第
40
卷 第
期
年
3
月
2014
3
工 矿 自 动 化
Industry and Mine Automation
Vol.40No.3
Mar.2014
殧
檾
殧
檾檾檾檾
实验研究
檾檾檾檾
殧
檾
殧
文章编号:1671-251X(2014)03-0045-04 DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2014.03.013
韩冰
一种新型瞬变电磁发射机去过冲系统设计
.
工矿自动化
于生宝
,
孙晗
,
[J].
,2014,40(3):45-48.
一种新型瞬变电磁发射机去过冲系统设计
于生宝,
吉林大学 仪器科学与电气工程学院
(
韩冰,
孙晗
吉林 长春
,
130026)
摘要:针对瞬变电磁发射机发射电流过冲造成探测盲区的问题 ,提出了一种新型瞬变电磁发射机去过冲
二阶电路,在发射电流下降到接近零时接通该
系统设计方案。该方案在发射线圈两端并联一个优化的
电路,让发射电流按指数衰减,从而有效去除电流过冲。仿真与实验结果表明,该 方 案 能 够 去 除 发 射 电 流 的
过冲振荡,减小探测盲区。
RLC
关键词:瞬变电磁法;发射机;探测盲区;电流过冲;欠阻尼振荡;二阶电路
中图分类号
网络出版地址
:TD651
网络出版时间
文献标志码
:A
:2014-03-06 09:58
:http://www.cnki.net/kcms/doi/10.13272/j.issn.1671-251x.2014.03.013.html
Design of a new type of overshoot elimination system of
transient electromagnetic transmitter
HAN Bing, YU Shengbao, SUN Han
(College of Instrumentation and Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130026,China)
Abstract:In view of problem of detection blind area caused by overshoot of transmitting current of
transient electromagnetic transmitter,the paper proposed a design scheme of a new type of overshoot
elimination system of transient electromagnetic transmitter.An optimal RLC second-order circuit is
paralleled at two ends of transmitting coil,the circuit is connected when the transmitting current decreases
close to zero,which makes the transmitting current accord to exponential decay,so as to eliminate current
十一五
国家高技术研究发展计划子课题
”
收稿日期:2013-07-16;修回日期:2013-12-09;责任编辑:
基金项目:“
作者简介:
檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿
幅降低通信和管理费用
主要研究方向为功率源技术
,
,E-mail:jlu8808@126.com
黑龙江哈尔滨人
,
男
(1988-),
(2006AA06A205)。
电磁法仪器
、
硕士研究生
,
韩冰
。
。
王晖
提高工作效率 [5]。
,
参考文献:
结语
3
从适应性
容灾性
、
安全性
、
调度功能
、
语音质量
、
得
的专网解决方案在煤矿通信中
该方案能充分满足和有效解
且 能 保 证 在 自 然 灾 害
有 效 降 低 人
为 煤 矿 安 全 生产 和 有 效 通 信 提
等方面对专网方案 和 租 网 方 案 进 行 了 对 比 分 析
出基于
TD-SCDMA
具有显著优势的结论
决煤炭行业当前的 通 信 问 题
和矿井事故发生时 进 行 应 急 指 挥 通 信
员伤亡与财产损失
供了保障
,
,
,
。
,
。
刘琦
[1]
徐 义 勇
,
矿业安全与环保
.2007
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煤 炭 专 网 的 移 动 性 管 理 研
,2011.
TDeN
在 煤 炭 行 业
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·64·
工矿自动化
2014
年第
卷
40
overshoot effectively.The simulation and experiment results show that the scheme can eliminate overshoot
oscillation of the transmitting current and reduce detection blind area.
