滕 飛, 孫德立, 劉婷婷, 千承輝

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院, 長春 130061)

0 引 言

地面瞬變電磁探測技術是應用較為廣泛的一種物探方法[1], 其使用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場, 在一次磁場間歇期中利用傳感器觀測地下介質中的二次感應渦流場, 進而解析電阻率信息[2]。在高校地學儀器課程教學中, 瞬變電磁儀的實踐是必修課之一。這類的物探儀器教學方法普遍是安排學生參觀, 老師簡單介紹儀器工作原理和方法, 因此教學效果不明顯。有條件的學校使用生產儀器在野外進行試驗, 但成本高, 且昂貴的儀器只能讓培訓過的老師操作, 學生參與度低, 仍有很大的局限性。

筆者針對地學儀器課程實踐教學需要, 基于ARM(Advanced RISC Machine)控制器和可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)設計了一套瞬變電磁實驗教學模型系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可在實驗室內演示瞬變電磁儀的激發(fā)、 信號采集等過程, 同時允許學生親自動手操作儀器, 通過實驗觀測瞬變電磁二次場信號形態(tài), 理解瞬變電磁理論方法, 達到良好的教學目的。整套系統(tǒng)按照實際生產儀器的硬件結構設計, 發(fā)射頻率3.125 Hz、 12.5 Hz和25 Hz可選, 疊加次數1～512次可調, 具有體積小、 成本低和功能豐富等優(yōu)點。

1 總體設計

瞬變電磁教學模型系統(tǒng)采用立式中心回線結構, 以空氣作為均勻介質, 利用異常線圈模擬良導電性有限導體, 實現二次渦流場的感生與觀測, 探測原理如圖1所示。

圖1 瞬變電磁教學模型系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle of transientelectromagnetic teaching model system

系統(tǒng)包括發(fā)射/接收一體機、 接收傳感器、 異常線圈和上位機控制軟件4部分。整體結構如圖2所示。發(fā)射/接收一體機內部包含發(fā)射系統(tǒng)和采集系統(tǒng), 發(fā)射系統(tǒng)產生雙極性方波信號, 通過發(fā)射線圈發(fā)射激勵源； 采用異常線圈模擬良導電性有限導體, 激勵信號瞬時關斷后, 異常線圈內即產生二次渦流場； 采集系統(tǒng)通過接收線圈、 前置放大電路, 將二次渦流場信號放大后送至24位采集卡中, 轉換為數字信號傳輸至上位機； 上位機控制軟件在PC104工控機上運行, 實現對發(fā)射接收系統(tǒng)的控制、 實時顯示接收信號波形和監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)等功能。系統(tǒng)功率發(fā)射電源采用可調直流電源提供, 內部測控單元使用鋰電池供電。

圖2 瞬變電磁教學模型系統(tǒng)整體框圖Fig.2 Overall block diagram of transient electromagnetic teaching model system

2 發(fā)射/接收一體機設計

該模型系統(tǒng)收發(fā)距離較近, 因此將發(fā)射機與接收機設計為一體化模式。發(fā)射/接收一體機包括主控單元、 功率發(fā)射單元、 接收傳感器、 采集卡和工控機5部分。

2.1 主控設計

一體機以32位ARM控制器STM32F103RBT6作為控制核心, 負責接收與解析上位機發(fā)送的參數并記錄采集周期, 通過串口與PC機通信。使用可編程邏輯芯片EPM1270T144C5N產生發(fā)射時序波形, EPM1270具有內部邏輯單元豐富、 價格低廉等優(yōu)點。ARM和EPM1270主要通過SPI(Serial Peripheral Interface)串行外設接口協議進行通訊, 時序如圖3所示。片選信號CS(Chip Select)低電平有效, 當ARM需向CPLD發(fā)送數據或接收數據時, ARM將CS片選信號置低, 產生SCK(Serial Clock)時鐘信號, 在SCK信號上升沿前將要傳輸的數據放在MOSI(Master Output Slave Input)主機輸出從機輸入端口； 當SCK時鐘信號上升沿時, MCU讀取MISO(Master Input Slave Output)主機輸入從機輸出端口的數據, 同時CPLD檢測到SCK上升沿時將MOSI端口數據讀取并存儲； 當8位數據傳輸完成后, ARM將片選信號CS拉高, 停止產生SCK信號。

