瞬变电磁实验教学模型系统设计

滕 飞, 孙德立, 刘婷婷, 千承辉

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 长春 130061)

0 引 言

地面瞬变电磁探测技术是应用较为广泛的一种物探方法[1], 其使用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场, 在一次磁场间歇期中利用传感器观测地下介质中的二次感应涡流场, 进而解析电阻率信息[2]。在高校地学仪器课程教学中, 瞬变电磁仪的实践是必修课之一。这类的物探仪器教学方法普遍是安排学生参观, 老师简单介绍仪器工作原理和方法, 因此教学效果不明显。有条件的学校使用生产仪器在野外进行试验, 但成本高, 且昂贵的仪器只能让培训过的老师操作, 学生参与度低, 仍有很大的局限性。

笔者针对地学仪器课程实践教学需要, 基于ARM(Advanced RISC Machine)控制器和可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)设计了一套瞬变电磁实验教学模型系统。利用该系统可在实验室内演示瞬变电磁仪的激发、 信号采集等过程, 同时允许学生亲自动手操作仪器, 通过实验观测瞬变电磁二次场信号形态, 理解瞬变电磁理论方法, 达到良好的教学目的。整套系统按照实际生产仪器的硬件结构设计, 发射频率3.125 Hz、 12.5 Hz和25 Hz可选, 叠加次数1～512次可调, 具有体积小、 成本低和功能丰富等优点。

1 总体设计

瞬变电磁教学模型系统采用立式中心回线结构, 以空气作为均匀介质, 利用异常线圈模拟良导电性有限导体, 实现二次涡流场的感生与观测, 探测原理如图1所示。

图1 瞬变电磁教学模型系统工作原理图Fig.1 Working principle of transientelectromagnetic teaching model system

系统包括发射/接收一体机、 接收传感器、 异常线圈和上位机控制软件4部分。整体结构如图2所示。发射/接收一体机内部包含发射系统和采集系统, 发射系统产生双极性方波信号, 通过发射线圈发射激励源； 采用异常线圈模拟良导电性有限导体, 激励信号瞬时关断后, 异常线圈内即产生二次涡流场； 采集系统通过接收线圈、 前置放大电路, 将二次涡流场信号放大后送至24位采集卡中, 转换为数字信号传输至上位机； 上位机控制软件在PC104工控机上运行, 实现对发射接收系统的控制、 实时显示接收信号波形和监测系统运行状态等功能。系统功率发射电源采用可调直流电源提供, 内部测控单元使用锂电池供电。

图2 瞬变电磁教学模型系统整体框图Fig.2 Overall block diagram of transient electromagnetic teaching model system

2 发射/接收一体机设计

该模型系统收发距离较近, 因此将发射机与接收机设计为一体化模式。发射/接收一体机包括主控单元、 功率发射单元、 接收传感器、 采集卡和工控机5部分。

2.1 主控设计

一体机以32位ARM控制器STM32F103RBT6作为控制核心, 负责接收与解析上位机发送的参数并记录采集周期, 通过串口与PC机通信。使用可编程逻辑芯片EPM1270T144C5N产生发射时序波形, EPM1270具有内部逻辑单元丰富、 价格低廉等优点。ARM和EPM1270主要通过SPI(Serial Peripheral Interface)串行外设接口协议进行通讯, 时序如图3所示。片选信号CS(Chip Select)低电平有效, 当ARM需向CPLD发送数据或接收数据时, ARM将CS片选信号置低, 产生SCK(Serial Clock)时钟信号, 在SCK信号上升沿前将要传输的数据放在MOSI(Master Output Slave Input)主机输出从机输入端口； 当SCK时钟信号上升沿时, MCU读取MISO(Master Input Slave Output)主机输入从机输出端口的数据, 同时CPLD检测到SCK上升沿时将MOSI端口数据读取并存储； 当8位数据传输完成后, ARM将片选信号CS拉高, 停止产生SCK信号。

