专利名称：一种矿用本安型瞬变电磁仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及地球物理勘 探仪器领域，特别涉及一种矿用本安型瞬变电磁仪。
背景技术：
随着我国煤矿开采深度的不断加大，矿井水的超前探测已成为预防井下透水事故发生的重要手段，目前我国煤矿井下超前防探水主要有钻探方法和物探方法。钻探结果比较可靠，但施工周期较长，费用较高，对正常生产影响较大。国内外用于煤矿井下突水构造探测的物探方法主要有矿井直流电法、音频电透视法、瞬变电磁法等。音频电透视法主要用于探测采煤工作面内及其煤层顶、底一定范围内的含水构造，由于受体积效应影响，这种方法定量解释较困难，且现场施工强度大，工作效率低。矿井直流电法主要用于探测底板、侧帮及前方一定范围内的含水构造，但该方法受体积效应的影响也比较大，定向性差，探测距离较小，探测效果往往不理想，且施工较繁琐。瞬变电磁法用于矿井下探水是近年发展起来的且发展很快，并将成为广泛应用的一种地球物理勘探方法。由于这种方法观测的是二次场，可在近区进行观测(可采用重叠回线装置)，具有对低阻含水体特别灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且施工方便、快捷、效率高等优点，因此，在矿井水文地质勘探中具有很高的应用价值，是最具前景的矿井水文地质地球物理勘探方法。瞬变电磁法的原理是利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场(一次场)，当磁场向地下岩层传播遇到不同介质时，产生涡流场。当外加的瞬变磁场撤销后，这些涡流场释放出能量(二次场)，利用接收线圈测量接收到二次场的感应电动势，该电动势包含了地下介质电性特征，通过种种解释手段(一维反演，视电阻率等)得出地下岩层的地质结构。目前，国内大部分都是适用于地面使用的瞬变电磁仪，极少数在矿井使用的瞬变电磁仪因存在体积大，探测距离短(小于60米)，准确率不高等缺点而不能完全满足市场需求。
发明内容本发明的目的是提供一种适应于煤矿井下使用的安全、高效、体积小、重量轻、操作简单方便；精度高、可靠性高、探测距离远(大于100米)的便携式的矿用本安型瞬变电磁仪。为实现上述目的，本发明的技术方案为一种矿用本安型瞬变电磁仪，包括电源模块、嵌入式微处理器(即MCU)、现场可编程逻辑单元(即FPGA)、显示装置、输入装置、发射单元、接收单元、外部发射线圈和外部接收线圈，所述的嵌入式微处理器分别与现场可编程逻辑单元和显示装置通信连接，所述的现场可编程逻辑单元分别与发射单元和接收单元通信连接，所述的发射单元连接外部发射线圈，所述的接收单元连接外部接收线圈，所述的电源模块为电磁仪提供电力。所述的一种矿用本安型瞬变电磁仪，所述的接收单元包括信号调理电路和模数转换电路，所述的信号调理电路的输入端连接外部接收线圈，信号调理电路的输出端连接模数转换电路的输入端，所述的模数转换电路的输出端连接现场可编程逻辑单元。所述的一种矿用本安型瞬变电磁仪，所述的信号调理电路包括前置放大电路、二级放大电路和电压比较电路，所述的前置放大电路、二级放大电路和电压比较电路依次串联，前置放大电路的输入端连接外部接收线圈，电压比较电路的输出端连接现场可编程逻辑单元。所述的一种矿用本安型瞬变电磁仪，所述的发射单元包括发射驱动控制电路和半桥驱动电路，所述的发射驱动控制电路分别连接半桥驱动电路和半桥驱动电路，所述的半桥驱动电路连接外部发射线圈。所述的一种矿用本安型瞬变电磁仪，所述的显示装置、输入装置为具有显示和输入功能的触摸显示屏。本实用新型的技术效果在于，I、本实用新型采用FPGA对发射信号控制并对接收信号进行预处理后再送入MCU进行运算处理，从而大大提高了 MCU的运行效率和处理速度，通过与进口地面产品的对比，本实用新型的运算速度快约20%。2、本实用新型运放电路采用进口低功耗、低噪声、高速运算放大器，其采样率可达lMsps，具有快速的数字误差矫正和自校准功能，能保证在全采样率时具有16位的线性度和160dB的非杂散动态范围，以及良好的信噪比和谐波失真特性；3、本实用新型的电路设计符合“GB3836. 1_2010爆炸性环境第I部分设备通用要求”和“GB 3836. 4-2010爆炸性环境第4部分由本质安全型“i”保护的设备”标准，适用于矿用电子仪器低功耗、高精度及电路纯本质安全的要求。经过实际测试表明，采用本实用新型的矿用本安型瞬变电磁仪在煤矿井下进行超前探测含水构造具有定向性(方位性)好、探测距离远(大于100米，最大有效距离可达120米)、准确可靠等突出优点，具有广阔的市场前景。
图I为本实用新型电路框图；图2为本实用新型接收单元的电路原理图。
具体实施方式
