王 浩,李軍峰,吳 珊,劉 磊,劉俊杰,曹展宏
(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所自然資源部地球物理電磁法探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北廊坊 065000)
航空電磁法是利用飛機(jī)設(shè)備搭載電磁探測(cè)儀器從事地球物理勘探的技術(shù)方法。航空電磁法采用發(fā)射機(jī)連接發(fā)射線圈向地面發(fā)射電磁信號(hào),通過接收線圈接收經(jīng)空氣傳播的一次場(chǎng)信號(hào)和由地下導(dǎo)體介質(zhì)激發(fā)生成的二次場(chǎng)信號(hào)[1]。發(fā)射技術(shù)研究的核心目標(biāo)是大探測(cè)深度,而研發(fā)千安級(jí)脈沖發(fā)射技術(shù)是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的關(guān)鍵。大電流、高電壓與電流波形的保持及長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠發(fā)射是一對(duì)相互矛盾的關(guān)系[2]。所以必須設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)功能,實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流、電壓等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和過流、過壓保護(hù)功能,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[3-5]。為有效監(jiān)控發(fā)射系統(tǒng)的工作狀態(tài),該文設(shè)計(jì)了航空電磁發(fā)射機(jī)的動(dòng)態(tài)峰值電流檢測(cè)電路。在實(shí)際運(yùn)行的基礎(chǔ)上,分析了其相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)。應(yīng)用峰值電流檢測(cè)電路,可以使發(fā)射機(jī)被安全、正常、可靠地使用,便于人工干預(yù)和急??刂疲虼耸且环N有效、簡(jiǎn)單的控制方案[6]。并且這種模塊化電路的設(shè)計(jì)方法有成本低廉、配置方便等優(yōu)點(diǎn)。文中對(duì)模塊電路的具體構(gòu)成以及各模塊的工作原理展開了如下詳細(xì)介紹。
模塊電路主要由電流傳感器、絕對(duì)值電路、峰值采樣保持電路、峰值采樣同步脈沖發(fā)生電路和數(shù)顯直流電壓表組成。其原理方框圖如圖1 所示。
圖1 模塊電路原理框圖
電流傳感器首先將交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)比例的交流電壓信號(hào)。然后,將該交流電壓信號(hào)取絕對(duì)值后,得到直流電壓信號(hào),然后進(jìn)行正向檢波。將正向電壓信號(hào)送入峰值采樣保持電路,在峰值采樣同步脈沖的作用下,進(jìn)行電壓峰值的采樣。峰值檢測(cè)保持電路運(yùn)用緩沖器將得到的峰值電壓信號(hào)接收后[7],通過數(shù)顯表顯示出來。
圖2 是峰值電流檢測(cè)電路的整體原理圖。Y12F時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)采用半正弦波脈沖發(fā)射技術(shù)來實(shí)現(xiàn)千安級(jí)峰值電流的發(fā)射,最大峰值電流能達(dá)到1 000 A。因此,選用最大量程為1 000 A的閉環(huán)霍爾電流傳感器PROSys CP-1005進(jìn)行電流向電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。該電流傳感器可以在0~100 kHz的頻率范圍內(nèi)以1 mA的分辨率進(jìn)行5 mA~1 000 A電流的精確測(cè)量[8]。
圖2 峰值電流檢測(cè)電路原理圖
圖3 中(a)、(b)、(c)分別為發(fā)射電流、系統(tǒng)同步脈沖、峰值同步觸發(fā)脈沖的波形圖。發(fā)射系統(tǒng)是基于FPGA 的發(fā)射波形控制器,其具備全部開關(guān)器件的同步控制功能,用于產(chǎn)生多通道控制脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。發(fā)射波形的產(chǎn)生過程可簡(jiǎn)單描述為:當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)同步脈沖信號(hào)的上升沿,發(fā)射橋路正向?qū)ǎa(chǎn)生正向波形;當(dāng)再次檢測(cè)到同步脈沖信號(hào)的上升沿,發(fā)射橋路反向?qū)ǎa(chǎn)生反向波形。峰值同步觸發(fā)脈沖也由發(fā)射波形控制器產(chǎn)生,采用Verilog 語(yǔ)言進(jìn)行編寫、采用狀態(tài)機(jī)+計(jì)數(shù)器的方法來實(shí)現(xiàn)。每次檢測(cè)到系統(tǒng)同步信號(hào)脈沖的上升沿時(shí),計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),同時(shí)延遲輸出高電平狀態(tài),持續(xù)等待計(jì)數(shù)器計(jì)滿,隨即轉(zhuǎn)換為低電平狀態(tài),再次等待同步脈沖信號(hào)上升沿的到來[9]。該方波高電平和低電平時(shí)間分別與放電復(fù)位和電流信號(hào)正峰值的采樣時(shí)間相對(duì)應(yīng)。采用光耦HFBR1522、HFBR2522 對(duì)輸入、輸出峰值采樣同步脈沖信號(hào)進(jìn)行隔離。
圖3 發(fā)射電流、系統(tǒng)同步脈沖、峰值同步觸發(fā)脈沖波形圖
