CN105743385B - 一种瞬变电磁发射机电流波形整形电路 - Google Patents

Abstract

本发明为一种瞬变电磁发射机电流波形整形电路。包括：开关电源模块；快恢复二极管，与所述开关电源模块连接后，单向导通，防止高压感应电动势损坏电源模块；发射桥路模块，通过快恢复二极管与开关电源模块连接获取电能，并连接一驱动电路驱动发射桥路模块中的开关管按特定的频率开关动作，与发射线圈连接，产生一定频率的交变电流脉冲；阻尼匹配吸收电路，通过切换开关选择需要的匹配电阻值；无源恒压钳位电路，由多个稳压二极管串联后并联在发射桥路模块两端，并通过外置的旋钮选择调节所需要的钳位电压。本发明提高了发射电流波形关断沿的线性度，保证发射电流正负关断沿严格一致，缩短了关断时间，保证发射电流波形关断沿尾部无过冲、无震荡。

Description

一种瞬变电磁发射机电流波形整形电路

技术领域

本发明涉及地球物理电磁探测领域，尤其是一种瞬变电磁发射机电流波形整形电路。

背景技术

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods，TEM)，又称为时间域电磁法，是一种应用非常广泛的地球物理探测方法，瞬变电磁法就是利用发射机在发射线圈中产生交变脉冲电流，通过激发一次脉冲场，在一次脉冲场的间歇期，接收感应的二次电磁场，通过对感应二次场的研究得到地下物质结构和分布信息。

瞬变电磁发射电流波形整形技术中，最关键的为如何实现发射电流关断时间短、线性度好、下降沿尾部无震荡或过冲。由理论可得，钳位电压值越高关断时间越短，关断沿的斜率越高。因此可以通过提高钳位电压的值来缩短下降沿的关断时间。分布电容与线圈的长度和匝数有关，无法消除分布电容，只能在其两端并联合适的匹配电阻，才能使关断电流处于临界阻尼或者较小的欠阻尼状态，达到关断后期波形平坦、无过冲、无振荡的目的。本发明将H桥路无源恒压钳位电路和阻尼匹配电阻可调的电路结合起来，针对不同线圈应用于不同环境中，通过旋钮开关选择合适的钳位电压和合适的匹配电阻，缩短了关断时间，提高了发射电流波形关断沿的线性度，保证发射电流正负关断沿严格一致，保证关断后期波形平坦、无过冲、无震荡，达到改善波形的目的，实现了发射电流波形整形的目的，使得数据处理和反演解释的准确性得到提高。

常规RCD吸收电路关断时间长、且关断后容易引入震荡；改进的RCD吸收电路虽然较常规RCD电路在关断时间上有所缩短，但存在电流下降沿线性度差的问题；准谐振电路进一步减小了关断时间，但其发射电流关断沿下降初期，线性度较差；馈能型恒压钳位电路能得到较好关断效果，且可以改善发射电流的上升沿，但系统控制复杂，并且由于大容量电容的存在，系统体积常常较大。TVS方法可以实现下降沿的短时间关断，但是TVS不能长时间承受瞬时脉冲，受功率限制，吸收能量的累积会使其烧毁，因此只适用于小功率发射系统，且TVS存在较大结电容，会使得发射电流产生震荡。

CN104682763A公开了一种馈能恒压钳位高速关断装置，其主桥路部分的恒压源部分需要复杂的控制系统，而且钳位电压恒定，无法根据线圈和环境的不同来选择合适的钳位电压值和匹配电阻值，无法在不同的环境中得到最佳的发射电流波形。馈能型需要容量和体积很大的电容，增加了发射系统的体积和重量，不利于野外施工的搬运，不利于复杂环境、狭窄空间下的工作。

CN104407391A公开了一种磁性源非调制式发射机及控制方法，其发射桥路部分属于馈能型钳位电路，需要大体积大容量的大电容，且运用了复杂的控制系统，可靠性方面不能保证，生产成本也相应的增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种瞬变电磁发射机电流波形整形电路，通过将H桥路无源恒压钳位电路和阻尼匹配电阻可调的电路结合起来，针对不同发射线圈应用于不同环境中，选择合适的钳位电压和合适的阻尼匹配电阻，保证关断后期波形平坦、无过冲、无震荡，达到改善发射电流波形波形的目的，保证发射电流正负下降沿严格一致，使得数据处理和反演解释的准确性得到提高。

