本科畢業(yè)設(shè)計(jì)-便攜式瞬變電磁發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

PAGE中文摘要瞬變電磁法（TransientElectromagneticMethod,TEM）是探測地下未知物體電性參數(shù)的重要方法之一。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會的進(jìn)步，地下礦產(chǎn)資源變得越來越緊缺，越來越多的問題亟待解決，而隨著現(xiàn)在儀器變得越來越數(shù)字化和智能化，這些問題幾乎都可以用瞬變電磁法來解決，特別是近幾年來在地下水探測、地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域都發(fā)揮了很大的作用。目前幾乎涉及了地球物理勘探的各個(gè)領(lǐng)域包括海洋和空中，可見已成為重要的地球物理勘探方法之一。本設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)組成部分：FPGA控制部分和H型橋路部分。其中FPGA控制部分包括：內(nèi)部電源部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換部分、控制信號驅(qū)動電路部分；H型橋路部分包括：驅(qū)動電路部分、光電隔離電路部分、由MOSFET管構(gòu)成的H橋部分?；竟ぷ鬟^程是：由FPGA產(chǎn)生脈沖控制信號，該信號經(jīng)過ULN2803達(dá)林頓管進(jìn)行驅(qū)動放大，放大后的控制信號可以控制由MOSFET構(gòu)成的H型橋路，再通過6N137光電隔離模塊和IR2102S驅(qū)動電路的作用，在發(fā)射線圈中就可以得到想要的脈沖發(fā)射電流。通過實(shí)驗(yàn)可以證明，本設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)的發(fā)射線圈尺寸較小面積僅為0.64平方米，發(fā)射電流較大可以達(dá)到30A，關(guān)斷延遲時(shí)間短可以小于50微秒，并且實(shí)現(xiàn)了多個(gè)橋路的并聯(lián)疊加，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞： 瞬變電磁法,橋路并聯(lián),便攜，發(fā)射機(jī)外文摘要TitlePortabletransientelectromagnetictransmitterAbstractTheTransientElectromagneticMethod(TEM)isoneoftheimportantwaysusedtodetecttheelectricalparametersoftheunknownundergroundobjects.Astheinstrumentsbecomedigital,intelligentandtheincreasingofpower,theTEMcansolvemoreandmoreproblems,ithasawideapplicationprospectinmineralexploration,groundwaterexploration,archaeologyandgeologicalsurvey,etc.Inrecentyearsithasapositiveimpactespeciallyingroundwaterexploration,soilsalinitysurveyandsoon.Nowitalmostinvolvesallofthefieldsofgeophysicalexplorationincludingtheoceanandtheair,ithasbecomeoneoftheimportantgeophysicalexplorationmethodsvisibly.Thisdesignismainlycomposedoftwomajorcomponents:FPGAcontrolpartandbridgesection.Amongthem,theFPGAcontrolpartmainlyincludes:FPGApowersupplymodule,ADmoduleanddrivermodule;thebridgepartmainlyincludes:drivermodule,photoelectricisolationmoduleandbridgemodulecomposedofMOSFETdevices.Thebasicworkprocessis:theFPGAproducesimpulsecontrolsignal,andthenthroughtheULN2803drivenamplifier,thenthesignalwassentto6N137photoelectricisolatedmodule,afterthatthelaunchbridgeroadisdrivenbyIR2102S,thenwecangetthepulsewaveformfromthecoilattheoutputsideofthebridgeroad.Theexperimentsshowthatthecontrolsystemofthedesignhasperfectfunctions,thelaunchcoilhassmallsize,largelaunchcurrent,shorttimedelayforshuttingoffandothercharacteristics,itrealizesthesuperpositionofmultiplebridgeroads,ithashighreliabilityandmeetsthedesignrequirements,anditcanwellsatisfytheneedsofthefielddetections.Keywords:Transientelectromagneticmethod,superpositionofbridgeroads,portable,transmitter目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章緒論 11.1 本課題的研究背景及意義 11.2 瞬變電磁法工作原理 11.3瞬變電磁發(fā)射機(jī)主要工作原理 41.4本論文研究內(nèi)容 6第2章FPGA控制電路設(shè)計(jì) 72.1電源電路設(shè)計(jì) 72.2FPGA內(nèi)部電源設(shè)計(jì) 82.3AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 82.4驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 92.5FPGA控制信號軟件設(shè)計(jì) 92.6本章小結(jié) 12第3章發(fā)射橋路設(shè)計(jì) 133.1驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 133.2光電隔離模塊設(shè)計(jì) 133.3發(fā)射橋路設(shè)計(jì) 143.4吸收電路設(shè)計(jì) 153.5本章總結(jié) 15第4章本設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 164.1加拿大Geonics公司PROTEM瞬變電磁儀 164.2本設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)主要指標(biāo) 164.3儀器的整體調(diào)試 164.4單個(gè)發(fā)射橋路實(shí)驗(yàn)結(jié)果 174.5橋路1與橋路2并聯(lián)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 184.6發(fā)射橋路關(guān)斷沿波形 194.7本章小結(jié) 20總結(jié) 21參考文獻(xiàn) 22致謝 24圖1外接電源電路圖 25圖2FPGA控制電路原理圖 26圖3發(fā)射橋路主要電路圖 27PAGE27第1章緒論本課題的研究背景及意義在瞬變電磁儀器研發(fā)方面，1953年第一個(gè)專利被Newmont勘探公司申請，1962年科研工作者研制出了第一臺瞬變電磁儀器，1972年Lamontagne研制出了UTEM－1型瞬變電磁儀器，1974年Crone公司推出了偶極系統(tǒng)的商品儀器，1977年CSIRO研制出了SIROTEM－I型儀器,1980年Geonics研制出了EM－37型儀器等。從70年代開始，我國開始對瞬變電磁儀器的野外應(yīng)用進(jìn)行研究，在80年代研制出WDC系列瞬變電磁儀，90年代研制出SD-2型儀器，2001年研制出ATEM－II型瞬變電磁儀，并且都取得了良好的應(yīng)用效果。隨著現(xiàn)在的儀器變得越來越數(shù)字化和智能化，越來越多的問題可以用瞬變電磁法來解決，特別是近幾年來在地下水探測、地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域起到良好的作用，目前幾乎涉及了地球物理勘探的各個(gè)領(lǐng)域包括海洋和空中，可見已成為重要的地球物理勘探方法之一。本設(shè)計(jì)的目的在于突破原有的技術(shù)，設(shè)計(jì)出更便攜、發(fā)射電流相對更大、性能更穩(wěn)定的瞬變電磁發(fā)射機(jī)。