一种新型瞬变电磁发射机去过冲系统设计_韩冰

收稿日期：２０１３－０７－１６；修回日期：２０１３－１２－０９；责任编辑：王晖。

基金项目：“十一五”国家高技术研究发展计划子课题（２００６ＡＡ０６Ａ２０５）。

作者简介：韩冰（１９８８－），男，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，主要研究方向为功率源技术、电磁法仪器，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｌｕ８８０８＠１２６．ｃｏｍ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，提高工作效率［５］。

３　结语从适应性、容灾性、调度功能、安全性、语音质量等方面对专网方案和租网方案进行了对比分析，得出基于ＴＤ－ＳＣＤＭＡ的专网解决方案在煤矿通信中具有显著优势的结论。

该方案能充分满足和有效解决煤炭行业当前的通信问题，且能保证在自然灾害和矿井事故发生时进行应急指挥通信，有效降低人员伤亡与财产损失，为煤矿安全生产和有效通信提供了保障。

参考文献：［１］　刘琦，徐义勇．２００７年煤矿事故统计分析及预防对策［Ｊ］．矿业安全与环保，２００９，３６（２）：８２－８３．［２］　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｅｌｌ　Ｂｒｏａｄｃａｓｔ　Ｓｅｒｖｉｃｅ（ＣＢＳ）［Ｓ］．［３］　李波，张毅．煤矿井下无线通信技术分析［Ｊ］．科技信息，２００８（２８）：３１１－３１２．［４］　王友山．基于ＴＤ－ＳＣＤＭＡ煤炭专网的移动性管理研究与实现［Ｄ］．西安：西安科技大学，２０１１．［５］　张谦，李睿．ＴＤ－ＳＣＤＭＡ通信专网ＴＤｅＮ在煤炭行业的应用［Ｊ］．移动通信，２０１１，３５（１２）：６４－６８．　第４０卷第３期　２０１４年３月工矿自动化Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｍｉｎｅ　ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＶｏｌ．４０Ｎｏ．３　Ｍａｒ．２０１４　檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾殧殧殧殧实验研究文章编号：１６７１－２５１Ｘ（２０１４）０３－００４５－０４ ＤＯＩ：１０．１３２７２／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－２５１ｘ．２０１４．０３．０１３韩冰，于生宝，孙晗．一种新型瞬变电磁发射机去过冲系统设计［Ｊ］．工矿自动化，２０１４，４０（３）：４５－４８．一种新型瞬变电磁发射机去过冲系统设计韩冰，　于生宝，　孙晗（吉林大学仪器科学与电气工程学院，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系统设计方案。

该方案在发射线圈两端并联一个优化的ＲＬＣ二阶电路，在发射电流下降到接近零时接通该电路，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。

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：ＴＤ６５１ 文献标志码：Ａ 网络出版时间：２０１４－０３－０６　０９：５８ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｏｉ／１０．１３２７２／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－２５１ｘ．２０１４．０３．０１３．ｈｔｍｌＤｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ　ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒＨＡＮ　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　ｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｏｖｅｒｓｈｏｏｔｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ．Ａｎ　ｏｐｔｉｍａｌ　ＲＬＣ　ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓｐａｒａｌｌｅｌｅｄ　ａｔ　ｔｗｏ　ｅｎｄｓ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ｃｏｉｌ，ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ｚｅｒｏ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｃｃｏｒｄ　ｔｏ　ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ　ｄｅｃａｙ，ｓｏ　ａｓ　ｔｏ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｃｕｒｒｅｎｔｏｖｅｒｓｈｏｏｔ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｃａｎ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｏｖｅｒｓｈｏｏｔｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｂｌｉｎｄ　ａｒｅａ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ；ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｂｌｉｎｄ　ａｒｅａ；ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ；ｕｎｄｅｒｄａｍｐｅｄ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ；ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ０　引言瞬变电磁法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＭｅｔｈｏｄ）是一种时间域人工源电磁探测方法，在金属矿勘探、油气田勘探和煤田勘探等领域得到广泛应用。

瞬变电磁系统由发射机、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，激发空间一次场，一次场在遇到地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、构造、形态等信息［１－４］。

发射机所连接的发射线圈具有感性大、阻性低的特点，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，形成探测盲区，严重影响接收系统的数据采集［５］。

针对上述问题，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，但该方法无法从根本上消除过冲问题［６］。

本文所采用的方法是在发射线圈并入一个ＲＬＣ二阶电路，并对其做一定的优化，使发射电流即将过零之前形成指数衰减，从而有效去除过冲。

１　发射桥路及过冲产生原理１．１　发射桥路发射电流由全桥逆变电路产生，如图１所示，Ｒ和Ｌ分别表示发射线圈的阻性部分和感性部分，Ｑ１—Ｑ４为绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ），Ｑ１，Ｑ４和Ｑ２，Ｑ３交替导通，从而在发射线圈中产生交变的梯形波，梯形波峰值为３００Ａ，下降时间为１．５ｍｓ，时序由接收机的同步信号控制。

