CN106199739A - 一种核磁共振找水仪发射装置及探测方法 - Google Patents

一种核磁共振找水仪发射装置及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种核磁共振找水仪发射装置及探测方法，该发射装置包括电源，发射桥路，滞环反馈电路，CPLD模块及电流传感器，本发明还提供了探测方法，主要过程为将期望输出参数值输入发射机上位机平台处，由CPLD模块根据上位机指令输出指令电流，再由滞环反馈电路实时处理指令信号与发射信号，将反馈信号转换为发射电路桥臂中开关器件的驱动信号，使输出正弦电流实时跟随指令信号。本装置具有体积小巧、轻便的特点并且能够输出变频高幅值正弦电流，本方法的优点在于容易改变发射电流频率与幅值，通过控制将指令电流幅值瞬间变为零，使发射线圈输出电流无拖尾效应。

Description

一种核磁共振找水仪发射装置及探测方法
技术领域
本发明涉及一种核磁共振找水仪发射装置及探测方法，特别涉及一种基于滞环电流跟踪控制法的核磁共振找水仪发射装置及探测方法，属于地球物理探测仪器领域。
背景技术
在核磁共振找水仪的探测过程中，主要包括的两个部分是大功率发射装置及弱信号检测。发射系统的功能是向地下发射大功率正弦交变脉冲产生激发磁场，激发地下水中氢质子，使之产生核磁共振现象；接收系统的功能是对MRS信号进行调理和检测。其中大功率发射装置主要原理是发射系统产生交变高幅值的正弦电流，由交变正弦电流在地下感应出激励磁场，能够使地下水中的氢质子发生能级跃迁现象。正弦电流的频率随着当地不同的Larmor频率的变化而变化，因此为了达到最大的激发效果需要改变正弦电流的频率，为了达到能够使发射电路产生变频高幅值的正弦电流，设计了本发明的发射装置。
以往核磁共振找水仪器中发射装置中均含采用由发射线圈和发射配谐电容组成串联谐振电路，以此来产生大功率正弦电流，但由于配谐电容所需的电容箱体积过大，使得仪器设备不易搬运，且输出的正弦电流均需要较长的时间将幅值降低为零等问题。
发明内容
本发明目的在于，针对上述问题，提供一种核磁共振找水仪发射装置，该装置具有体积小巧、轻便的特点并且能够输出变频高幅值正弦电流；并且提供了该装置的探测方法，能够根据改变指令电流参数来改变输出发射电流的参数，容易改变发射电流频率与幅值，能够使发射线圈输出电流无拖尾效应。
本发明通过以下技术方案得以实现：
一种核磁共振找水仪发射装置，该发射装置包括电源，发射桥路，滞环反馈电路，CPLD模块及电流传感器；其中所述电源与发射桥路相连，为发射桥路提供电源，发射桥路另外分别与滞环反馈电路及核磁共振找水仪的发射线圈相连，所述CPLD模块与滞环反馈电路的另一端相连，所述电流传感器与所述发射线圈与相连，用于实时测量发射线圈中的发射电流值，所述电流传感器与所述CPLD模块相连，将测量的发射电流值的信号传送至所述滞环反馈电路中；
所述滞环反馈电路包括信号比较电路，滞环比较器及MOSFET管驱动电路；所述信号比较电路与所述CPLD模块连接，将误差电流传递至滞环比较器中，使误差电流与设定的阈值做比较后输出控制信号，所述滞环比较器再与所述MOSFET管驱动电路相连，所述MOSFET管驱动电路与发射桥路相连，所述发射桥路输出高频正弦电流至发射线圈中，发射线圈产生交变磁场，激发水中的氢质子发生能量跃迁。
进一步地，所述CPLD模块中设有A/D转换器，用于将接收的发射电流值的模拟量转换为数字量。
进一步地，所述发射桥路中设有MOSFET管，所述MOSFET管驱动电路接收滞环比较器的控制信号来控制发射桥路中的MOSFET管的导通与关断。