瞬變電磁法工作原理瞬變電磁法（TransientElectromagneticMethods）是近年來發(fā)展最快的勘探方法之一，關(guān)于瞬變電磁法的相關(guān)應(yīng)用早在30年代就被科學(xué)家提出，50年代開始才被應(yīng)用于資源勘探，在很多領(lǐng)域都取得了良好的應(yīng)用效果。80年代初開始，我國對瞬變電磁法的理論及野外實(shí)驗(yàn)研究都投入了大量工作，并取得了一定研究成果。瞬變電磁法是利用發(fā)射線圈向地下發(fā)射一次脈沖電流，這個(gè)電流能夠在地下感應(yīng)出穩(wěn)定的磁場，當(dāng)脈沖發(fā)射電流關(guān)閉后，在地下介質(zhì)中會產(chǎn)生一個(gè)渦流，渦流的大小和地下介質(zhì)導(dǎo)電性等參數(shù)有關(guān)。在該渦流消失之前會有一個(gè)過渡過程，該過程中會產(chǎn)生向地表傳播的磁場，這個(gè)變化的磁場在地面接收線圈中轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓的變化，通過反演處理我們可以知道地下未知介質(zhì)的參數(shù)。瞬變電磁法的探測原理如圖1.2.1所示，x軸代表地面，地表接收線圈中的二次電磁場是由地下感應(yīng)出的渦流產(chǎn)生的，這個(gè)渦流同時(shí)向外和向下擴(kuò)散，形狀就像一個(gè)“煙圈”，因此瞬變電磁的工作原理又可以用“煙圈效應(yīng)”來形象地描述。隨時(shí)間的變化，渦流的分布將受到地下介質(zhì)參數(shù)的影響，因此可以用早期的二次電磁場分析淺層地下未知介質(zhì)參數(shù)，用晚期的二次電磁場分析深層地下未知介質(zhì)的參數(shù)。因此，通過對瞬變電磁場隨時(shí)間變化規(guī)律的研究，我們就可以達(dá)到了解地下介質(zhì)參數(shù)的目的，這就是瞬變電磁法的工作原理。圖1.2.1等效電流環(huán)圖1.2.1等效電流環(huán)Zxt>0t=t3t=t2t=t1Tx。根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，當(dāng)?shù)孛姘l(fā)射線圈中的脈沖發(fā)射電流突然關(guān)閉時(shí)，在發(fā)射線圈周圍就會感應(yīng)出一次磁場，當(dāng)一次磁場在地下導(dǎo)電介質(zhì)中傳播時(shí)，會在介質(zhì)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個(gè)電流被稱為二次電流，感應(yīng)過程如圖1.2.2所示。隨著時(shí)間的變化，在二次電流向外傳播的過程中會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，這個(gè)磁場被稱為二次磁場。二次電流傳播過程中感應(yīng)出的二次磁場是隨時(shí)間大致按指數(shù)規(guī)律衰減的，衰減規(guī)律如圖1.2.3所示。二次場主要由地下良導(dǎo)電體中的二次電流感應(yīng)而來，因此通過接收線圈對二次場的數(shù)據(jù)采集，以及后期對接收數(shù)據(jù)的處理，就可以知道地下介質(zhì)的物理參數(shù)。圖1.2.2瞬變電磁法工作示意圖圖1.2.3瞬變電磁法實(shí)際發(fā)射波形示意圖當(dāng)把一個(gè)圓柱形螺線管線圈放到變化的磁場中時(shí)，在線圈中就會產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢，假設(shè)線圈匝數(shù)為N，橫截面積為S，真空磁導(dǎo)率為，螺線管長度為，則感應(yīng)電動勢的大小為：1.2.11.2.2由以上兩個(gè)公式1.2.1和1.2.2可知，在接受線圈中的感應(yīng)電動勢值的大小可以反應(yīng)一次磁場和二次磁場，所以，通過對感應(yīng)電動勢的數(shù)據(jù)處理，可以得到二次場曲線，通過對二次場曲線分析就能知道地下未知介質(zhì)的參數(shù)。1.3瞬變電磁發(fā)射機(jī)主要工作原理一般情況下，發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率越大它的應(yīng)用范圍越廣，同時(shí)體積和重量也會越大，這使得瞬變電磁法的應(yīng)用又有了局限，因此，在滿足發(fā)射機(jī)功率的前提下減少發(fā)射機(jī)的體積和重量一直是我們追求的目標(biāo)。