Key words:transient electromagnetic method;transmitter;detection blind area;current overshoot;
underdamped oscillation;second-order circuit
引言
0
瞬 变 电 磁 法
、
。
,
,
瞬变电磁系 统 由 发 射 机
是一种 时 间 域 人 工 源 电 磁 探 测 方 法
,
形态等信息[1-4]。
、
阻性低的 特 点
、
(Transient Electromagnetic
在 金
Method)
属矿勘探
油气田勘 探 和 煤 田 勘 探等 领 域 得 到 广 泛
、
应用
接 收 机 和 后 期 的 数
据处理软件构成
其 原 理 是 通 过 发射 机 在 发 射 线 圈
,
中产生交变电流
一次场在遇到地
激发空间一次场
,
,
下电磁敏感矿物时 会 在 其 内 部 产 生 感 应 电 流
从 而
激发二次场
接收机通过接收线圈采集二次场
分析
,
,
电压曲线衰 减 情 况
即 可 获 得 地 下 矿 体 的 位 置
构
发射机所连接的发射线圈具有
造
感性大
电 感 量 越 大 关 断 时 间 越 长
,
在发射电流下降为 零 后 会 产 生 反 向 过 冲
进 行 欠 阻
尼振荡
直至衰 减 为 零
由 于 激 发 出 的 二 次 场 信 号
,
微弱
该振荡会影响二次场早期形成的信号
形成探
,
,
针 对 上
测盲区
严重 影 响 接 收 系 统 的 数 据 采 集[5]。
,
述问题
目前普遍采 用 的 方 法 是 在发 射 线 圈 两 端 并
,
联电阻
将振荡电流的能量消耗在并联电阻上
但该
,
,
本文所采用的
方法无法从根本上消除过冲问题 [6]。
方法是在发射线圈并入一个
并对其
,
使发 射 电 流 即 将 过零 之 前 形 成 指 数
做一定的优化
,
衰减
二阶电路
从而有效去除过冲
,
RLC
、
,
,
。
。
发射桥路及过冲产生原理
1
1.1
1
,
L
和
如图
所示
发射桥路
发射电流由全桥逆变电路产生
,R
分 别 表 示 发 射 线 圈 的 阻 性 部 分 和 感 性 部 分
,
和
Q1—Q4
从而在发射线圈 中 产 生 交 变 的 梯
Q2,Q3
,
时
形波
梯形波峰值为
300 A,
1.5 ms,
,
序由接收机的同步信号控制
具体控制方法详见参
考文献
为绝缘栅双极 型 晶 体 管
交替导通
(IGBT),Q1,Q4
下降时间为
。
[7]。
图
1
发射桥路
1.2
过冲产生原理
发射电流在 过 零 之 后 通 过 二 极 管 续 流
图
因为实际的
会和
会持续很短时间
图
R,L
2
IGBT
一起产生谐振并进行欠阻尼振荡
(
和 二 极 管 两 端 存 在 结 电 容
1),
它 们
,
该过程
,
但是会对接收系统产生很大影响
,
。
为梯形波正向部分和过冲振荡放大波形
。
图
2
梯形波正向部分和过冲振荡放大波形
去过冲系统设计思路
2
去过冲系统基本的设计思路是在发射线圈两端
在发 射 电 流 下 降 到 接 近 零 时 接 通 该
,
下降
,
通过双向
,
导 通 时 间 由 单 片 机
并联附加电路
电路
时间又很短
比 较 器 得 到 导 通 开 始 时 刻
让电流呈指数衰减
,
由于发射电流较大
为了达到精确控制
(1.5ms),
。
,
MSP430
软件控制
。
去过冲系统结构如图
所示
。
3
图
去过冲系统结构
3
,
得 到 如 图
100 A/1 V
-40~ +40A
在发射 线 圈 中 接 入 比 例 为
。
在梯形波为
(
的 有 源
霍尔电流传感器得 到 发 射 电 流 对 应 的 电 压 信 号
作
通过设置双向比较器输入端
为双向比较器的输入
之间时双向
的电阻比值
所 示 的 矩 形 波
比较器输 出 为 正
。
),
要区别出正向和负向的
由于梯形波是双向的
,
驱 动 信 号 的 负 跳 变 后 再 检
导通信号
在 检 测 到
,
测双向比较器输出的正跳变就能得到正向时的导通