一种核磁共振找水仪发射装置的探测方法，是通过如下步骤实现的：
a、选定测试地点，以测试地点为中心铺设线圈作为发射线圈，并将发射线圈作为发射装置的负载与发射装置相连接，将发射机上位机平台经数据线与发射装置相连，并通过发射机上位机平台设置发射电路的输入电压值，并对发射装置中的CPLD模块设置发射电流所需参数值，根据输出发射电流要求设置，包括：指令电流幅值与频率以及上、下阈值，初始设定结束。
b、以测试地点为中心铺设线圈作为接收线圈，并将接收线圈作为接收机的输入，两者相连，将接收机上位机平台经数据线与接收机相连。
c、电流传感器实时采集发射线圈中的电流值，为发射电流值，将采集的发射电流值传输至CPLD模块中，由CPLD模块中的A/D转换器将发射电流值的模拟量转换为数字量，将信号传送至滞环反馈电路中。
d、滞环反馈电路中的信号比较电路计算发射电流值与所述步骤a设定的指令电流两者之间的差值，即误差电流，然后将误差电流传递至滞环比较器中，使其与步骤a中发射装置上位机平台设定的上、下阈值做比较后输出控制信号，由此来控制MOSFET管驱动电路。阈值大小决定了发射电流的输出性能，以及电路中MOSFET管的开关频率。
e、MOSFET管驱动电路控制发射桥路桥臂中MOSFET管的导通与关断。
f、最后发射桥路输出高频正弦电流至发射线圈中，发射线圈产生交变磁场，激发水中的氢质子发生能级跃迁。由接收线圈中接收由氢质子产生的信号，并将信号处理后传递到接收机中，由接收机上位机平台处理接收信号，经过判断接收信号的种类来确定是否有水源，以此完成一次地下水的探测。
进一步地，所述步骤a中的指令电流的幅值根据输出发射电流要求，并根据测量地点需求设置其幅值范围为100A-200A，频率为2kHz～3kHz。
进一步地，所述步骤a中的上、下阈值为所述步骤a中所设置指令电流值的5％。
本发明的有益效果：
本发明的发射装置改变原有采用配谐电路的设计思路，采用较为小巧、轻便的器件实现产生大功率正弦电流的装置；采用滞环电流跟踪控制法能够根据改变指令电流参数来改变输出发射电流的参数，且能进一步提高输出电流的输出性能。
本发明针对地下工程中隧道和矿井的特殊工作环境，从核磁共振的基本原理出发，设计了基于滞环电流跟踪控制法的发射装置，着重于对发射装置的滞环电流反馈跟踪系统部分进行研发与设计。
此方法的特点在于，基于滞环电流跟踪控制法的发射装置能够输出变频高幅值正弦电流，主要过程为将期望输出参数值输入发射机上位机平台处，由CPLD模块根据上位机指令输出指令电流，再由滞环反馈电路实时处理指令信号与发射信号，将反馈信号转换为发射电路桥臂中开关器件的驱动信号，使输出正弦电流实时跟随指令信号。这种方法的优点在于容易改变发射电流频率与幅值，通过控制将指令电流幅值瞬间变为零，使发射线圈输出电流无拖尾效应。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的滞环反馈电路的结构示意图；
图3为核磁共振找水仪的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
参见图1，一种核磁共振找水仪发射装置，该发射装置包括电源1，发射桥路2，滞环反馈电路3，CPLD模块4及电流传感器5，其中所述电源1与发射桥路2相连，为发射桥路2提供电源，发射桥路2另外分别与滞环反馈电路3及所述发射线圈9相连，所述CPLD模块4与滞环反馈电路3的另一端相连，所述发射线圈9与所述电流传感器5相连，用于测量发射线圈9中的发射电流值，所述电流传感器5与所述CPLD模块4相连，将发射电流值的信号传送至所述滞环反馈电路3中；
