滕 飛, 孫德立, 劉婷婷, 千承輝

(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 長(zhǎng)春 130061)

0 引 言

地面瞬變電磁探測(cè)技術(shù)是應(yīng)用較為廣泛的一種物探方法[1], 其使用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng), 在一次磁場(chǎng)間歇期中利用傳感器觀測(cè)地下介質(zhì)中的二次感應(yīng)渦流場(chǎng), 進(jìn)而解析電阻率信息[2]。在高校地學(xué)儀器課程教學(xué)中, 瞬變電磁儀的實(shí)踐是必修課之一。這類的物探儀器教學(xué)方法普遍是安排學(xué)生參觀, 老師簡(jiǎn)單介紹儀器工作原理和方法, 因此教學(xué)效果不明顯。有條件的學(xué)校使用生產(chǎn)儀器在野外進(jìn)行試驗(yàn), 但成本高, 且昂貴的儀器只能讓培訓(xùn)過(guò)的老師操作, 學(xué)生參與度低, 仍有很大的局限性。

筆者針對(duì)地學(xué)儀器課程實(shí)踐教學(xué)需要, 基于ARM(Advanced RISC Machine)控制器和可編程邏輯器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)設(shè)計(jì)了一套瞬變電磁實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)演示瞬變電磁儀的激發(fā)、 信號(hào)采集等過(guò)程, 同時(shí)允許學(xué)生親自動(dòng)手操作儀器, 通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)瞬變電磁二次場(chǎng)信號(hào)形態(tài), 理解瞬變電磁理論方法, 達(dá)到良好的教學(xué)目的。整套系統(tǒng)按照實(shí)際生產(chǎn)儀器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 發(fā)射頻率3.125 Hz、 12.5 Hz和25 Hz可選, 疊加次數(shù)1～512次可調(diào), 具有體積小、 成本低和功能豐富等優(yōu)點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

瞬變電磁教學(xué)模型系統(tǒng)采用立式中心回線結(jié)構(gòu), 以空氣作為均勻介質(zhì), 利用異常線圈模擬良導(dǎo)電性有限導(dǎo)體, 實(shí)現(xiàn)二次渦流場(chǎng)的感生與觀測(cè), 探測(cè)原理如圖1所示。

圖1 瞬變電磁教學(xué)模型系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Working principle of transientelectromagnetic teaching model system

系統(tǒng)包括發(fā)射/接收一體機(jī)、 接收傳感器、 異常線圈和上位機(jī)控制軟件4部分。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。發(fā)射/接收一體機(jī)內(nèi)部包含發(fā)射系統(tǒng)和采集系統(tǒng), 發(fā)射系統(tǒng)產(chǎn)生雙極性方波信號(hào), 通過(guò)發(fā)射線圈發(fā)射激勵(lì)源； 采用異常線圈模擬良導(dǎo)電性有限導(dǎo)體, 激勵(lì)信號(hào)瞬時(shí)關(guān)斷后, 異常線圈內(nèi)即產(chǎn)生二次渦流場(chǎng)； 采集系統(tǒng)通過(guò)接收線圈、 前置放大電路, 將二次渦流場(chǎng)信號(hào)放大后送至24位采集卡中, 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至上位機(jī)； 上位機(jī)控制軟件在PC104工控機(jī)上運(yùn)行, 實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射接收系統(tǒng)的控制、 實(shí)時(shí)顯示接收信號(hào)波形和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等功能。系統(tǒng)功率發(fā)射電源采用可調(diào)直流電源提供, 內(nèi)部測(cè)控單元使用鋰電池供電。

圖2 瞬變電磁教學(xué)模型系統(tǒng)整體框圖Fig.2 Overall block diagram of transient electromagnetic teaching model system

2 發(fā)射/接收一體機(jī)設(shè)計(jì)

該模型系統(tǒng)收發(fā)距離較近, 因此將發(fā)射機(jī)與接收機(jī)設(shè)計(jì)為一體化模式。發(fā)射/接收一體機(jī)包括主控單元、 功率發(fā)射單元、 接收傳感器、 采集卡和工控機(jī)5部分。

2.1 主控設(shè)計(jì)