图3 SPI总线传输时序Fig.3 SPI bus transmission timing

利用CPLD设计状态机, 定义OUTA和OUTB为两个输出引脚。状态机包含“000、001、010、011、100”5个状态, 分别对应OUTA发射-OUTB停止、 低电平采集、 OUTA停止-OUTB发射、 低电平采集及触发和故障状态。其中前4个状态为循环执行, 最后1个状态为跳出执行保护。系统中CPLD选用50 MHz时钟源, 每个频率对应不同的分频系数如表1所示。

表1 不同频率对应的分频参数

CPLD接收到发射指令, 将对应的频率参数赋值给定义的分频系数寄存器, 然后计算出每个状态的持续时间并循环, 若循环过程中出现“000、001、010、 011”4个状态规定情况以外的发射逻辑, 则系统状态机进入“100”状态, 自动停止发射并复位。在每个信号周期结束的同时, 产生脉冲控制信号TRIG(Trigger), 该信号一方面触发采集卡采集信号, 另一方面触发ARM控制器的外部中断, 检测采集次数。若达到设定次数, 则令STM32的CPLD使能引脚EN(Enable)失效, CPLD停止工作； 若未达到设计次数, 则继续工作。其发射时序图如图4所示。

图4 瞬变电磁模型系统发射时序Fig.4 Transmitting timing of transient electromagnetic model system

2.2 功率发射电路设计

该系统中的发射电路选用经典的H型全桥电路, 该电路具有开关器件承受电压低, 输出电压高、 输出功率大等优点[3]。开关器件选择N沟道功率型场效应管FQA160N8, 该芯片正向导通电压最大80 V, 导通电流最大160 A, 满足系统要求。设计RCD(Resistance Capacitance Diode)吸收电路抑制场效应管开关时产生的高压尖峰[4-5]。前端利用IAR2110作为驱动缓冲单元, IR2110是一款高速并带有隔离功能的大功率场效应管驱动器, 最高驱动频率达500 kHz, 单芯片可驱动同一桥臂的两路开关管[6]。利用IR2110将CPLD产生的双路脉冲时序信号TA和TB扩展至4路信号, 控制H全桥电路对直流电源进行斩波。双极性电流通过发射线圈即可产生翻转磁场。电路原理图如图5所示, 图中L1和L2连接发射线圈两端。

图5 H全桥功率发射电路原理图Fig.5 H full-bridge power transmitting circuit schematic

发射线圈采用玻璃钢材质的U型槽搭建, 边长1 m, 使用截面4 mm2单芯线缆缠绕10匝, 内阻0.12 Ω, 电感310 mH。由于发射线圈内阻过小, 为使实验室电源正常工作实际在发射线圈中串联一只20 Ω的限流功率电阻。

2.3 传感器设计

接收传感器由天线和前置放大电路两部分组成。天线选用了正方形PCB(Printed Circuit Board)封装的空心线圈, 相比在骨架上绕制的接收线圈, PCB线圈更加便于制作, 同时避免了由于手工绕制差异导致的分布参数过于离散的问题。感应式空心线圈通过测量感生电动势进行磁场测量, 感生电动势与线圈两端的电压为

(1)

其中N为空心线圈的匝数,A为空心线圈边长,Bz为磁场的z轴分量, 实际线圈除了接收有效信号外还包含一些其他的电路参数, 空心线圈的等效电路如图6所示。

图6 感应式空心线圈等效电路图 图7 双运放仪用放大器电路原理图 Fig.6 Equivalent circuit diagram of Fig.7 Dual-op amp instrumentation inductive hollow coil amplifier circuit schematic

接收线圈可等效为一个二阶电阻-电容-电感谐振(RLC)网络[7], 其输出表达式为

Vout=VinH(ω)

(2)

其中H(ω)是传递函数, 其表达式为

(3)

(4)

前置放大电路采用双运放搭建的仪用放大器结构, 双通道精密运算放大器拥有良好匹配, 相较于分立单运放搭建的仪用放大器有更高的共模抑制比[11](CMRR: Common Mode Rejection Ratio), 电路的拓扑结构如图7所示。

