，主控制模块(1)经A/D模块(6)和H桥路(3)与电源(9)连接，主控制模块(1)经驱动模块(2)、钳位电路(4)和H桥路(3)与发射线圈(10)连接，驱动模块(2)经阻尼吸收电路(5)和H桥路(3)与发射线圈(10)连接，驱动模块(2)与H桥路(3)连接，钳位电路(4)与A/D模块(6)连接构成。

2.按照权利要求1所述的磁性源非调制式发射机，其特征在于，所述的H桥路(3)正向供电开始Q1和Q4导通，Q3、Q2和Q5截止，当Q1和Q4截止，Q3和Q2导通，Q3、Q2和Q5中的续流二极管和电容C1构成续流回路，负载能量转移到C1；负向供电截止Q1、Q4和Q5中的续流二极管和电容C₁构成续流回路。

3.按照权利要求1所述的磁性源非调制式发射机，其特征在于，所述发射线圈(10)为100*100m单匝线圈、1m*1m多匝线圈、2m*2m多匝线圈或20m*20m多匝线圈。

4.按照权利要求1所述的瞬变电磁磁性源非调制式发射机，其特征在于，所述主控制模块(1)通过双闭环控制发射电路，其中一组闭环网络控制钳位电路(4)的钳位电压自动调整到所设电压；另一组闭环网络通过控制阻尼吸收电路(3)自动调整吸收，使关断后的电流波形无震荡。

5.按照权利要求1所述的磁性源非调制式发射机，其特征在于，所述的电源(9)进入桥路前串有二极管，二极管在发射电流截止时刻发射线圈(10)上的瞬间高压不会对电源造成冲击，钳位电路(4)的高压电容将此能量储存，在脉冲电流上升沿放电时，能量全部加在发射线圈(10)上，而不会回馈到电源(9)，降低了能量损耗，且大大提升了电流脉冲前沿上升速度。

6.按照权利要求1所述的磁性源非调制式发射机，其特征在于，H桥路(3)的功率开关管两端设有保护单元，在桥路正常打开后将保护单元中的能量经过发射线圈放掉，提升了电流前沿，并且不对电流关断有影响。

7.按照权利要求1所述的磁性源非调制式发射机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤:

A、首先仪器启动准备设置参数，包括：频率、占空比、发射电流最大值、钳位电压和线圈类型

B、设置好参数后准备发射，仪器进入预发射状态，启动发射后，发射机先给电容充电，充电完成后进入参数校正阶段，参数校正结束；

C、驱动控制，使用两组闭环控制，两组闭环同时工作：

其中一组控制钳位电压，通过测量高压电容两端的电压后，将模拟量转换为数字量，然后进行数字滤波，开口时间调整，参数修正；

另一组网络通过控制阻尼吸收电路，采集发射电流，关断延时测量，吸收时间调整，参数修正；

D、经过双闭环控制后，发射机进行高压参数修正和关断延时测量修正，询问是否停止发射，如果停止发射跳到设置参数页面，如果不停止发射，则开始测量；

E、该控制方法实现了发射机自动工作，操作人员只需设置好初始发射机自动完成工作。