参见图2，滞环反馈电路3包括信号比较电路6，滞环比较器7及MOSFET管驱动电路8；所述信号比较电路6与所述CPLD模块4连接，用来接收经实时测量传递至CPLD模块4的发射电流值，经实时测量传递至CPLD模块4的发射电流值与CPLD模块4设定的指令电流两者的差值，为误差电流，所述信号比较电路6另一端与滞环比较器7相连，将误差电流传递至滞环比较器7中，使误差电流与设定的阈值做比较后输出控制信号，所述滞环比较器7再与所述MOSFET管驱动电路8相连，所述MOSFET管驱动电路8与发射桥路2相连，所述MOSFET管驱动电路8接收滞环比较器7的控制信号来控制发射桥路2中的MOSFET管的导通与关断；所述发射桥路2输出高频正弦电流至所述发射线圈9中，发射线圈9产生交变磁场，激发水中的氢质子发生能级跃迁，由接收线圈14接收氢质子跃迁后产生的信号，最后将信号反馈到接收机13中。
参见图3，核磁共振找水仪整体结构包括发射机上位机平台10，发射装置11，发射线圈9，接收机上位机平台12，接收机13及接收线圈14；所述发射机上位机平台10与发射装置11相连，通过所述发射机上位机平台10对发射装置11的参数进行设置，所述发射装置11与发射线圈9相连，所述接收机上位机平台12与接收机13相连，接收机13将接收信号传递至接收机上位机平台12，所述接收机13与接收线圈14相连，所述发射装置11与接收机13同步信号相连；所述发射装置11输出高频正弦电流至发射线圈9中，发射线圈9产生交变磁场，激发水中的氢质子发生能级跃迁，由接收线圈14接收由氢质子跃迁后产生的信号，信号经接收机13放大后传递到接收机上位机平台12中，经过判断接收信号的种类来确定是否有水源。
一种核磁共振找水仪发射装置的探测方法，是通过如下步骤实现的：
a、选定测试地点，以测试地点为中心铺设线圈作为发射线圈9，并将发射线圈9作为发射装置11的负载与发射装置11相连接，将发射装置上位机平台1经数据线与发射装置2相连，并在发射机上位机平台10上设置发射装置11的输入电压值，输入电压值的大小根据地下工程中的实际需要设定参数值，信号输入至电源1来产生发射桥路2所需输入电压，同时，通过发射机上位机平台10对发射装置11中的CPLD模块4设置指令电流(iref)的参数，指令电流(iref)的参数根据输出发射电流要求，设置其幅值范围为100A-200A，频率为2kHz～3kHz，初始设定结束，并且设置上下阈值，阈值一般为所设置指令电流(iref)的5％。
b、以测试地点为中心铺设线圈作为接收线圈14，并将接收线圈14作为接收机13的输入，两者相连，将接收机上位机平台12经数据线与接收机13相连。
c、电流传感器5采集发射线圈9中的电流值，为发射电流值，将采集的发射电流值传输至CPLD模块4中，由CPLD模块4中的A/D转换器将发射电流值的模拟量转换为数字量，将信号传送至滞环反馈电路3中。
d、滞环反馈电路3中的信号比较电路6计算发射电流值(if)与所述步骤a设定的指令电流(iref)两者之间的差值，即误差电流(△i)，然后将误差电流(△i)传递至滞环比较器7中，使其与设定的阈值做比较后输出控制信号，由此来控制MOSFET管驱动电路8。
e、MOSFET管驱动电路8控制发射桥路2桥臂中MOSFET管的导通与关断。其中发射桥路8中搭建桥臂选择的器件是MOSFET管。
由于MOSFET管的工作原理是采用栅极电压来控制漏极电流，其优点为需要驱动电路的功率较小、开关速度快、工作频率高。由于滞环反馈电路3中信号比较的速率较高，导致桥臂开关器件的开关频率可高达上百KHz左右，所以选择MOSFET管作为桥臂开关器件。
