CN107991708A

CN107991708A - 一种双极性三角波瞬变电磁发射系统

Info

Publication number: CN107991708A
Application number: CN201810084787.2A
Authority: CN
Inventors: 刘丽华; 赵逸夫; 耿智; 刘雷松; 刘小军
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2018-05-04

Abstract

本发明提供了一种双极性三角波瞬变电磁发射系统，其包括：电源模块、高压产生电路模块、发射机H逆变桥模块、无源恒压钳位电路模块、负载线圈参数控制电路模块、过冲抑制电路模块，发射机H逆变桥模块包括开关器件组成的H桥电路，通过控制H桥电路中开关器件的导通和关断实现双极性三角波电流脉冲的产生；无源恒压钳位电路模块用于产生在电流下降过程中的钳位高压，使电流线性快速关断，形成三角波电流脉冲的下降沿；负载线圈参数控制电路模块通过选择其中的可控电感的电感值以改变负载的整体电感值，从而改变双极性三角波上升沿的上升时间。本发明实现了On‑Time检测的探地测浅。

Description

一种双极性三角波瞬变电磁发射系统

技术领域

本发明涉及瞬变电磁发射技术领域，尤其涉及一种双极性三角波瞬变电磁发射系统。

背景技术

瞬变电磁法也称时间域电磁法，简称TEM，它是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。该方法可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。

瞬变电磁发射系统常用的发射电流波形为双极性方波、双极性梯形波、双极性正弦波和双极性三角波。

对于低电导率目标体，同种波形一次脉冲磁场激励的响应在有发射电流期间(On-Time)与无发射电流期间(Off-Time)的幅度相近，四种波形中双极性方波激励响应最强。由于Off-Time采集可以获得更高的信噪比，因而探测低电石导油率天目然标气体时一般采用双极性方波激励，采集Off-Time信号。

对于高电导率目标体，Off-Time一次脉冲磁场响应幅度随电导率增加而迅速下降，而双极性正弦波与双极性三角波激励的发射电流期间响应幅度基本不随电导率变化，因而可以采用双极性正弦波与双极性三角波进行On-Time采集。

目前我国瞬变电磁发射波形主要采用双极性方波或梯形波，观测时间为Off-Time观测。但Off-Time观测的一个最大缺点是，由于高电导目标体的时间常数很大，涡流衰减很慢，感应的二次场很弱，而高电导率目标体又是最有开发价值的高品位富矿。因此，设计并制作出能够进行On-Time和Off-Time探测的瞬变电磁发射系统为我国矿产资源国家战略提供技术支撑就显得尤为重要。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种双极性三角波瞬变电磁发射系统，对于其产生的双极性三角波脉冲电流，峰值电流最大可以达到10A，峰值功率可达2000W，可以实现On-Time检测的探地测浅。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种双极性三角波瞬变电磁发射系统，其包括：

电源模块，用于提供电压；

高压产生电路模块，与电源模块连接，用于对电源进行转换；

发射机H逆变桥模块，与高压产生电路模块连接，其包括开关器件组成的H桥电路，通过控制H桥电路中开关器件的导通和关断实现双极性三角波电流脉冲的产生；

无源恒压钳位电路模块，与发射机H逆变桥模块连接，用于产生在电流下降过程中的钳位高压，使电流线性快速关断，形成三角波电流脉冲的下降沿；

负载线圈参数控制电路模块，与发射机H逆变桥模块连接，通过选择其中的可控电感的电感值以改变负载的整体电感值，从而改变双极性三角波上升沿的上升时间；

过冲抑制电路模块，作用于三角波电流脉冲的下降沿阶段，用于消除电流波形尾部振荡。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明双极性三角波瞬变电磁发射系统至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本发明产生的电流波形为双极性三角波，该电流波形产生的一次脉冲磁场简单，可以对激发产生的二次脉冲磁场进行On-Time采集，克服了双极性方波只能Off-Time采集的缺点；

