D11T电法勘探技术说明书

D11T电法勘探发送机技术说明书PAGE22

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PAGE16 D11T电法勘探发送机技术说明书中国科学院地质与地球物理研究所研制目录一．仪器的主要用途和性能二．仪器的技术指标三．仪器的硬件电路说明四．仪器的软件程序说明五．仪器的使用方法与操作步骤六．仪器的配套部件与本仪器的连接方法七．仪器自检测试方法八．八仪器的保养方法与送修办法

一．仪器的主要用途和性能D03FD电法勘探发送机是一台智能化网络化的野外电法勘探中使用的主机。主要用途是使用电阻率法，高密度电阻率法，激发极化法（时域，频域）寻找地下矿体，地下水，地下空洞。寻找具有激发极化效应的金属矿，如铜矿，铅锌矿，具有铜矿伴生的金矿。用高密度电阻率法可以寻找地下水，地下空洞，可用于工程物探中探测铁路公路的路基质量。本仪器配套使用三相220V工业交流电或使用三相50HZ发电机（220V，5KW）发出的220V交流电，由专用三相隔离变压器转换成三相50V~，100V~，200V~，300V~，400V~，500V~各种交流电输入到本仪器。本仪器在机内微机控制下，可以输出幅度从50V到500V的方波信号或中间有停电的双向方波脉冲,输出主大电流为10A，输出最大功率为10KW。波形的频率可变范围是周期为128秒到频率为8KHZ，频率可连续改变，最小变化步长为1HZ仪器使用安全可靠，机内具有大功率IGBT模块控制的输出过电流自保电路，输出欠电流保护功能（防止野外有人碰断供电线造成触电事故）。本仪器中具有二条通讯控制二总线接口，一种是编码的二总线PG控制，用它可以同时控制32个供电电极控制器联合工作，可以控制用地址编码的供电电极A或B“通”与“断”，从而实现偶极偶极法中供电位置改变的功能。另一种二总线控制是采用了RS485标准，它可以在二根线上实现发送和接受串行化的数据信号。用它与最多32个接收电极（M，N）放大器联接，可以同时指挥32对MN电极同时测量从地下返回的电法测量参数（ΔV1，ΔV2），同时测量后暂存在放大器中的微处理机系统中，然后用RS485二总线分时的传送给D03T-2主机。这样的测量方法就可以使野外工作效率大大提高，可以实现大面积高密度的野外勘探工作，特别适合寻矿中的大面积普查和工程勘探工作。仪器中还有一条三总线的RS232串行通讯接口，它可以与室内系统微型计算机（PC机）实现串行通讯。本仪器内有大容量的Flash存储器，它以野外数据记录的形式建立了一个野外数据记录本式的小型数据库。在本仪器上可以记录，查找，也可以用RS232接口把整个野外记录数据库下载到PC机中去，形成PC机中Acses数据库中的数据记录。这些原始记录可以为电法勘探人员进行资料后处理，用PC机中的各种处理软件实现野外地质剖面参数的成图打印等工作。另外，本仪器还可以用RS232接口与一台专用的野外便携式电脑控制的D03M多功能电法勘探仪联接，让多功能电法勘探仪实时控制D03FD发送机工作，实现野外数据采集与野外现场资料处理（成图，显示）。综上所述，本仪器是一套用各种串行通讯联网的野外电法勘探局域网中的一台设备，但是它可以单独作为一台独立的电法勘探发送机使用。（用仪器自身具有的显示器键盘手动操作实现）二．仪器的技术指标（参看图<1>,图<2>）(1)仪器的机械结构指标材料：硬质铝合金，机箱和机架，面板全部铝质。性能：防震，防水，全密封结构，轻便。外形尺寸：长：560mm；宽：340mm仪器重量：23公斤(2)仪器的电气指标输入电压：交流直流双用（交流电频率50Hz，60Hz，400Hz兼容）交流输入电压（3相和箪相）：50V，100V，200V，300V，400V，500V（由专用变压箱提供）直流输入电压：50V~500V（由专用DC/DC变换器提供，或者由蓄电池组提供）输入电流：100mA~10A。