实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机的制作方法
【专利摘要】本实用新型为一种实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机，包括嵌入式电脑、信号调理模块、主控电路、霍尔电流传感器与采集模块连接，嵌入式电脑与数据处理与成像模块连接，主控电路经时序同步转换电路、桥路驱动电路与发射桥路连接，恒压钳位电路、发射电源模块、发射线圈与发射桥路连接，发射线圈与阻尼匹配吸收电路、霍尔电流传感器连接构成；能直观的显示发射电流波形和采集信号波形，可根据具体的环境和发射线圈的不同，准确的调节钳位电压值和阻尼匹配电阻值，使得发射电流波形达到最佳；嵌入式电脑将采集到的数据实时存储，并实时传送给数据处理与成像模块，实时数据成图解释，实时的得到地下物质的含量和分布情况。
【专利说明】
实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机
技术领域
[0001]本实用新型属于地球物理探测仪器，尤其是一种实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机。
【背景技术】
[0002]瞬变电磁法(TransientElectromagnetic Methods，TEM)，又称为时间域电磁法，是一种应用非常广泛的地球物理探测方法，瞬变电磁法就是利用发射机在发射线圈中产生一定频率的交变脉冲电流，激发一次脉冲场，在一次脉冲场的间歇期，接收感应的二次电磁场，通过对感应二次场的研究得到地下物质结构和分布信息。
[0003]现存的瞬变电磁仪器数据的采集和数据处理与成像之间需要一定的时间间隔，无法实时数据成图解释，这导致施工效率较低，而且由于无法及时判断地下物质的分布和含量情况，因此使得工程施工过程中存在一定程度的盲目性，造成不同程度的人力物力的浪费；
[0004]现存的瞬变电磁仪器中，发射机和接收机是分离的，采用两套独立的控制系统，两套系统的协调性差，控制模式复杂繁琐，由于相距较远的距离，无法单人单机完成工作;分离的瞬变电磁仪器由众多的模块组成，繁琐的组装过程导致工程应用过程中效率的降低、可靠性的下降、仪器的搬运不方便；
[0005]现存的瞬变电磁仪器还存在着人机界面欠友好，导致发射电流波形和信号采集波形显示不直观。现存的瞬变电磁发射系统控制单元主要是基于单片机架构，单片机在时序设计上采用顺序执行的方式，会存在一定的时间延时，瞬变电磁发射系统的关断时间非常短，而且瞬变电磁法中对发射系统的关断时间要求较高，因此微小的延时将会使得数据处理与成像的准确性下降；
[0006]现存的瞬变电磁仪器还存在着发射电流波形关断时间长、线性度差、尾部震荡等问题，目前大部分的瞬变电磁采用馈能型有源恒压钳位方式，采用复杂的控制系统，可靠性降低，而且还存在着钳位电压和匹配电阻不可调问题，无法根据实验环境和发射线圈的不同实时调节来优化发射电流波形。不同的钳位电压对发射电流关断时间和线性度的影响不同，合适的匹配电阻才能使得发射电流关断波形尾部无过冲和震荡情况出现。
[0007]因此需要改进和完善现有的瞬变电磁仪器，研制实现实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收系统。
【实用新型内容】
[0008]本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机，将瞬变电磁发射和接收融为一个系统，仪器的主要部分集中在一个箱体内，一体化、高度集成，简化了模块与模块之间的连接，而且能直观的显示发射电流波形和采集信号波形，可根据具体的环境和发射线圈的不同，准确的调节钳位电压值和阻尼匹配电阻值，使得发射电流波形达到最佳;能够的对瞬变电磁数据进行实时采集存储及数据成图解释，而且人机界面友好，便于操作，野外施工更加高效便捷。
[0009]本实用新型是这样实现的，
[0010]—种实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机，包括:
[0011]嵌入式电脑，作为人机界面，设置瞬变电磁发射接收系统的各种参数，并实时存储采集的数据，并通过瞬变电磁数据与成像模块实时数据成图解释；