圖3 SPI總線傳輸時序Fig.3 SPI bus transmission timing

利用CPLD設計狀態(tài)機, 定義OUTA和OUTB為兩個輸出引腳。狀態(tài)機包含“000、001、010、011、100”5個狀態(tài), 分別對應OUTA發(fā)射-OUTB停止、 低電平采集、 OUTA停止-OUTB發(fā)射、 低電平采集及觸發(fā)和故障狀態(tài)。其中前4個狀態(tài)為循環(huán)執(zhí)行, 最后1個狀態(tài)為跳出執(zhí)行保護。系統(tǒng)中CPLD選用50 MHz時鐘源, 每個頻率對應不同的分頻系數如表1所示。

表1 不同頻率對應的分頻參數

CPLD接收到發(fā)射指令, 將對應的頻率參數賦值給定義的分頻系數寄存器, 然后計算出每個狀態(tài)的持續(xù)時間并循環(huán), 若循環(huán)過程中出現“000、001、010、 011”4個狀態(tài)規(guī)定情況以外的發(fā)射邏輯, 則系統(tǒng)狀態(tài)機進入“100”狀態(tài), 自動停止發(fā)射并復位。在每個信號周期結束的同時, 產生脈沖控制信號TRIG(Trigger), 該信號一方面觸發(fā)采集卡采集信號, 另一方面觸發(fā)ARM控制器的外部中斷, 檢測采集次數。若達到設定次數, 則令STM32的CPLD使能引腳EN(Enable)失效, CPLD停止工作； 若未達到設計次數, 則繼續(xù)工作。其發(fā)射時序圖如圖4所示。

圖4 瞬變電磁模型系統(tǒng)發(fā)射時序Fig.4 Transmitting timing of transient electromagnetic model system

2.2 功率發(fā)射電路設計

該系統(tǒng)中的發(fā)射電路選用經典的H型全橋電路, 該電路具有開關器件承受電壓低, 輸出電壓高、 輸出功率大等優(yōu)點[3]。開關器件選擇N溝道功率型場效應管FQA160N8, 該芯片正向導通電壓最大80 V, 導通電流最大160 A, 滿足系統(tǒng)要求。設計RCD(Resistance Capacitance Diode)吸收電路抑制場效應管開關時產生的高壓尖峰[4-5]。前端利用IAR2110作為驅動緩沖單元, IR2110是一款高速并帶有隔離功能的大功率場效應管驅動器, 最高驅動頻率達500 kHz, 單芯片可驅動同一橋臂的兩路開關管[6]。利用IR2110將CPLD產生的雙路脈沖時序信號TA和TB擴展至4路信號, 控制H全橋電路對直流電源進行斬波。雙極性電流通過發(fā)射線圈即可產生翻轉磁場。電路原理圖如圖5所示, 圖中L1和L2連接發(fā)射線圈兩端。

圖5 H全橋功率發(fā)射電路原理圖Fig.5 H full-bridge power transmitting circuit schematic

發(fā)射線圈采用玻璃鋼材質的U型槽搭建, 邊長1 m, 使用截面4 mm2單芯線纜纏繞10匝, 內阻0.12 Ω, 電感310 mH。由于發(fā)射線圈內阻過小, 為使實驗室電源正常工作實際在發(fā)射線圈中串聯一只20 Ω的限流功率電阻。

2.3 傳感器設計

接收傳感器由天線和前置放大電路兩部分組成。天線選用了正方形PCB(Printed Circuit Board)封裝的空心線圈, 相比在骨架上繞制的接收線圈, PCB線圈更加便于制作, 同時避免了由于手工繞制差異導致的分布參數過于離散的問題。感應式空心線圈通過測量感生電動勢進行磁場測量, 感生電動勢與線圈兩端的電壓為

(1)

其中N為空心線圈的匝數,A為空心線圈邊長,Bz為磁場的z軸分量, 實際線圈除了接收有效信號外還包含一些其他的電路參數, 空心線圈的等效電路如圖6所示。

圖6 感應式空心線圈等效電路圖 圖7 雙運放儀用放大器電路原理圖 Fig.6 Equivalent circuit diagram of Fig.7 Dual-op amp instrumentation inductive hollow coil amplifier circuit schematic

接收線圈可等效為一個二階電阻-電容-電感諧振(RLC)網絡[7], 其輸出表達式為

Vout=VinH(ω)

(2)

其中H(ω)是傳遞函數, 其表達式為

(3)

(4)

前置放大電路采用雙運放搭建的儀用放大器結構, 雙通道精密運算放大器擁有良好匹配, 相較于分立單運放搭建的儀用放大器有更高的共模抑制比[11](CMRR: Common Mode Rejection Ratio), 電路的拓撲結構如圖7所示。