输出电压：50V~1000V。输出频率范围：128秒/周期~8KHz，变频用数字频率合成器完成，使得频率分辨率为1/213，近似频率连续可调，频率稳定性1/10万。输出电流范围：100mA~10A输出电流自检功能：机内具有精确的交流方波输出电流隔离测量功能，机内微机可以测量和记录输出电流的幅度，电流测量精确度为1%。输出波形：方波，正负间断的方波脉冲如下图所示显示器：采用可显示文字和图形的点阵式液晶显示器，显示分辨率为128×64。带有LED全屏幕背光照明，可以显示英文，数字，曲线图形。键盘：采用密封式轻触按键，防尘，可靠。使用5×4键，与显示器配合工作形成提示式键盘选择命令操作系统。备电：机内有密封免维护可充电蓄电池一块,输出12V。在充足电后可提供仪器在野外一天的工作中使用。机内的微机部分使用该备电工作可提高仪器的抗干扰性。对备电充电使用充电电缆线外接220V，50Hz交流电充电，连续充电8~12小时。电池的充电电流大小在面板上有CHAG-A指示灯指示。充电时指示灯亮，待电池充足后指示灯变暗（此时充电电流全动减小，但还有小电流充电）。另外还有一个指示灯CHAG-V在充电期间是常亮的，它指示仪器在充电。注意，在充电时仪器应该处在控制电源开关CONPW关状态。通讯功能：RS232串行接口：该接口用于与PC机的RS232串行口联接实现实时控制和数据下载通讯。D03T-2中的通讯软件在仪器的软件中（固化在Flash存储器中）用键盘命令可以激活该软件。在PC机一边需要用专用软件（用VC++6.0编制的工程软件WARTER）配合工作。可实现仪器与PC机的通讯操作。RS485二总线串行通讯接口（光电隔离的串行通讯）RS485通讯指标：通讯波特率：9600Bd，通讯线最长距离为1000米。通讯输出A，B口电压是差动输出，工作电压5V，A>B输出“1”，B>A输出“0”。RS485中的GND线可以不接分机的GND，但是为了提高抗共模干扰最好把通讯分机的GND与主机的GND接在一起，这根线使用二芯屏蔽线的外屏蔽层线，为此要求分机部分的计算机部分的RS485口的输出部分地线与大地是隔离的。在本仪器中使用分机中电池的0V作为RS485的地，分机中的RS485接口中的信号线与分机中计算机部分的信号传输是采用光电耦合器实现的,所以分机中的计算机部分的地线是与RS485部分的地线是隔离的，分机中的计算机部分的地线是与大地接通的。采用隔离的RS485通讯的好处是抗共模干扰性能强，在电法勘探中分机处在不同接地点，在发送机供电时会产生超过几百伏的共模电压，如不采用隔离技术会使分机和主机的电路损坏。RS485与分机通讯电缆联接如下图所示D03TRAD03TRA主机GNDRBRAGNDRBR03RRAGNDRBR03R32号分机RAGNDRBR03R1号分机三．仪器的硬件电路说明*仪器总体方块图*D03FD功率主迥路*D03FD变频器驱动电路D11TCPU原理图*D03FD波形发生器电路频率合成器的输出方波频率计算：当锁相环锁定时，进入相位检测器A的两个信号：fR=ƒN。其中fR=fOSC/R；式中fOSC是外接石英晶体的频率，R是由RA0、RA1、R2的脚设置的，当它们都是开路时，R=8192。fN是由fin和N决定的，fin是压控振荡器MC14046控制的，VCOUT，fX。N是由CPU板上OX0和OX1位输出控制信号向两个12位二进制数器CD4040送来的串行数，CPU一次送来后就一直保持在CD4040之中，并输出“0”或“1所以，由于fN=fX/N，所以fX=fOSC/R，所以fX=（N/R）×fOSC。在本例中fX=N×4194304Hz/8192=N×512Hz。