CN114647010A - 一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置及工作方法，包括：激励电路模块A、哑铃型氦灯、检测电路、第一温度传感器、第二温度传感器、微型控制器B、反馈调节模块C和激励电路断电模块；本发明通过哑铃型氦灯发出的光信号经光电探测器后变成电流信号，采用差分电流转电压模块可以降低电路的共模干扰，从而提高氦灯输出光强的稳定性；通过实时采集功率管的温度，既能通过监测温度高于芯片工作温度时关断电路的方式，避免了在井下密闭空间长期工作时电路损坏的风险，提高总场仪器的使用寿命；同时，通过根据测量的温度采用闭环反馈式控制泵浦光源的方式，提高了泵浦光源输出光强的稳定性。

Description

一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置及工作方法
技术领域
本发明涉及井下总场泵源装置领域，尤其涉及一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置及工作方法。
背景技术
地磁场的分布和变化具有较强的规律性，在地震孕育过程中，孕阵区地下介质的物理性质将发生变化，地磁场在地震前会出现异常现象,井下观测能够躲开气候变化和人为活动所引起的近地表干扰，有利于获得高质量的观测数据，因此地磁场的长期稳定监测对于开展地震自然灾害监测预警范意义重大。
氦光泵磁力仪作为一种高灵敏度总场磁异常探测设备，泵浦光源作为磁测仪器的核心部件，其内原子由基态到亚稳态是实现磁测的一个重要前提，需要外加高频激励场将泵浦灯“点亮”，泵浦光光强不稳定会影响磁测长期稳定性，直接决定了总场磁测的性能，然而井下高温密闭条件的复杂环境为氦光泵磁力仪的长期应用带来了巨大挑战。泵浦光光强在井下应用主要受以下几方面影响，首先，泵浦灯中气室压强受井下高温的影响，进而致使光强变化；其次，高功率激励场由功率管放大产生，功率管发热严重，然而由于井下空间狭小且密闭，不利于热量流动，功率管的工作电流随发热温度累积而改变，导致激励场功率的不稳从而影响了泵浦光源的稳定性；功率管的分布电容参数和晶体振荡器受温度影响，改变了激励场的激励频率和幅度，进一步导致泵浦光光强产生波动。
现有的泵浦光源采用高性能、低温漂的电子器件和高效率的功率放大保证激励场的稳定，但不可避免的遇到制作成本高、电路结构复杂等问题，但也只能在实验室通风良好的环境中保持短期稳定，限制了其在井下等复杂环境领域中的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置。本发明的另一目的是提供一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置的工作方法。
本发明提供的技术方案是：一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置，包括：激励电路模块A、哑铃型氦灯、检测电路、第一温度传感器、第二温度传感器、微型控制器B、反馈调节模块C和激励电路断电模块；
其中，激励电路模块A包括：高频激励源、耦合电路、高频功率放大电路和阻抗匹配模块；
微型控制器B包括：神经网络PID调节算法、功率管漏电流模型和氦灯气体参数模型；
井下总场泵源装置通过由晶振产生的高频激励源经耦合电路进入到高频功率放大电路实现高频信号放大，经阻抗匹配模块提高能量传递效率到哑铃型氦灯后点亮氦灯，得到泵浦光源；
泵浦光源发出的光经检测电路被采集到微型控制器中，第一温度传感器测量井下环境温度T1并将采集的温度数据输出至微型控制器中，第二温度传感器测量发热量大的功率管温度T2并将采集的温度数据输出至微型控制器中；
微型控制器接收到井下环境温度T1和功率管温度T2，实时通过反馈调节模块C调整偏置电压，同时控制激励电路通断模块关断激励电路模块，从而达到改变功率管的稳定功率和实现氦气灯光强的稳定输出。
优选，所述微型控制器包括：功率管漏电流模型、氦灯气体参数模型和神经网络PID调节算法；
