瞬变电磁探测发射机的设计

瞬变电磁探测发射机的设计摘 要：介绍了基于瞬变电磁法原理的发射机，为了快速获取早期的 瞬变信号，采用高速开关电路，可以满足 us 级关断时间的要求；在 满足足够发射功率情况下，为保证系统的可靠性和安全性， 在设计 中加入了过冲吸收电路和过流保护电路，并设计了高速采集模块，对 发射电流和关断时间进行记录和实时显示。整个电路采用 Phlips 公司 的单片机P89C58X2进行控制。关键词：瞬变电磁；发射机；关断电流为了实时检测，系统中加入了电流传感器模块，通过高速模数转换芯 片采集和检测发射电流和关断时间，并对关断沿进行记录，以便后期 对一次场进行数据处理。图1 IRF3205桥路2驱动及保护单元设计2.1驱动电路设计国际上，各个MOSFET生产厂家或公司，在推出其MOSFET 的同时， 都会推出与之配套的栅极驱动电路,使得驱动电路与 MOSFET得到最优搭配。IR2110S也是美国国际整流器公司的产品， 其利用独有的高压集成电路及无闩锁 CMOS 技术，大大简化了 MOSFET驱动电路，同时能实现对MOSFET最优驱动。如图2所示 为采用IR2110S的驱动电路。图2采用IR2110S的驱动电路2.2过流保护单元设计在大功率系统中，为保证系统工作的稳定性和可靠性，驱动和 保护电路成为系统的关键部分之一，不论是采用晶闸管、BJT、IGBT 还是MOSFET，其驱动电路对系统来说具有举足轻重的地位，在本 设计中桥路开关元件采用 美国国际整流器公司 IR(International Rectifier)推出的 IRF3205 型 HEXFET Power MOSFET，结合实际的 电路参数和指标，采用了该公司的 IR2110S 作为驱动芯片,驱动保护 单元如图3所示。为防止系统在工作过程中出现过流现象，从而造成系统的严重 损坏，因此对于像电磁发射系统这样的大功率型系统来说，进行过流 保护是必不可少的。过流保护电路的设计方法很多，因过流检测方式 的不同而不同，为简化过流保护电路同时保证保护电路的稳定性和可 靠性，结合 IR2110S 设计如图 4 所示的过流保护电路，该电路采用电 流传感器检测发射回线负载中的电流，当电流超过设定电流时，由比 较器 U1 输出高电平，使得 IR2110S 保护信号输入端置高，其输入 信号全部封锁，对应驱动输出端恒为低电平，实现对 IRF3205 的保 护。过流信息同时通过光耦通知主控单元并上传给上位机。当电路小 于设定电流时，保护封锁解除。其中 Csd 是主控单元的启动发射控制 信号，与过流保护信号共同对IR2110S的SD引脚的控制。R20将电 流传感器感应的电流信号转变为电压信号， 检测电路中并联 C20、C21以防止误保护，对尖峰过冲进行滤波处理。图4过流保护电路3发射电流检测系统的设计3.1发射电流关断波形记录单元的设计本系统采用北京科海电子技术有限公司的电流传感器模块 KT100/P 磁平衡式流传感器来获取采样电流。科海电流模块是利用霍 尔效应，采用磁补偿原理，被测回路与测量回路绝缘。可测直流、交 流、脉动电流频率范围0100KHz，测量电流正比于被测电流。由于电流传感器的磁耦合实现手段，就限制了电流传感器的电 压变化率跟不上关断波形的快速变化，这样真实的电流波形在输出端 被变形，还形成了较大的过冲，而从实际发射线圈上监测，过冲通过 电流传感器之后明显被放大了。为了高速、准确、不失真地记录发射 电流关断波形，经研究发现在发射线圈中直接串入纯电阻能够很好的 解决电流传感器采样的信号变形问题。通过取样电阻的合理选取和前 端放大电路的合理设计，就能够在 AD 输入端上获得比较干净的发射 电流关断波形。论文综合考虑了 AD 转换量程和串入电阻对发射机发射电流 影响等因素，选用了两个0.050相串接的纯电阻串行接入发射线圈 中。这两个电阻不能够选用阻值再大的，虽然电阻越大，取样的信号 信噪比越高，但是因为发射线圈电阻约为10 左右，如果取样装置电 阻较大，就会减小发射电流，对发射机效果产生影响。电阻取样原理 示意图如图5 所示。3.2发射电流波形及关断时间采集单元的设计电流波形记录采用凌特公司生产的高速 AD：LTC141（2 12BIT， 3M）,双极性：2.5V。由于其内部带有基准源和采样保持器，因此 可以有效的减少孔径误差，内部并集成了采集逻辑控制单元，在采样 时钟的控制下能自主的实现流水线采集。从科海模块得到的电流信号 经过信号放大、滤波等信号调理电路输入给LTC1412进行采集，通 过FIFO实现采集数据缓存。图5电流取样原理发射电流关断时间的测量是通过定时计数器来完成的，其原理 如图 6 所示。同步时钟的下降沿触发定时计数器开始计数，当电流下 降到零时停止计数，同时时序电路锁存当前计数值，在计数器未读前 防止再次触发计数。因此根据测量信号的特性，设计了关断时间测量 电路，同电流波形记录一样，科海霍尔电流传感器对发射电流信号取 样，通过前置放大和滤波电路，进行信号调理，这部分电路与电流波 形记录单元共用一套，由于发射的电流是双极性的方波，霍尔传感器 感应回来的电流信号也是双极性的，为了适应后面比较电路、电路中 设计了绝对值电路将负信号取正，电流信号经过绝对值电流后进入过 零比较器，输入给计数时序控制逻辑。单片机对定时计数器设置完毕启动关断时间测量后，由同步时 钟触发对时钟信号计数，当电流关断到零时停止计数并锁存定时计数 器等待控制系统读取关断时间，读完之后，设置定时计数器以测量下 一个下降沿关断时间。图6电流关断时间采集时序4结束语本文分析设计的瞬变电磁探测发射机，采用新型 MOSFET 器 件，设计了稳定的发射桥路及其驱动电路，实现了大电流发射以及对 发射电路的发射电流、关断延迟时间等参数的实时检测与存储，方便 了数据后期处理；实现了发射电路的可靠控制，具有防止过流、欠压 的保护措施。参考文献：1郑凯.瞬变电磁资料处理软件研制的探讨J.内蒙古石油化工，2007(1).2 徐瑞亚.基于DSP的瞬变电磁探测系统设计与实现J.中国科 技信息,2008(24).3 周国华.基于DSP的瞬变电磁探测系统设计与实现D.长春: 吉林大学,2006.4 周国华,林君,周逢道,等.浅海底瞬变电磁探测发射系统研究 J.电力电子技术,2006(5).王静.ATTEM发射机发射电流下降沿记录关键技术研究D.长春:吉林大学,2004.6 周逢道,林君,朱凯光,等.瞬变电磁探测发射电流波形记录单元设计J.吉林大学学报(工学版)，2009(2).