串联谐振式航空电磁法发射机关键技术研究

图3.15弱电控制系统面板图3.16发射机控制系统整机图第4章发射机整体功能测试与结果分析PAGE52第4章发射机整体功能测试与结果分析4.1概述在前三章工作内容基础上，本章将发射机功率电路部分和弱电系统部分整合到一起进行室内测试实验，通过观测示波器各个部分的实验波形以及分析相关数据给出量化指标。4.2发射机室内实验发射机工作电源选用6KW高频斩波直流稳压电源。主要测试工具为美国Tektronix公司生产的TDS2012B型数字存储示波器。主要测试项目为发射电流波形测试和过冲削弱单元功率电阻电压波形测试。如图4.1所示为串联谐振发射机室内实验现场。图4.1测试现场4.3电流发射测试结果分析4.3.1发射电流峰值计算依据课题要求，本文重点分析发射线圈电流波形，由于线圈中的电流过大而且线圈的电阻只是一个等效电阻无法直接测量，所以选用间接的测试手段，通过感应式互感器测量发射线圈电流波形。互感器采用上海永虹互感器有限公司生产的BH.0.66型号的电流互感器匝数比2500:5，测量方式为：发射线圈有效过流部分穿过互感器中心，互感器测试原理与实物如图4.2和图4.3所示。第4章发射机整体功能测试与结果分析PAGE52图4.2互感器测试原理图4.3互感器实物互感器二次侧输出端并接两个串联在一起的0.2Ω/10W功率电阻，由欧姆定律电阻两端的电压与电流呈线性关系，电阻电压波形即为互感器二次侧的电流波形，图4.4给出了电阻两端的电压波形和串联支路电容的电压波形。图4.4发射机主要指标波形峰值电压约为2V，那么峰值电流需要依据公式4.1计算。………（4.1）式中为电阻两端电压峰值，为电阻阻值，后面的系数是互感器变比，将、带入4.1式得到，达到了课题要求的2500A的指标。从示波器波形可以计算出正弦半波的发射电流波形频率为25Hz，脉宽约第4章发射机整体功能测试与结果分析PAGE52为4ms。4.3.2发射电流波形结果分析通过计算分析实测发射线圈电流波形，并与相同参数设置得到的仿真电流波形进行比对，检测波形差异、脉冲宽度差异、峰值大小差异的参数，最终得到发射机发射电流波形量化指标。图4.5给出了互感器实测电流波形，从示波器横轴计算半正弦波形脉冲宽度为4.1ms左右，与课题要求指标相差2.5%。图4.5实测电流波形表4.1是将实测电流波形以时间轴为基准分为22个测点，计算每个测点电流值形成的数据表格，从表中数据可以看出峰值电流达到2725A，超过课题要求2500A的指标。表4.1实测电流波形各点计算值时间（ms）00.10.30.50.70.9电流峰值（A）025050080011251425时间（ms）1.11.31.51.71.92.1电流峰值（A）172519752238247526252725时间（ms）2.32.52.72.93.13.3电流峰值（A）262525002313206317901490时间（ms）3.53.73.94.1电流峰值（A）11307503750第4章发射机整体功能测试与结果分析PAGE52图4.6给出了相同参数设置得到的仿真电流波形，正弦半波脉宽同为4.1ms，方便与实测波形比对。图4.6仿真电流波形表4.2是将仿真电流波形分为22个点，测量每点的电流值形成的表格。表4.2仿真电流波形各点计算值时间（ms）00.10.30.50.70.9电流峰值（A）0230690105014501775时间（ms）1.11.31.51.71.92.1电流峰值（A）207023202540267027252750时间（ms）2.32.52.72.93.13.3电流峰值（A）267325682372216819001598时间（ms）3.53.73.94.1电流峰值（A）12358624700将上述数据分析整理后得到图4.7所示的结果对比图，图中圆圈线为仿真电流波形、方块线为实测电流波形、三角线为各点差异波形。第4章发射机整体功能测试与结果分析PAGE52图4.7电流波形对比图从结果对比图中我们可以发现两个波形前半段差异比较大，最大差异处达到了峰值电流的12%，后半段最大差异为峰值电流的4.1%，但两波形形状还是比较吻合的。