電路的增益可通過電阻RG調節(jié), 電路的增益表達式為

(5)

由于雙運放的輸入阻抗本身較高, 使信號輸入時可能存在較大的失調, 所以整個電路的共模抑制性能還受到兩個橋臂電阻的匹配限制。共模抑制比好壞可由[12]

(6)

估計。其中MS為這個電路中的電阻匹配精度, 以百分數表示,G是電路增益。由式(6)可見, 整個電路的共模抑制比隨著整體增益的上升而上升, 隨著電阻本身不匹配度的上升而下降, 因此整個電路的電阻選擇十分重要。系統(tǒng)選用了薄膜激光調整電阻陣列LT5400, 其電阻的匹配精度可達0.01%, 在20倍增益下CMRR的最佳值為106 dB, 而若選用5%精度的普通碳膜電阻, 在20倍增益下CMRR最優(yōu)值僅為52 dB, 該值已經低于運放本身的CMRR, 因此不能忽視電阻的匹配精度。為保護放大電路, 避免后級的信號調理電路被線圈耦合進入瞬態(tài)高壓燒毀, 在差分輸入端還設計了輸入鉗位保護二極管[8](見圖8), 能在大能量引入接收電路時將能量由電源泄放, 達到保護芯片的目的。

圖8 信號輸入鉗位保護電路Fig.8 Signal input protection circuit

2.4 工控機和采集卡

一體機內部裝有小型PC104工控機, 型號為EPC92A1。工控機使用Intel Bay Trail-I E3845低功耗高性能處理器, 擁有1路PC104接口, 1路VGA(Video Graphics Array)視頻接口, 4路USB2.0和2路串口等豐富接口, 能運行Visual Studio等常見開發(fā)軟件, 可替代電腦主機功能, 非常適合安裝在工業(yè)控制機箱中, 系統(tǒng)中使用該工控機搭配14寸液晶屏幕, 運行上位機控制軟件。采集卡選擇北京新超科技有限公司生產的24位高速采集卡USB2404, 該采集卡是一款支持USB2.0總線的高速、 高精度的4通道同步采集卡, 采樣率高達156 kS/s, 支持外觸發(fā)和軟件定時觸發(fā), 擁有4路模擬信號、 1路外觸發(fā)信號。USB-2404模擬輸入信號采用差分輸入方式進入ADC(Analog-to-Digital Converter)轉換, 轉換結果存儲在大容量存儲器SDRAM(Synchronous Dynamic Random-Access Memory)中, 自帶差分放大器和數字濾波器, 提供Visual Stiodio開發(fā)環(huán)境下的動態(tài)鏈接庫。該系統(tǒng)采用外部同步觸發(fā)模式, 觸發(fā)完成后連續(xù)采集信號并通過USB端口送至上位機。

3 異常線圈設計

在實驗室內模擬不同導電性的有限導體, 傳統(tǒng)方法多用不同濃度的鹽溶液, 雖然便宜, 但在實驗室建立鹽水槽體積會很大, 而且要求實驗室有上下水管道, 同時鹽水導電率的一致性也不好控制。另一種方法則是使用定制材料, 但成本高, 且材料模型笨重, 對固定模型的穩(wěn)定性也要求較高。為此, 本系統(tǒng)使用多匝線圈模擬異常體方案。

由發(fā)射線圈、 接收線圈和待測異常組成的系統(tǒng), 可看作是兩套互感系統(tǒng)的疊加： 由發(fā)射線圈和待測異常組成的互感系統(tǒng), 以及待測異常和接收線圈組成的互感系統(tǒng)?？臻g共軸的兩線圈的互感系數可由[13]

(7)

計算。其中d為兩個線圈中心的距離,l1、l2為線圈的輪廓。因此發(fā)射線圈在異常線圈產生的感應電動勢為

(8)

其中ITC為發(fā)射線圈電流,φTC為發(fā)射線圈磁通量,MAT為發(fā)射線圈和異常線圈之間的互感系數。由于互感作用, 在異常線圈中會產生新的感應電流。異常線圈可等效為一個電感和一個電阻串聯, 因此異常線圈中的感應電流應滿足方程

(9)

其中IAC為異常線圈電流, 對式(9)進行拉氏逆變換, 可得感應電流表達式為

(10)

(11)

同理可得在接收線圈中感應電動勢

(12)

其中φAC為異常線圈磁通量,MAR為接收線圈和異常線圈之間的互感系數。因此接收線圈中的電動勢可表示為

(13)