本发明是这样实现的，本发明提供了一种瞬变电磁发射机电流波形整形电路，包括：

开关电源模块，提供所需电能；

快恢复二极管，与所述开关电源模块连接后，单向导通，防止高压感应电动势损坏电源模块；

发射桥路模块，通过所述快恢复二极管与开关电源模块连接获取电能，并连接一驱动电路驱动发射桥路模块中的开关管按特定的频率开关动作，在发射线圈中产生一定频率的交变电流脉冲；开关电源模块经过发射桥路模块逆变为双脉冲交流电流产生一次激励电磁场；驱动电路是主控电路模块与发射桥路模块之间的桥梁，实现了弱电信号控制强电信号的功能，通过驱动电路驱动发射桥路模块中的开关管按特定的频率开关动作，在发射线圈中产生一定频率的交变电流脉冲。

发射线圈，与所述发射桥路模块连接后产生一次激励脉冲场；可根据施工环境需要设计，不局限于线圈的匝数和体积；

阻尼匹配吸收电路，阻尼匹配吸收电路为一定值阻尼匹配吸收电阻与多组特定阻值的匹配电阻串联后并联在发射线圈两端，每个特定阻值上的匹配电阻上并联切换开关，通过切换开关选择需要的匹配电阻值；

无源恒压钳位电路，由多个稳压二极管串联后并联在发射桥路模块两端，并通过外置的旋钮选择调节所需要的钳位电压。

进一步地，所述发射桥路模块包括四个IBGT模块通过两两IBGT模块串联后在两组串联的IBGT模块中间连接发射线圈组成的H桥路。IBGT模块具有较快的开关速度，并且内部含有寄生并联二极管，既可以起到保护IGBT模块的作用，防止感性负载的较高的反向感应电动势击毁IGBT模块，同时对IGBT模块的寄生电容存储的电量进行泄放，防止电容电量的积累烧坏IGBT模块。

进一步地，所述无源恒压钳位电路的钳位电压值的范围在0～500V可调，间隔为30V。宽范围小分度值的钳位电压调节使得对于不同的发射天线更能精确调节到合适的钳位电压值。钳位电压值高于开关电源模块的输出电压，这样在开关管导通时，无源恒压钳位电路中的钳位二极管处于高阻状态，钳位二极管不工作，对发射桥路不产生影响，在桥路关断时，发射线圈产生较高的感应电动势，达到钳位二极管的阈值，钳位二极管迅速导通，由高阻态变为低阻态，将线圈负载两端的电压钳位在固定的电压值，根据发射线圈的不同，选择合适的钳位电压，调节钳位电压值，一方面可以改变发射电流的关断时间，另一方面可以调整发射电流下降沿的线性度，钳位电压越高，发射电流波形的关断时间越短，发射电流波形的线性度越好，因此可以对发射电流的波形进行整形，提高发射电流关断沿的波形，但是钳位电压值的增大对开关管耐压的要求越来越高，因此不能无限制的增大稳压二极管的钳位电压值。

采用的钳位二极管为无源器件，操作简便，可靠性高，匹配度好，可以适用于多种发射线圈。

进一步地，阻尼匹配吸收电路为一定值阻尼匹配吸收电阻与多组特定阻值的匹配电阻串联后并联在发射线圈两端，每个特定阻值上的匹配电阻上并联切换开关。

进一步地，匹配电阻的阻值分为粗调和细调，其中，粗调范围为0～2000Ω，精度为200Ω；细调范围为50～230Ω，精度为20Ω。

阻尼匹配电阻通过粗调找到大致的阻尼匹配电阻，再经过细调找到最合适的阻尼匹配电阻值。

阻尼匹配吸收电路是由特定阻值的匹配电阻串联切换开关并联在发射线圈两端，通过切换开关选择合适的匹配电阻值。在线圈负载中存在着较为明显的分布电容，分布电容的大小与线圈的长度成正比，因此无法消除分布电容的存在，由于分布电容的存在，开关管关断瞬间，发射电流的关断需要一定的延时，当仅存在恒压钳位电路，未加吸收电路时，发射电流关断波形的后期往往出现震荡现象，而关断波形的震荡，严重影响着接收机接收数据的质量，为抑制发射电流关断波形后期的震荡，必须在线圈两端并联合适的吸收电阻，才能使得关断电流处于临界阻尼或较小的欠阻尼状态，达到关断后无震荡的效果。

