CN106814400A - 基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置及工作方法 - Google Patents

基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置及工作方法。PC机，内置有上位机软件对参数进行设置；MCU主控单元与PC机进行通讯，对阵列逆变电源进行控制；FPGA逻辑控制单元，接受所述MCU主控单元的启动命令，产生的具有拉莫尔频率时序通过驱动模块驱动发射桥路，使得发射桥路工作，将高压直流电信号转变成具有当地拉莫尔频率的高压交变电信号；能释单元，通过MCU主控单元控制，连接激发线圈的储能电容组，在发射结束后根据储能电容组中的剩余电量，通过能释单元将剩余电量进行释放。本发明能够保持每次发射激发电压，还能够在多次叠加后保持初始设定电压，而且在减小体积的同时提高对储能电容组的充电效率。

Description

基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置及工作方法
技术领域
本发明属于地球物理勘探设备领域，尤其是一种基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置及工作方法。
背景技术
在地面核磁共振找水过程中，发射装置作为激发磁共振场的核心设备之一，具有大功率、精准、快速的发射脉冲等特点，在核磁共振地下探水过程中，一般是通过增大激发脉冲矩来改变探测深度，激发脉冲矩为q＝I0*τp，而I0和τp分别为发射电流脉冲幅值和发射持续时间，发射时间通常是不变的，而增加激发脉冲矩主要靠增加发射电流，也就是增加大功率电源的电压。因此，为了获得更深层的水文信息，就需要发射装置提供更大的电压。而在实际探测过程中，由于探测地点周围电磁环境复杂，噪声干扰严重，就需要进行多次叠加发射，来提高信噪比，进而得到可用的核磁共振信号，但是每次叠加均需要达到较高的发射电压，对储能电容充电均需要数十秒以上的时间。而这样叠加多次，导致每次测量需要长达两个小时左右，这也就严重制约了核磁共振找水仪的效率和方法推广。而一个具有快速持续充电特性的核磁共振发射装置也就成为快速、高效探水的关键。
CN102053280A公开了一种带有参考激发线圈的核磁共振地下水探测系统及探测方法。通过多路A/D采集单元采集发射/接收激发线圈中的核磁共振信号以及参考激发线圈中噪声信号的全波形数据，通过计算参考激发线圈采集的噪声信号与核磁共振信号的最大相关性，实现参考激发线圈最佳位置和数量的布设，在信号和噪声统计特性未知的情况下，采用变步长自适应算法，最大限度对消发射/接收激发线圈获得核磁共振信号中的噪声。其在一定程度上实现了多场源噪声干扰下核磁共振信号的提取，有效地解决了居民区核磁共振探测干扰多、多种干扰噪声数据难以分离的问题。
CN104216021A公开了一种基于分步式发射的地下核磁共振探测方法。采用的探测装置包括发射激发线圈、发射上位机、下位机、升压电源、储能电容、发射桥路、检测装置以及配谐电容，发射上位机通过串口总线以及通讯接口与下位机相连接，下位机与升压电源连接，升压电源连接储能电容给储能电容充电，同时下位机通过驱动控制电路连接发射桥路后与储能电容相连接，储能电容通过配谐电容连接发射激发线圈相连接，同时储能电容通过检测装置检测电压，检测装置的输出端与下位机相连接，检测装置检测发射激发线圈的电流与下位机相连接，通过对储能电容的一次充电多次发射的模式，提高了探测过程中的工作效率，减少了重复工作耗费的时间。
上述发明的核磁共振找水发射装置针对特殊的需要和应用场合均具有较高的测量精度和良好的测量效果，但都存在一些不足：带有参考激发线圈的核磁共振地下水探测系统及探测方法中由于其采用传统的单DC-DC电源、单电容充电，故充电效率较低且耗时较长，这就严重制约了核磁找水探测的工作效率。而基于分步式发射的地下核磁共振探测方法，虽然采用一次充电达到设定的发射电压值，但是在多次发射后电量损失十分严重，经过多次发射叠加以后，无法提供足够大的发射电压，而且同样面临着充电缓慢的问题，因此，也就无法快速获取利于反演的核磁共振信号。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置及工作方法，通过多个中、小型功率阵列电源对电容组进行持续稳定的充电，不仅能够保持每次发射激发电压，还能够在多次叠加后保持初始设定电压，而且在减小体积的同时提高对储能电容组的充电效率。
