矿井瞬变电磁仪发射电路设计

吴 迪

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安,710074）

0 前言

目前大部分矿区都采用瞬变电磁法在地面探测含水地质体的分布。但是，由于矿区的工业干扰和探测深度不足等原因，在地面探测很难发现井下小尺度含水地质构造。所以，如何将探测含水地质构造最有效的瞬变电磁法应用于井下近距离探测小尺度含水地质构造，是一个迫在眉睫的问题。

1 发射电路设计思路与组成框图

发射电路有如下技术要求，在不引起振荡的条件下，电流关断要快，尽可能减少对早期信号的影响；严格控制发射波形的时序，配合接收系统的时序要求；有可靠的换向保护及技术防止电源短路造成安全事故，为了提高发射效率发射换向的消耗尽可能的小；在满足本质安全型电路要求的条件下，使发射电流尽可能的大，发射电流输出稳定，设计有电流过流保护电路、控制发射功率保护电路。

基于上述的要求，发射电路的设计思路如下：采用高频变压器隔离技术，并有加速截至电路满足快速关断的要求；采用与门电路与发射隔离驱动电路来产生发射电路所需的控制时序；电流换向由低饱和电压的MOS构成桥式换向输出电路，用三极管放大电路驱动MOS管组成的全桥电路，以实现双极性脉冲波形输出；稳压电路采用可调集成线形稳压器，以调整发射电压，采用限流电阻法来控制发射部分的发射功率；电流取样采用高精度无感电阻。

发射电路工作流程为在主控部分的控制下，产生发射序列信号用来与采集信号同步，并送至发射信号产生电路以产生系统所需的双极性方波信号，然后经过隔离驱动电路，送至全桥功率电路以进行发射输出，在全桥功率输出单元中有电流取样电路以实时监测发射波形，图1为发射电路组成框图。

图1 发射部分框图

2 波形产生电路与隔离驱动电路

本文中的瞬变电磁仪发射电路输出双极性矩形脉冲激发产生瞬变电磁场。瞬变电磁勘探系统工作时，要求发射部分与采集部分同步，发射波形信号的开启和关断要与采集部分相适应，这样采集部分才能准确记录发射波形下降时的磁场信号变化。发射部分的时序由主控部分控制，由主控部分以两倍发射频率发出脉冲信号F，信号F经过D触发器，输出两路频率信号F1和F2，占空比各为50%，如图2所示，再与F信号经过两路与门，形成基本发射信号脉冲序列。

功率桥路输出控制需要与MOS管相适应的模拟驱动电压来驱动，因此设计了发射隔离驱动电路。隔离驱动有光电隔离、变压器隔离、机械换能隔离等形式。光电隔离需要隔离电源为光耦供电，不仅增加成本，占用空间也较大。变压器隔离能够满足隔离要求，成本较低，占用空间也较小，缺点是相比光电隔离方式延迟时间较大，但能够满足系统的要求，因此最终选择了变压器隔离的方式。变压器隔离的原理是，将控制逻辑单元输出的控制逻辑信号调制到要求的频率上，通过高频变压器耦合到两个次级，在次级解调为与初级相位一致、幅度满足驱动要求的隔离信号。解调之后的电信号控制功率桥路MOS管按照控制逻辑输出发射电流，图3为发射隔离驱动电路。

图2 发射波形产生电路

3 快速电流关断电路

在瞬变电磁探测过程中，早期的瞬变二次场信号对应浅层信息，为了获得丰富的浅层信息，要求发射电路的关断时间必须非常短，一般要求在μs级，并要求尽可能的吸收过电压。关断效应是实际电路中无法回避的特性，它的存在直接影响了仪器的探测能力和资料的解释。发射线圈的电感量大，回路电阻小，因此发射电路的关断电压大，关断瞬间产生的浪涌电压可能会击穿MOS管，造成系统严重损坏，甚至可能点燃煤矿井下瓦斯与空气的混合气体，造成重大安全事故，因此发射电路中必须设计有保护吸收电路。

本文中发射电路采用双重断电控制：第一是在功率输出桥路上采用放电阻止型RCD缓冲电路和LR电路相结合的方式释放能量；第二是在隔离驱动电路上采用RC回路使驱动电压下降沿的斜率变大。功率输出桥路的电流关断电路如图4所示。

图3 发射隔离驱动电路

图4 电流关断电路

4 全桥功率输出电路

功率输出电路是瞬变电磁发射电路中最为重要的部分之一，发射功率的大小将直接关系到接收信号的强弱与探测结果的准确性。目前国际上不同瞬变电磁法仪器厂商设计的发射部分能量转换电路大都采用H桥路，如图5所示。由桥路驱动信号控制开关管的导通与截止，实现电流激励信号。正极性发射时，MOS管G1与G4导通，电流通过G1与G4流入电源地形成回路。负极性发射是：MOS管G2与G3导通，电流通过G3与G2流入电源地形成回路。

为了使断电时间可控，使用外部二极管阻断MOS管内部的反向二极管。发射电源使用与系统电源隔离的电池组。设计限流电路用来限制电流能量实现对电路的保护，限流电阻使用无感电阻，限流电阻的选取主要考虑在最不利条件下的功率能满足防爆的规定，在负载短路的情况下，消耗在电阻上的功率不能小于额定功率的三分之二。断电时间控制采用多级RC抑制，驱动电路采用变压器隔离驱动。

图5 MOS管组成H桥电路

5 结束语

本文首先提出瞬变电磁仪发射电路的主要技术指标，其次给出了针对不同技术指标的具体的电路实现方法，最后，通过电路联调得出了发射电流波形曲线。电流波形曲线说明，文中的发射电路与仪器接收电路的时序对应准确，发射电流输出稳定，电流关断时间约为5-30µS，达到了设计的预期目标。

[1]霍全明，王玉海，罗国平等.瞬变电磁法在煤矿水害预测防治中的应用［M］.西安：西北工业大学出版社，1994：411.

[2]周国华.基于DSP的瞬变电磁探测系统设计与实现［D］.长春：吉林大学，2006：46-49.