将H桥路无源恒压钳位电路和阻尼匹配电阻可调的电路结合起来，针对不同线圈应用于不同环境中选择合适的钳位电压和合适的匹配电阻，缩短了了关断时间，提高了发射电流波形关断沿的线性度，保证发射电流正负关断沿严格一致，保证关断后期波形平坦、无过冲、无震荡，达到改善波形的目的，使得数据处理和反演解释的准确性得到提高。

附图说明

图1是瞬变电磁发射机主电路的拓扑结构；

图2是发射线圈等效电路图；

图3是本发明钳位吸收电路原理框图；

图4是本发明发射桥路模块与其他的模块之间的电路原理图；

图5是本发明发射桥路模块共用同一恒压钳位电路原理图；

图6是阻尼匹配吸收可调电路原理图；

图7是本发明开关电源模块结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明用于的瞬变电磁发射机，是由电源模块、主控电路模块、驱动电路、发射桥路模块、钳位及吸收电路、发射线圈，霍尔电流传感器构成。其中，

电源模块为控制单元、驱动电路和发射桥路模块提供所需能量来源。电源模块与主控电路模块、驱动电路、发射桥路模块连接，主控电路模块与显示模块、驱动电路连接，驱动电路与发射桥路模块连接，发射桥路模块与钳位及吸收电路、发射天线连接，霍尔电流传感器与发射电线、主控电路模块连接构成。

主控电路模块是以TI公司的MSP430F149单片机作为整个发射机的控制核心，并以同步电路、采集转换电路共同构成，利用MSP430F149单片机的定时器，使其工作在增减计数模式，通过外部旋钮开关来控制单片机的IO口的逻辑电平变化，以此选择不同的比较寄存器值与TAR进行比较，产生相应的PWM时序信号，输出的两路PWM信号经驱动电路控制开关管的导通，激发产生一次脉冲场。

而钳位及吸收电路包括有阻尼匹配吸收电路和无源恒压钳位电路。

而本实施例中参见图3瞬变电磁发射机电流波形整形电路是瞬变电磁发射机中的一部分，包括：开关电源模块与快恢复二极管、发射桥路模块与驱动电路、发射线圈、无源恒压钳位电路，发射线圈与阻尼匹配吸收电路、发射桥路模块连接构成。

图7所示，开关电源模块是由铅酸电池组、输出电压调节模块、数显电压表与DC-DC电源模块连接构成。

实施例

参见图4为发射桥路模块与其他的模块之间的电路原理图，其中，包括：

开关电源模块Us，提供所需电能；快恢复二极管D5，与开关电源模块连接后，单向导通，防止高压感应电动势损坏电源模块；发射桥路模块包括四个IBGT模块(Q1、Q2、Q3以及Q4)通过两两IBGT模块串联后在两组串联的IBGT模块中间连接发射线圈组成的H桥路，其中IBGT模块Q1与IBGT模块Q2串联、IBGT模块Q3与IBGT模块Q4串联。IBGT模块具有较快的开关速度，并且内部含有寄生并联二极管(D1、D2、D3以及D4)，既可以起到保护IGBT模块的作用，防止感性负载的较高的反向感应电动势击毁IGBT模块，同时对IGBT模块的寄生电容存储的电量进行泄放，防止电容电量的累积烧坏IGBT模块。发射线圈为等效电感L以及等效的电阻R串联后连接在两组串联的IBGT模块中间；

阻尼匹配吸收电路，由一定值阻尼匹配吸收电阻r0与多组特定阻值的匹配电阻(r1……rn)串联后并联在发射线圈两端，特定阻值的匹配电阻(r1……rn)并联切换开关(K1……Kn)，通过切换开关选择需要的匹配电阻值；

无源恒压钳位电路，由多个稳压二极管(K01、K02……K0n)串联后并联在发射桥路模块两端，并通过外置的旋钮选择调节所需要的钳位电压。

系统上电后，驱动电路驱动IBGT模块Q1、Q3导通，Q2、Q4截止，负载中通过如图4中线路1所示的电流的方向，经过一段时间后，IBGT模块Q1、Q2、Q3、Q4截止，电路中无电流流过，随后驱动电路驱动IBGT模块Q2、IBGT模块Q4导通，IBGT模块Q1、IBGT模块Q3截止，负载中流过如图4中线路2所示的电流方向，随后四个IBGT模块Q1、IBGT模块Q2、IBGT模块Q3、IBGT模块Q4再次截止，电路中再次无电流流过。如此反复，按一定周期反复实现向发射线圈中通入一定频率的正负交变的脉冲电流线圈中的电流为：