(2)本发明产生的双极性三角波可以用来探测高电导率目标体，而高电导率目标体是具有开发价值的高品位富矿，克服了双极性方波不适于探测高电导率目标体的缺点；

(3)本发明平均功率只有15W，非常适用于探地测浅，克服了双极性方波通常功耗过大，发射效率比较低的缺点。

附图说明

图1为本发明实施例双极性三角波瞬变电磁发射系统主电路拓扑结构图。

图2为本发明实施例双极性三角波电流脉冲产生电路原理图。

图3为本发明实施例高压产生电路原理图。

图4为本发明实施例双极性三角波产生控制信号示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本发明的示例性实施例中，提供了一种双极性三角波瞬变电磁发射系统。图1为本发明实施例双极性三角波瞬变电磁发射系统主电路拓扑结构图。如图1所示，本发明双极性三角波瞬变电磁发射系统包括：电源模块、高压产生电路模块、发射机H逆变桥模块、开关器件驱动电路模块、无源恒压钳位电路模块、负载线圈参数控制电路模块、过冲抑制电路模块、发射机主控模块。

电源模块，用于提供电压，在本实施例中，电源为恒压源，可由蓄电池串联而成。

高压产生电路模块，与电源模块连接，用于对电源进行转换。作为一种具体实施方式，所述的高压产生电路模块包括5个串联的直流-直流变换模块，通过将多个直流-直流变换模块串联可以产生较大的输出电压，这是产生双极性三角波电流线性上升沿的关键。

发射机H逆变桥模块，与高压产生电路模块连接，优选地，发射机H逆变桥模块包括4个开关器件，开关器件可以选择金属氧化物半导体场效应晶体管(metallic oxidesemiconductor field effecttransistor，MOSFET)，通过控制H桥电路中开关器件的导通和关断实现双极性三角波电流脉冲的产生。

无源恒压钳位电路模块，与发射机H逆变桥模块连接，用于产生在电流下降过程中的钳位高压，使电流线性快速关断，形成三角波电流脉冲的下降沿。优选地，无源恒压钳位电路模块是由稳压二极管串联组成的钳位电压至少为500V的高压钳位电路。

负载线圈参数控制电路模块，与发射机H逆变桥模块连接，由一个负载线圈和一个可控电感串联组成，通过选择可控电感的电感值可以改变负载的整体电感值，这是改变双极性三角波线性上升沿上升时间的关键。

过冲抑制电路模块，由1个第二开关器件(优选为MOSFET)和一个功率电阻组成，作用于三角波电流脉冲的下降沿阶段。当发射电流过零时，为电感提供能量泄放通路，将电感上的电流过冲通过电阻快速消耗掉，实现消除电流波形尾部振荡的目的。

开关器件驱动电路模块，与发射机H逆变桥模块、过冲抑制电路模块连接，用来增强开关器件驱动控制信号的驱动能力。

发射机主控模块，与开关器件驱动电路模块连接，为发射系统的控制核心，为发射电流的产生和过冲抑制提供时序逻辑，其功能是控制三角波电流的脉冲重复频率，以及控制三角波电流上升沿的作用时间和控制过冲抑制电路的作用时间。

图2为本发明实施例双极性三角波电流脉冲产生电路原理图。如图2所示，双极性三角波电流脉冲产生电路包括：高压输出Us、H逆变桥、MOSFET驱动电路、RCD吸收电路、无源恒压钳位电路、负载线圈参数控制电路、过冲抑制电路以及主控电路。

其中，所述的高压输出为恒定高压源，由高压产生电路对电源转换而成。

其中，所述的H逆变桥由4个MOSFET组成，通过控制MOSFET的导通关断，产生符合重复频率要求的双极性三角波电流脉冲。

其中，所述的MOSFET驱动电路，由MOSFET驱动芯片搭建而成，其输入端与主控电路的输出端相连，其输出端与MOSFET相连，其主要作用是将主控电路输出的控制信号转换为驱动能力更强的MOSFET控制信号，并实现主控电路与MOSFET之间的电气隔离。

其中，所述的RCD吸收电路由二极管与第一电阻并联后再与第一电容串联组成。4个桥臂上MOSFET管并联RCD电路的作用是吸收在电流从峰值关断瞬间的高频振荡。

其中，所述的无源恒压钳位电路是由稳压二极管串联组成的钳位电压至少为500V的高压钳位电路，产生在电流下降过程中的钳位高压，使电流线性快速关断。与稳压二极管并联的第二电容起到保护稳压二极管的作用，与其并联的第二电阻则是用来释放第二电容上的电荷。