具体控制方法详见参考文献［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１），因为实际的ＩＧＢＴ和二极管两端存在结电容，它们会和Ｒ，Ｌ一起产生谐振并进行欠阻尼振荡，该过程会持续很短时间，但是会对接收系统产生很大影响。

图２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２　去过冲系统设计思路去过冲系统基本的设计思路是在发射线圈两端并联附加电路，在发射电流下降到接近零时接通该电路，让电流呈指数衰减。

由于发射电流较大，下降时间又很短（１．５ｍｓ），为了达到精确控制，通过双向比较器得到导通开始时刻，导通时间由单片机ＭＳＰ４３０软件控制。

去过冲系统结构如图３所示。

图３　去过冲系统结构 在发射线圈中接入比例为１００Ａ／１Ｖ的有源霍尔电流传感器得到发射电流对应的电压信号，作为双向比较器的输入。

通过设置双向比较器输入端的电阻比值（在梯形波为－４０～＋４０Ａ之间时双向比较器输出为正），得到如图４（ｄ）所示的矩形波。

由于梯形波是双向的，因此，要区别出正向和负向的导通信号，在检测到Ｑ４驱动信号的负跳变后再检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，负向时检测Ｑ３驱动信号，如图４所示。

导通信号都经过光耦隔离后接入单片机。

控制信号导通时间为２００μｓ，由延时程序实现，延时程序流程如图５所示。

３　去过冲主电路设计要让发射电流呈指数衰减，可采用二阶电路来实现。

一般的二阶电路无法得到理想的指数衰减曲线［８］，本文对其进行了优化，在ＲＬＣ串联二阶电路·６４·工矿自动化２０１４年第４０卷 图４　发射系统各信号时序波形图５　延时程序流程中的电容Ｃ两端并联一个电阻，如图６所示，其中的２个开关管Ｑ５和Ｑ６为ＩＧＢＴ。

图６　去过冲主电路 由于发射电流是交变的，需要２个反向并联的开关管交替导通，通过ＭＳＰ４３０输出的正向和负向导通信号经功率放大后来控制开关管的导通和关断。

发射电流正负对称，本文只对正向部分进行分析。

发射线圈阻性部分Ｒ＝０．０６Ω，数值很小在此忽略不计，感性部分Ｌ＝１．５ｍＨ。

正向时Ｑ５导通，Ｑ６关断。

由图６得发射线圈电流为ｉＬ（ｔ）＝－ＣＫ１ｂ１＋Ｋ１Ｒ（）２ｅｘｐ（－ｊ　ｂ１ｔ）＋－ＣＫ２ｂ２＋Ｋ２Ｒ（）２ｅｘｐ（－ｊ　ｂ２ｔ）（１）式中：ｔ为时间；ｂ１，ｂ２，Ｋ１，Ｋ２是为了使电流表达式简单所定义的参数。

ｂ１，２＝１２Ｒ１Ｌ＋１ＣＲ（）２１２Ｒ１Ｌ＋１ＣＲ（）［］２２－Ｒ１＋Ｒ２ＬＣＲ槡２（２） Ｋ１＝ｉＬ（０）Ｃｂ２－ｂ１＝４０Ｃｂ２－ｂ１（３） Ｋ２＝ｉＬ（０）Ｃ（ｂ１－ｂ２）＝４０Ｃ（ｂ１－ｂ２）（４） 令Ａ＝－ＣＫ１ｂ１＋Ｋ１Ｒ２（５）Ｂ＝－ＣＫ２ｂ２＋Ｋ２Ｒ２（６） 因为ｂ１＜ｂ２，如果Ａ＞Ｂ，就会得到如图７所示的理想指数衰减曲线，另外式（２）中根号内的值要大于零，则得到以下２个不等式：－ＣＫ１ｂ１＋Ｋ１Ｒ２＞－ＣＫ２ｂ２＋Ｋ２Ｒ２（７）１２Ｒ１Ｌ＋１ＣＲ（）［］２２－Ｒ１＋Ｒ２ＬＣＲ２＞０（８）图７　理想的指数衰减曲线 由式（７）得出Ｃ＜Ｌ／Ｒ１Ｒ（）２，由式（８）得出Ｒ２＜Ｌ－ＣＲ１Ｒ（）２／（２槡ＬＣ）。

基于以上约束条件，又根据计算方便和容易选取器件等原则，选取了４组数值，见表１。

表１　去过冲电路各元件参数取值序号Ｃ／Ｆ　Ｒ１／ΩＲ２／Ω１　２．２×１０－５　４　２．５２　２．２×１０－６　２０　５３　２．２×１０－６　５０　２４　２．２×１０－７　４０　２５ 表１中４组数值只是初步选取，需要通过仿真才能确认最后的取值。