瞬变电磁法中波形关断沿的好坏直接影响着反演解释的准确性，因此发射电流下降沿的关断波形至关重要，关断波形的线性度、后期波形平坦、无过冲、无震荡对方便数据处理和反演解释的准确性至关重要。上式中的:

上式中的：

i_L(0₊)＝I₀

其中，U为负载两端钳位电压值，I₀为发射过程中发射电流达到稳定时的平顶电流值。推得发射电流关断过程总下降沿表达式：

关断后发射电流值为零，因此可以计算出关断时间，同时可求得发射电流关断沿斜率：

因负载中电阻阻值一般较小，常常可忽略不计，故可简化成：

分析可以得出如下结论：在负载线圈不变的条件下，调节钳位电压值U一方面可以改变发射电流的关断时间，另一方面可以调整发射电流关断沿的线性度。钳位电压值越大，关断时间越短；钳位电压值越大，关断沿斜率越高，但高的钳位电压值又常常受开关管、线圈耐压值的限制。因此可以通过增大合适的钳位电压值，在系统可靠稳定的前提下，达到减小关断时间，提高发射电流关断沿斜率的目的。

在多匝小线圈中，发射线圈中还存在着较为明显的分布电容，由于分布电容、线圈等效电感的存在，当突然通断发射电流回路时，发射回路中的电流状态都会发生一个变化的过程，此过程往往不能瞬间完成，在仅存在恒压钳位电路，未加吸收电路的情况下，发射电流关断波形的后期往往出现震荡现象，而关断波形的震荡严重影响着接收机接收数据的质量。为抑制发射电流关断波形后期的震荡，传统的在负载线圈两端并联吸收电阻方法的等效电路如图2所示，其中R代表线圈中的等效电阻，L为等效电感，r为并联的匹配电阻，c为负载及开关桥路中的分布电容。

由基尔霍夫电流定律，可以分析得到：

再根据基尔霍夫电压定律，可进一步求得：

对上述两个式子合并整理：

可知，发射电流的关断过程为一个二阶电路方程。因为二阶电路中有三种变化趋势的轨迹曲线，分别为欠阻尼、过阻尼、临界阻尼。其中过阻尼为特征方程中有两个不相等实根的非震荡的暂态变化过程，变化过程时间较长；临界阻尼为特征方程中有两个相等实根的非震荡的暂态变化过程，变化过程时间适中；欠阻尼为特征方程中有一对共轭复数根的暂态变化过程，变化到零的过程时间较短，但过零后存在震荡过程。可以得出特征方程、特征根的表达式。

特征方程为：

特征根为：

根据特征根表达式，可计算出临界阻尼时的条件，有：

或

对于线圈负载来说，R一般较小，因此求得r为负值无意义，故省略该结果，得到最后临界阻尼时的条件：

欠阻尼时：

过阻尼时：

由于线圈中的分布电容与线圈长度和匝数有关，因此在多匝小线圈的负载条件下，不可能消除分布电容的影响，只能选择在线圈两端并联合适的匹配电阻，才能使关断电流处于临界阻尼或较小的欠阻尼状态，达到关断后无震荡的效果。

功率稳压管接入到发射桥路的方式采用单向稳压管直接并联在发射桥路两端的方式，既达到了恒压钳位减小关断时间的效果，同时可以保证正负关断波形严格相同，进而保证正负交变电流的关断时间准确相同，严格一致的目的。功率稳压管的作用为当发射线圈两端有系统电源供电时，功率稳压管不工作，处于反向截止状态，线圈两端的感应电压值为系统电源电压。当发射线圈两端的系统电源断开时，稳压二极管迅速的从高阻态降低为低阻态，吸收线圈中剩余的能量，同时将线圈负载两端的感应电压钳位在稳压二极管对应的稳压值。

如图5所示，本发明采用同一路恒压钳位电路作为正负脉冲关断后线圈感应电动势的恒压钳位电路，这样就使得发射电流正负脉冲下降沿的关断波形严格一致，为数据的反演解释的准确性提供了重要的帮助。