本发明是这样实现的，
一种基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置，包括：
PC机，内置有上位机软件对发射电压、叠加次数、拉莫尔频率、发射持续时间、能量释放时间等参数进行设置；
MCU主控单元，与PC机进行通讯，对阵列逆变电源进行控制，并将电流电压检测模块检测到的发射桥路的电流电压信号传递至PC机；
FPGA逻辑控制单元，接受所述MCU主控单元的启动命令，产生的具有拉莫尔频率时序通过驱动模块驱动发射桥路，使得发射桥路工作，将高压直流电信号转变成具有当地拉莫尔频率的高压交变电信号；
能释单元，通过MCU主控单元控制，连接激发线圈的储能电容组，在发射结束后根据储能电容组中的剩余电量，通过能释单元将剩余电量进行释放。
配谐电容与线圈共同作用，发生串联谐振，产生具有当地拉莫尔频率的交变脉冲信号激发场。
进一步地，所述阵列逆变电源包括并联的多个逆变电源模块，所述多个逆变电源模块与电压控制模块的输出连接，同时通过连接的均流控制单元对各个逆变电源模块进行电流均分，通过电流值反馈进行电流实时调节，使得每个逆变电源模块输出的电流基本上相同。
进一步地，所述阵列逆变电源通过同步输出模块对储能电容组进行恒流充电。
进一步地，逆变电源模块包括：
将低压电信号转化为高频交变低压电信号的全桥逆变模块；
通过原边端接受高频交变低压电信号，经副边端输出高频高压电信号的高压变压器；
对高压变压器的输出电压进行检测的控制模块；
通过控制模块的控制对全桥逆变模块进行驱动，使得高压变压器稳定输出高频高压电信号的驱动模块；
对高压变压器的输出电压进行整流滤波的整流单元；以及，
检测电路，对整流后的恒流输出进行检测并传至均流控制单元进行电流均分调控。
进一步地，整流单元转换后的高压电信号通过采样电阻进行电流转换，并进行恒流输出。
进一步地，均流控制单元首先对挂载的逆变电源模块数量N进行检测记录，而后根据设定的发射电压与发射装置发射一次后电压差值为VD大小，来决定对储能电容组充电的电流ID大小，以此基准对所有模块进行实时调整，在进行多次叠加发射时形成梯度电流对储能电容充电。
一种基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置的工作方法，
1)、将发射装置中的配谐电容6和激发线圈7两端相连；
2)、通过PC机软件对发射电压、叠加次数、拉莫尔频率、发射持续时间、能量释放时间等参数进行设置，并经由通信接口传送至MCU主控单元；MCU主控单元对电压参数进行D/A转换，得到驱动电压控制模块控制字节，然后阵列逆变电源开始工作，并实时将电压值反馈给上位机，控制阵列逆变电源的恒流输出值；
3)在阵列逆变电源进行工作同时，MCU主控单元通过通信总线启动FPGA逻辑控制单元时序发生部分，FPGA逻辑控制单元产生的具有拉莫尔频率时序来驱动发射桥路驱动模块，使得大功率发射桥路工作，将高压直流电信号转变成具有当地拉莫尔频率的高压交变电信号；
4)在发射工作时，电流电压检测模块对发射电流进行实时采集，并且经过取样电阻转换成电压值，将采集回的电压电流值进行A/D转换，经由MCU主控单元反馈回给PC机软件进行实时显示；
5)在发射结束后根据储能电容中的剩余电量，通过能释单元将剩余电量进行释放，已达到安全的目的。
进一步地，所述阵列逆变电源包括并联的多个逆变电源模块，所述多个逆变电源模块与电压控制模块的输出连接，同时通过连接的均流控制单元对各个逆变电源模块进行电流均分，通过电流值反馈进行电流实时调节，使得每个逆变电源模块输出的电流基本上相同。
进一步地，第一组逆变电源模块组将低压电信号通过全桥逆变转化为高频交变低压电信号，送至高压变压器原边端，经过高压变压器后副边端输出高频高压电信号，其中控制模块主要是对变压器的输出电压进行检测，同时调节驱动电路，使得变压器稳定输出高频高压电信号，高频高压电信号经过整流滤波电路后，输出稳定的直流高压电信号，转换后的高压电信号通过高精度采样电阻进行电流转换，并进行恒流输出；
在第一组逆变电源模块进行工作的同时，其余的逆变电源模块同时进行工作，均流控制单元对各个逆变电源模块进行电流均分，通过电流值反馈进行电流实时调节，使得逆变电源模块输出的电流基本上相同；然后将所有逆变电源模块输出电流经由同步输出模块对储能电容组进行恒流充电，达到预定设置发射电压后停止对储能电容充电，至此完成一次发射。