由瞬变电磁探测原理我们知道影响探测结果因素主要由发射电流的后半段决定的，所以发射线圈中的电流波形可以满足探测要求。4.4过冲削弱单元测试结果及分析该单元的工作过程为第3章完成的驱动信号输入双向可控硅的门极和阴极，在交流半正弦两个半波电流波形将要过零的时刻开通，功率电阻并联到发射线圈两端，由于此时感性发射线圈电流的变化率不为零，因此线圈电感的感应电动势将加到功率电阻两端，部分能量将以热量的形式消耗在功率电阻上，从而到达削弱电流过冲的目的。第4章发射机整体功能测试与结果分析PAGE52图4.8过冲削弱单元功率电路原理首先，通过观察图4.8中并接到发射线圈两端的功率电阻的电压波形，并对比电流过零时刻的波形，以此判断功率电阻并接到发射线圈两端的时刻。测试结果如下：图4.9为电流过冲削弱单元不工作时的波形，图4.10为过冲削弱单元工作时功率电阻的电压波形，图中上半部分是发射线圈电流过零时的波形，下半部分是功率电阻两端的电压波形。从图4.9和图4.10对比可以看出，功率电阻在发射电流过零前200μs时刻并联到发射线圈两端。图4.9无过冲削弱电路功率电阻电压波形第4章发射机整体功能测试与结果分析PAGE52图4.10有过冲削弱单元功率电阻电压波形其次，分析过冲削弱电路对过冲电流的削弱能力，由瞬变电磁探测原理的知识我们知道，接收系统接收的信号是发射电流关断后电流相对于时间的变化率。对于感性的发射线圈，在这里我们定义一个“过冲电压”的概念，用符号U表示它的计算公式为：…………………(4.2)式中L为发射线圈电感，为发射线圈电流相对于时间的变化率，由于发射线圈电感不变，所以过冲电压与发射线圈电流相对于时间的变化率成正比，本文将以过冲电压减少的程度来分析电流过冲削弱单元的性能。图4.11给出了发射线圈电流过冲的互感器输出电压波形图。图4.11电流过冲波形图图中显示在22.5μs的时间内电压变化23mv，而根据式4.1计算23mv电压第4章发射机整体功能测试与结果分析PAGE52代表过冲电流变化28.75A。将L=290μH、Δi=28.75A、Δt=22.5μs带入4.2式，得过冲电压U=370.5V，图4.10已标出。过冲削弱单元开通后，功率电阻与发射线圈并联，功率电阻的电压波形即为发射线圈的电压波形。图4.12所示为50Ω功率电阻并联到发射线圈两端的电压波形，图中显示发射线圈的过冲电压为300V，削弱掉过冲电压为70.5V。图4.12采用50欧姆功率电阻波形图图4.13所示为20Ω功率电阻并联到发射线圈两端的电压波形，图中显示发射线圈的过冲电压为75V，削弱掉的过冲电压为295.5V。图4.13采用20欧姆功率电阻波形最后，分析过冲削弱电路对发射电流过冲的抑制能力，从上面的分析我们得出：过冲削弱电阻为50Ω的时候对电流过冲削弱达到19%，过冲削弱电阻为20Ω的时候对电流过冲的削弱达到79.7%，从过冲削弱功率电阻的电压波形我们也第4章发射机整体功能测试与结果分析PAGE52可以看出20Ω功率电阻并联到发射线圈两端对电流过冲的削弱是比较明显的。4.5本章总结本章主要完成了室内测试实验，包括介绍发射电流波形的测试分析、过冲削弱电路的功能测试和分析。通过对测试结果的分析，发射机的发射电流指标能够满足课题要求指标，峰值电流达到2725A、正弦半波脉宽4.1ms、基频25Hz。20Ω功率电阻并联到发射线圈两端时，过冲削弱电路能削弱79.7%的过冲电流，效果比较理想。第5章全文总结及未来展望PAGE52第5章全文总结及未来展望5.1概述 直升机时间域航空电磁法是国内外航空物探测量技术的重要研究方向之一。目前国外已有多家公司能够生产相关的航空电磁勘察系统，而我国在这一领域还处于空白阶段，鉴于直升机时间域航空电磁勘察系统是寻找地下水、良导金属矿体以及地质填图等多种勘查任务的快速、有效的地质勘查方法，有很好的应用前景，我国相关单位已经开始着手研究直升机时间域航空电磁勘察系统。 