电火花震源充电实时监控系统设计

杨德宽，张 剑，胡少兵，王军民，杨昌乐

（1.中石化石油工程地球物理有限公司胜利分公司，山东东营 257086；2.长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉 430100；3.武汉长大物探科技有限公司，湖北武汉 430100）

电火花震源是一种可控震源，与传统的炸药震源相比更加安全环保，已在地质勘探和石油开采中得到广泛应用。电火花震源研究起始于1957 年，但一直受制于子波重复性差、充电效率低、性能不稳定等问题，直到本世纪初，随着电力电子和机械加工技术的发展，电火花震源的研究取得了重大突破，在国内也相继出现了成熟的电火花震源产品。2009 年，中科院电工所研制的海鳗20 kJ 电火花震源系统在南海北部试验成功，2015 年，武汉长大物探科技有限公司研制出了CD-2 便携式电火花震源[1-3]。

目前，国内投入使用的电火花震源在充电控制环节一般采用开环控制，当外界环境改变时，开环控制系统很难保证震源能量的一致性。文中以长大物探科技有限公司的CD-2 便携式电火花震源作为改进对象，在其基础上设计了充电实时监控系统。该监控系统分作两路，一路将采样的电压信号无线传输到专用显示屏，供操作者参考；另一路将采样的电压信号反馈给充电控制系统，由充电控制系统比对电容储能电压是否达到预定值或出错，进而给出相应控制命令，实现闭环充电控制。

1 电火花震源的基本原理

电火花震源是可将电能转换为机械能的动力装置，其本质是一种液电效应。当对放置于液体中的一对电极施以脉冲高压时，电极间液体电离，形成等离子放电通道，产生的瞬时大电流会加热通道周围液体，使液体汽化并迅速向外膨胀，从而产生强大的冲击波，作用于周围介质[4-5]。其理论储能大小与电容电压之间的关系为：

其中，C为电容，单位为F；U为电容电压，单位为V；W为震源能量，单位为J。

2 充电实时监控系统设计

2.1 监控系统整体设计

充电实时监控系统整体设计见图1。在CD-2便携式电火花震源上增加了电压信号采集模块和显示模块，如图中虚线框标示[6-9]。采集的电压信号一路直接反馈给MCU 主控单元，另一路通过433 无线传送给手持设备显示。信号采集模块采用两片AVR单片机Atmega328P 作为控制单元，这是一种精简指令集的8位单片机，具有价格低廉、操作简单、运行速度快、功耗低、自带AD 转换、接口丰富等特点，其性能完全满足设计指标需求[10]。显示模块采用STM8l152c8t6 单片机作为控制单元，负责接收来自433无线模块的串口数据，并控制显示屏输出[11-12]。

图1 充电实时监控系统整体设计

2.2 电压信号采集模块

电火花震源储能电容的电压最高可达10 kV，必须分压后才能测量，电压采集电路见图2。C1是储能电容，与之并联的两个分压电阻阻值比为999∶1，若C1上有最大充电电压10 kV，则Vi最大分压不超过10 V；电路中并联有10 V 的瞬态抑制二极管，可以有效吸收浪涌脉冲，保护电路；R3与C2构成了一个基本的RC滤波电路，进一步消除电压采集时的干扰和毛刺，使采集的电压值Vi更加稳定；HGND 是定义的高压地，需与隔离的低压地相区别。

图2 电压采集电路

线性光电隔离采用HCNR201 芯片，其电路联结见图3。HCNR201是高线性度光耦，它由一个发光二极管（LED）和两个同种工艺的光电二极管组成。其中一个光电二极管（PD1）在隔离电路的输入部分，另一个光电二极管（PD2）构成隔离电路的输出部分[13]。

电压信号Vi作为输入，HVCC 是输入端供电电压，HGND 是输入端地，VCC 是输出端供电电压，gnd是输出端地，输入端与输出端是隔离的，设输出端与输入端供电比值为K1，供电电压确定后，K1为一常数；在发光二极管LED 导通时，PD1 上流过的电流为I1，PD2 上流过的电流为I2，电流比值固定，设输出端与输入端电流比值为K2，根据运放的虚短和虚断概念，输出端与输入端有关系式：

考虑到（2）式中K1、K2、R1、R3都是常数，Vo与Vi成线性关系。

电压信号采集模块双层PCB 电路板见图4，使用两片Atmega328P 单片机分别采集数据Vo，其中一块将采集的数据反馈给MCU 主控单元，另一块将数据发送给显示模块。单片机Atmega328P 自带10 位AD转换，当采用16 MHz 晶振时，完成一次AD 转换的时间小于100 μs。反馈支路对传输速度要求较高，Atmega328P（1）每毫秒采集一次Vo信号，并通过UART 串口传输给MCU 主控单元，波特率设置为76.8 kbps。显示支路的数据主要用于观察，每100 ms只需传输一次数据即可，Atmega328P（2）每10 ms 采集一次Vo信号，连续采集10 次，对10 次数据取中位数，通过UART 串口与433M 无线发射器相联结，发送给显示模块，波特率设置为9.6 kbps。