f、最后发射桥路2输出高频正弦电流至发射线圈9中，发射线圈9产生交变磁场，激发水中的氢质子发生能级跃迁。由接收线圈14中接收由氢质子能级跃迁产生的信号，并将信号处理后传递到接收机13中，以此完成一次地下水的探测。

Claims (6)

1.一种核磁共振找水仪发射装置，其特征在于，该发射装置包括电源，发射桥路，滞环反馈电路，CPLD模块及电流传感器；其中所述电源与发射桥路相连，为发射桥路提供电源，发射桥路另外分别与滞环反馈电路及核磁共振找水仪的发射线圈相连，所述CPLD模块与滞环反馈电路的另一端相连，所述电流传感器与所述发射线圈与相连，用于实时测量发射线圈中的发射电流值，所述电流传感器与所述CPLD模块相连，将测量的发射电流值的信号传送至所述滞环反馈电路中；
所述滞环反馈电路包括信号比较电路，滞环比较器及MOSFET管驱动电路；所述信号比较电路与所述CPLD模块连接，将误差电流传递至滞环比较器中，使误差电流与设定的阈值做比较后输出控制信号，所述滞环比较器再与所述MOSFET管驱动电路相连，所述MOSFET管驱动电路与发射桥路相连，所述发射桥路输出高频正弦电流至发射线圈中，发射线圈产生交变磁场，激发水中的氢质子发生能量跃迁。
2.如权利要求1所述的一种核磁共振找水仪发射装置，其特征在于，所述CPLD模块中设有A/D转换器，用于将接收的发射电流值的模拟量转换为数字量。
3.如权利要求1所述的一种核磁共振找水仪发射装置，其特征在于，所述发射桥路中设有MOSFET管，所述MOSFET管驱动电路接收滞环比较器的控制信号来控制发射桥路中的MOSFET管的导通与关断。
4.一种核磁共振找水仪发射装置的探测方法，是通过如下步骤实现的：
a、选定测试地点，以测试地点为中心铺设线圈作为发射线圈，并将发射线圈作为发射装置的负载与发射装置相连接，将发射机上位机平台经数据线与发射装置相连，并通过发射机上位机平台设置发射电路的输入电压值，并对发射装置中的CPLD模块设置发射电流所需参数值，根据输出发射电流要求设置，包括：指令电流幅值与频率以及上、下阈值，初始设定结束。
b、以测试地点为中心铺设线圈作为接收线圈，并将接收线圈作为接收机的输入，两者相连，将接收机上位机平台经数据线与接收机相连。
c、电流传感器实时采集发射线圈中的电流值，为发射电流值，将采集的发射电流值传输至CPLD模块中，由CPLD模块中的A/D转换器将发射电流值的模拟量转换为数字量，将信号传送至滞环反馈电路中。
d、滞环反馈电路中的信号比较电路计算发射电流值与所述步骤a设定的指令电流两者之间的差值，即误差电流，然后将误差电流传递至滞环比较器中，使其与步骤a中发射装置上位机平台设定的上、下阈值做比较后输出控制信号，由此来控制MOSFET管驱动电路。阈值大小决定了发射电流的输出性能，以及电路中MOSFET管的开关频率。
e、MOSFET管驱动电路控制发射桥路桥臂中MOSFET管的导通与关断。
f、最后发射桥路输出高频正弦电流至发射线圈中，发射线圈产生交变磁场，激发水中的氢质子发生能级跃迁。由接收线圈中接收由氢质子产生的信号，并将信号处理后传递到接收机中，由接收机上位机平台处理接收信号，经过判断接收信号的种类来确定是否有水源，以此完成一次地下水的探测。
5.如权利要求4所述的一种核磁共振找水仪发射装置的探测方法，其特征在于，所述步骤a中的指令电流的幅值根据输出发射电流要求，并根据测量地点需求设置其幅值范围为100A-200A，频率为2kHz～3kHz。
6.如权利要求4所述的一种核磁共振找水仪发射装置的探测方法，其特征在于，所述步骤a中的上、下阈值为所述步骤a中所设置指令电流值的5％。
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