基于多匝小线圈的瞬变电磁发射系统设计

发布时间：2017-09-06 00:24

  本文关键词：基于多匝小线圈的瞬变电磁发射系统设计

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【摘要】：在高速公路、铁路等隧道修建过程以及矿产开采中,突水突泥是影响修建速度和威胁工程施工安全最主要的地质灾害,而瞬变电磁法(TEM)是隧道和矿井等复杂小空间超前电磁探测中常用的预报方法,具有重要的工程应用价值。针对隧道、矿井等复杂狭小的空间地形中,环境拥挤,线圈铺设困难,施工难度大,我们往往采用多匝小线圈天线的技术,在保证瞬变电磁发射磁矩不变的情况下,增加发射线圈绕制的匝数来达到减少线圈边长的目的。但小尺寸多匝数的线圈常常伴有较大的电感特性,致使线圈中的发射电流关断时间较长、关断沿的线性度较差,且电流尾部常常伴有过冲或震荡,这些现象导致对浅层的数据解释不准确,因此,如何设计一款基于多匝小线圈的瞬变电磁发射系统至关重要。在多匝小线圈天线的应用中,现有的瞬变电磁发射机常存在的问题:发射电流频率值单一、关断时间长、电流尾部有过冲或震荡;不能很好的兼容不同接收系统对同步信号的要求;对关断时间的测量不够精确,不能实时观测线圈负载中电流波形情况;体积大、设备防护级别低,不能满足工程要求。本文为解决上述现有技术的不足,提出了一种基于多匝小线圈的瞬变电磁发射系统设计。分析了恒压钳位与阻尼匹配吸收理论,设计了一种在发射桥路两端并联大功率稳压管,在负载线圈两端并联可调匹配电阻的发射电流波形整形电路,通过在一定的钳位电压与负载线圈下,调节匹配电阻值,可实现发射电流关断时间短、线性度好、关断后无过冲或震荡的目的;针对MSP430F149单片机控制系统存在的问题,设计了以低功耗嵌入式PC机作为操作控制核心,以Lab VIEW作为控制开发软件,可编程逻辑器件CPLD作为时序产生单元,通过USB采集卡对发射电流进行采集,确保了时序信号的精度,人机界面的友好性,同时满足对发射电流波形实时观测,方便在不同环境下调节匹配电阻值,改善发射电流波形;设计了新型的同步电路,满足可以兼容内外部同步信号触发的要求;同时针对仪器系统的结构部分进行了相关改进,使其满足体积轻便防护等级高的特点。在设计了基于多匝小线圈的瞬变电磁发射系统后,对仪器系统进行了对比测试和室内及野外实验验证,测试结果表明,本文中设计的瞬变电磁发射系统设计合理,在现有的仪器系统上,性能得到提升,满足多匝小线圈的应用要求。
【关键词】：瞬变电磁法 多匝小线圈 电磁探测 发射电流
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH763
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 研究背景及意义11-13
• 1.1.1 研究背景11-12
• 1.1.2 研究意义12-13
• 1.2 国内外研究概况13-15
• 1.3 本文主要研究内容15-18
• 第2章 TEM的基本原理及系统方案概述18-24
• 2.1 瞬变电磁法探测的基本理论18-19
• 2.1.1 TEM的工作原理18
• 2.1.2 介质的响应情况分析18-19
• 2.2 瞬变电磁法的多匝小线圈应用19-20
• 2.3 发射系统的总体方案设计20-23
• 2.3.1 基于单片机架构的瞬变电磁发射系统20-22
• 2.3.2 基于X86架构的瞬变电磁发射系统22-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第3章 发射电流波形整形技术研究24-40
• 3.1 恒压钳位与阻尼吸收电路24-28
• 3.1.1 恒压钳位的基本原理24-26
• 3.1.2 阻尼吸收的基本原理26-28
• 3.2 发射桥路设计28-31
• 3.2.1 匹配电阻介入时间可控的电路结构29-31
• 3.2.2 匹配电阻阻值可调的电路结构31
• 3.3 驱动电路及开关管的选择31-34
• 3.3.1 发射桥路的构成形式31-32
• 3.3.2 驱动电路的选择32-33
• 3.3.3 开关管的选择33-34
• 3.4 两种发射桥路的对比34-39
• 3.4.1 电路理论分析34-36
• 3.4.2 仿真结果分析36-38
• 3.4.3 实验结果分析38-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第4章 控制与采集系统设计40-49
• 4.1 整体架构40-41
• 4.2 主控程序设计41-42
• 4.3 人机界面的设计42-45
• 4.4 时序信号仿真与测试45-46
• 4.5 同步电路设计46-47
• 4.6 采集电路设计47-48
• 4.7 本章小结48-49
• 第5章 仪器系统的室内及野外测试49-60
• 5.1 发射系统实物图49-50
• 5.2 对钳位电压与匹配电阻的实验测试50-53
• 5.3 系统优越性测试53-55
• 5.4 野外测试及结果分析55-59
• 5.4.1 吉林大学岩体实验基地野外实验56-58
• 5.4.2 江西禾丰隧道野外实验58-59
• 5.5 本章小结59-60
• 第6章 全文总结60-62
• 6.1 主要工作成果60
• 6.2 今后工作建议60-62
• 参考文献62-66
• 作者简介及科研成果66-67
• 致谢67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张扬;雷宛;杨武;刘家福;苏鹏;;瞬变电磁中两种发射源的响应特征研究[J];物探化探计算技术;2015年01期