进一步地，均流控制单元首先对挂载的逆变电源模块数量检测记录，而后根据设定的发射电压与发射装置发射一次后电压差值VD大小，来决定对储能电容组充电的电流ID大小，其中每个逆变电源模块的充电电流基准为I＝ID/N，N为逆变电源模块的数量；均流控制单元以此基准对所有模块进行实时调整，在进行多次叠加发射时，重复上述步骤，形成梯度电流对储能电容组充电。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明满足在多变浅层、深层地下水探测和空间分布不均匀的矿井、隧道等不同复杂地质环境下的发射需求。根据不同的探测环境以及不同的探测深度，可以通过增加或者减少阵列电源模块，组合成具有不同的发射功率的发射装置，为产生稳定的激发场提供持续稳定的发射电压。由于采用阵列逆变充电，故其具有更高的维护性和冗余性，而且能够在减少发射装置体积的同时，还能够提高发射系统稳定性和充电效率，进而提高地下水探测工作效率，为后期获取有效、准确的含水体磁共振信号提供可靠的保证。
附图说明
图1为基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置的模块结构框图；
图2为一实施例中3组阵列逆变电源模块框图；
图3为全桥逆变模块的电路图；
图4为均流控制单元的电路图。
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。
参见图1，一种基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置，包括：
PC机、MCU主控单元、FPGA逻辑控制单元、驱动模块、发射桥路、配谐电容、激发线圈、电流电压检测模块、A/D转换模块、阵列逆变电源、电压控制、D/A转换模块、能释单元、24V直流电源等构成。PC机经MCU主控单元、FPGA逻辑控制单元、驱动模块、发射桥路、配谐电容与激发线圈相连；MCU主控单元经D/A转换模块、电压控制模块、阵列逆变电源与发射桥路相连；同时发射桥路经由电流电压检测模块、A/D转换模块与MCU主控单元连接；MCU主控单元经由能释单元与激发线圈。24V直流电源为整个发射系统工作提供电源。
具体地：PC机，内置有上位机软件对发射电压、叠加次数、拉莫尔频率、发射持续时间、能量释放时间等参数进行设置；
MCU主控单元，与PC机进行通讯，对阵列逆变电源进行控制，并将电流电压检测模块检测到的发射桥路的电流电压信号传递至PC机；
FPGA逻辑控制单元，接受所述MCU主控单元的启动命令，产生的具有拉莫尔频率时序通过驱动模块驱动发射桥路，使得发射桥路工作，将高压直流电信号转变成具有当地拉莫尔频率的高压交变电信号；
能释单元，通过MCU主控单元控制，连接激发线圈的储能电容组，在发射结束后根据储能电容组中的剩余电量，通过能释单元将剩余电量进行释放。
参见图2，阵列逆变电源包括并联的多个逆变电源模块，所述多个逆变电源模块与电压控制模块的输出连接，同时通过连接的均流控制单元对各个逆变电源模块进行电流均分，通过电流值反馈进行电流实时调节，使得每个逆变电源模块输出的电流基本上相同。
阵列逆变电源通过同步输出模块对储能电容组进行恒流充电。
逆变电源模块包括：
将低压电信号转化为高频交变低压电信号的全桥逆变模块；
通过原边端接受高频交变低压电信号，经副边端输出高频高压电信号的高压变压器；
对高压变压器的输出电压进行检测的控制模块；
通过控制模块的控制对全桥逆变模块进行驱动，使得高压变压器稳定输出高频高压电信号的驱动模块；
对高压变压器的输出电压进行整流滤波的整流单元；以及，
检测电路，对整流后的恒流输出进行检测并传至均流控制单元进行电流均分调控。
整流单元转换后的高压电信号通过采样电阻进行电流转换，并进行恒流输出。
均流控制单元首先对挂载的逆变电源模块数量N进行检测记录，而后根据设定的发射电压与发射装置发射一次后电压差值为VD大小，来决定对储能电容组充电的电流ID大小，以此基准对所有模块进行实时调整，在进行多次叠加发射时形成梯度电流对储能电容充电。
参见图3，为全桥逆变模块的电路图；为开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7以及开关管Q8分别为8个大功率开关管，为保证桥路稳定可靠工作，8个开关管采用两两并联组成全桥电路。其中PWMa，PWMb，PWMc，PWMd分别为4路PWM控制信号，其中PWMa与PWMd为一组，PWMb与PWMc为另一组，且与第一组相位相差180°，两组PWM同时控制4路开关管的导通与截止，将输入的低电压信号通过变压器升至所需要的电压。其中为电流互感装置B2，用以反馈回给控制模块AC450V/500W，使桥路稳定输出高频交变信号。