一體機(jī)以32位ARM控制器STM32F103RBT6作為控制核心, 負(fù)責(zé)接收與解析上位機(jī)發(fā)送的參數(shù)并記錄采集周期, 通過(guò)串口與PC機(jī)通信。使用可編程邏輯芯片EPM1270T144C5N產(chǎn)生發(fā)射時(shí)序波形, EPM1270具有內(nèi)部邏輯單元豐富、 價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。ARM和EPM1270主要通過(guò)SPI(Serial Peripheral Interface)串行外設(shè)接口協(xié)議進(jìn)行通訊, 時(shí)序如圖3所示。片選信號(hào)CS(Chip Select)低電平有效, 當(dāng)ARM需向CPLD發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)時(shí), ARM將CS片選信號(hào)置低, 產(chǎn)生SCK(Serial Clock)時(shí)鐘信號(hào), 在SCK信號(hào)上升沿前將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)放在MOSI(Master Output Slave Input)主機(jī)輸出從機(jī)輸入端口； 當(dāng)SCK時(shí)鐘信號(hào)上升沿時(shí), MCU讀取MISO(Master Input Slave Output)主機(jī)輸入從機(jī)輸出端口的數(shù)據(jù), 同時(shí)CPLD檢測(cè)到SCK上升沿時(shí)將MOSI端口數(shù)據(jù)讀取并存儲(chǔ)； 當(dāng)8位數(shù)據(jù)傳輸完成后, ARM將片選信號(hào)CS拉高, 停止產(chǎn)生SCK信號(hào)。

圖3 SPI總線傳輸時(shí)序Fig.3 SPI bus transmission timing

利用CPLD設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī), 定義OUTA和OUTB為兩個(gè)輸出引腳。狀態(tài)機(jī)包含“000、001、010、011、100”5個(gè)狀態(tài), 分別對(duì)應(yīng)OUTA發(fā)射-OUTB停止、 低電平采集、 OUTA停止-OUTB發(fā)射、 低電平采集及觸發(fā)和故障狀態(tài)。其中前4個(gè)狀態(tài)為循環(huán)執(zhí)行, 最后1個(gè)狀態(tài)為跳出執(zhí)行保護(hù)。系統(tǒng)中CPLD選用50 MHz時(shí)鐘源, 每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)不同的分頻系數(shù)如表1所示。

表1 不同頻率對(duì)應(yīng)的分頻參數(shù)

CPLD接收到發(fā)射指令, 將對(duì)應(yīng)的頻率參數(shù)賦值給定義的分頻系數(shù)寄存器, 然后計(jì)算出每個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間并循環(huán), 若循環(huán)過(guò)程中出現(xiàn)“000、001、010、 011”4個(gè)狀態(tài)規(guī)定情況以外的發(fā)射邏輯, 則系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入“100”狀態(tài), 自動(dòng)停止發(fā)射并復(fù)位。在每個(gè)信號(hào)周期結(jié)束的同時(shí), 產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)TRIG(Trigger), 該信號(hào)一方面觸發(fā)采集卡采集信號(hào), 另一方面觸發(fā)ARM控制器的外部中斷, 檢測(cè)采集次數(shù)。若達(dá)到設(shè)定次數(shù), 則令STM32的CPLD使能引腳EN(Enable)失效, CPLD停止工作； 若未達(dá)到設(shè)計(jì)次數(shù), 則繼續(xù)工作。其發(fā)射時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 瞬變電磁模型系統(tǒng)發(fā)射時(shí)序Fig.4 Transmitting timing of transient electromagnetic model system

2.2 功率發(fā)射電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中的發(fā)射電路選用經(jīng)典的H型全橋電路, 該電路具有開(kāi)關(guān)器件承受電壓低, 輸出電壓高、 輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)[3]。開(kāi)關(guān)器件選擇N溝道功率型場(chǎng)效應(yīng)管FQA160N8, 該芯片正向?qū)妷鹤畲?0 V, 導(dǎo)通電流最大160 A, 滿足系統(tǒng)要求。設(shè)計(jì)RCD(Resistance Capacitance Diode)吸收電路抑制場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高壓尖峰[4-5]。前端利用IAR2110作為驅(qū)動(dòng)緩沖單元, IR2110是一款高速并帶有隔離功能的大功率場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器, 最高驅(qū)動(dòng)頻率達(dá)500 kHz, 單芯片可驅(qū)動(dòng)同一橋臂的兩路開(kāi)關(guān)管[6]。利用IR2110將CPLD產(chǎn)生的雙路脈沖時(shí)序信號(hào)TA和TB擴(kuò)展至4路信號(hào), 控制H全橋電路對(duì)直流電源進(jìn)行斬波。雙極性電流通過(guò)發(fā)射線圈即可產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。電路原理圖如圖5所示, 圖中L1和L2連接發(fā)射線圈兩端。