[0012]采集模块，通过数据总线与嵌入式电脑连接后用于接收嵌入式电脑的控制信号，并对发射电流波形和瞬变电磁接收子系统接收到的信号进行采集；
[0013]主控电路，与所述采集模块连接，通过所述采集模块的数字1控制所述主控电路产生瞬变电磁发射需要的时序；
[0014]同步转换电路，与所述主控电路连接，用于产生桥路控制信号和瞬变电磁接收系统的同步信号；
[0015]发射桥路，通过驱动电路连接同步转换电路，桥路控制信号经驱动电路输出到所述发射桥路；
[0016]发射电源模块，与发射桥路连接用于为发射桥路提供所需发射能量；
[0017]恒压钳位电路，并联在发射桥路两端，对发射桥路进行恒压钳位；
[0018]发射线圈，与所述发射桥路连接后，产生发射电流；
[0019]阻尼匹配吸收电路，与所述发射线圈连接，通过所述恒压钳位电路以及阻尼匹配吸收电路使发射电流波形达到最佳；
[0020]霍尔电流传感器，将发射线圈的电流信号转换为电压信号传送给采集模块，对发射电流波形进行采集；
[0021 ]接收线圈，接收感应二次场信号；
[0022]信号调理模块，与接收线圈连接后，用于将接收线圈接收的二次场信号进行调理，将调理过的信号传送给采集模块，对接收到的二次场信号进行采集；
[0023]所述采集模块将数据上传到嵌入式电脑并对信号进行叠加显示，嵌入式电脑将数据实时的传送给数据处理与成像模块，实时数据成图解释，实时的得到地下物质的含量和分布情况。
[0024]进一步地，所述的采集模块包括FPGA以及AD转化器，FPGA经AD转化器与霍尔电流传感器以及信号调理模块连接，通过霍尔电流传感器采集发射电流波形;FPGA经锁存器与主控电路连接，FPGA经总线与嵌入式电脑连接构成，上位机对发射接收各参数进行设置通过总线与采集模块连接，采集模块通过数字1对主控电路进行设置，使主控电路产生相应的发射时序。
[0025]进一步地，所述信号调理模块是将发射线圈采到的信号依次经前置放大电路、差分放大电路、V-1变换电路最后远距离传输给采集模块;其中，
[0026]所述前置放大电路提供高输入阻抗、低噪声和增益调节；
[0027]所述差分放大电路对共模噪声抑制进行，并在需要时提供一定的附加增益；
[0028]所述V-1变换电路将差分放大电路的输出电压信号转换为电流信号远距离传输给米集模块，避免?目号的失真。
[0029]进一步地，主控电路以CPLD作为时序产生单元，CPLD产生特定频率的时序信号，并将此信号送给电平转换电路，电平转换电路将控制部分的微弱电流信号转换为控制桥路驱动电路的大电流信号。
[0030]进一步地，所述发射桥路模块包括四个IBGT模块通过两两IBGT模块串联后在两组IBGT模块中间连接发射线圈组成的H桥路。
[0031]进一步地，阻尼匹配吸收电路为一定值阻尼匹配吸收电阻与多组特定阻值的匹配电阻串联后并联在发射线圈两端，每个特定阻值上的匹配电阻上并联切换开关。
[0032]本实用新型与现有技术相比，有益效果在于:实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收系统采用高度集成化，将瞬变电磁发射和接收融为一个系统，仪器的主要部分集中在一个箱体内，一体化高度集成，简化了模块与模块之间的连接，而且能直观的显示发射电流波形和采集信号波形，可根据具体的环境和发射线圈的不同准确的调节钳位电压值和阻尼匹配电阻值使得发射电流波形达到最佳，能够的对瞬变电磁数据进行实时采集存储及数据成图解释，而且人机界面友好，便于操作，野外施工更加高效便捷。
[0033]实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收系统能够的对瞬变电磁数据进行实时采集存储及数据成图解释，上位机将采集卡采集到的数据直接传给数据处理与成像模块，实时将测点数据成图解释，实时的确定地下物质的含量和分布情况;采用高度集成化，将瞬变电磁发射系统和接收系统融为一个系统，仪器的主要部分集中在一个箱体内，一体化高度集成，简化了模块与模块之间的连接，而且能直观的显示发射电流波形和采集信号波形，可根据具体的环境和发射线圈的不同准确的调节钳位电压值和阻尼匹配电阻值使得发射电流波形达到最佳，提高实时采集存储及数据成图解释的准确性;而且人机界面友好，便于操作，野外施工更加高效便捷。而且仪器设计采用充电器内置和铅酸电池组内置，简化了工作流程。
【附图说明】
