串联谐振式航空电磁法发射电路设计与仿真学位毕业论文.doc
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1、论注册会计师审计的独立性与审计风险中文摘要航空电磁法(Airborne Electromagnetic Method)是一种快速高效的航空物探方法,广泛用于矿产资源勘查、油气勘查,以及水文、工程、环境勘查等各个领域。本文在借鉴国外航空电磁法仪器发射电路的特点基础上,设计并制作了串联谐振式航空电磁法发射电路,最终测得谐振线圈电流波形,其峰值电流达到了450A。论文首先论述了航空电磁法的研究意义和探测原理,介绍了国内外航空电磁法仪器的发展现状及技术指标,提出了串联谐振式航空电磁法发射电路特点及其应用。论文中主要论述了串联谐振发射电路的设计、仿真、实现及模型试验:首先,根据发射电路所需技术指标,提出
2、电路设计方案,并对谐振回路进行了原理性仿真;第二,编制所需软件程序,设计制作所需控制、驱动等硬件电路,完成控制驱动电路的焊接与调试;第三,完成整体发射电路的连接,并根据现有条件完成室内的模型试验;第四,对测试结果进行分析,提出下一步工作建议;最后,进行全文总结。关键词:航空电磁法 串联谐振回路 控制驱动电路 模型试验III外文摘要Title:Design and Simulation of Airborne Electromagnetic Transmitting Circuit in Series ResonantAbstractAEM (Airborne Electromagnetic M
3、ethod) is a kind of quickly and efficiently of aerial geophysical exploration way. AEM is widely used in mineral resources prospecting and basic geological survey (regional litho logic and structural geology mapping), the oil and gas exploration and hydrology, engineering, environmental exploration,
4、 and other areas. The paper is based on the characteristics of the abroad AEM instrument transmission circuit, designs and completes the Airborne Electromagnetic Transmitting Circuit in Series Resonant. The paper obtained the final testing waveform of the resonant loop and the peak value gets to 450
5、A.Primarily, the paper discusses the study significance of AEM and its detecting principle, introduces the abroad AEM instruments present situation and its features, and gives the features of Airborne Electromagnetic Transmitting Circuit in Series Resonant and its application. The paper mainly discu
6、sses the design, simulate, realize and model testing of Airborne Electromagnetic Transmitting Circuit in Series. Firstly, based on the feathers of the transmitting circuit, gives the design plan of circuit simulates the circuit for the principle. Secondly, programs the program which is in need. Desi
7、gns the controlled and droved circuit, and makes it. Thirdly, completes the connecting of the whole circuit and the inside model testing based on the existing conditions. Fourthly, analyses the testing result. Finally, makes a summary of the whole paper.Keywords: AEM Circuit in Series Resonant Contr
8、olled and Droved Circuit Model Testing目 录1 绪论11.1 题目的研究背景11.2 航空电磁法的原理21.3 航空电磁法仪器的国内外发展现状21.4 发射电路特点和主要应用32 发射电路整体方案设计52.1 发射电路方案设计52.2 发射电路方案可行性仿真93 控制驱动电路设计与实现123.1 控制电路设计与实现123.2 驱动电路设计163.3 控制驱动电路实现183.4 控制驱动电路结果测试194 整体电路指标测试与结果分析204.1 串联谐振回路连接204.2 串联谐振回路测试204.3 结果分析225 下一步工作建议24总结25参考文献26致 谢
