隧道小线圈瞬变电磁仪器的设计与实现

发布时间：2017-06-08 21:02

  本文关键词：隧道小线圈瞬变电磁仪器的设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：瞬变电磁法近几年在地质调查、地下水探测及灾害水探测等领域都发挥了很大的作用，现已成为探测地下未知物体的重要方法。与其他国家相比，虽然我国对瞬变电磁法的研究起步较晚，但由吉林大学研制出的ATEM型瞬变电磁仪器以及重庆奔腾数控技术研究所研制的WTEM仪器在地面应用中都已经取得了良好的探测效果。然而在隧道环境下，由于线圈参数限制，导致发射电流关断时间较长，一定程度上制约了瞬变电磁仪器在野外的工作范围。因此，为了满足探测需求，本文针对现有仪器的不足，提出开展适合于隧道应用的小线圈瞬变电磁仪器的研制，并给出了仪器各部分的具体设计方案和测试结果。 通过查阅国内外关于瞬变电磁发射机的设计方案可知，现有瞬变电磁仪器具有以下特点：（1）发射机主控单元主要是基于单片机或者PC104进行设计的，但二者存在处理速度缓慢或功耗较大等缺点，，不适合在野外长时间工作；（2）发射电流关断时间是发射机的重要指标，是影响后续数据解释结果可靠性的关键因素；（3）瞬变电磁信号具有早期信号幅值相对较大、中晚期信号幅值小的特点。针对这些难题，本文提出以下方案进行解决：（1）基于复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)开展瞬变电磁发射机的设计，CPLD具有处理速度快、功耗低、外围电路简单等优点；（2）采用基于开关速度快的MOSFET开关管设计功率变换电路，并通过TVS管进行能量吸收，可实现短发射电流关断时间，同时，为满足不同探测环境的需要，发射机具有多种发射频率及占空比；（3）鉴于MPS-140801采集卡具有采样噪声低、信噪比高等优势，本文提出基于该采集卡实现接收机的设计，采用前端匹配分段放大电路的技术手段，基于不同放大倍数的五个通道进行同步采集，分别截取不同时段的数据，经归一化处理后拼接为一组瞬变电磁信号数据，实现了对早期信号低放大倍数采集，对中晚期信号高放大倍数采集的目的，提高对中晚期信号的采集精度。 本文接收机控制软件基于LabVIEW编程，用户可以通过控制软件对接收机进行控制。控制软件主要完成的工作包括：参数设置，电流采集和信号采集。接收机工作前可以对数据存储位置、采样率、叠加次数、采样长度等参数进行设置。电流采集部分可以对发射电流波形进行显示及存储，并且可以计算和存储发射电流关断时间。信号采集部分可以实时显示当前叠加次数和采集信号波形，并且提供线性坐标和对数坐标两种显示方式。 为验证仪器设计指标，对发射机和接收机分别进行了室内测试和野外实验。室内测试包括发射电流关断时间、发射频率及占空比、接收机本底噪声、数据存储等功能。测试结果表明，当采用适用于隧道环境下的5m×5m、8匝发射线圈，发射电流20A时，发射电流关断时间为50μs，接收机本底噪声为15μV。最后在甘肃麦积山隧道进行了野外实验，通过对实验结果分析，验证了该瞬变电磁系统的有效性。
【关键词】：瞬变电磁法 关断时间 CPLD 分段放大 LabVIEW
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH763.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-15
• 1.1 本课题的研究意义与目的11-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.3 本论文研究内容14-15
• 第2章 系统工作原理及组成15-21
• 2.1 瞬变电磁探测系统工作原理15-16
• 2.2 瞬变电磁系统架构16-17
• 2.3 发射系统设计原理17-19
• 2.3.1 发射系统特点17-18
• 2.3.2 发射系统组成18-19
• 2.4 接收系统设计原理19-20
• 2.4.1 瞬变信号特点19
• 2.4.2 接收系统组成19-20
• 2.5 本章小结20-21
• 第3章 发射系统设计21-30
• 3.1 发射时序信号的产生22-25
• 3.1.1 控制信号设计22-23
• 3.1.2 同步信号设计23-24
• 3.1.3 时序信号仿真24-25
• 3.2 驱动保护单元设计25-26
• 3.2.1 驱动电路设计25-26
• 3.2.2 光电隔离电路设计26
• 3.3 全桥功率变换电路设计26-29
• 3.3.1 桥路输出单元设计26-27
• 3.3.2 吸收电路设计27-29
• 3.4 发射电流采集单元设计29
• 3.5 本章小结29-30
• 第4章 接收系统硬件设计30-37
• 4.1 基于 MPS 采集卡的接收系统设计30-31
• 4.2 采集卡测试31-32
• 4.3 分段放大电路设计32-34
• 4.4 放大倍数校正34-36
• 4.5 本章小结36-37
• 第5章 接收系统软件设计37-46
• 5.1 方案选择37-39
• 5.2 与接收机硬件通讯39-40
• 5.3 参数设置程序设计40-41
• 5.4 电流采集程序设计41-43
• 5.5 信号采集程序设计43-45
• 5.6 本章小结45-46
• 第6章 系统测试与应用46-58
• 6.1 系统设计指标46-47
• 6.2 室内测试47-53
• 6.2.1 发射系统测试47-50
• 6.2.2 接收系统测试50-53
• 6.3 野外测试53-57
• 6.4 本章小结57-58
• 第7章 全文总结58-60
• 7.1 本文成果58-59
• 7.2 改进建议59-60
• 参考文献60-65
• 攻读硕士学位期间科研成果65-66
• 致谢66

【参考文献】

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本文编号：433709