上图中fX经过CD4040二进制计数器分频后得到Q1输出FDED=N×256Hz。Q5~Q12进入多路转换开关CD4051的X0~X7，CD4051的开关X输出5X0到X7中某一个接通输出FLX方波，它的频率计算公式如下：FLX=（FX÷（2的5次方））÷2的m次方=（512×N）÷32÷（2的5次方）=（16×N）÷（2的m次方）。上式中m是由CPU板上输出口的位OX4，OX3，OX2来控制，使m变化范围在0~7，（2的m次方）变化范围是1，2，……128。FLX的信号又经过二个CD4013二进制计数器分频后得FOUT1FOUT=FLX÷4=4N÷2的m次方（Hz）FOUT1是频率合成电路输出的最终频率，在本仪器中的main（）函数中，设N=2，m=5。FOUT=（4×2）÷（2的5次方）=8÷32=1/4Hz，周期TOUT=4秒。*。D03FD—RS232,RS485通讯电路上图描述CPU与RS232和RS485接口电路。IC30：W77E58是箪片机CPU，片内有二个串行通用接口SBU和SBU1。SBU是一个移位寄存器，它可以把CPU送给它的8位（9位）并行数据分成一串周期为T定时器设定的时间间隔逐位发送出去。也可以把外来的一串数据位合并为一个字节等待CPU把它读入变量中。RS232接口芯片是MAX202，它主要功能是把CPU（TXD）输出的0-5V信号电平转换为+10V到-10V信号。它也可以把RIN耒的+，-10V信号转换为0-5V的逻辑信号输入给CPU（RXD）这样可以使通讯电缆最长为10米。MAX202片中具有电源变换电路，它把0-5V的电源输入变成+10V和-10两组电源供给自身使用，也可作为小电流（10MA）电源供其它电路使用。RS485接口芯片是MAX487，它的主要功能是把CPU（P1.3：TXD1）输出的0-5V信号电平转换为差动信号RA和RB的电压差。VRA》VRB表示总线上的状态是逻辑‘1’，VRA《VRB表示总线上的状态是逻辑‘0*D03T发送机高压AB供电输出电流测量电路●IC11：LM331是一片V/F转换器。它的功能是可以把输入的0~10V的电压量转换成0Hz~10000Hz的脉冲信号。本仪器中用它与频率测试电路相结合做成一个直流电压转为数字量的模数转换器，它的优点是抗脉冲干扰性能强，转换的精度高（1/10000），成本价比一般的专用A/D转换器低。缺点是转换的速度慢。精确度是用闸门的时间延长来实现的，在使用一秒钟闸门时分辨率是10伏/1万，即1mV分辨率。如果用0.1闸门，分辨率还是1mV，但最大电压只能是1伏，所以精确度误差为1/1000，在要求低的情况下可以用更短的闸门，精确度就更低。本仪器中该电路用在高压隔离的AB电流测量中，它的工作原理在下文中介绍。*D03T发送机机内控制电源●ICX：MAX487是一片RS485二总线多机半双工异步串行通讯的接口芯片。它的功能是把单片机W77E58中的第二个串行口SBU1的0~5V的TXD1信号转换成差动的A，B信号输出，又会把来自A，B输入的差动串行信号转换成单端的0~5V信号送给SBU1的RXD1。在AB总线上使用差动信号传送的距离和速度都可以提高，因此在用9600波特率的传输速度下，通讯距离可以达到1000米。这样就能使野外一条测线上的多个从机与主机实现半双工双向通讯，通讯线只需要二根（用双绞线或双芯屏蔽线）。在半双工通讯中要用P1.4口来控制MAX487处于发送数据或者接收数据状态，状态转换是由通讯软件协议控制的。●IC85：MAX202是一片专用的RS232通讯接口片，它是一片全双工通讯的双机通讯线，可以实现仪器与PC机通讯。通讯时需三根线，一根是发送，一根是接收，一根是公共地线。信号是对地而言的单端信号，这条通讯线上“0”状态是（－10V~－12V），“1”状态是（＋10V~＋12V）。