其中，所述的负载线圈参数控制电路是由一个负载线圈和一个可控电感串联组成。负载线圈可以等效为一个定值电阻和定值电感串联，而可控电感本身只是用来控制负载的电感部分，但由于会引入少量电阻，因此也是等效于一个电阻和电感的串联。可控电感是通过选择三角波上升沿时间由瞬变电磁发射机自动选择应该接入的电感值，在电流下降沿阶段则将电感切换为导线，因为实际中导线也有极小的阻值所以将其等效为一个电阻。整个负载的电感值和电阻值需满足一定的条件，将会在后面叙述其应该满足的条件。

其中，所述的过冲抑制电路由1个MOSFET和一个功率电阻组成。当发射电流在峰值关断时，打开MOSFET使功率电阻和负载形成电流回路。当发射电流过零时，功率电阻为电感提供能量泄放通路，将电感上的电流过冲通过电阻快速消耗掉，实现消除电流波形尾部振荡的目的。在发射电流上升沿阶段关断MOSFET。功率电阻是根据不同的负载参数选择不同的阻值，是通过瞬变电磁发射机自动选择。

应当理解的是，H逆变桥和过冲抑制电路中的MOSFET并不局限于此，只要是能够实现导通和关断的开关器件即可。

其中，所述的主控电路，主要产生图4所示的控制信号。图中所示的第一路信号控制QUL和QDR的导通时刻，第二路信号控制QUR和QDL的导通时刻。第三路信号控制QSW的导通时刻，当负载中的电流在峰值处被关断时，QSW开始导通，在下一个脉冲电流上升时关断。

双极性三角波电流脉冲产生的具体过程为：

步骤一：控制信号触发QUL和QDR导通，输出高压Us产生的电流通过D7、QUL、Rn、Ln、R、L和QDR构成回路，在高压Us的作用下，整个负载中的电流呈线性上升，形成了三角波电流正脉冲的上升沿。

步骤二：当整个负载中的电流到达预定峰值时，关断QUL和QDR，打开QSW。此时负载中的电流有两条通路，一条是通过QUR和QDL的旁路二极管以及无源恒压钳位电路，另一条则是通过功率电阻RESn，电感中的电流将在这两条通路中消耗直至为零。由于无源恒压钳位电路的作用，下降沿中的电流将快速线性下降，形成了三角波电流正脉冲的下降沿。步骤一和步骤二负载中的电流波形形成了三角波电流的正脉冲。

步骤三：当达到整个周期的一半时关闭QSW，打开QUR和QDL，电源反向供电，输出高压Us产生的电流通过D7、QUR、L、R、Ln、Rn和QDL构成回路，在反向高压Us的作用下，整个负载中的电流呈线性上升，形成了三角波电流负脉冲的上升沿。

步骤四：当整个负载中的电流到达预定峰值时，关断QUR和QDL，打开QSW。此时负载中的电流有两条通路，一条是通过QUL和QDR的旁路二极管以及无源恒压钳位电路，另一条则是通过功率电阻RESn，电感中的电流将在这两条通路中消耗直至为零。由于无源恒压钳位电路的作用，下降沿中的电流将快速线性下降，形成了三角波电流负脉冲的下降沿。步骤三和步骤四负载中的电流波形形成了三角波电流的负脉冲。

之后，发射机H桥逆变电路重复上述的过程，在发射线圈中产生周期双极性三角波电流脉冲信号。

图3为本发明实施例高压产生电路原理图。如图3所示，高压产生电路主要包括：直流-直流变换模块组、保护电路和电压调节电路。

其中，所述的直流-直流变换模块组由5个VICRO功率串联组成，输入电压为24V，输出电压最高为240V。

其中，所述的保护电路由二极管和电容组成。二极管D1的作用是隔离直流-直流变换模块与负载电容。二极管D2至D6的作用是保护其对应的直流-直流变换模块，防止其不工作时输出电压变负。电容C1至C4的作用是保护整个高压产生电路并提高输出电流的上限。

其中，所述的电压调节电路由电阻和双极结型晶体管(bipolar junctiontransistor，BJT)组成。电阻R1至R5为定值电阻，取值均为10kΩ。R6为可变电阻，取值为10kΩ。通过改变R6的阻值使直流-直流变换模块M5的输出电压发生改变，Q1至Q8相继导通，直流-直流变换模块M1至M4的输出电压都与M5的输出电压相等，因此整个电路的输出电压就都发生了改变。