[0034]图1本实用新型实施例提供的实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收系统结构框图；
[0035]图2本实用新型实施例提供的信号调理模块结构框图；
[0036]图3本实用新型实施例提供的采集模块结构框图；
[0037]图4本实用新型实施例提供的发射桥路与其周边电路的电路原理图。
【具体实施方式】
[0038]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0039]参见图1，实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机，包括:由嵌入式电脑5、信号调理模块17、主控电路7、霍尔电流传感器15与采集模块6连接，主控电路7经时序同步转换电路8桥路驱动电路9与发射桥路1连接，恒压钳位电路11、发射电源模块12、发射线圈13与发射桥路10连接，发射线圈13与阻尼匹配吸收电路14、霍尔电流传感器15连接构成;220V市电接口 I经铅酸电池充电器2与铅酸电池组3连接，铅酸电池组3与供电电源模块4、发射电源模块12连接，供电电源模块4为各模块电路提供能量来源，发射电源模块12为发射桥路能量；
[0040]参见图2，信号调理模块17是由220V市电接口 18经Li电池充电器19与Li电池组20连接，Li电池组20与信号调理电源模块22、低压报警电路21连接，接收线圈16经前置放大电路23、差分放大电路24、V-1变换电路25与采集模块6连接；
[0041 ]参见图3，采集模块6是由FPGA26经ADC与霍尔电流传感器15、信号调理模块17连接，FPGA26经锁存器与主控电路7连接，FPGA26经USB2.0总线与嵌入式电脑5连接构成。
[0042]嵌入式电脑5作为人机界面通过LabVIEW软件设置设置瞬变电磁发射接收系统的各种参数，并实时存储采集的数据，并通过瞬变电磁数据与成像模块实时数据成图，通过USB2.0总线与采集模块6连接，通过采集模块6的数字1控制主控电路7产生瞬变电磁发射时序，该时序经过时序同步转换电路8产生桥路驱动电路9控制信号和瞬变电磁接收系统的同步信号，控制信号经桥路驱动电路9最后输出到发射桥路10，发射电源模块12、为发射桥路提供所需发射能量，恒压钳位电路11并联在发射桥路两端，对发射桥路进行恒压钳位，发射线圈13与发射桥路10、阻尼匹配吸收电路14、霍尔电流传感器15连接，霍尔电流传感器15将采集到的电流信号传送给采集模块6并在嵌入式电脑5的软件LabVIEW中对信号进行叠加显示，并通过调节恒压钳位电路11和阻尼匹配吸收电路14使发射电流波形达到最佳。接收线圈16接收到的二次场信号经信号调理模块17对信号进行调理，最后将调理过的信号传送给采集模块6的ADC，对接收到的信号进行采集，将数据上传到嵌入式电脑5并在LabVIEW软件对信号进行叠加显示，嵌入式电脑5将数据实时的传送给数据处理与成像模块27，实时数据成图，从而实时的得到地下物质的含量和分布情况。其中，
[0043]采集模块6具有高性能采集，无丢失码，可进行软件定时触发或者外触发，内部自带数字滤波器，采样频率可软件设置，具有16路数字量输入，16路数字量输出，输出带锁存功能，上电自动清零。可进行四通道同步采集，方便扩展。采集模块6的FPGA26经ADC与霍尔电流传感器15、信号调理模块17连接，通过霍尔电流传感器采集发射电流波形，接收线圈16接收到的信号经信号调理模块17后传送给采集模块6对接收的二次场信号进行采集；FPGA26经锁存器与主控电路7连接，FPGA26经USB2.0总线与嵌入式电脑5连接构成，上位机对发射接收各参数进行设置通过USB2.0总线与采集模块6连接，采集模块6通过数字1对主控电路的CPLD进行设置，从而使CPLD产生相应的发射时序。