9、28IV1 绪论1.1 题目的研究背景航空电磁法 (Airborne Electromagnetic Method简称AEM)是航空物探常用的测量方法之一。50多年来,航空电磁法测量技术取得了巨大的技术进步。1948年夏季,Stanmac和McPhar公司在加拿大进行了固定翼飞机航空电磁法系统的首次成功试验飞行,标志着勘探地球物理的新分支航空电磁法的诞生。50年代是测量平台 (直升机和固定翼飞机)和系统配置(硬架式发射、接收系统,大间距双吊舱系统等)的创新时期,60年代,系统品种增多,技术不断改进;70年代,航空电磁法技术进一步完善;80年代,航空电磁法系统朝着多线圈、多频率、高分辨率的直升机
10、系统或者朝着大穿透深度、时间域、固定翼飞机系统的方向发展;90年代,固定翼飞机系统一般测3个分量,并选择合适的脉冲宽度和脉冲频率,以期在导电地层中有更大的有效穿透深度。直升机系统一般是5个线圈对和5个频率,或者是更多的线圈对,以期获得更高的分辨率。最近几年AEM在测量系统、数据处理和数据解释技术方面都有了新的发展。应用领域也在不断发生着变化,尤其是欧美、加拿大、澳大利亚等国将航空电磁法广泛用于环境,土壤土质等领域。我国对航空电磁法的研究起始于20世纪50年代末,我国航空电磁法发展并不顺利,70年代末我国才开始引进国外先进的仪器设备。80年代我国物探工作者总结了历史经验,把注意力转向应用航空电磁
11、法进行地质填图、间接找矿、水文和农业生态地质调查 、环境等领域。航空电磁法数据处理及解释相对比较复杂。虽然我国AEM发展不顺利,但我国物探工作者对该方法的数据质量评价、数据处理、图示、反演、解释等还是开展了必要的研究工作。但总体来说我国航空电法与国际发展水平还有相当大的差距。因此对航空电磁法系统的研究就显得尤其重要。1.2 航空电磁法的原理时间域航空电磁勘探,其勘查系统示意图如图1-1所示,它是利用不接地回线(大回线,磁偶源),在直升机航行过程中向地下发送一次场,测量由地下或海洋介质产生的感生电磁场(二次场)随时间的变化场,从而探测地下不均匀体的位置,并估计其规模和导电性能。吊舱发射线圈接收线
12、圈直升机图 1-1 航空电磁探测系统示意图勘查装置由发射系统和接收系统两部分组成,当发射线圈中通以变化电流 ,根据电磁感应理论,发射回线中电流突变必将在其周围产生变化的磁场,该磁场称为一次磁场,一次磁场在周围传播过程中,如遇到地下或海洋良导电的地质体,将在其内部激发产生感应电流,又称涡流或二次电流,二次电流随时间变化,因而在其周围又产生新的磁场,称为二次磁场。由于良导电地质体内感应电流的热损耗,二次磁场大致按一定规律随时间衰减,形成瞬变磁场。二次磁场主要来源于良导电地质体的感应电流,因此它包含着与地质体有关的地质信息,通过接收回线对二次磁场进行观测,并对观测的数据进行分析和处理,对地下地质体的
13、相关物理参数进行解释。1.3 航空电磁法仪器的国内外发展现状我国航空电磁法的发展从二十世纪50年代末开始,最早地质部物探所开始研制长导线半航空电磁探测仪器,后转入研制硬架频域系统,这期间我国有多家科研机构开展了各类航电系统的研制,1976年北京地质仪器厂开展直升机时域系统研制,中途下马;19741980年,冶金桂林地质研究所也开展过直升机时域系统研制;目前,吊舱式时间域直升机电磁勘查系统,尚处于空白状态。目前世界上有9种吊舱式直升机时间域航空电磁勘查系统,隶属于不同的勘探公司或矿业公司,有些已相当成熟,如Geotech公司的VTEM系统,Aeroquest公司的Aero TEM系统,Fugro
14、的HeliGEOTEM系统,GPX公司使用的HoistEM,THEM Geophysics Inc.和McPhar Geosurveys Ltd.公司使用的THEM系统等等。总体上看,各系统发射机可分为方波(梯形波)和半正弦波发射方式,各系统发射机主要技术指标如下表所示。表1-1 国外系统比较 系统指标名称AeroTEM(IV)(Aeroquest公司)HoisTEM(GPX公司)THEM(T.H.E.M公司)VTEM(Geotech公司)HeliGEOTEM30Hz(90Hz)(Fugro公司)发射面积(m2)11337510553195发射线圈(圈数) 71242偶极矩峰值(NIA)395
15、,000120,000250,000650,000750,000发射电流(A)50032014003001210基频(Hz)30/90253025/3030发射波形三角方形半正弦梯形半正弦发射脉冲时间(ms)1.86544.5-741.4 仪器主要应用和发射电路特点1.4.1 仪器主要应用航空物探方法具有低成本快速度,从宏观上探测大区域地球物理场的优势。在我国航空电磁法相对于航磁而言发展较为缓慢,但航空电磁法的物理原理又使它具有其他航空物探方法所不能替代的功能和优势(如寻找地下水、环境调查等)。因为航空物探技术是最基本、最快速、最经济和最可靠的方法技术。我国地形、地貌条件多种多样,特别是山区多