其中，氦灯气体参数模型接收第一温度传感器采集到的井下环境温度T1，功率管漏电流模型接收第二温度传感器采集到的功率管温度T2，并根据氦灯气体参数模型和功率管漏电流模型的输出量输入至神经网络PID调节算法中。
进一步优选，所述反馈调节模块C包括：可调基准电压、数据采集模块、数模转换器和栅控电压变换器；
其中，根据传感器优化的最优氦灯光强设置可调基准电压，然后通过数据采集模块将微型控制器采集作为基于神经网络PID调节算法的参考电压，通过微型控制器输出数字偏移量，经数模转换器输出对应的模拟电压，考虑到晶体管的开关和导通特性，需要经过栅控电压变换器，其输出的电压作为高频功率放大电路的偏置调节量。
进一步优选，所述检测电路包括：光电探测器、差分电流转电压电路、低通滤波器A、低通滤波器B和差分数据采集模块；
其中，泵浦光源发出的光经光电探测器转换为电路信号，经差分电流转电压电路后转变为电压信号A和电压信号B，分别低通滤波器A和低通滤波器B后降低噪声，最后通过差分数据采集模块使模拟信号转变为数字信号。
一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置的工作方法，包括以下步骤：
1)采集温度和氦灯光强，根据理想气体状态方程建立氦灯气室参数随外界环境温度的关系表达式：
pV＝nRT1
式中，p为气体压强，V为氦灯体积，n为气体的物质的量，R为摩尔气体常数，T1为外界环境温度，根据第一温度传感器测量的井下环境温度T1即可在微型控制器中计算出气体的参数；
2)根据功率管漏极电流理论表达式，测量实际漏电流与温度T2和栅极电压VGS的关系，T2为功率管温度，利用机器学习算法获得漏电流理论表达式的关键参数，最终建立起功率管漏电流随功率管温度和栅极电压的模型，通过实时测量第二温度传感器测量的功率管的温度T2作为实时调整栅极偏置电压VGS的变量之一；
3)当第二温度传感器测量的功率管的温度T2大于85℃后5min内仍不下降时，微型控制器控制激励电路通断模块关断激励电路模块，起到保护激励电路模块的作用；
4)根据检测电路采集到的哑铃型氦灯的光强大小及波动，通过与微型控制器采集到的可调基准电压相比较得到差值，并根据氦灯气体参数模型和功率管漏电流模型的输出量输入至神经网络PID调节算法中，通过反馈调节和耦合电路调整高频功率放大电路的偏置电压，从而实现改变功率管输出功率，进而达到实现哑铃型氦灯输出光强稳定的目的。
本发明中通过哑铃型氦灯发出的光信号经光电探测器后变成电流信号，采用差分电流转电压模块可以降低电路的共模干扰，从而提高氦灯输出光强的稳定性；通过实时采集功率管的温度，既能通过监测温度高于芯片工作温度时关断电路的方式，避免了在井下密闭空间长期工作时电路损坏的风险，提高总场仪器的使用寿命；同时，通过根据测量的温度采用闭环反馈式控制泵浦光源的方式，提高了泵浦光源输出光强的稳定性。
与现有的泵浦光泵相比，本发明提供的装置结构简单，易于实现，成本低，测量外界环境温度，并将其与气体参数的关系通过微型控制器反馈到泵浦光源的光强上，提高了不同井深下温度不同时仪器的温度兼容能力，从而增强了泵浦光源装置在复杂环境下性能可靠稳定的能力。
附图说明
图1为本发明提供的一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置的结构流程图；
图2为本发明提供的一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置中检测电路的结构流程图。
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。
如图1至2所示，一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置，包括：激励电路模块A5、哑铃型氦灯6、检测电路7、第一温度传感器8、第二温度传感器9、微型控制器B10、反馈调节模块C14和激励电路断电模块15；
其中，激励电路模块A5包括：高频激励源1、耦合电路2、高频功率放大电路3和阻抗匹配模块4；
微型控制器B10包括：神经网络PID调节算法13、功率管漏电流模型11和氦灯气体参数模型12；