电路的增益可通过电阻RG调节, 电路的增益表达式为

(5)

由于双运放的输入阻抗本身较高, 使信号输入时可能存在较大的失调, 所以整个电路的共模抑制性能还受到两个桥臂电阻的匹配限制。共模抑制比好坏可由[12]

(6)

估计。其中MS为这个电路中的电阻匹配精度, 以百分数表示,G是电路增益。由式(6)可见, 整个电路的共模抑制比随着整体增益的上升而上升, 随着电阻本身不匹配度的上升而下降, 因此整个电路的电阻选择十分重要。系统选用了薄膜激光调整电阻阵列LT5400, 其电阻的匹配精度可达0.01%, 在20倍增益下CMRR的最佳值为106 dB, 而若选用5%精度的普通碳膜电阻, 在20倍增益下CMRR最优值仅为52 dB, 该值已经低于运放本身的CMRR, 因此不能忽视电阻的匹配精度。为保护放大电路, 避免后级的信号调理电路被线圈耦合进入瞬态高压烧毁, 在差分输入端还设计了输入钳位保护二极管[8](见图8), 能在大能量引入接收电路时将能量由电源泄放, 达到保护芯片的目的。

图8 信号输入钳位保护电路Fig.8 Signal input protection circuit

2.4 工控机和采集卡

一体机内部装有小型PC104工控机, 型号为EPC92A1。工控机使用Intel Bay Trail-I E3845低功耗高性能处理器, 拥有1路PC104接口, 1路VGA(Video Graphics Array)视频接口, 4路USB2.0和2路串口等丰富接口, 能运行Visual Studio等常见开发软件, 可替代电脑主机功能, 非常适合安装在工业控制机箱中, 系统中使用该工控机搭配14寸液晶屏幕, 运行上位机控制软件。采集卡选择北京新超科技有限公司生产的24位高速采集卡USB2404, 该采集卡是一款支持USB2.0总线的高速、 高精度的4通道同步采集卡, 采样率高达156 kS/s, 支持外触发和软件定时触发, 拥有4路模拟信号、 1路外触发信号。USB-2404模拟输入信号采用差分输入方式进入ADC(Analog-to-Digital Converter)转换, 转换结果存储在大容量存储器SDRAM(Synchronous Dynamic Random-Access Memory)中, 自带差分放大器和数字滤波器, 提供Visual Stiodio开发环境下的动态链接库。该系统采用外部同步触发模式, 触发完成后连续采集信号并通过USB端口送至上位机。

3 异常线圈设计

在实验室内模拟不同导电性的有限导体, 传统方法多用不同浓度的盐溶液, 虽然便宜, 但在实验室建立盐水槽体积会很大, 而且要求实验室有上下水管道, 同时盐水导电率的一致性也不好控制。另一种方法则是使用定制材料, 但成本高, 且材料模型笨重, 对固定模型的稳定性也要求较高。为此, 本系统使用多匝线圈模拟异常体方案。

由发射线圈、 接收线圈和待测异常组成的系统, 可看作是两套互感系统的叠加： 由发射线圈和待测异常组成的互感系统, 以及待测异常和接收线圈组成的互感系统。空间共轴的两线圈的互感系数可由[13]

(7)

计算。其中d为两个线圈中心的距离,l1、l2为线圈的轮廓。因此发射线圈在异常线圈产生的感应电动势为

(8)

其中ITC为发射线圈电流,φTC为发射线圈磁通量,MAT为发射线圈和异常线圈之间的互感系数。由于互感作用, 在异常线圈中会产生新的感应电流。异常线圈可等效为一个电感和一个电阻串联, 因此异常线圈中的感应电流应满足方程

(9)

其中IAC为异常线圈电流, 对式(9)进行拉氏逆变换, 可得感应电流表达式为

(10)

(11)

同理可得在接收线圈中感应电动势

(12)

其中φAC为异常线圈磁通量,MAR为接收线圈和异常线圈之间的互感系数。因此接收线圈中的电动势可表示为

(13)