本設(shè)計(jì)采用由MOSFET構(gòu)成的橋式發(fā)射電路，通過發(fā)射橋路的并聯(lián)疊加，可以在小發(fā)射線圈的前提下實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)射，這樣就可解決上述矛盾。對于瞬變電磁發(fā)射機(jī)，人們最關(guān)注的往往是最大發(fā)射電壓、最大發(fā)射電流、額定發(fā)射功率、關(guān)斷延遲時(shí)間、與接收機(jī)同步等幾個(gè)方面。其中，發(fā)射功率與有效探測深度有關(guān)，關(guān)斷延遲時(shí)間與淺層探測精度有關(guān)。因此，本設(shè)計(jì)希望能實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率較大、關(guān)斷延遲時(shí)間較短、發(fā)射線圈面積較小、重量較輕等功能的便攜式瞬變電磁發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)的主要組成部分如圖1.3.1所示，包括外接蓄電池、發(fā)射橋路、FPGA控制電路、發(fā)射線圈等部分。大概工作過程是：由FPGA產(chǎn)生脈沖控制信號，經(jīng)過ULN2803進(jìn)行驅(qū)動放大，放大后的控制信號被送到由MOSFET構(gòu)成的H型發(fā)射橋路，再通過6N137光電隔離模塊和IR2102S驅(qū)動電路的作用，在發(fā)射線圈中就可以得到想要的脈沖發(fā)射電流。圖1.3.1瞬變電磁發(fā)射機(jī)主要原理框圖發(fā)射機(jī)的主回路為如圖1.3.2所示的H型橋路，負(fù)載是由一定長度導(dǎo)線構(gòu)成的發(fā)射線圈，ED是外接直流電源或蓄電池。用FPGA產(chǎn)生橋路控制信號，控制功率管交替閉合導(dǎo)通輸出信號，功率管由圖中S1、S2、S3、S4代表，S1和S3導(dǎo)通時(shí)輸出正脈沖，S2和S4導(dǎo)通時(shí)輸出負(fù)脈沖，在負(fù)載上可以獲得如圖1.3.3所示的幾種輸出電壓波形，我們選擇方式1。圖1.3.2發(fā)射機(jī)主回路示意圖圖1.3.3發(fā)射機(jī)幾種輸出電壓波形1.4本論文研究內(nèi)容本設(shè)計(jì)共分為4章，其具體結(jié)構(gòu)主要安排如下：第1章 緒論部分，主要介紹了本設(shè)計(jì)的研究背景和意義，瞬變電磁法工作原理以及本文的主要研究內(nèi)容。第2章 FPGA控制電路設(shè)計(jì)，主要介紹了FPGA以及與其相關(guān)的輔助電路的設(shè)計(jì)，最重要的是基于QuartusII的軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了控制橋路的FPGA控制信號。第3章發(fā)射橋路的設(shè)計(jì)，主要包括驅(qū)動電路部分、光電隔離電路部分和由MOSFET構(gòu)成的H型橋路設(shè)計(jì)部分，最重要的是H型橋路部分的吸收電路設(shè)計(jì)。第4章本章介紹了國外瞬變電磁發(fā)射機(jī)的性能，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析本設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性及可靠性。第2章FPGA控制電路設(shè)計(jì)2.1電源電路設(shè)計(jì)該部分主要提供FPGA控制電路及發(fā)射橋路中的電源模塊所需的12V和5V電壓。該部分電路主要包括電源模塊和濾波電路模塊，主要電路圖如圖2.1.1和2.1.2所示。 圖2.1.1電源模塊主要電路圖圖2.1.2電源濾波電路原理圖2.2FPGA內(nèi)部電源設(shè)計(jì) 該部分電路主要負(fù)責(zé)給FPGA模塊提供工作電源，電路主要原理圖如圖2.2.1所示。圖2.2FPGA內(nèi)部電源主要電路圖2.3AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)該部分電路主要包括18位AD模塊AD7982和驅(qū)動運(yùn)放部分。AD7982是一款18位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用單電源供電；驅(qū)動模塊本設(shè)計(jì)選擇ADA4941，它無需外接其他元件就能實(shí)現(xiàn)大于2的增益，同時(shí)還具有低失真以及高信噪比（SNR）等重要特性。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖2.3所示。