[0044]主控电路7是以CPLD作为时序产生的逻辑单元，目前大部分瞬变电磁发射系统的控制单元是基于单片机架构开发的，单片机在时序设计上采用顺序执行方式，这就会引起一定的时间延时，且单片机的运行处理速度缓慢，而瞬变电磁的发射线圈电感较小，瞬变电磁发射系统的关断时间非常小，微小的时间延时将会影响数据解释的准确性，而且单片机的处理速度和中断资源也非常有限。因此选用了一款低功耗嵌入式电脑5作为控制核心，以LabVIEW为开发软件，以CPLD作为时序产生单元。嵌入式电脑5体积小，具有独立完备的系统，有较强的执行和处理能力，利用嵌入式电脑5操作界面的友好性和CPLD操作方便、时序精度高、速度快的特点，产生特定频率的时序信号，并将此信号送给电平转换电路。电平转换电路将控制部分的微弱电流信号转换为控制桥路驱动电路的大电流信号。霍尔电流传感器将发射线圈的电流信号转换为电压信号经过采集卡中的ADC对发射电流进行采集，在上位机LABVIEW界面中实时观测瞬变电磁发射电流的波形情况，并根据发射电流波形的情况调整钳位电压和匹配电阻使得发射电流的波形达到最佳，并将采集得到的数据实时采集存储，并将存储的数据实时传送给数据处理与成像模块实时数据成图，实时的得到地下物质的含量和分布情况；
[0045]系统开机启动后，首先进行初始化，然后进行相应的参数设置，选定发射频率、设置叠加次数、选定保存发射电流波形路径等。最后系统检测当前按键值的状态，执行对应的操作。
[0046]内置铅酸电池组3是由两块铅酸电池组成。220V市电接口I经铅酸电池充电器2给内置铅酸电池组充电。
[0047]信号调理模块17是将发射线圈16采到的信号经前置放大电路23、差分放大电路24、V-1变换电路25最后远距离传输给一体机中的采集模块6;其中，
[0048]前置放大电路23提供高输入阻抗、低噪声，可根据接收信号的强弱进行增益调节；
[0049]差分放大电路24对共模噪声抑制进行，并在需要时提供一定的附加增益；
[0050]V-1变换电路25将差分放大电路的输出电压信号转换为电流信号远距离传输给采集模块，避免信号的失真。
[0051]信号调理模块电源电路22是由Li电池组20供电产生信号调理模块所需要的电源，其中，Li电池组20是由Li电池充电器19接220V市电接口进行充电；在Li电池组20电压低于一定值时低压报警电路21开始工作，提示电压不足，需要进行充电。
[0052]数据处理与成像模块27将采集模块6上传到嵌入式电脑5的数据进行数据处理，实时数据成图，从而实时的得到地下物质的含量和分布情况。
[0053]参见图4为一个实施例中，发射桥路与其周边电路的电路原理图，开关电源模块Us，提供所需电能;快恢复二极管D5，与开关电源模块连接后，单向导通，防止高压感应电动势损坏电源模块;发射桥路包括四个IBGT模块(Q1、Q2、Q3以及Q4)通过两两IBGT模块串联后在两组串联的IBGT模块中间连接发射线圈组成的H桥路，其中IBGT模块Ql与IBGT模块Q2串联、IBGT模块Q3与IBGT模块Q4串联。IBGT模块具有较快的开关速度，并且内部含有寄生并联二极管(D1、D2、D3以及D4)，既可以起到保护IGBT模块的作用，防止感性负载的较高的反向感应电动势击毁IGBT模块，同时对IGBT模块的寄生电容存储的电量进行泄放，防止电容电量的累积烧坏IGBTt旲块。发射线圈为等效电感L以及等效的电阻R串联后连接在两组串联的IBGT模块中间；
[0054]阻尼匹配吸收电路，由一定值阻尼匹配吸收电阻rO与多组特定阻值的匹配电阻(rl,r2……rn)串联后并联在发射线圈两端，特定阻值的匹配电阻(rl、r2……rn)并联切换开关(K1、K2……Kn)，通过切换开关选择需要的匹配电阻值；
[0055]恒压钳位电路，由多个稳压二极管(Κ01、Κ02……KOn)串联后并联在发射桥路模块两端，并通过外置的旋钮选择调节所需要的钳位电压。
[0056]系统上电后，驱动电路驱动IBGT模块Ql、Q3导通，Q2、Q4截止，负载中通过如图4中线路I所示的电流的方向，经过一段时间后，IBGT模块Ql、Q2、Q3、Q4截止，电路中无电流流过，随后驱动电路驱动IBGT模块Q2、IBGT模块Q4导通，IBGT模块Ql、IBGT模块Q3截止，负载中流过如图4中线路2所示的电流方向，随后四个IBGT模块Q1、IBGT模块Q2、IBGT模块Q3、IBGT模块Q4再次截止，电路中再次无电流流过。
[0057]阻尼匹配吸收电路是由特定阻值的匹配电阻并联切换开关后并联在发射线圈两端，通过切换开关选择合适的匹配电阻值，在线圈负载中存在着较为明显的分布电容，分布电容的大小与线圈的长度成正比，因此无法消除分布电容的存在，由于分布电容的存在，开关管关断瞬间，发射电流的关断需要一定的延时，当仅存在恒压钳位电路，未加吸收电路时，发射电流关断波形的后期往往出现震荡现象，而关断波形的震荡严重影响着接收机接收数据的质量，为抑制发射电流关断波形后期的震荡，必须在线圈两端并联合适的吸收电阻，才能使得关断电流处于临界阻尼或较小的欠阻尼状态，达到关断后无震荡的效果。