所述微型控制器10包括：功率管漏电流模型11、氦灯气体参数模型12和神经网络PID调节算法13；
其中，氦灯气体参数模型12接收第一温度传感器8采集到的井下环境温度T1，功率管漏电流模型11接收第二温度传感器采集到的功率管温度T2，并根据氦灯气体参数模型12和功率管漏电流模型11的输出量输入至神经网络PID调节算法13中；
所述的反馈调节模块C14包括：可调基准电压16、数据采集模块17、数模转换器18和栅控电压变换器19；
所述检测电路7包括：光电探测器20、差分电流转电压电路21、低通滤波器A22、低通滤波器B23和差分数据采集模块24；
其中，泵浦光源发出的光经光电探测器20转换为电路信号，经差分电流转电压电路21后转变为电压信号A和电压信号B，分别低通滤波器A22和低通滤波器B23后降低噪声，最后通过差分数据采集模块24使模拟信号转变为数字信号；
根据传感器优化的最优氦灯光强设置可调基准电压16，然后通过数据采集模块17将微型控制器10采集作为基于神经网络PID调节算法13的参考电压，通过微型控制器10输出数字偏移量，经数模转换器18输出对应的模拟电压，考虑到晶体管的开关和导通特性，需要经过栅控电压变换器19，其输出的电压作为高频功率放大电路3的偏置调节量；
井下总场泵源装置通过由晶振产生的高频激励源1经耦合电路2进入到高频功率放大电路3实现高频信号放大，经阻抗匹配模块4提高能量传递效率到哑铃型氦灯6后点亮氦灯，得到泵浦光源；
泵浦光源发出的光经检测电路7被采集到微型控制器10中，第一温度传感器8测量井下环境温度T1并将采集的温度数据输出至微型控制器10中，第二温度传感器9测量发热量大的功率管温度T2并将采集的温度数据输出至微型控制器10中；
微型控制器10接收到井下环境温度T1和功率管温度T2，实时通过反馈调节模块C14调整偏置电压，同时控制激励电路通断模块15关断激励电路模块5，从而达到改变功率管的稳定功率和实现氦气灯光强的稳定输出。
一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置的工作方法，包括以下步骤：
1)采集温度和氦灯光强，根据理想气体状态方程建立氦灯气室参数随外界环境温度的关系表达式：
pV＝nRT1
式中，p为气体压强，V为氦灯体积，n为气体的物质的量，R为摩尔气体常数，T1为外界环境温度，根据第一温度传感器8测量的井下环境温度T1即可在微型控制器10中计算出气体的参数；
2)根据功率管漏极电流理论表达式，测量实际漏电流与温度T2和栅极电压VGS的关系，T2为功率管温度，利用机器学习算法获得漏电流理论表达式的关键参数，最终建立起功率管漏电流随功率管温度和栅极电压的模型，通过实时测量第二温度传感器9测量的功率管的温度T2作为实时调整栅极偏置电压VGS的变量之一；
3)当第二温度传感器9测量的功率管的温度T2大于85℃后5min内仍不下降时，微型控制器10控制激励电路通断模块15关断激励电路模块5，起到保护激励电路模块的作用；
4)根据检测电路采集到的哑铃型氦灯6的光强大小及波动，通过与微型控制器10采集到的可调基准电压相比较得到差值，并根据氦灯气体参数模型12和功率管漏电流模型11的输出量输入至神经网络PID调节算法13中，通过反馈调节14和耦合电路2调整高频功率放大电路3的偏置电压，从而实现改变功率管输出功率，进而达到实现哑铃型氦灯6输出光强稳定的目的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置，其特征在于，包括：激励电路模块A(5)、哑铃型氦灯(6)、检测电路(7)、第一温度传感器(8)、第二温度传感器(9)、微型控制器B(10)、反馈调节模块C(14)和激励电路断电模块(15)；
其中，激励电路模块A(5)包括：高频激励源(1)、耦合电路(2)、高频功率放大电路(3)和阻抗匹配模块(4)；
微型控制器B(10)包括：神经网络PID调节算法(13)、功率管漏电流模型(11)和氦灯气体参数模型(12)；
井下总场泵源装置通过由晶振产生的高频激励源(1)经耦合电路(2)进入到高频功率放大电路(3)实现高频信号放大，经阻抗匹配模块(4)提高能量传递效率到哑铃型氦灯(6)后点亮氦灯，得到泵浦光源；