参见图4，为均流控制单元的电路图，由三组3902芯片组成三路电流的电流检测，3902芯片主要通过精准的调整变换器的输出电压来匹配所有的输出电流。其主要由电流检测放大器、均流驱动、均流检测放大器和误差放大器等构成。电流检测放大器的输出与电源模块的输出电流成正比，而且作为输入信号提供给均流驱动放大器和误差放大器。均流检测放大器上的输出电压与均流母线上的电压相对应。误差放大器用来调整输出电压，其输出电压是电流检测放大器与均流检测放大器电压差函数。以三组电源为例，所有模块电压均以V＝(V1+V2+V3)/3为基准，进而通过调整误差放大器的输出电压来平衡并联电源模块的负载电流，进而实现均流。外围电阻电容主要起到芯片配置和滤波作用。
一种基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置的工作方法，以三组逆变电源模块为例：
包括以下步骤：
a、将发射装置中的配谐电容和激发线圈两端相连；
b、通过PC机上位机软件对发射电压、叠加次数、拉莫尔频率、发射持续时间、能量释放时间等参数进行设置，并经由通信接口传送至MCU主控单元；MCU主控单元对电压参数进行D/A转换模块，得到驱动电压控制模块控制字节，然后阵列逆变电源开始工作，并实时将电压值反馈给上位机；
c、第一组逆变电源模块组D1：将低压电信号通过全桥逆变转化为高频交变低压电信号，送至高压变压器原边端，经过高压变压器后副边端输出高频高压电信号，其中控制模块主要是对变压器的输出电压进行检测，同时调节驱动电路，使得变压器稳定输出高频高压电信号，高频高压电信号经过整流滤波电路后，输出稳定的直流高压电信号。转换后的高压电信号通过高精度采样电阻进行电流转换，并进行恒流输出I1。
d、在第一组逆变电源模块进行工作的同时，第二组逆变电源模块D2、第三组逆变电源模块D3逆变电源模块同时进行工作，电流输出分别位为I2、I3，同时均流控制单元对各个电源模块进行电流均分，通过电流值反馈进行电流实时调节，使得两个电源输出的电流基本上相同I1＝I2＝I3；然后将所有电源模块输出电流经由同步输出模块对储能电容组进行恒流充电，达到预定设置发射电压后停止对储能电容充电，至此完成一次发射。
e、其中均流控制单元首先对挂载的电源模块数量检测记录为2，而后根据设定的发射电压与发射装置发射一次后电压差值为VD大小，来决定对储能电容充电的电流ID大小，其中每个逆变电源模块的充电电流基准为I＝ID/3；均流控制单元以此基准对所有模块进行实时调整，在进行多次叠加发射时，重复步骤c～e，形成梯度电流对储能电容充电。
f、在阵列逆变电源进行工作同时，MCU主控单元通过通信总线启动FPGA逻辑控制单元时序发生部分，FPGA逻辑控制单元产生的具有拉莫尔频率时序来驱动发射桥路驱动模块，使得大功率发射桥路工作，将高压直流电信号转变成具有当地拉莫尔频率的高压交变电信号；
g、在发射工作时，电流电压检测模块对发射电流进行实时采集，并且经过取样电阻转换成电压值，将采集回的电压电流值进行A/D转换模块，经由MCU主控单元反馈回给上位机软件进行实时显示；
h、在发射结束后根据储能电容中的剩余电量，通过能释单元将剩余电量进行释放，已达到安全的目的。
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 (10)

1.一种基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置，其特征在于，包括：
PC机，内置有上位机软件对发射电压、叠加次数、拉莫尔频率、发射持续时间、能量释放时间等参数进行设置；
MCU主控单元，与PC机进行通讯，对阵列逆变电源进行控制，并将电流电压检测模块检测到的发射桥路的电流电压信号传递至PC机；
FPGA逻辑控制单元，接受所述MCU主控单元的启动命令，产生的具有拉莫尔频率时序通过驱动模块驱动发射桥路，使得发射桥路工作，将高压直流电信号转变成具有当地拉莫尔频率的高压交变电信号；
能释单元，通过MCU主控单元控制，连接激发线圈的储能电容组，在发射结束后根据储能电容组中的剩余电量，通过能释单元将剩余电量进行释放。
2.按照权利要求1所述的基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置，其特征在于，所述阵列逆变电源包括并联的多个逆变电源模块，所述多个逆变电源模块与电压控制模块的输出连接，同时通过连接的均流控制单元对各个逆变电源模块进行电流均分，通过电流值反馈进行电流实时调节，使得每个逆变电源模块输出的电流基本上相同。