圖2.3AD轉(zhuǎn)換電路主要原理圖2.4驅(qū)動電路設(shè)計(jì)由于FPGA產(chǎn)生的控制信號電壓及電流值有限制，不滿足給發(fā)射橋路提供控制信號的要求，因此在FPGA控制信號輸出端需要有驅(qū)動電路，本設(shè)計(jì)采用高電壓大電流的八達(dá)林頓晶體管ULN2803，經(jīng)過ULN2803的控制信號滿足設(shè)計(jì)要求，該部分主要電路圖如圖2.4所示。 圖2.4驅(qū)動電路主要原理圖2.5FPGA控制信號軟件設(shè)計(jì)該部分設(shè)計(jì)主要是對FPGA進(jìn)行編程控制，產(chǎn)生控制功率管交替關(guān)斷導(dǎo)通的信號，軟件部分主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：分頻部分和控制信號輸出部分。2.5.1分頻模塊設(shè)計(jì)FPGA電路晶振頻率選用30MHz，F(xiàn)PGA提供的時(shí)鐘頻率不滿足設(shè)計(jì)要求，因此有必要在軟件設(shè)計(jì)部分對時(shí)鐘信號進(jìn)行分頻，其中計(jì)數(shù)分頻模塊如圖2.5.1所示。 圖2.5.1分頻模塊原理圖2.5.2控制信號設(shè)計(jì)由于本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)發(fā)射橋路并聯(lián)輸出以提高發(fā)射功率，為滿足兩個(gè)發(fā)射橋路的同步，可以使FPGA的控制信號輸出端同時(shí)接到兩個(gè)不同的ULN2803驅(qū)動芯片，每一個(gè)驅(qū)動芯片驅(qū)動不同的發(fā)射橋路，這樣可以在滿足兩個(gè)發(fā)射橋路并聯(lián)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)橋路控制信號的同步。控制信號與FPGA外部管腳分配如圖2.5.2所示。圖2.5.2控制信號管腳分配圖2.5.3FPGA主程序基于QuartusII對FPGA進(jìn)行編程，主要程序部分如下所示。該程序主要功能是產(chǎn)生一個(gè)控制信號，控制H型橋路中的八個(gè)功率管交替導(dǎo)通，在輸出端的發(fā)射線圈中即可得到想要的脈沖發(fā)射電流。casekkkis when0=> k<="0110"; when1=> k<="0000"; when2=> k<="1001"; when3=> k<="0000"; endcase;kkk<=kkk+1;ifkkk=3thenkkk<=0; endif;2.5.4控制信號仿真結(jié)果分析仿真波形如圖2.5.3所示，根據(jù)仿真結(jié)果可知該軟件設(shè)計(jì)部分滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。其中clk是經(jīng)過分頻的時(shí)鐘信號，K[3..0]和K[7..4]是經(jīng)過FPGA產(chǎn)生的控制信號輸出端口，區(qū)別在于二者是經(jīng)過不同的ULN2803管腳進(jìn)行驅(qū)動的，并且二者用于控制兩個(gè)不同的發(fā)射橋路，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)發(fā)射橋路的并聯(lián)。圖2.5.3控制信號仿真波形圖 當(dāng)k[3]、k[0]高電平時(shí)發(fā)射線圈中產(chǎn)生正脈沖，當(dāng)k[2]、k[1]高電平時(shí)發(fā)射線圈中產(chǎn)生負(fù)脈沖，k[7..4]原理相同。2.6本章小結(jié)本章主要針對FPGA控制部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，完成了以下工作內(nèi)容：1.完成了提供控制信號的FPGA電路設(shè)計(jì)，包括內(nèi)部電源、AD轉(zhuǎn)換、驅(qū)動電路等方面的設(shè)計(jì)；2.對FPGA進(jìn)行軟件編程并仿真結(jié)果，基于QuartusII對FPGA進(jìn)行編程并仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。第3章發(fā)射橋路設(shè)計(jì)3.1驅(qū)動電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)開關(guān)器件選擇MOSFET功率器件IRF3205，使用MOSFET設(shè)計(jì)電路的關(guān)鍵之一就是驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)，IRF3205導(dǎo)通后，為了保證它始終保持在飽和狀態(tài)，甚至在瞬間過載時(shí)，也要保證它不退出飽和狀態(tài)，這就要求驅(qū)動電路必須有足夠大的驅(qū)動功率。