MAX202芯片的功能就是把RS232线上来的－10V或＋10V信号转换成计算机接受的5V和0V信号。5V信号逻辑表示“1”，0V信号逻辑表示“0”分别送到单片机W77E58的SBU串行口的RXD和TXD脚上。MAX202是使用5V电源工作的，＋10V和－10V是通过MAX202内部的DC/DC变换器转换得到的。有了＋10V和－10V的电源就可以把0~5V信号到＋10V~－10V信号之间进行电平转换了。需要说明的是RS232为什么要把信号转成＋10V~－10V？这是为了提高抗干扰性，通讯中使用的电压越高，抗电磁干扰性能越强。但可惜的是RS232的信号不是差动的，是对地的单端信号。因此抗干扰性能不及RS485，通讯距离一般要在10米以内，只能在室内使用。如果要想实现长线通讯，还需要加MODEM。另外它只能实现双机一对一的通讯，不能实现多机通讯。波形发生器的技术要求：（1）频率变化范围在1/16Hz~8KHz之间，频率稳定性和精确度在1/10万。（2）波形生成两种，第一种是正负波，用于做频率域激电或低频直流电阻率测量。第二种是正负脉冲，用于做时间域的激发极化法测量。（3）波形发生器的关键技术要求：由于大功率IGBT组成的桥式逆变器要求在换向时有一个4个管子都不通的死区时间，，用来保护全桥逆变器不被换向瞬间的尖峰电流损坏。这是因为在换向时要关断原来导通的管子，同时开通原来关断的管子。如果这两个动作同时进行，被关断的管子需要一定的延时时间（一般在1μs~5μs）。这样就有可能在某一瞬间上下两个管子同时处于导通状态,这样就会造成一个直流高压电源被两只管子短路的瞬间。虽然时间较短，在工作电压较低时管子还能经受得住（但浪费能源）。在工作电压较高时这种瞬间桥路内部短路会烧毁大功率晶体管，为了防止这种事情发生要采取以下几种方法：首先要选用工作频率较高的大功率管作逆变桥主回路，其次要在驱动大功率工作的驱动波形中加入一个死区，即在死区时间内4只大功率管都处于关断状态。为了让驱动波形中有死区，有两种办法实现，一种是用单稳态电路产生的暂稳时间来实现，在国外某些仪器中被使用。但是单稳态电路可靠性不高，受干扰后会偶然出错，所以有时还会损坏大功率管。第二种方法是用双稳态电路与逻辑电路相结合，用拼波形的办法来产生死区。这种方法比较可靠，不易受干扰，可以大大提高大功率管使用的安全性。本仪器中就采用了双稳态电路来制造死区控制。（4）驱动电路与大功率管的高压隔离要求：隔离电压要大于2500V。另外传送的控制波形频率范围又很宽，从1/16HZ到8KHZ，驱动的瞬时功率也要求比较大。这几需要两种隔离的信号，一种是固定的20KHZ~40KHZAC方波信号，让它通过铁氧体磁环变压器提供四个大功率管的驱动电源（正负12V），另一种信号是驱动大功率管开与关的信号，这种信号频率范围宽，简单地用脉冲变压器传送不能实现。要把这种驱动信号调制成400KHZ左右的高频脉冲列信号，高频脉冲列的频率是固定的，它可以通过磁环传送，为了提高隔离电压，本仪器中采用二级磁环，两级磁环之间用耐高压的导线绕制。这样就实现了高压隔离和宽频带传送的要求。具体电路参看D03TCON波形发生器的电路方框图。用数字逻辑电路分析的知识可以分析出电路中各测试点的波形，请参看D03TCON波形发生器中各测试点的波形关系时序图。（5）波形发生器受CPU板控制功能介绍：CPU板上的8位并行输出口Ox1~Ox7中使用。Ox0是使N产生器发复位信号。正脉冲起作用，当Ox0输出一个正脉冲后，N产生器（2个CD4040）的输出二进制N13，N12，……，N1，N0都等于0。此时N=0，频率合成器失锁，产生一个最高频率，Ox1是N产生器的增量计数时钟脉冲，Ox1每输出一个负脉冲N就增加1，用它连续输出N个负脉冲后，N产生器就向频率合成器输出了N控制数。