可见在探测系统不发生改变的情况下, 接收的感应电压值仅与异常线圈的时间常数有关。

不同有限导体的时间常数τ值如表2所示[14]。当异常线圈时间常数与有限导体的时间常数相同时, 可认为在接收线圈中的响应相同[15], 而异常线圈的时间常数与自身的电感和电阻关系为τ=L/R[16], 通过设计和调整线圈电感L和线圈阻值R即可模拟不同时间常数的有限导体。

表2 有限导体与时间常数对应表

为减小计算难度, 异常线圈使用铁氟龙不导磁材料制作环形骨架, 内径440 mm, 外径500 mm, 导线截面直径1.2 mm2, 缠绕64匝。使用数字电桥测得异常线圈的直流电阻3.655 Ω, 电感3.953 mH, 计算其时间常数约1.07, 属于良导电导体。同时, 异常线圈可通过改变线圈串联的电阻值模拟中导电和弱导电导体作为扩展应用。以此方式不仅能灵活设计实验方案, 而且成本低且容易实现, 让学生更能从本质上认识地面瞬变电磁技术的理论方法。

4 上位机控制软件设计

控制软件在Visual Studio环境下采用C#语言开发[17], 调用采集卡厂家提供的动态链接库完成驱动与控制, 具有可视化窗口、 控制菜单栏和操作输入等功能, 可实时记录和显示瞬变电磁模型系统的信号波形和系统状态。其软件流程图如图9所示。打开控制软件后, 选择可用的通信串口, 此时控制软件与模型硬件系统自动握手, 指示灯变绿, 若握手不成功则提示“请检查串口！”, 同时指示灯呈红色。串口握手成功后, 采集卡自动完成驱动并同PC端建立连接。然后填写操作人员信息, 选择“开始测量”后, 系统提示“信号采集中, 请勿关闭电源！”, 同时发射预设周期数的双极性方波。软件界面可显示发射关断后的1/4周期数据波形。为使学生更清楚地认识瞬变电磁一个完整周期发射的接收信号形态, 软件同时显示3/4周期曲线, 包含正负两个关断过程和一个充电过程。完成后系统提示“测量结束, 请保存数据！”。该软件功能丰富, 操作简单, 对电脑配置要求低, 能满足系统需要。

图9 上位机软件控制流程图Fig.9 Computer software control flowchart

5 测试与结果

系统在实验室内进行测试, 测试设备如表3所示。该实验发射电压设置为6.8 V, 发射频率12.5 Hz, 叠加次数32次。

表3 实验测试使用设备表

实测曲线如图10所示, 感应二次场曲线平滑并且符合良导体异常的缓慢衰减趋势。使用泰克示波器和泰克电流钳测试发射电流波形, 如图11所示, 波形正负两极对称, 频率准确, 峰值280 mA。由实验结果可知, 该模型系统工作正常, 信号叠加前与叠加后相位一致, 信噪比高, 能正确显示瞬变电磁发射关断后的二次场响应曲线, 符合预期设计。图12为瞬变电磁实验教学模型系统实物图。

图10 上位机软件测量曲线图 Fig.10 PC software measurement curve

图11发射电流波形图 图12瞬变电磁实验教学模型系统实物图 Fig.11 Emission current waveform Fig.12 Transient electromagnetic experiment teaching model system

6 结 语

瞬变电磁探测技术在矿产能源、 地质构造等勘查中应用较为广泛, 具有很强的实践性与实用性, 是地学专业学生应该掌握的一种技术方法。笔者针对地学仪器课程实践要求, 采用专业仪器的硬件结构方案, 设计一套瞬变电磁教学模型系统。系统合理使用异常线圈模拟良导电性有限导体, 具有体积小、 成本低廉、 操作简单、 显示直观和性能稳定等优点, 后期升级和可拓展性强。经测试, 该系统在实验室内能有效获得瞬变电磁感应二次场衰减信号, 可避免常规物探仪器到野外教学的复杂工作, 提升学生在课程中的学习兴趣与积极性, 对课程教学可起到较好的辅助作用。