每一個(gè)生產(chǎn)MOSFET功率器件的公司在推出MOSFET的同時(shí)，一般都會同時(shí)推出與其相配套的驅(qū)動電路，這樣能使驅(qū)動電路與MOSFET功率器件得到最優(yōu)的搭配。本設(shè)計(jì)的驅(qū)動芯片選擇美國國際整流器公司生產(chǎn)的IR2102S，它是高速的MOSFET和IGBT專用的集成驅(qū)動電路。驅(qū)動電路主要電路原理圖如圖3.1所示。 圖3.1驅(qū)動電路3.2光電隔離模塊設(shè)計(jì)為了使大電流回路部分和數(shù)字電路部分隔離，保證系統(tǒng)的正常工作，在IR2102S驅(qū)動電路前還需要設(shè)計(jì)光電隔離電路，本設(shè)計(jì)選用6N137光電耦合器，由于6N137固有的特性，用它設(shè)計(jì)的光電隔離電路不會影響驅(qū)動部分的延遲。光電隔離電路主要原理圖如圖3.2所示。 圖3.2光電隔離電路主要原理圖3.3發(fā)射橋路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的發(fā)射橋路開關(guān)器件選用MOSFET器件IRF3205，IRF3205的通態(tài)電阻很小，因此在發(fā)射電流大時(shí)，不會有很大的電阻損耗，工作效率較高，不需要太大的散熱空間即可滿足散熱要求，只需要一般的散熱方式即可達(dá)到目的，這樣可以使得發(fā)射系統(tǒng)的體積減小并且工作可靠性得到提高。為了得到更好的脈沖發(fā)射電流波形，可以使兩個(gè)IRF3205并聯(lián)工作，由于IRF3205具有自均流的特點(diǎn)，可以并聯(lián)使用。H型橋路主要電路原理圖如圖3.3所示。圖3.3發(fā)射橋路主要電路圖3.4吸收電路設(shè)計(jì)在IRF3205導(dǎo)通時(shí)會流過很大的電流，關(guān)斷時(shí)又要承受很高的電壓，并且在導(dǎo)通與關(guān)斷之間轉(zhuǎn)換的時(shí)候，電路中的儲能元件會承受很大的沖擊，因此就有必要設(shè)計(jì)附加的能量吸收電路，提高電路的可靠性。近年來隨著軟關(guān)斷技術(shù)的發(fā)展，緩沖吸收電路有很多種，考慮到電路的實(shí)用性及設(shè)計(jì)的要求，本設(shè)計(jì)采用如圖3.4所示的充放電型RCD吸收電路。 圖3.4吸收電路主要原理圖圖中D1和D11采用超快恢復(fù)的二極管，DL1采用大電流快恢復(fù)二極管，與R31和C1共同組成RCD緩沖吸收電路。3.5本章總結(jié)本章主要對瞬變電磁發(fā)射機(jī)的發(fā)射橋路進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括驅(qū)動電路、光電隔離電路、H橋路的設(shè)計(jì)，其中H橋的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，特別是緩沖吸收電路的設(shè)計(jì)，因?yàn)榫彌_吸收電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響發(fā)射波形的下降沿關(guān)斷時(shí)間長短，而下降沿的延遲時(shí)間長短又會直接影響到瞬變電磁探測的精度。第4章本設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析本章介紹了國外瞬變電磁發(fā)射機(jī)的主要性能指標(biāo)，并且對本設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，通過結(jié)果驗(yàn)證系統(tǒng)的工作性能。4.1加拿大Geonics公司PROTEM瞬變電磁儀TEM47HP井下探水系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：電流波形：偶極性方波基本頻率：25、62.5、285Hz發(fā)射線圈尺寸：面積2.25平方米的正方形線圈輸出電壓：0—12V最大輸出電流：10A重量：6公斤4.2本設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)主要指標(biāo)本設(shè)計(jì)主要指標(biāo)如下：發(fā)射線圈尺寸：面積0.64平方米的正方形線圈線圈1的電阻約為0.1Ω，線圈2的電阻約為0.05Ω輸出電壓范圍：0—2V輸出電流范圍：0—30A重量：2公斤以下4.3儀器的整體調(diào)試如下圖4.3所示，將FPGA控制電路和發(fā)射橋路中的電源模塊分別與外接電源連接，用大功率電源給MOSFET供電，在發(fā)射線圈即可得到想要的脈沖發(fā)射電壓波形。