开始 时 刻
所 示
,
。
4
控制信号
导通信号都经过光耦隔离后接入单片机
延时程序流程
导通时间为
,
如图
所示
由延时程序实现
负 向 时 检 测
驱 动 信 号
因此
,
4(d)
如 图
Q4
Q3
。
,
200μs,
。
5
去过冲主电路设计
3
要让发射电流呈指数衰减
可采用二阶电路来
一般的二阶电路无法得到理想的指数衰减曲
本 文 对 其 进 行 了 优 化
串 联 二 阶 电 路
在
,
,
RLC
实现
。
线[8] ,
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2014
年第
期
3
韩冰等:一种新型瞬变电磁发射机去过冲系统设计
·74·
是为了使电 流 表 达 式
为时间
式中
简单所定义的参数
:t
;b1,b2,K1,K2
。
b1,2 =
1
2
R1
L
(
+
1
CR
)2
K1 =
K2 =
令
图
4
发射系统各信号时序波形
+
1
2
R1
L
(
[
槡
iL(0)
C(b2 -b1)=
2
1
CR
)
]2
-
R1 +R2
LCR
2
40
C(b2 -b1)
iL(0)
C(b1 -b2)=
40
C(b1 -b2)
A =-CK1b1 +
K1
R2
(2)
(3)
(4)
(5)
B =-CK2b2 +
因为
如果
b1<b2,
的理想指数衰减曲线
于零
则得到以下
,
2
A>B,
另外式
,
个不等式
(2)
:
K2
R2
就会得到如图
(6)
所示
中根号内的值要大
7
图
5
中的电容
的
个开关管
C
2
和
Q6
为
Q5
两 端 并 联 一 个 电 阻
如 图
,
6
所 示
其 中
,
-CK1b1 +
K1
R2
>-CK2b2 +
K2
R2
(7)
1
2
[
R1
L
(
延时程序流程
+
2
1
CR
)
]2
-
R1 +R2
LCR2
>0
(8)
IGBT。
由 式
图
7
得 出
(7)
理想的指数衰减曲线
C<L/ R1R(
)2 ,
由 式
得 出
(8)
R2< L-CR1R
又根据 计 算 方 便 和 容 易 选 取 器 件 等 原 则
)2 /(2 槡LC)。
基于以 上 约 束 条 件
,
选 取 了
(
,
见表
,
表
1
1。
去过冲电路各元件参数取值
图
6
去过冲主电路
需 要
2
,
通 过
,
由于发射电流 是 交 变 的
个 反 向 并 联 的
输 出 的 正 向 和 负 向
开关管交替导通
导通信号 经 功 率 放 大 后 来 控 制 开 关 管 的 导 通 和 关
本 文 只 对 正 向 部 分 进 行 分
断
数 值 很 小 在 此
析
导通
忽略不计
发射电流正负 对 称
发射线圈阻性部 分
R=0.06Ω,
MSP430
正向时
。
。
,
感性部分
,
L=1.5mH。
Q5
,
关断
。
由图
Q6
6
得发射线圈电流为
组数值
4
序号
1
2
3
4
C/F
R1/Ω
2.2×10-5
2.2×10-6
2.2×10-6
2.2×10-7
4
20
50
40
R2/Ω
2.5
5
2
25
表
中
组数 值 只 是 初 步 选 取
才能确认最后的取值
1
4
。
需 要 通 过 仿 真
,
iL(t)= -CK1b1 +
(
(
-CK2b2 +
K1
R
K2
R
)2
exp(-j b1t)+
)2
exp(-j b2t) (1)
仿真与参数的确定
4
采用
Matlab/Simulink
组参数分
同时对 未 加 去 过 冲 电 路 的 瞬 变 电 磁 系
,
中的
对表
1
4
别进行仿真
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·84·
工矿自动化
2014
年第
卷
40
统进行了仿真
仿真结果如图
,
所示
。
8
未加去过冲电路
(a)
采 用 比 例 为
变电磁发射 机 上 进 行 了 测 试
9
。
,
。
图
的电流互感 器 检 测 发 射 线 圈 电 流
100 A/
通 过 示 波 器
1V
对电压信号进行观测
为实验测试中未加去过