2 于生宝;贾少华;李刚;何建龙;;电性源时间域电磁法大功率发射系统的研制[J];国外电子测量技术;2014年07期

3 尧玉燕;;浅谈瞬变电磁法的发展[J];河南科技;2013年10期

4 赵海涛;刘丽华;吴凯;张建国;方广有;;恒压钳位高速关断瞬变电磁发射系统[J];仪器仪表学报;2013年04期

5 孙怀凤;李貅;李术才;戚志鹏;王yN鹏;苏茂鑫;薛翊国;刘斌;;考虑关断时间的回线源激发TEM三维时域有限差分正演[J];地球物理学报;2013年03期

6 周逢道;唐红忠;郭新;王金玉;;时间域电磁探测发射电流过冲产生原理及抑制[J];吉林大学学报(工学版);2013年04期

7 杨农合;徐小林;吴朝俊;杨宁宁;;瞬变电磁法小线框技术研究及其应用[J];西安理工大学学报;2012年03期

8 李俊唐;付志红;苏向丰;刘翔宇;;梯形脉冲瞬变电磁发射机[J];电测与仪表;2012年02期

9 杨农合;王辉;徐小林;吴朝俊;杨宁宁;王宝琛;;应用瞬变电磁法小线框大电流探测隐伏断层[J];物探与化探;2011年01期

10 陈载林;黄临平;陈玉梁;;我国瞬变电磁法应用综述[J];铀矿地质;2010年01期

中国博士学位论文全文数据库 前6条

1 梁庆华;矿井全空间小线圈瞬变电磁探测技术及应用研究[D];中南大学;2012年

2 尚新磊;TEM-MRS联用地下水探测关键技术研究[D];吉林大学;2010年

3 谭代明;隧道超前探水全空间瞬变电磁理论及其应用研究[D];西南交通大学;2009年

4 付志红;电磁探测特种电源技术的研究[D];重庆大学;2007年

5 孙淑琴;地面核磁共振探测地下水数值模拟与影响因素分析[D];吉林大学;2005年

6 嵇艳鞠;浅层高分辨率全程瞬变电磁系统中全程二次场提取技术研究[D];吉林大学;2004年

中国硕士学位论文全文数据库 前8条

1 张磊;隧道小线圈瞬变电磁仪器的设计与实现[D];吉林大学;2015年

2 刘紫秀;瞬变电磁信号畸变机理研究[D];吉林大学;2015年

3 曲国丽;MRS-TEM联用仪标准化测试平台的研制[D];吉林大学;2015年

4 范诚毅;瞬变电磁地质探测仪发射系统的设计与实现[D];大连海事大学;2015年

5 楚星宇;TEM发射机的研制[D];吉林大学;2012年

6 李军强;多功能电磁发射机的研究[D];重庆大学;2009年

7 孙天财;发射电流波形对瞬变电磁测量结果影响及校正的研究[D];重庆大学;2008年

8 陈贵生;瞬变电磁法（TEM）勘察研究[D];中南大学;2002年

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本文编号：801092