圖4.3本設(shè)計(jì)各部分電路板相連實(shí)物圖4.4單個(gè)發(fā)射橋路實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)發(fā)射系統(tǒng)只使用單個(gè)發(fā)射橋路時(shí)，發(fā)射波形如下圖所示，指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。圖4.4.1橋路1發(fā)射電壓波形圖圖4.4.2橋路2發(fā)射電壓波形圖4.5橋路1與橋路2并聯(lián)實(shí)驗(yàn)結(jié)果當(dāng)發(fā)射系統(tǒng)使用兩個(gè)并聯(lián)橋路時(shí)，發(fā)射電壓波形如下圖4.5所示，根據(jù)示波器波形可以看出，兩個(gè)橋路很好地實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射電流的同步。 圖4.5兩個(gè)橋路并聯(lián)發(fā)射電壓波形圖4.6發(fā)射橋路關(guān)斷沿波形發(fā)射橋路1關(guān)斷波形如圖4.6.1所示，根據(jù)示波器波形可看出，關(guān)斷延遲時(shí)間小于50us，滿足設(shè)計(jì)要求。圖4.6.1發(fā)射橋路1關(guān)斷延遲時(shí)間波形圖發(fā)射橋路2關(guān)斷波形如圖4.6.2所示，根據(jù)示波器波形可看出，關(guān)斷延遲時(shí)間小于50us，滿足設(shè)計(jì)要求。圖4.6.2發(fā)射橋路2關(guān)斷延遲時(shí)間波形圖4.7本章小結(jié)本章主要對該設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，并與國外已有瞬變電磁發(fā)射機(jī)性能進(jìn)行比較，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知該設(shè)計(jì)滿足了設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出了發(fā)射線圈面積0.64平方米、最大發(fā)射電流30A、關(guān)斷延遲時(shí)間小于50um、可以多個(gè)發(fā)射橋路并聯(lián)疊加的瞬變電磁發(fā)射機(jī)。 總結(jié)本文主要介紹了利用FPGA進(jìn)行控制的瞬變電磁發(fā)射機(jī)，并完成了相應(yīng)部分的電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于發(fā)射橋路的設(shè)計(jì)以及發(fā)射橋路的并聯(lián)，因此發(fā)射橋路的功率器件選擇、光電隔離及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)、緩沖吸收電路設(shè)計(jì)、控制信號的同步成為本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)以及難點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于使用了兩個(gè)發(fā)射橋路并聯(lián)，國內(nèi)外研制出的瞬變電磁發(fā)射機(jī)都是使用單個(gè)發(fā)射橋路，發(fā)射功率及發(fā)射電流等參數(shù)有所局限，本設(shè)計(jì)考慮使用兩個(gè)發(fā)射橋路并聯(lián)，因此發(fā)射功率和發(fā)射電流都得到明顯提高。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)出了發(fā)射線圈面積0.64平方米、最大發(fā)射電流30A、關(guān)斷延遲時(shí)間小于50um、可以多個(gè)發(fā)射橋路并聯(lián)疊加的瞬變電磁發(fā)射機(jī)。參考文獻(xiàn)[1]林君.電磁探測技術(shù)在工程與環(huán)境中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].物探與化探（2000）.6:1-11[2]王淑玲．基于浮點(diǎn)放大的瞬變電磁法接收機(jī)的研制[D]．長春：吉林大學(xué).2001．[3]劉麗萍．基于DSP的瞬變電磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[D]．長春：吉林大學(xué).2005．[4]嵇艷鞠，林君，程德福，于生寶.ATEM-Ⅱ