本论文的研究在国家高技术研究发展计划（863计划）重大项目——航空地球物理勘查技术系统子课题《吊舱式时间域直升机航空电磁勘查系统开发集成》的资助下，着重研究了以串联谐振技术为基础的半正弦电流发射机，在研究中采用了分析设计、仿真研究、实地测试相结合的方法，取得了一定的研究成果。5.2本论文的主要贡献 本主要研究成果： （1）功率发射电路的设计实现 通过选取合理的功率发射电路方案，确定了串联谐振方式的半正弦电流发射电路，给出了电路的结构原理并分析了电路的工作过程，通过对课题要求指标的计算选择相应的功率器件和发射线圈的设计、测试；完成了以单片机为控制核心时序发生电路，给出了相应的硬件电路设计原理图和软件流程图；设计并实现了分立元件搭建的大功率晶闸管驱动电路，给出了相应的电路设计原理图；将时序发生电路与驱动电路结合到一起做到PCB电路板上，通过示波器测试驱动电路输出的驱动信号，验证了该部分满足发射电路的要求。 （2）峰值电流采集记录以及过冲削弱的设计实现 针对飞行过程中无法直接观测发射电流峰值的变化，采用峰值检测电路将峰值电流转换为相应的直流电压模拟信号，设计完成了以单片机为核心的峰值电流突变采集记录单元，实现了电流和时间点实时显示，电流变化超过一定数值的自动记录和存储相应的电流峰值和时间点以及在实验完成后显示出电流的变化前后的值和时间点的功能，给出了相应的电路设计原理图和软件程序流程图。针对电流过冲对后续数据处理带来的不利影响，设计完成了过冲削弱电路，它是通过延时时序信号后控制双向晶闸管导通，在电流将要过零时将一个功率电第5章全文总结及未来展望PAGE52阻并联到发射线圈两端以消耗一定功率，达到削弱电流过冲的目的。 （3）室内功能测试实验 最后，通过测量电流互感器输出波形、线圈两端电压波形以及过冲削弱功率电阻波形并经过相应的计算推导，最终确定发射机发射电流峰值达到2725A、脉冲宽度4.1ms、基频25Hz的指标，并能够完成电流峰值突变采集记录和电流过冲的削弱等附加的功能，其中电流过冲削弱单元对电流过冲的削弱达到79.7%。发射机实物照片如图5.1所示。图5.1发射机实物照片5.3展望本文主要研究串联谐振式航空电磁法发射机的关键技术，在对大量技术资料的分析、总结的基础上，通过大量的仿真实验及硬件测试完成的。从航空电磁法的原理入手，介绍了国内外航空电磁法探测技术的发展现状和应用前景，并对国外一些商品化的航空电磁法系统的性能进行比较，明确本次设计的方向：设计并制作完成串联谐振式航空电磁法发射机。此发射机具有发射大偶极峰值距的能力，在直升机时间域航空电磁勘察系统中有很广阔的应用前景。尚需深入研究的几个问题：（1）发射电流波形脉宽比预期指标多出0.1ms，由于线圈结构已经确定，线圈电感值也随之确定，只能通过改变串联支路电容的值来减少电流脉冲宽度。（2）电路结构的需要进一步优化，其中比较突出的问题是功率回路的接触第5章全文总结及未来展望PAGE52电阻过大导致的连接处过热的问题，过大的接触电阻同时会导致峰值电流的下降，严重影响发射机的整体效率并会带来一定的安全隐患。针对此问题，本文提出减少发热点接触电阻的方法，发热点的确定靠TEK公司生产的热像仪来实现。（3）由于本文中的过冲削弱电路并不能完全消除电流过冲，需要进一步研究电流过冲产生的机理，从根本上解决电流过冲问题，这个问题的提出是基于对谐振电路的理论分析得来的，因为理论上晶闸管电流过零时应该处于关断的状态，而由于晶闸管在反向截止的过程中，空穴载流子需要一定的时间复合，这样会产生反向回复电流，也就是发射线圈电流过零的时候会产生一定过冲电流。针对此问题，本文提出两种尝试方案，一是给大功率晶闸管加装吸收电路，以达到减小反向电流的目的，二是过冲削弱部分电路尝试其它类型的开关器件的应用，比如IGBT。（4）峰值电流采集功能有待提高，由于前文所介绍峰值电流采集电路采用串行AD芯片而且采样率比较低，所以必须在AD前端加设峰值检测电路，并行高采样率AD芯片的应用对于这个问题的解决是非常有效的。同时采用更大容量的EEPROM对于后续发射机的功能扩展是非常有利的。