负载线圈电阻电感参数选择推导如下：

设高压产生电路输出的电压为U，无源恒压钳位的电路的钳位电压为U_Z，线圈的电阻为R，电感为L，可控电感的电阻为R_n，电感为L_n，则整个负载的时间常数为电流的峰值为I_m，上升沿的时间为t_r，下降沿的时间为t_f。电流上升部分的表达式为

电流下降部分的表达式为

上升沿的时长为

下降沿的时长为

表达式(1)和(2)的导数分别为

一般认为如果则i_r(t)和i_f(t)就是线性的，则电阻和电感应该满足的条件就简化为

其中R和L是负载线圈的参数为定值。R_n和L_n则是可控电感的参数，根据不同的上升沿时长而选择不同的串联电感L_n，但整个负载的电阻必须满足表达式(7)以满足线性度。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明双极性三角波瞬变电磁发射系统有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)H桥逆变电路中的MOSFET可以由绝缘栅型双极性三极(insulated gatebipolar transistor，IGBT)或者可控硅(silicon controlled rectifier，SCR)开关替换，只需相应的改变触发信号的形式；

(2)高压产生的方式不限于VICRO模块，也可将其替换为其他的直流-直流变换模块。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明提供了一种双极性三角波瞬变电磁发射系统。在本发明中，首先选择一个合适的负载线圈接入瞬变电磁发射机，然后调节所要产生的双极性三角波电流的频率，可调范围为1Hz-200Hz，峰值电流大小，最大峰值电流可达10A，以及三角波脉冲电流上升阶段的时间，可调范围为75μs-1ms。最后拨动发射开关就可以在接入的线圈负载中产生既定的三角波电流。在实际使用中，可以用产生的双极性三角波电流辐射一次脉冲磁场来探地测浅。针对现有的瞬变电磁发射系统只能够进行Off-Time探测这一缺陷，利用本发明，可以在已有的产生双极性方波脉冲电流的电路基础上加入双极性三角波脉冲电流的产生电路，使整个瞬变电磁发射系统能够在On-Time和Off-Time都进行探测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种双极性三角波瞬变电磁发射系统，其包括：

电源模块，用于提供电压；

2.根据权利要求1所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统，其中，还包括：

开关器件驱动电路模块，与发射机H逆变桥模块、过冲抑制电路模块连接，用来增强开关器件驱动控制信号的驱动能力；

发射机主控模块，与开关器件驱动电路模块连接，为发射电流的产生和过冲抑制提供时序逻辑。

3.根据权利要求1或2所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统，其中，发射机H逆变桥模块还包括RCD吸收电路，与H桥电路上的开关器件并联，用于吸收电流从峰值关断瞬间的高频振荡。

4.根据权利要求3所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统，其中，所述RCD吸收电路由二极管与第一电阻并联后再与第一电容串联组成。

5.根据权利要求1或2所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统，其中，无源恒压钳位电路模块包括：

高压钳位电路，由稳压二极管串联组成，用于产生在电流下降过程中的钳位高压，使电流线性快速关断。

6.根据权利要求5所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统，其中，无源恒压钳位电路模块还包括：

第二电容，与稳压二极管并联，用于保护稳压二极管；

第二电阻，与第二电容并联，用来释放第二电容上的电荷。

7.根据权利要求1或2所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统，其中，所述负载线圈参数控制电路模块包括串联的负载线圈和可控电感。

8.根据权利要求7所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统，其中，所述负载线圈参数控制电路模块的电感值和电阻值满足的条件为：

其中R和L是负载线圈的参数为定值，R_n和L_n则是可控电感的参数，根据不同的上升沿时长而选择不同的串联电感L_n。

9.根据权利要求1或2所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统，其中，过冲抑制电路模块包括第二开关器件和功率电阻。

10.根据权利要求1或2所述的双极性三角波瞬变电磁发射系统，其中，所述高压产生电路模块包括：

直流-直流变换模块组，由多个直流-直流变换模块串联组成；

保护电路，用于保护高压产生电路模块；

电压调节电路，用于改变高压产生电路模块的输出电压。