圖5 H全橋功率發(fā)射電路原理圖Fig.5 H full-bridge power transmitting circuit schematic

發(fā)射線圈采用玻璃鋼材質(zhì)的U型槽搭建, 邊長(zhǎng)1 m, 使用截面4 mm2單芯線纜纏繞10匝, 內(nèi)阻0.12 Ω, 電感310 mH。由于發(fā)射線圈內(nèi)阻過(guò)小, 為使實(shí)驗(yàn)室電源正常工作實(shí)際在發(fā)射線圈中串聯(lián)一只20 Ω的限流功率電阻。

2.3 傳感器設(shè)計(jì)

接收傳感器由天線和前置放大電路兩部分組成。天線選用了正方形PCB(Printed Circuit Board)封裝的空心線圈, 相比在骨架上繞制的接收線圈, PCB線圈更加便于制作, 同時(shí)避免了由于手工繞制差異導(dǎo)致的分布參數(shù)過(guò)于離散的問(wèn)題。感應(yīng)式空心線圈通過(guò)測(cè)量感生電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量, 感生電動(dòng)勢(shì)與線圈兩端的電壓為

(1)

其中N為空心線圈的匝數(shù),A為空心線圈邊長(zhǎng),Bz為磁場(chǎng)的z軸分量, 實(shí)際線圈除了接收有效信號(hào)外還包含一些其他的電路參數(shù), 空心線圈的等效電路如圖6所示。

圖6 感應(yīng)式空心線圈等效電路圖 圖7 雙運(yùn)放儀用放大器電路原理圖 Fig.6 Equivalent circuit diagram of Fig.7 Dual-op amp instrumentation inductive hollow coil amplifier circuit schematic

接收線圈可等效為一個(gè)二階電阻-電容-電感諧振(RLC)網(wǎng)絡(luò)[7], 其輸出表達(dá)式為

Vout=VinH(ω)

(2)

其中H(ω)是傳遞函數(shù), 其表達(dá)式為

(3)

(4)

前置放大電路采用雙運(yùn)放搭建的儀用放大器結(jié)構(gòu), 雙通道精密運(yùn)算放大器擁有良好匹配, 相較于分立單運(yùn)放搭建的儀用放大器有更高的共模抑制比[11](CMRR: Common Mode Rejection Ratio), 電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

電路的增益可通過(guò)電阻RG調(diào)節(jié), 電路的增益表達(dá)式為

(5)

由于雙運(yùn)放的輸入阻抗本身較高, 使信號(hào)輸入時(shí)可能存在較大的失調(diào), 所以整個(gè)電路的共模抑制性能還受到兩個(gè)橋臂電阻的匹配限制。共模抑制比好壞可由[12]

(6)

估計(jì)。其中MS為這個(gè)電路中的電阻匹配精度, 以百分?jǐn)?shù)表示,G是電路增益。由式(6)可見(jiàn), 整個(gè)電路的共模抑制比隨著整體增益的上升而上升, 隨著電阻本身不匹配度的上升而下降, 因此整個(gè)電路的電阻選擇十分重要。系統(tǒng)選用了薄膜激光調(diào)整電阻陣列LT5400, 其電阻的匹配精度可達(dá)0.01%, 在20倍增益下CMRR的最佳值為106 dB, 而若選用5%精度的普通碳膜電阻, 在20倍增益下CMRR最優(yōu)值僅為52 dB, 該值已經(jīng)低于運(yùn)放本身的CMRR, 因此不能忽視電阻的匹配精度。為保護(hù)放大電路, 避免后級(jí)的信號(hào)調(diào)理電路被線圈耦合進(jìn)入瞬態(tài)高壓燒毀, 在差分輸入端還設(shè)計(jì)了輸入鉗位保護(hù)二極管[8](見(jiàn)圖8), 能在大能量引入接收電路時(shí)將能量由電源泄放, 達(dá)到保護(hù)芯片的目的。

