基于LT3591的钻孔成像仪探头光源设计与应用

王 博

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

引言

钻孔成像仪是一种基于光学成像原理，将摄像头送入钻孔内部进行视频观测的仪器。在地质勘探领域，利用钻孔成像仪对钻孔内部进行直观观测逐渐成为了一种常规的地质探查手段[1]。钻探施工后形成的钻孔贯穿于不同的地质构造中，自然光源无法直接进入。为了获取钻孔内部真实、清晰的图像信息，稳定可靠的光源必不可少。

1 系统构成及原理

钻孔成像仪由主机、电缆、探头等组成，实际使用如图1所示，探头通过电缆连接至主机，探头尾端连接推杆由人工推送进入钻孔内部观测。主机提供人机交互功能显示、存储采集到的钻孔内部图像信息；电缆用于连接主机和探头实现供电和数据传输功能；探头内部包括摄像头、光源及驱动电路、稳压电路等，实现对钻孔内部图像的采集。

图1 钻孔成像仪的构成Fig.1 The composition of the drilling imager

钻孔成像仪探头的光源安装在探头前端，对钻孔内部进行照明，使摄像头能够捕捉到清晰真实的图像信息。光源部分由主机进行供电，探头端稳压电路为驱动电路提供稳定可靠的能量来源，驱动电路驱动灯板将电能转换称为光。

2 照明光源

2.1 光源的选择

钻孔内部是钻孔成像仪的观测对象，其内部空间往往较小，需要体积小且效率高的光源。钻孔多分布在野外、煤矿井下、施工现场等不方便外接交流电源的地方，因此成像仪设备多为便携式电池供电[5，6]。考虑成像仪主机电池供电容量有限的条件，就必须使用低功耗的光源。发光二极管(light emitting diode，LED)作为半导体照明光源，具有功耗低、发光效率高、寿命长等优点[2-4]，逐渐替代了白炽灯和荧光灯成为了工业应用中的主流照明光源，也是成像仪照明系统理想的光源。

2.2 照明灯板设计

LED选用直射型DIP封装的白色发光二极管，供电电压为3.3 V，电流为15～20 mA时亮度较高，单颗灯珠的最大机械尺寸为3.8 mm。照明灯板机械尺寸设计参考探头的机械设计，CXK-42T矿用本安型钻孔成像仪探头外部直径为42 mm，灯板内部安装8 mm的微型摄像头及1 mm厚度的遮光圈，此外机械结构还需预留出端部密封和轴部密封的尺寸。因此，照明灯板设计为圆环状，内圆直径为12 mm，外圆半径为28 mm。根据灯板的外形尺寸，环型阵列分布16颗发光二极管。照明灯板电路原理图如图2(a)所示，由两组串联发光二极管组成，每组串联8颗发光二极管。图2(b)为照明灯板的印制电路板图。

图2 照明灯板电路设计Fig.2 Circuit design of the lighting board

3 稳压及驱动电路设计

3.1 稳压电路设计

钻孔成像仪探头的电源由CXK12-Z矿用本安型钻孔成像仪主机提供。CXK12-Z矿用本安型钻孔成像仪主机输出两路直流电源，其中一路为直流5 V(2 A)，另一路为直流12 V(600 mA)。钻孔成像仪探头和主机之间通过电缆连接，为了保证观测距离，电缆长度一般不小于100 m。电缆自身的阻抗随着长度的增加而增大，对直流电源产生一定的损耗。电缆上流过的电流越大，造成的电压损耗也越高。探头端接收到的实际电压往往低于主机输出的电压。为了保证探头端摄像头、电子罗盘、光源等负载正常工作，一方面需要选取电压输入范围较宽的芯片，另一方面进行稳压电路设计提高器件工作效率。

图3 稳压电路原理图Fig.3 Schematic diagram of voltage stabilization circuit

LT1963系列芯片是Analog Devices公司生产的一款低压差瞬态响应的稳压器，该芯片外围电路设计简单，性能优良。输出电压范围为1.21～20 V，输出电流最高可达到1.5 A，压差仅为340 mV，噪声低，且在芯片内部集成了反向电池保护、电流限制、热限制和反向电流保护。

探头端光源部分电源选择主机输出的12 V直流电源，由于电缆线损的影响探头端接收到的电压约为9 V，考虑驱动电路的工作效率需要输出5 V的电压。本文设计的稳压电路原理图如图2所示，电容C5、C6、C7为滤波电容用于滤除输入端和输出端的高频和低频谐波，输出电压通过电阻R7和R8进行调节。输出电压的计算公式为