冲电路前和加去过冲电路后的发射线圈电流过零处
的对比波形
纵坐
50μs,
标表示电压每格为
未加去过冲
,
加入去过冲电路后电
电路前最大过冲电流为
流呈指数衰减
图中横坐标表示时间每格为
(
从中可看出
2.8A,
去除了电流过冲
,
与仿真结果相符
,
50mV),
。
未加去过冲电路
(a)
图
9
加去过冲电路
(b)
实验测试结果
结语
6
。
去过冲是瞬变电磁法探测中的关键问题
关系到
,
提出的基于二阶电路的
整个探测系统的正常工作
以软硬件结合的方式可得到精确的
新型去过冲系统
,
该系统能够有效去
控制信号
,
除发射电流的过冲振荡
为瞬变电
,
磁接收系统的全波形收录提供了良好的硬件前提
目前
该系统已成功应用于瞬变电磁发射系统中
,
减小了探测盲区
,
仿真和实验结果表明
。
。
。
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重 庆
:
加去过冲电路
仿真结果
(b)
图
可看出
8
从图
8(a)
振荡电流最大为
,
振荡
由 于 实 际 设 备 没 有 仿 真 环 境 理 想
时间为
所以电流振荡幅值和时间都会比仿真大一些
0.4 ms,
1.5A,
,
。
。
,
1
,
1
3
1
,
,
图
1—
曲线
曲线
8(a)
中曲线
分别是表
时电流过 零
可看出
左 右
22.7ms
1ms,
能够在保证衰 减 时 间 较 短
的同时基本去除了过冲
)
中对应参
在 参 数 取 不 同 数 值
曲 线
虽 然 基 本 去
去
,
而 曲
21.7 ms
指 数 衰 减 使 过 零 时 刻
会影响二次场早期信号的形成
延 后
4
可 以 明 显 看 出
去过冲效果有 很 大 的 差 异
,
但是衰减时间过长
,
8(b)
数的仿真结 果
时
。
除了过冲
从图
,
过冲之前电流过零时刻 大 约 在
线
在
延后了
和曲线
右
相对更小
很短
的阻值过大
电流流入了
流会在发射线圈中 产 生 不 可 忽 略 的 欠 阻 尼 振 荡
而不能达到理想 的 去 过 冲 效 果
需 要 注 意 的 是
线
内
二极管的结电容中
这 是 因 为
导致去过冲部分的阻性过大
,
和 二 极 管 的 结 电 容 中
和曲 线
这是由于仍然有很少的线圈电流流入
R2
R1
部分线圈
,
这 部 分 电
从
曲
以
和
2
左
的过冲电流
2
虽 然 衰 减 时 间
3。
但 电 流 仍 有 很 大 的 过 冲
仍 然 有 很 小 的 过 冲 电 流
(
其中曲线
,
效 果 优 于 曲 线
,
(0.05A
0.2ms
IGBT
IGBT
曲 线
),
和
,
,
,
2
3
可以忽略不计
,
。
4
,
,
。
但过冲很小
,
经过分析比较后
选取图
,
对应的
2
中曲线
8(b)
参数值
:C=2.2×10-6 F,R1=20Ω,R2=5Ω。
陈文斌
.
大学
,2010.
[5]
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周逢道
唐红忠
,
郭新
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工 学 版
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齐林
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长春
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李翰荪
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电路分析基础
.
[M].4
北 京
版
.
:
高 等 教 育 出 版
[D].
实验结果与分析
5
[8]
为了验证上述理论的可行性
在实际研制的瞬
,
社
,2006.
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