圖8 信號(hào)輸入鉗位保護(hù)電路Fig.8 Signal input protection circuit

2.4 工控機(jī)和采集卡

一體機(jī)內(nèi)部裝有小型PC104工控機(jī), 型號(hào)為EPC92A1。工控機(jī)使用Intel Bay Trail-I E3845低功耗高性能處理器, 擁有1路PC104接口, 1路VGA(Video Graphics Array)視頻接口, 4路USB2.0和2路串口等豐富接口, 能運(yùn)行Visual Studio等常見(jiàn)開(kāi)發(fā)軟件, 可替代電腦主機(jī)功能, 非常適合安裝在工業(yè)控制機(jī)箱中, 系統(tǒng)中使用該工控機(jī)搭配14寸液晶屏幕, 運(yùn)行上位機(jī)控制軟件。采集卡選擇北京新超科技有限公司生產(chǎn)的24位高速采集卡USB2404, 該采集卡是一款支持USB2.0總線的高速、 高精度的4通道同步采集卡, 采樣率高達(dá)156 kS/s, 支持外觸發(fā)和軟件定時(shí)觸發(fā), 擁有4路模擬信號(hào)、 1路外觸發(fā)信號(hào)。USB-2404模擬輸入信號(hào)采用差分輸入方式進(jìn)入ADC(Analog-to-Digital Converter)轉(zhuǎn)換, 轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在大容量存儲(chǔ)器SDRAM(Synchronous Dynamic Random-Access Memory)中, 自帶差分放大器和數(shù)字濾波器, 提供Visual Stiodio開(kāi)發(fā)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。該系統(tǒng)采用外部同步觸發(fā)模式, 觸發(fā)完成后連續(xù)采集信號(hào)并通過(guò)USB端口送至上位機(jī)。

3 異常線圈設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬不同導(dǎo)電性的有限導(dǎo)體, 傳統(tǒng)方法多用不同濃度的鹽溶液, 雖然便宜, 但在實(shí)驗(yàn)室建立鹽水槽體積會(huì)很大, 而且要求實(shí)驗(yàn)室有上下水管道, 同時(shí)鹽水導(dǎo)電率的一致性也不好控制。另一種方法則是使用定制材料, 但成本高, 且材料模型笨重, 對(duì)固定模型的穩(wěn)定性也要求較高。為此, 本系統(tǒng)使用多匝線圈模擬異常體方案。

由發(fā)射線圈、 接收線圈和待測(cè)異常組成的系統(tǒng), 可看作是兩套互感系統(tǒng)的疊加： 由發(fā)射線圈和待測(cè)異常組成的互感系統(tǒng), 以及待測(cè)異常和接收線圈組成的互感系統(tǒng)?？臻g共軸的兩線圈的互感系數(shù)可由[13]

(7)

計(jì)算。其中d為兩個(gè)線圈中心的距離,l1、l2為線圈的輪廓。因此發(fā)射線圈在異常線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(8)

其中ITC為發(fā)射線圈電流,φTC為發(fā)射線圈磁通量,MAT為發(fā)射線圈和異常線圈之間的互感系數(shù)。由于互感作用, 在異常線圈中會(huì)產(chǎn)生新的感應(yīng)電流。異常線圈可等效為一個(gè)電感和一個(gè)電阻串聯(lián), 因此異常線圈中的感應(yīng)電流應(yīng)滿足方程

(9)

其中IAC為異常線圈電流, 對(duì)式(9)進(jìn)行拉氏逆變換, 可得感應(yīng)電流表達(dá)式為

(10)

(11)

同理可得在接收線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

(12)

其中φAC為異常線圈磁通量,MAR為接收線圈和異常線圈之間的互感系數(shù)。因此接收線圈中的電動(dòng)勢(shì)可表示為

(13)

可見(jiàn)在探測(cè)系統(tǒng)不發(fā)生改變的情況下, 接收的感應(yīng)電壓值僅與異常線圈的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。

不同有限導(dǎo)體的時(shí)間常數(shù)τ值如表2所示[14]。當(dāng)異常線圈時(shí)間常數(shù)與有限導(dǎo)體的時(shí)間常數(shù)相同時(shí), 可認(rèn)為在接收線圈中的響應(yīng)相同[15], 而異常線圈的時(shí)間常數(shù)與自身的電感和電阻關(guān)系為τ=L/R[16], 通過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)整線圈電感L和線圈阻值R即可模擬不同時(shí)間常數(shù)的有限導(dǎo)體。

表2 有限導(dǎo)體與時(shí)間常數(shù)對(duì)應(yīng)表

為減小計(jì)算難度, 異常線圈使用鐵氟龍不導(dǎo)磁材料制作環(huán)形骨架, 內(nèi)徑440 mm, 外徑500 mm, 導(dǎo)線截面直徑1.2 mm2, 纏繞64匝。使用數(shù)字電橋測(cè)得異常線圈的直流電阻3.655 Ω, 電感3.953 mH, 計(jì)算其時(shí)間常數(shù)約1.07, 屬于良導(dǎo)電導(dǎo)體。同時(shí), 異常線圈可通過(guò)改變線圈串聯(lián)的電阻值模擬中導(dǎo)電和弱導(dǎo)電導(dǎo)體作為擴(kuò)展應(yīng)用。以此方式不僅能靈活設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案, 而且成本低且容易實(shí)現(xiàn), 讓學(xué)生更能從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)地面瞬變電磁技術(shù)的理論方法。