[0058]将H桥路恒压钳位电路和阻尼匹配吸收电路结合起来，针对不同线圈应用于不同环境中选择合适的钳位电压和合适的匹配电阻，缩短了了关断时间，提高了发射电流波形关断沿的线性度，保证发射电流正负关断沿严格一致，保证关断后期波形平坦、无过冲、无震荡，达到改善波形的目的，使得数据处理和反演解释的准确性得到提高。
[0059]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机，其特征在于，包括: 嵌入式电脑，作为人机界面设置瞬变电磁发射接收系统的各种参数，并实时存储采集的数据，并通过瞬变电磁数据与成像模块实时数据成图； 采集模块，通过数据总线与嵌入式电脑连接后用于接收嵌入式电脑的控制信号，并对发射电流波形和瞬变电磁接收子系统接收到的信号进行采集； 主控电路，与所述采集模块连接，通过所述采集模块的数字1控制所述主控电路产生瞬变电磁发射需要的时序； 同步转换电路，与所述主控电路连接，用于产生桥路控制信号和瞬变电磁接收系统的同步信号； 发射桥路，通过驱动电路连接同步转换电路，桥路控制信号经驱动电路输出到所述发射桥路； 发射电源模块，与发射桥路连接用于为发射桥路提供所需发射能量； 恒压钳位电路，并联在发射桥路两端，对发射桥路进行恒压钳位； 发射线圈，与所述发射桥路连接后，产生发射电流； 阻尼匹配吸收电路，与所述发射线圈连接，通过所述恒压钳位电路以及阻尼匹配吸收电路使发射电流波形达到最佳； 霍尔电流传感器，将发射线圈的电流信号转换为电压信号传送给采集模块，对发射电流波形进行采集； 接收线圈，接收感应二次场信号； 信号调理模块，与接收线圈连接后，用于将接收线圈接收的二次场信号进行调理，将调理过的信号传送给采集模块，对接收到的二次场信号进行采集； 所述采集模块将数据上传到嵌入式电脑并对信号进行叠加显示，嵌入式电脑将数据实时的传送给数据处理与成像模块，实时数据成图，实时的得到地下物质的含量和分布情况。2.按照权利要求1所述的实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机，其特征在于， 所述的采集模块包括FPGA以及AD转化器，FPGA经AD转化器与霍尔电流传感器以及信号调理模块连接，通过霍尔电流传感器采集发射电流波形;FPGA经锁存器与主控电路连接，FPGA经总线与嵌入式电脑连接构成，上位机对发射接收各参数进行设置通过总线与采集模块连接，采集模块通过数字1对主控电路进行设置，使主控电路产生相应的发射时序。3.按照权利要求1所述的实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机，其特征在于，所述信号调理模块是将发射线圈采到的信号依次经前置放大电路、差分放大电路、V-1变换电路最后远距离传输给采集模块;其中， 所述前置放大电路提供高输入阻抗、低噪声和增益调节； 所述差分放大电路对共模噪声抑制进行，并在需要时提供一定的附加增益； 所述V-1变换电路将差分放大电路的输出电压信号转换为电流信号远距离传输给采集模块，避免ig号的失真。4.按照权利要求1所述的实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机，其特征在于，主控电路以CPLD作为时序产生单元，CPLD产生特定频率的时序信号，并将此信号送给电平转换电路，电平转换电路将控制部分的微弱电流信号转换为较大的电流信号控制桥路驱动电路。5.按照权利要求1所述的实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机，其特征在于，所述发射桥路模块包括四个IBGT模块通过两两IBGT模块串联后在两组IBGT模块中间连接发射线圈组成的H桥路。6.按照权利要求1所述的实时采集存储及数据成图解释的瞬变电磁发射接收一体机，其特征在于， 阻尼匹配吸收电路为一定值阻尼匹配吸收电阻与多组特定阻值的匹配电阻串联后并联在发射线圈两端，每个特定阻值上的匹配电阻上并联切换开关。
【文档编号】G01V3/10GK205562829SQ201620360462
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】孙淑琴, 巨长磊, 尚新磊, 林君, 彭良玉, 贺岩, 滕飞, 刘婷婷
【申请人】吉林大学