当IBGT模块Q1、IBGT模块Q3由导通状态变为关断状态时，发射线圈里的感应电流流向如图5中的线路3所示，首先经过二极管D4到达恒压钳位电路，经过恒压钳位电路到达二极管D2最后回到发射线圈的负向端；当IBGT模块Q2、IBGT模块Q4由导通变为关断的瞬间，发射线圈的感应电动势经过二极管D1到达恒压钳位电路，经过恒压钳位电路，将发射线圈的电压值钳位在一定值，然后经过二极管D3回到发射线圈(线路4)。其中二极管D5阻断了较高的线圈的感应电动势对电源模块的冲击，保护了电源模块。

本发明恒压钳位电路通过开关切换达到选择合适钳位电压，从而改变发射电流关断时间，而且可以提高发射电流波形的线性度。

其中，钳位电压值的范围在60～500V可调，分度值为30V，宽范围小分度值的钳位电压调节使得对于不同的发射天线更加精确调节到合适的钳位电压值。

不同大小的匹配电阻通过选择开关并联在发射线圈两端，针对多匝小线圈应用于不同环境中引起的线圈等效电感电阻值及分布电容的变化，或更改线圈尺寸引起的等效电阻电感值及分布电容的变化，切换开关选择合适的匹配电阻，保证发射电流关断沿的线性度，后期平坦、无振荡的目的。

本发明采用的阻尼匹配电阻值分为粗调和细调，其中，

所述的粗调范围为0～2000Ω，精度为200Ω。

所述的细调范围为50～230Ω，精度为20Ω。

阻尼匹配电阻通过粗调找到大致的阻尼匹配电阻，再经过细调找到最合适的阻尼匹配电阻值。

IGBT模块Q1和IGBT模块Q3关断后，在发射电流关断沿的末期，发射线圈残存的能量经阻尼吸收匹配电路电阻消耗掉，如图6中的线路5所示；IGBT模块Q4和IGBT模块Q2关断后，在发射电流关断沿的末期，发射线圈残存的能量经阻尼吸收匹配电路电阻消耗掉，如图6中的线路6所示，保证发射电流关断沿后期平坦、无振荡。

本发明将上述H桥路无源恒压钳位电路和阻尼匹配电阻可调的电路结合起来，针对不同线圈应用于不同环境中选择合适的钳位电压和合适的匹配电阻，保证发射电流正负关断沿严格一致，保证关断后期波形平坦、无过冲、无震荡，达到改善发射电流波形的目的，方便数据处理，提高了反演解释的准确性，更加准确的解析出地下物质的分布情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种瞬变电磁发射机电流波形整形电路，其特征在于，包括：

开关电源模块，提供所需电能；

快恢复二极管，与所述开关电源模块连接后，单向导通，防止高压感应电动势损坏电源模块；

发射桥路模块，通过所述快恢复二极管与开关电源模块连接获取电能，并连接一驱动电路驱动发射桥路模块中的开关管按特定的频率开关动作，与发射线圈连接，产生一定频率的交变电流脉冲；

阻尼匹配吸收电路，并联在发射线圈两端，通过切换开关选择需要的匹配电阻值；

无源恒压钳位电路，由多个稳压二极管串联后并联在发射桥路模块两端，并通过外置的旋钮选择调节所需要的钳位电压。

2.按照权利要求1所述的瞬变电磁发射机电流波形整形电路，其特征在于，所述发射桥路模块包括四个IBGT模块通过两两IBGT模块串联后在两组IBGT模块中间连接发射线圈组成的H桥路。

3.按照权利要求1所述的瞬变电磁发射机电流波形整形电路，其特征在于，所述无源恒压钳位电路的钳位电压值的范围在0～500V可调，间隔为30V。

4.按照权利要求1所述的瞬变电磁发射机电流波形整形电路，其特征在于，阻尼匹配吸收电路为一定值阻尼匹配吸收电阻与多组特定阻值的匹配电阻串联后并联在发射线圈两端，每个特定阻值上的匹配电阻上并联切换开关。

5.按照权利要求3所述的瞬变电磁发射机电流波形整形电路，其特征在于，无源恒压钳位电路的钳位电压值高于开关电源模块的输出电压。

6.按照权利要求4所述的瞬变电磁发射机电流波形整形电路，其特征在于，匹配电阻的阻值分为粗调和细调，其中，粗调范围为0～2000Ω，精度为200Ω；细调范围为50～230Ω，精度为20Ω，其中定值吸收电阻的阻值为50Ω。