N与压控振荡器输出频率Fx在锁相环被锁定时符合下列公式Fx=N·(fosc/R)上式中的fosc是频率合成器MC145151的外接石英晶体的振荡频率。本仪器中用4.1943MHZ。R是预分频系数，它是由MC145151片上三个脚的硬件设置状态决定的。本仪器中使它们都于悬空，当它们悬空时由片内上拉电阻被拉成逻辑“1”状态，在这种状态下R=8192，所以Fx=N·(4.1943MHZ/8192)=N·512Fx经过4040（12位二进制分频器）分频后，从Q1~Q12分别输出Fx÷2，……，Fx÷409612种频率，其中Q1波形是用来产生死区的Q5~Q128种频率送到CD40518路模拟转换开关的X0~X7用Ox2，Ox3，Ox4控制CD4051的A，B，C，可以使X选择与X0~X7中之一接通，达到选择不同频率的功能。现在把Ox4，Ox3，Ox2三位组成的二进制数写成n，那么从X输出的频率Fy符合下式，Fy=Fx÷(2n)可以参看方框图中的二进制分频器与多路转换器4051分频控制表，查得OX4，OX3，OX2与FY的对应关系。综上所上所述，可以用CPU板上来的OX中各种位设置N和n，从而来选择仪器的工作频率。在控制程序编写中根据仪器要求工作的频率用查表的方式确定合适的N和n，使仪器的工作频率符合要求。（6）CPU板控制波发生器的开始供电与停电的功能：本仪器的AB向大地供电是受CPU板中的程序控制的。CPU板通过OX6来控制。OX输出“1”使N4：9013导通，输出给输入与非门CD4012的2，3脚状态为“0”，使4012的1脚输出“1”状态，这个“1”状态加到高频调制器IC19：A（CD4013）的R，S脚，CD4013的特点是当R，S都为1时，“Q”和“-Q”都输出1，这样就使IC2：A、B、C、D的或、非门全部都输出“0”，从而把M2～M5，4只小场效应管全部关闭（不导通）。这样高压隔离变压器T1、T2、T3、T4的输出脉冲列消失，使大功率（IGBT）没有驱动信号，全桥逆变器停止工作。使A、B断电。当OX1输出“0”使高频800KC方波震荡器发出800KC调制波，此时高频调制器CD4013的RS也为0，它可以工作，在800KC的脉冲推动下Q、-Q输出400KC的方波，加到IC2中各或非门的输入端，同时[A]和[B]来的低频信号波也加到IC2的个输入端，此时M2、M3和M4、M5推挽放大器向T1、T2、和T3、T4轮流输出高频调制的低脉冲列信号，该脉冲列在T2、T4的次极用高频二极管D1～D4整流后生成单向正脉冲列。在驱动板上用电阻电容组成的低道滤波器把高频调制滤波除后就得到低频的驱动信号波形。该驱动波形去驱动TGBT的G板，使大功率逆变桥路向A、B供电。（7）频率域和时间域波形控制频率波形的发生是一般情况下进行的，要想发出时间域波形，只要在频率域波形的正供电和负供电1/2周期间,再让它停止供电1/4周期,如下图所示:参看上波形图和电路方块图,当OX=1时M小场效应导通,使4001的819脚始终为0,10脚输出1,使仪器可以开始供电工作,不被FY/2波形打断。当OX5=0时,M1不通,它放弃了控制权,此时从FY/2来的波形从N2(9012)三极管传送到CD4012的4、5脚,使得原来正负供电的半周期中暂停1/4周期.这样就形成了时间域的波形。五．仪器的使用方法与操作步骤LCD显示器AB输出电压指示表头AB输出电流指示表头AB输出电流波形釆样电阻0.1RDT11LCD显示器AB输出电压指示表头AB输出电流指示表头AB输出电流波形釆样电阻0.1RDT11与接收机和数据采集器通信RS485CAN串口DT11与PC机通信CAN串口发送机向大地供电功率输出接线柱.A,B输出电压(100V_1000V)输出电流(1A