(1)

其中：Vout为输出电压值；R8为引脚2与引脚1之间连接的电阻值；R7为引脚2与地之间连接的电阻值。

为了减小引脚4的偏置电流引起的输出电压误差，R7的值应小于4.17 kΩ。因此，结合公式1通过计算选取R7为3.3 kΩ电阻，R8为11 kΩ电阻。

3.2 驱动电路设计

Analog Devices公司生产的LT3591芯片是一款用于锂电池供电的LED串联驱动芯片，可直接驱动10个串联的白色LED。具有直流2.5～12 V的宽范围输入电压，输出开关频率为1MHz，能够适用于大部分仪器仪表电路的供电应用要求。此外，该芯片为DFN封装，体积仅有3 mm×2 mm大小，内部集成了肖特基二极管、LED开路保护等功能，外围电路简单、成本低、性能高。

图4 LT3591原理框图Fig.4 LT3591 functional block diagram

图5 照明驱动电路Fig.5 Lighting driving circuit

LT3591芯片的原理框图如图2所示。上电时，CAP引脚上的电容通过外接电感和内部肖特基二极管被充电至电源输入电压。如果CTRL引脚被拉倒高于100 mV，带隙基准、启动偏置和振荡器被打开。在每个震荡周期开始时，电源开关Q1接通。与开关电流成比例的电压逐渐增大，并反馈到PWM比较器A2的正端。当电压超过A2的负端输入电压时，PWM比较器关闭电源开关。A2的负端输入取决于误差放大器A1的输出，A1的输出由CAP引脚和LED引脚的电压差和CTRL的参考电压控制。通过这种方式，误差放大器A1 正确的峰值电流保证输出满足需求。CTRL引脚可用于控制和调整LED电路的电流，但是CTRL引脚电压低于50 mV时芯片停止工作。

本文设计的LED驱动电路如图5(a)所示，以LT3591芯片为核心搭建外围电路设计而成。电感L1和电容C1构成LC震荡电路，为驱动电路提供稳定可靠的输入。CAP引脚和LED引脚之间的电阻R3为反馈电阻，通过调节该电阻可以控制驱动电路的输出电流。本文选用的发光二极管在电流为20 mA时发光亮度最大，因此R3选取10 Ω的电阻。反馈电阻选取的计算公式为

(2)

其中Rsence为反馈电阻的阻值；ILED为输出的电流值。

照明灯板为2组8个LED串联的发光二极管，因此需要两组驱动电路。根据探头内部电路板支架的机械结构设计宽度为22 mm、长度为56 mm的印制电路板。稳压及驱动印制电路板如图5(b)所示。

4 试验与测试

1)稳定性测试。用直流稳压电源给稳压及驱动电路板输入9 V直流电源，将照明灯板与稳压和驱动电路板用导线进行连接。灯板的两路串联发光二极管输入端连接至稳压和驱动电路板的LED1引脚和LED2引脚，两个电路板地线直接连接。上电后照明灯板正常发光，连续工作72 h，照明灯板运行稳定可靠。

2)光源照度测试。将照明灯板和稳压及驱动电路板装入探头机械结构内部。在测试环境的照度低于光源照度的情况下，将探头与CXK12-Z矿用本安型钻孔成像仪主机连接，打开电源，将照度计放置在探头前端3～5 cm处，观察照度计的读数，照度计测试本方案光源照度为1080 lx。

3)现场应用。本方案设计的照明灯板和稳压及驱动电路板用于钻孔成像仪观测钻孔时对钻孔内部进行照明。组装一套钻孔成像仪，在实际钻孔中进行测试。本文设计的探头光源能够为钻孔成像仪提高稳定可靠的光源，使钻孔成像仪清晰准确获取钻孔内部的图像信息。图6为将本文设计的光源应用在钻孔成像仪探头中，在实际黑暗钻孔中采集到的视频图像。

图6 钻孔内部图像Fig.6 Inside image of borehole

5 结论

钻孔成像仪获取钻孔内部的图像信息，稳定可靠的光源必不可少。本文对钻孔成像仪探头的照明系统进行研究，设计了照明灯板、稳压及驱动电路板，并通过试验验证本方案照明稳定、可靠，照明照度高，满足钻孔成像仪现场应用的实际需求。