可見在探測系統(tǒng)不發(fā)生改變的情況下, 接收的感應電壓值僅與異常線圈的時間常數有關。

不同有限導體的時間常數τ值如表2所示[14]。當異常線圈時間常數與有限導體的時間常數相同時, 可認為在接收線圈中的響應相同[15], 而異常線圈的時間常數與自身的電感和電阻關系為τ=L/R[16], 通過設計和調整線圈電感L和線圈阻值R即可模擬不同時間常數的有限導體。

表2 有限導體與時間常數對應表

為減小計算難度, 異常線圈使用鐵氟龍不導磁材料制作環(huán)形骨架, 內徑440 mm, 外徑500 mm, 導線截面直徑1.2 mm2, 纏繞64匝。使用數字電橋測得異常線圈的直流電阻3.655 Ω, 電感3.953 mH, 計算其時間常數約1.07, 屬于良導電導體。同時, 異常線圈可通過改變線圈串聯的電阻值模擬中導電和弱導電導體作為擴展應用。以此方式不僅能靈活設計實驗方案, 而且成本低且容易實現, 讓學生更能從本質上認識地面瞬變電磁技術的理論方法。

4 上位機控制軟件設計

控制軟件在Visual Studio環(huán)境下采用C#語言開發(fā)[17], 調用采集卡廠家提供的動態(tài)鏈接庫完成驅動與控制, 具有可視化窗口、 控制菜單欄和操作輸入等功能, 可實時記錄和顯示瞬變電磁模型系統(tǒng)的信號波形和系統(tǒng)狀態(tài)。其軟件流程圖如圖9所示。打開控制軟件后, 選擇可用的通信串口, 此時控制軟件與模型硬件系統(tǒng)自動握手, 指示燈變綠, 若握手不成功則提示“請檢查串口！”, 同時指示燈呈紅色。串口握手成功后, 采集卡自動完成驅動并同PC端建立連接。然后填寫操作人員信息, 選擇“開始測量”后, 系統(tǒng)提示“信號采集中, 請勿關閉電源！”, 同時發(fā)射預設周期數的雙極性方波。軟件界面可顯示發(fā)射關斷后的1/4周期數據波形。為使學生更清楚地認識瞬變電磁一個完整周期發(fā)射的接收信號形態(tài), 軟件同時顯示3/4周期曲線, 包含正負兩個關斷過程和一個充電過程。完成后系統(tǒng)提示“測量結束, 請保存數據！”。該軟件功能豐富, 操作簡單, 對電腦配置要求低, 能滿足系統(tǒng)需要。

圖9 上位機軟件控制流程圖Fig.9 Computer software control flowchart

5 測試與結果

系統(tǒng)在實驗室內進行測試, 測試設備如表3所示。該實驗發(fā)射電壓設置為6.8 V, 發(fā)射頻率12.5 Hz, 疊加次數32次。

表3 實驗測試使用設備表

實測曲線如圖10所示, 感應二次場曲線平滑并且符合良導體異常的緩慢衰減趨勢。使用泰克示波器和泰克電流鉗測試發(fā)射電流波形, 如圖11所示, 波形正負兩極對稱, 頻率準確, 峰值280 mA。由實驗結果可知, 該模型系統(tǒng)工作正常, 信號疊加前與疊加后相位一致, 信噪比高, 能正確顯示瞬變電磁發(fā)射關斷后的二次場響應曲線, 符合預期設計。圖12為瞬變電磁實驗教學模型系統(tǒng)實物圖。

圖10 上位機軟件測量曲線圖 Fig.10 PC software measurement curve

圖11發(fā)射電流波形圖 圖12瞬變電磁實驗教學模型系統(tǒng)實物圖 Fig.11 Emission current waveform Fig.12 Transient electromagnetic experiment teaching model system

6 結 語

瞬變電磁探測技術在礦產能源、 地質構造等勘查中應用較為廣泛, 具有很強的實踐性與實用性, 是地學專業(yè)學生應該掌握的一種技術方法。筆者針對地學儀器課程實踐要求, 采用專業(yè)儀器的硬件結構方案, 設計一套瞬變電磁教學模型系統(tǒng)。系統(tǒng)合理使用異常線圈模擬良導電性有限導體, 具有體積小、 成本低廉、 操作簡單、 顯示直觀和性能穩(wěn)定等優(yōu)點, 后期升級和可拓展性強。經測試, 該系統(tǒng)在實驗室內能有效獲得瞬變電磁感應二次場衰減信號, 可避免常規(guī)物探儀器到野外教學的復雜工作, 提升學生在課程中的學習興趣與積極性, 對課程教學可起到較好的輔助作用。