4 上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件在Visual Studio環(huán)境下采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)[17], 調(diào)用采集卡廠家提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)完成驅(qū)動(dòng)與控制, 具有可視化窗口、 控制菜單欄和操作輸入等功能, 可實(shí)時(shí)記錄和顯示瞬變電磁模型系統(tǒng)的信號(hào)波形和系統(tǒng)狀態(tài)。其軟件流程圖如圖9所示。打開(kāi)控制軟件后, 選擇可用的通信串口, 此時(shí)控制軟件與模型硬件系統(tǒng)自動(dòng)握手, 指示燈變綠, 若握手不成功則提示“請(qǐng)檢查串口！”, 同時(shí)指示燈呈紅色。串口握手成功后, 采集卡自動(dòng)完成驅(qū)動(dòng)并同PC端建立連接。然后填寫(xiě)操作人員信息, 選擇“開(kāi)始測(cè)量”后, 系統(tǒng)提示“信號(hào)采集中, 請(qǐng)勿關(guān)閉電源！”, 同時(shí)發(fā)射預(yù)設(shè)周期數(shù)的雙極性方波。軟件界面可顯示發(fā)射關(guān)斷后的1/4周期數(shù)據(jù)波形。為使學(xué)生更清楚地認(rèn)識(shí)瞬變電磁一個(gè)完整周期發(fā)射的接收信號(hào)形態(tài), 軟件同時(shí)顯示3/4周期曲線, 包含正負(fù)兩個(gè)關(guān)斷過(guò)程和一個(gè)充電過(guò)程。完成后系統(tǒng)提示“測(cè)量結(jié)束, 請(qǐng)保存數(shù)據(jù)！”。該軟件功能豐富, 操作簡(jiǎn)單, 對(duì)電腦配置要求低, 能滿足系統(tǒng)需要。

圖9 上位機(jī)軟件控制流程圖Fig.9 Computer software control flowchart

5 測(cè)試與結(jié)果

系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試, 測(cè)試設(shè)備如表3所示。該實(shí)驗(yàn)發(fā)射電壓設(shè)置為6.8 V, 發(fā)射頻率12.5 Hz, 疊加次數(shù)32次。

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試使用設(shè)備表

實(shí)測(cè)曲線如圖10所示, 感應(yīng)二次場(chǎng)曲線平滑并且符合良導(dǎo)體異常的緩慢衰減趨勢(shì)。使用泰克示波器和泰克電流鉗測(cè)試發(fā)射電流波形, 如圖11所示, 波形正負(fù)兩極對(duì)稱, 頻率準(zhǔn)確, 峰值280 mA。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知, 該模型系統(tǒng)工作正常, 信號(hào)疊加前與疊加后相位一致, 信噪比高, 能正確顯示瞬變電磁發(fā)射關(guān)斷后的二次場(chǎng)響應(yīng)曲線, 符合預(yù)期設(shè)計(jì)。圖12為瞬變電磁實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖10 上位機(jī)軟件測(cè)量曲線圖 Fig.10 PC software measurement curve

圖11發(fā)射電流波形圖 圖12瞬變電磁實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型系統(tǒng)實(shí)物圖 Fig.11 Emission current waveform Fig.12 Transient electromagnetic experiment teaching model system

6 結(jié) 語(yǔ)

瞬變電磁探測(cè)技術(shù)在礦產(chǎn)能源、 地質(zhì)構(gòu)造等勘查中應(yīng)用較為廣泛, 具有很強(qiáng)的實(shí)踐性與實(shí)用性, 是地學(xué)專業(yè)學(xué)生應(yīng)該掌握的一種技術(shù)方法。筆者針對(duì)地學(xué)儀器課程實(shí)踐要求, 采用專業(yè)儀器的硬件結(jié)構(gòu)方案, 設(shè)計(jì)一套瞬變電磁教學(xué)模型系統(tǒng)。系統(tǒng)合理使用異常線圈模擬良導(dǎo)電性有限導(dǎo)體, 具有體積小、 成本低廉、 操作簡(jiǎn)單、 顯示直觀和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn), 后期升級(jí)和可拓展性強(qiáng)。經(jīng)測(cè)試, 該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)能有效獲得瞬變電磁感應(yīng)二次場(chǎng)衰減信號(hào), 可避免常規(guī)物探儀器到野外教學(xué)的復(fù)雜工作, 提升學(xué)生在課程中的學(xué)習(xí)興趣與積極性, 對(duì)課程教學(xué)可起到較好的輔助作用。