图4 电压信号采集模块双层PCB板实物图

Atmega328P（1）程序流程见图5，采用1 ms 定时中断，在中断子程序中完成AD 转换，并将转换后的电压数据串行发给MCU 主控单元，串口发送时采用查询方式。

图5 Atmega328P（1）程序流程图

Atmega328P（2）程序流程见图6，采用10 ms 定时中断，在中断子程序中进行AD 转换，并将转换后的电压数据存放在RAM 中，数据个数为n+1，判断n是否等于10，若不等于则中断返回；若已有10 个数据，则清除计数n，选出其中的中位数，按照通信协议进行数据打包，再通过串口发出，串口发送时采用查询方式，最后清除已存储的电压数据，中断返回。

图6 Atmega328P（2）程序流程图

2.3 无线遥传和显示模块

文中采用蜂鸟无线公司生产的灵-T2A 无线串口发射模块和灵-R2 无线串口接收模块。该模块采用高性能RF 集成芯片，内置谐波抑制电路和MCU，具有体积小、功耗低、电压范围宽、串口透传等特点，每次传输数据量最多16 字节，默认波特率9.6 kbps。作串口收发时，需注意无线模块的RX 和TX 分别与单片机的TX 和RX 相连。

串口发送和接收的数据格式约定为（每个数据都是16 位）：本包数据长度、发射地址高、发射地址低、数据高、数据低、和校验。每次发6 个数据包，共12 个字节。

显示模块采用大连奇耘电子公司生产的QYF2968 液晶屏，PCB 板和成品见图7。PCB 板边缘红色带天线的为灵-R2 串口无线接收器，U1 为单片机STM8l152c8t6，板上的蜂鸣器可以在充电发生严重错误时报警提示操作者。实物图正面即为液晶显示，该图抓拍于充电过程中，其上的6553 表示储能电容在抓拍时刻的实时电压，单位为V，两个按键功能分别为电源与背景灯。

图7 显示模块实物图

单片机STM8l152c8t6 程序流程见图8，包括串口接收数据和实时显示两部分，都采用中断方式，串口中断设置为高优先级，防止接收时被打断而出错。每20 ms 调用一次显示程序，这个更新频率既不会造成屏幕闪烁，也不会丢失显示用的实时数据。

图8 单片机STM8l152c8t6程序流程图

2.4 MCU主控单元反馈控制算法

MCU 主控单元反馈控制算法需要保证采集电压数据的实时性和正确性。数据在采集和传输过程中有可能会出错，直接根据单次采集电压作判断，可能引起错误的结果；而电容电压是持续递增的，若是采用滚动平滑滤波或取中位数的数据处理方法，又会丢失信号的实时性。根据电容电压不可突变的原理，文中采用将当前收到的电压数据与上次数据进行对比，在充电过程中，该次电压必然大于或等于上次电压值且不会高太多。若差值在设定范围内则认为数据有效，否则丢弃该数据，并用上次电压值取代，记录下出错的次数。若接下来连续出错数次，则证明充电错误，立即停止充电并释放掉储能，提示出错。根据文献[14-17]的论述，当直线型充电斜率已知时，可以理论计算出充电到某个电压值需耗费的时间，据此设置数个时间节点，比对实际电压值与理论电压值，若二者的差值不在限定范围内，则立即停止充电并释放掉储能，提示出错。

3 系统测试与分析

为了验证充电实时监控系统的有效性，进行了现场测试，采用了4 组800 μF 的电容并联，设置最终电压8 000 V，根据式（1）可知，震源能量约100 kJ。在河沟附近埋设了震源放电探头，间隔放电探头20 m埋设动圈式检波器，实验现场见图9。该实验共充放电100 多次，验证了以下几种情况：

图9 带有充电监控的电火花震源实验现场图

1）并联电容没有接好时的充电情况。当本应接4 组电容而只接了3 组时，在充放电的第一个时间节点，反馈实时电压明显高于理论电压，系统停止充电并报错。证明反馈系统可以检测漏接电容的情况，同理多接电容情况也可以被检测出来。

2）在确保电容和其他电路联结正确后，记录了3次充放电实验，检波结果见图10，可见3 次波形高度相似。

图10 3次单道检波结果对比图

最大振幅与首波负峰振幅见表1，最大振幅相对误差不超过3%，首波负峰振幅相对误差不超过2%，证明震源能量一致性非常好。

表1 3次检波振幅对比

4 结论

在CD-2 便携式电火花震源基础上设计了充电实时监控系统，该系统可以根据实时电压、已充电时间及该时刻理论电压值，判断充放电故障并控制充放电过程；设计了手持式显示模块，为操作者远程手动控制提供参考。实验结果表明，改进后的电火花震源能够自动判断现场施工中的多种错误，为施工过程提供了安全保障；在电路联结正确的情况下，震源能量一致性有显著提升，最大振幅相对误差不超过3%，为准确测量工程数据提供了基本保证。该监控系统的控制算法简单而实用，可为同类产品的充电控制系统改造提供参考。