泵浦光源发出的光经检测电路(7)被采集到微型控制器(10)中，第一温度传感器(8)测量井下环境温度T1并将采集的温度数据输出至微型控制器(10)中，第二温度传感器(9)测量发热量大的功率管温度T2并将采集的温度数据输出至微型控制器10中；
微型控制器(10)接收到井下环境温度T1和功率管温度T2，实时通过反馈调节模块C(14)调整偏置电压，同时控制激励电路通断模块(15)关断激励电路模块(5)，从而达到改变功率管的稳定功率和实现氦气灯光强的稳定输出。
2.根据权利要求1所述的一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置，其特征在于，所述微型控制器(10)包括：功率管漏电流模型(11)、氦灯气体参数模型(12)和神经网络PID调节算法(13)；
其中，氦灯气体参数模型(12)接收第一温度传感器(8)采集到的井下环境温度T1，功率管漏电流模型(11)接收第二温度传感器采集到的功率管温度T2，并根据氦灯气体参数模型(12)和功率管漏电流模型(11)的输出量输入至神经网络PID调节算法(13)中。
3.根据权利要求1所述的一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置，其特征在于，所述反馈调节模块C(14)包括：可调基准电压(16)、数据采集模块(17)、数模转换器(18)和栅控电压变换器(19)；
其中，根据传感器优化的最优氦灯光强设置可调基准电压(16)，然后通过数据采集模块(17)将微型控制器(10)采集作为基于神经网络PID调节算法(13)的参考电压，通过微型控制器(10)输出数字偏移量，经数模转换器(18)输出对应的模拟电压，考虑到晶体管的开关和导通特性，需要经过栅控电压变换器(19)，其输出的电压作为高频功率放大电路(3)的偏置调节量。
4.根据权利要求1所述的一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置，其特征在于，所述检测电路(7)包括：光电探测器(20)、差分电流转电压电路(21)、低通滤波器A(22)、低通滤波器B(23)和差分数据采集模块(24)；
其中，泵浦光源发出的光经光电探测器(20)转换为电路信号，经差分电流转电压电路(21)后转变为电压信号A和电压信号B，分别低通滤波器A(22)和低通滤波器B(23)后降低噪声，最后通过差分数据采集模块(24)使模拟信号转变为数字信号。
5.根据权利要求1所述的一种适用于井下长期稳定工作的总场泵源装置的工作方法，其特征在在于，包括以下步骤：
1)采集温度和氦灯光强，根据理想气体状态方程建立氦灯气室参数随外界环境温度的关系表达式：
pV＝nRT1
式中，p为气体压强，V为氦灯体积，n为气体的物质的量，R为摩尔气体常数，T1为外界环境温度，根据第一温度传感器(8)测量的井下环境温度T1即可在微型控制器(10)中计算出气体的参数；
2)根据功率管漏极电流理论表达式，测量实际漏电流与温度T2和栅极电压VGS的关系，T2为功率管温度，利用机器学习算法获得漏电流理论表达式的关键参数，最终建立起功率管漏电流随功率管温度和栅极电压的模型，通过实时测量第二温度传感器(9)测量的功率管的温度T2作为实时调整栅极偏置电压VGS的变量之一；
3)当第二温度传感器(9)测量的功率管的温度T2大于85℃后5min内仍不下降时，微型控制器(10)控制激励电路通断模块(15)关断激励电路模块(5)，起到保护激励电路模块的作用；
4)根据检测电路采集到的哑铃型氦灯(6)的光强大小及波动，通过与微型控制器(10)采集到的可调基准电压相比较得到差值，并根据氦灯气体参数模型(12)和功率管漏电流模型(11)的输出量输入至神经网络PID调节算法(13)中，通过反馈调节(14)和耦合电路(2)调整高频功率放大电路(3)的偏置电压，从而实现改变功率管输出功率，进而达到实现哑铃型氦灯(6)输出光强稳定的目的。
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