参见图1，本实用新型包括电源模块、嵌入式微处理器(即MCU)、现场可编程逻辑单元(即FPGA)、显示装置、输入装置、发射单元、接收单元、外部发射线圈和外部接收线圈，嵌入式微处理器分别与现场可编程逻辑单元和显示装置通信连接，现场可编程逻辑单元分别与发射单元和接收单元通信连接，发射单元连接外部发射线圈，接收单元连接外部接收线圈，电源模块为电磁仪提供电力。参见图2，接收单元包括信号调理电路和模数转换电路，信号调理电路的输入端连接外部接收线圈，信号调理电路的输出端连接模数转换电路的输入端，模数转换电路的输出端连接现场可编程逻辑单元。模数转换电路采用六通道的16bitADS8364高精度ADC芯片。信号调理电路包括前置放大电路、二级放大电路和电压比较电路，前置放大电路、二级放大电路和电压比较电路依次串联，前置放大电路的输入端连接外部接收线圈，电压比较电路的输出端连接现场可编程逻辑单元。前置高速运放电路由高速运算放大器Ui和U2组成一级放大电路，U3、U4组成二级放大电路，分别放大二次场的正半周和负半周，并用自动增益方式以去除背景噪声干扰。电压比较电路包括电压比较器U5和U6,分别为ADC芯片提供需要的各种基准电压，其中U5为ADC芯片正向参考电压RFPF稳压电路，U6为ADC芯片负向参考电压RFNF稳压电路。发射单元包括发射驱动控制电路和半桥驱动电路，发射驱动控制电路分别连接半桥驱动电路和半桥驱动电路，半桥驱动电路连接外部发射线圈。具体包括数字隔离器和稳压器，多个三极管组成的发射驱动控制电路和由4个MOS管组成的两组半桥驱动电路，该两组半桥驱动电路分别形成发射波形的正半周和负半周。显示装置、输入装置为具有显示和输入功能的触摸显示屏，以节省设备空间并同时实现显示和输入功能。 使用时，矿用本安型瞬变电磁仪通过发射线圈向探测介质(矿层或围岩)发射一次脉冲磁场，当发射线圈中的电流突然断开后被探测介质会感应出二次涡流场返回，在接收线圈中感应出电势信号，矿用本安型瞬变电磁仪主机再把所接收到的电势信号通过专业算法转换成视电阻率等数据，并将数据一起存储在内存中，再通过USB接口把探测数据传输到计算机，然后在计算机上用专业解释软件进行处理和分析。正常情况下，若地质层位稳定、没有富水区域和含导水构造的影响，则视电阻率值将不会有明显的异常，反之，若地质层存在富水区域和含导水构造，电性分布规律被打破，就会出现视电阻率值减小等特点的异常区。通过专业算法，可以直观地确定富水区域的深度和位置。由于矿井下存在粉尘、瓦斯等不安全因素，国家对矿用电子仪器本质安全有严格的要求，本实用新型采用纯本质安全设计，发射电路采用低电压限流电路，实现矿井下安全探测。
权利要求1.一种矿用本安型瞬变电磁仪，其特征在于，包括电源模块、嵌入式微处理器、现场可编程逻辑单元、显示装置、输入装置、发射单元、接收单元、外部发射线圈和外部接收线圈，所述的嵌入式微处理器分别与现场可编程逻辑单元和显示装置通信连接，所述的现场可编程逻辑单元分别与发射单元和接收单元通信连接，所述的发射单元连接外部发射线圈，所述的接收单元连接外部接收线圈，所述的电源模块为电磁仪提供电力。
2.根据权利要求I所述的一种矿用本安型瞬变电磁仪，其特征在于，所述的接收单元包括信号调理电路和模数转换电路，所述的信号调理电路的输入端连接外部接收线圈，信号调理电路的输出端连接模数转换电路的输入端，所述的模数转换电路的输出端连接现场可编程逻辑单元。
3.根据权利要求2所述的一种矿用本安型瞬变电磁仪，其特征在于，所述的信号调理电路包括前置放大电路、二级放大电路和电压比较电路，所述的前置放大电路、二级放大电路和电压比较电路依次串联，前置放大电路的输入端连接外部接收线圈，电压比较电路的输出端连接现场可编程逻辑单元。
4.根据权利要求I所述的一种矿用本安型瞬变电磁仪，其特征在于，所述的发射单元包括发射驱动控制电路和半桥驱动电路，所述的发射驱动控制电路分别连接半桥驱动电路和半桥驱动电路，所述的半桥驱动电路连接外部发射线圈。
5.根据权利要求I所述的一种矿用本安型瞬变电磁仪，其特征在于，所述的显示装置、输入装置为具有显示和输入功能的触摸显示屏。
专利摘要本实用新型公开了一种矿用本安型瞬变电磁仪，包括电源模块、嵌入式微处理器、现场可编程逻辑单元、显示装置、输入装置、发射单元、接收单元、外部发射线圈和外部接收线圈，所述的嵌入式微处理器分别与现场可编程逻辑单元和显示装置通信连接，所述的现场可编程逻辑单元分别与发射单元和接收单元通信连接，所述的发射单元连接外部发射线圈，所述的接收单元连接外部接收线圈，所述的电源模块为电磁仪提供电力。本实用新型按本质安全要求设计制造，体积小、重量轻、操作简单、携带方便、接收效果好，探测距离远，是一种便携式的适合于煤矿井下使用的矿用本安型瞬变电磁仪。
文档编号G01V3/00GK202794558SQ20122045669
公开日2013年3月13日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者成术斌, 张厚晚 申请人:飞翼股份有限公司