16、,增加了地面物探工作的难度。而高精度的航空物探(在空中)测量,有可能克服这些条件带来的困难。航空电磁法是航空物探常用的测量方法之一。具有速度快、成本低、通行性好、可大面积覆盖、可用于海域等优势,尤其是在运积层或植被发育的覆盖地区,它更具有一般勘探手段难以达到的效果。用航空磁测资料找煤、水雷、沉船、潜艇;用航空综合物探找寻金伯利岩、考古;国外用航磁梯度找寻地下油气管道等。总之,航空物探技术可应用许多方面。随着国民经济的快速增长,人民生活水平不断提高,科学技术的发展,航空物探的应用范围会更加广阔。1.4.2 发射电路特点基于以上原因,航空电磁仪器的研制势在必行。本文主要描述对串联谐振式航空电磁法发
17、射电路的设计与仿真,本发射电路具备以下特点:1、输出大电流,最大峰值电流为450A;2、电流波形为半正弦基频可调;3、基频的三种形式为25Hz、75Hz、125Hz;4、同步方式采用线同步;5、控制系统采用抗干扰能力极强的单片机,弱电控制与强电部分采用耦合变压器隔离,提高了系统强磁环境下的稳定性。362 发射电路整体方案设计航空电磁法仪器主要分为发射机和接收机两部分,发射机为电磁法勘探提供场源,是电磁法仪器的一个重要部分,而功率发射电路更是发射机的关键组成部分,发射电路的性能好坏直接影响整个电磁法仪器的探测效果和工作效率。现代航空电磁法发射电路主要根据电流发射波形分为方波发射电路、三角波发射电
18、路、半正弦发射电路等。本章将要描述半正弦发射整体方案设计及其可行性仿真。2.1 发射电路整体方案设计发射电路整体设计方案的确定主要从电路方案选择、功率器件的选择、谐振线圈的制作等方面阐述。2.1.1 发射电路方案选择经过前期的大量调研和论证,并参考国内外同类仪器的设计方法和性能指标,提出了两种发射电流波形为半正弦的方案。第一种方案,将三相电利用大功率器件构成的桥路整流后通过SPWM的控制方式逆变产生发射电流波形为半正弦,他人利用MATLABSimulink模块仿真,仿真原理图及结果如图2-1、2-2所示。图2-1 SPWM方式发射电路仿真原理图2-2 SPWM方式发射电路仿真结果第二种方案,利
19、用发射线圈自身的电感和定制的电力电容构成串联谐振支路,这样可以通过控制晶闸管的开通时刻使谐振支路循环处于不同回路之中而达到谐振状态,电路原理如图2-3所示。对于图2-3所示的RLC串联支路来说,它的输入阻抗是 (2-1)其实部是一个常数,而虚部则为频率的函数。在某一频率时,电抗为零,阻抗的模为最小值,且为纯电阻。因此在一定输入电压下,电路中的电流将为最大,且电流与输入电压同相,这时电路便达到谐振状态。图2-3串联谐振电路原理比较两种方案,由图2-2可以看出第一种方案要想达到项目要求的指标峰值电流2500A,要求功率器件有较大的容量,而且通过SPWM的控制方式实现半正弦发射电流波形要求的控制策略
20、比较复杂,同时要求功率器件有一定的开关能力;从图2-1中也能看出这种方案的附加电路也很复杂,实现起来比较困难。第二种方案的提出完全解决了第一种方案实现起来所遇到的问题,它是通过控制两个大功率晶闸管的开通时刻,并利用晶闸管电流过零关断的特性使两个蓄电池分别给串联谐振支路供电使之达到谐振状态。从原理图2-3中可以看出,该方案主体电路连接简单易于实现,所以选择第二种方案作为实施方案。2.1.2 功率器件的选择由前述本设计采用串联谐振电路方案实现大电流发射,功率器件选择大功率晶闸管。本设计根据项目指标要求谐振线圈峰值电流达到2500A,半正弦电流波形脉宽为4ms,具体参数如图2-4所示(图中所示基频为
21、25Hz)。2500A(半正弦波)20ms4ms图2-4串联谐振电路指标波形根据图示参数选择晶闸管型号,晶闸管参数在选择时主要需要考虑通态平均电流、通态方均根电流值。通态平均电流计算公式如下: (2-2)由指标知=2500A,代入式2-2得A。通态方均根电流计算公式如下: (2-3)将A代入式2-3得。同时考虑晶闸管裕量和晶闸管的工作状态(晶闸管在一个周期之内处于导通状态的时间比较少),又出于经济性的考虑,在选择晶闸管通态平均电流值参数时,取其计算值的1.5倍,即取通态平均电流的参数的晶闸管即可满足要求。本设计选用的晶闸管是襄樊台基半导体有限公司生产的Y45KPE系列产品,部分参数如表2-1:
22、表2-1 晶闸管Y45KPE部分参数符号参 数测 试 条 件结温Tj(C)参 数 值单位最小典型最大IT(AV)通态平均电流180正弦半波, 50Hz双面散热, Ths=75C1251000AIT(AV)通态平均电流180正弦半波, 50Hz双面散热, Ths=55C1251271AITSM通态不重复浪涌电流10ms底宽, 正弦半波,VR=0.6VRRM12513KAIGT门极触发电流VA=12V, IA=1A2540300mAVGT门极触发电压0.83.0VIH维持电流20250mA2.1.3 谐振线圈的制作本设计主要根据已设计完成的参数进行谐振线圈的制作,具体要求制作4匝铝管制线圈,尺寸要
23、求:铝管内径30mm、外径36mm,四匝线圈分为两种规格:8m直径线圈两匝、7.7m直径线圈两匝;四匝线圈分别制作完成后,将四匝线圈串联留出两个接头,并相互隔离开来。制作线圈所购置的铝管材料只有6m长,需要通过将多根铝管经过弯管加工后连接成为一个完整的线圈。两两铝管之间用特制接头连接,目的是能够尽量增大接头与铝管的接触面积,最大程度减少接触电阻。谐振线圈全部制作完成后测量其参数,利用TENMARS公司生产的TM-508A系列毫欧表测量整体线圈电阻,利用电桥测量线圈电感。电阻值=7.5m,电感值=290。实际线圈如图2-5所示。图2-5谐振线圈实物2.2 发射电路方案可行性仿真仿真是进行电路设计
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