（5）由于本文是针对串联谐振式航空电磁法的关键技术的研究，每一部分在设计的时候均采用各自的电源，这样在电源效率方面就不那么令人满意，所以需要对整个弱电系统电源进行结构的优化，包括信号传输时光耦隔离的应用，不同电压等级的DC/DC变换的应用。参考文献PAGE52参考文献[1]王守坦.航空物探技术[J].地学前缘，1998，4：223-230.[2]王卫平，陈斌.直升机TEM系统发展研究现状及应用前景[J].地质找矿论丛，2010,12:286-291.[3]满延龙.国外航空电磁法的发展现状和我国现阶段航电的发展[J].物探与化探.1994（6）：174-178.[4]周锡华,熊盛青,张虹,金龙哲.数字发射在航空电磁仪中的应用[J].物探与化探.2007,31(16):564-567.[5]王世隆,林君,王言章,随阳轶,孟慧,刘丽敏.直升机式航空时间域电磁法全波收录[J].吉林大学学报（工学版）.2011,41(3):776-781.[6]嵇艳鞠.浅层高分辨率全程瞬变电磁系统中全程二次场提取技术研究[J].长春：吉林大学仪器科学与电气工程学院，2004.[7]孙炳海,王剑,李永东.回馈式级联型变频器PWM整流控制及其谐波分析[J].电工技术学报.2011,26(7):210-215.[8]谭国贞,付志红,周雒维,罗强.瞬变电磁发射机控制系统设计[J].电测与仪表.2006,43(3):8-12.[9]李军锋，李文杰.航空电磁发射线圈自感系数的精确计算[J].物探化探计算技术，2007，10：17-20.[10]张昌达.航空时间域电磁法测量系统:回顾与前瞻[J].工程地球物理学报.2005（8）：265－273.[11]雷栋,胡祥云,张素芳.航空电磁法的发展现状[J].地质找矿论丛.2006（3）：40－44.[12]游力军.可控沿大电流发射机控制装置的研制[D].长春：吉林大学仪器科学与电气工程学院，2009.[13]徐立忠.基于ATEM-Ⅱ的改进型电磁法发射系统设计与实现[D].长春：吉林大学仪器科学与电气工程学院，2008.[14]贾巍单.片机仿真开发软件的应用[J].中国水运(理论版).2007,5(11):134-136.[15]黄德胜.可控硅触发电路[J].中国氯碱.2008(4):25-29.[16]汪军.脉冲行波管雷达发射机高压电源设计[J].电力电子技术.2008,42(2):36-38.参考文献PAGE52[17]唐雄民.一种能实现串联谐振电路的多种控制方案.仪器仪表用户[J].2008，15（1）：109-110.[18]林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].中国电力出版社.2009年1月.[19]周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真[M].中国电力出版社.2005年12月.[20]王利平,杨德州,贾春蓉,朱小红.一种新型稳压电源的研制[J].电力电子技术.2009,43(11):47-49.[21]吴俊娟,邬伟扬,代明辉.基于移相控制的串联谐振变换器稳态分析[J].电力电子技术.2010,44(2):34-36.[22]付乔.关于电力电子晶闸管参数的选择.现代商贸工业[J].2007，19（8）：190-191.[23]谭林林,黄学良,黄辉,邹玉炜,李慧.基于频率控制的磁耦合共振式无线电力传输系统传输效率优化控制[J].中国科学:技术科学.2011,41(7):913-919.[24]GuiminLiu.EffectoftransmittercurrentwaveformonairborneTEMresponse.[J]ExplorationGeophysics.1998(29)：172-174.[25]郭悦韶.RLC串联谐振曲线的计算机模拟与讨论[J].实验科学.2008，4（2）：74-76.[26]戴薇,邓雪军,齐怀轩.大功率晶闸管变流装置的设计方法[J].电气传动.2008，38（5）：25-27.[27]ABecker.AirborneElectromagneticMethod[J].Geophysicsa