由于發(fā)射電流為雙極性信號(hào),為保證同時(shí)檢測(cè)到信號(hào)的正、負(fù)峰值,利用絕對(duì)值電路使雙極性波形變?yōu)閱螛O性波形。該電路由放大器、整流二極管和電阻等器件組成,圖2 所示絕對(duì)值電路即為正輸出絕對(duì)值電路,如果阻值之間的關(guān)系滿足R10=R11=R12=R15=2R13時(shí)[10],則輸入電壓、輸出電壓關(guān)系為Vo=-Vi(Vi<0),Vo=Vi(Vi>0)。
選用采樣保持集成芯片PKD01 作為峰值電流檢測(cè)保持電路的核心器件,其可以對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、存儲(chǔ),該芯片具有功能強(qiáng)、體積小、運(yùn)行平穩(wěn)可靠等特點(diǎn)。具體組成電路如圖2 峰值電流保持電路所示。PKD01 的1、14 引腳腳分別是復(fù)位、采樣的邏輯控制引腳,當(dāng)兩引腳連接在一起,輸入高電平時(shí),PKD01 進(jìn)行復(fù)位,保持電容CH放電;輸入低電平時(shí),PKD01 進(jìn)行采樣,模擬電壓信號(hào)使保持電容CH迅速充電。電容CH的質(zhì)量對(duì)模擬電壓的保持影響較大,因此對(duì)該電容的要求較高。要求其有極高的絕緣電阻和低介質(zhì)吸收能力。為此可選用有機(jī)薄膜介質(zhì)電容,如聚苯乙烯電容[11],該設(shè)計(jì)取CH容值為1 000 pF。
當(dāng)動(dòng)態(tài)電流信號(hào)峰值到來時(shí),該峰值信號(hào)會(huì)被一直保持,如果不將電容CH中的充電電荷釋放,當(dāng)下一次輸入的電流信號(hào)峰值比前一次的峰值低時(shí),新的輸入峰值信號(hào)不會(huì)得到及時(shí)響應(yīng)[12]。因此,在復(fù)位脈沖的控制下,對(duì)每個(gè)峰值信號(hào)保持在周期內(nèi)進(jìn)行一次電容放電復(fù)位,以便為下一次采樣峰值數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。但由此出現(xiàn)保持電容瞬時(shí)放電使輸出信號(hào)短暫“趨零”的階躍問題,導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)發(fā)生偏差[13-14]。這時(shí)需要保證在每個(gè)信號(hào)周期內(nèi),放電脈沖極短且有效。并且對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)比例的放大,該模塊電路中設(shè)計(jì)的放大倍數(shù)為2 倍。為了便于調(diào)節(jié)數(shù)顯模塊的顯示電壓,在輸入端加入電位器進(jìn)行分壓[15]。這樣數(shù)顯電壓表呈現(xiàn)的數(shù)值可以較為實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地還原電流峰值,同時(shí)方便校準(zhǔn)[16]。這樣,就保證了峰值電流檢測(cè)電路準(zhǔn)確、平穩(wěn)、跟隨的性能。
使用PROSys CP-1005 閉環(huán)霍爾電流傳感器、FLUKE 199C 示波器和WR5145 數(shù)顯直流電壓表對(duì)模塊電路進(jìn)行分塊測(cè)試和校準(zhǔn)。電流傳感器接入采樣保持電路的動(dòng)態(tài)電流輸入端,發(fā)射波形控制器輸出的峰值同步觸發(fā)脈沖經(jīng)光纖連接線接入采樣保持電路的HFBR2522 光耦端,輸出信號(hào)接入數(shù)顯模塊。對(duì)模塊電路中的TP1-TP5 各檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試,圖4(a)、(b)、(c)、(d)中A 波形即為TP1 點(diǎn)的輸入信號(hào)波形,B 波形依次為TP2-TP5 各檢測(cè)點(diǎn)的波形。檢測(cè)點(diǎn)TP1-TP5 的位置如圖2 所示。
圖4 主要檢測(cè)點(diǎn)波形
調(diào)節(jié)電位器R14的阻值,使數(shù)顯直流電壓表顯示數(shù)值與TP1 波形的峰值一致。實(shí)驗(yàn)中發(fā)射基頻為12.5 Hz,依此分別選取不同充電頻率和充電脈寬時(shí)所對(duì)應(yīng)的峰值電流作為參考,分別記錄數(shù)顯模塊顯示數(shù)值、TP1 波形峰值,對(duì)每次結(jié)果取平均值,得到的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。
表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)
測(cè)試結(jié)果表明,數(shù)顯直流電壓表能實(shí)時(shí)顯示不同發(fā)射基頻、充電頻率和充電脈寬時(shí)所對(duì)應(yīng)的峰值電流值,自動(dòng)跟蹤良好。
發(fā)射機(jī)是時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)最為關(guān)鍵的設(shè)備,為了保證發(fā)射機(jī)更加可靠地運(yùn)行,需要提供人機(jī)交互界面,顯示關(guān)鍵發(fā)射電流峰值,方便操作員實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)信息。該設(shè)計(jì)中各級(jí)電路間進(jìn)行直接耦合,減少了信號(hào)在傳輸過程中的延時(shí)和變形。通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該電路系統(tǒng)具有低成本、實(shí)時(shí)響應(yīng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn),滿足發(fā)射機(jī)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的工作要求。