3.按照权利要求1所述的基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置，其特征在于，所述阵列逆变电源通过同步输出模块对储能电容组进行恒流充电。
4.按照权利要求2或3所述的基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置，其特征在于，逆变电源模块包括：
将低压电信号转化为高频交变低压电信号的全桥逆变模块；
通过原边端接受高频交变低压电信号，经副边端输出高频高压电信号的高压变压器；
对高压变压器的输出电压进行检测的控制模块；
通过控制模块的控制对全桥逆变模块进行驱动，使得高压变压器稳定输出高频高压电信号的驱动模块；
对高压变压器的输出电压进行整流滤波的整流单元；以及，
检测电路，对整流后的恒流输出进行检测并传至均流控制单元进行电流均分调控。
5.按照权利要求4所述的基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置，其特征在于，
整流单元转换后的高压电信号通过采样电阻进行电流转换，并进行恒流输出。
6.按照权利要求2所述的基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置，其特征在于，
均流控制单元首先对挂载的逆变电源模块数量N进行检测记录，而后根据设定的发射电压与发射装置发射一次后电压差值为VD大小，来决定对储能电容组充电的电流ID大小，以此基准对所有模块进行实时调整，在进行多次叠加发射时形成梯度电流对储能电容充电。
7.一种基于阵列逆变充电的核磁共振探水发射装置的工作方法，其特征在于，
1)、将发射装置中的配谐电容6和激发线圈7两端相连；
2)、通过PC机软件对发射电压、叠加次数、拉莫尔频率、发射持续时间、能量释放时间等参数进行设置，并经由通信接口传送至MCU主控单元；MCU主控单元对电压参数进行D/A转换，得到驱动电压控制模块控制字节，然后阵列逆变电源开始工作，并实时将电压值反馈给上位机，控制阵列逆变电源的恒流输出值；
3)在阵列逆变电源进行工作同时，MCU主控单元通过通信总线启动FPGA逻辑控制单元时序发生部分，FPGA逻辑控制单元产生的具有拉莫尔频率时序来驱动发射桥路驱动模块，使得大功率发射桥路工作，将高压直流电信号转变成具有当地拉莫尔频率的高压交变电信号；
4)在发射工作时，电流电压检测模块对发射电流进行实时采集，并且经过取样电阻转换成电压值，将采集回的电压电流值进行A/D转换，经由MCU主控单元反馈回给PC机软件进行实时显示；
5)在发射结束后根据储能电容中的剩余电量，通过能释单元将剩余电量进行释放，已达到安全的目的。
8.按照权利要求7的工作方法，其特征在于，
所述阵列逆变电源包括并联的多个逆变电源模块，所述多个逆变电源模块与电压控制模块的输出连接，同时通过连接的均流控制单元对各个逆变电源模块进行电流均分，通过电流值反馈进行电流实时调节，使得每个逆变电源模块输出的电流基本上相同。
9.按照权利要求8的工作方法，其特征在于，
第一组逆变电源模块组将低压电信号通过全桥逆变转化为高频交变低压电信号，送至高压变压器原边端，经过高压变压器后副边端输出高频高压电信号，其中控制模块主要是对变压器的输出电压进行检测，同时调节驱动电路，使得变压器稳定输出高频高压电信号，高频高压电信号经过整流滤波电路后，输出稳定的直流高压电信号，转换后的高压电信号通过高精度采样电阻进行电流转换，并进行恒流输出；
在第一组逆变电源模块进行工作的同时，其余的逆变电源模块同时进行工作，均流控制单元对各个逆变电源模块进行电流均分，通过电流值反馈进行电流实时调节，使得逆变电源模块输出的电流基本上相同；然后将所有逆变电源模块输出电流经由同步输出模块对储能电容组进行恒流充电，达到预定设置发射电压后停止对储能电容充电，至此完成一次发射。
10.按照权利要求9的工作方法，其特征在于，
均流控制单元首先对挂载的逆变电源模块数量检测记录，而后根据设定的发射电压与发射装置发射一次后电压差值VD大小，来决定对储能电容组充电的电流ID大小，其中每个逆变电源模块的充电电流基准为I＝ID/N，N为逆变电源模块的数量；均流控制单元以此基准对所有模块进行实时调整，在进行多次叠加发射时，重复上述步骤，形成梯度电流对储能电容组充电。
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