一种可控分离式发射线圈

1.本实用新型属于地球物理电磁探测领域，尤其是一种可控分离式发射线圈。


背景技术：

2.瞬变电磁法(transient electromagnetic methods，简称tem),又称为时间域电磁法，是在地球物理电磁探测领域中应用较为广泛的一种方法。瞬变电磁法就是利用发射机向发射线圈注入双极性的电流，并产生一次脉冲场，该场向地下进行传播，若地下存在电磁异常体，则在异常体内感应出电流，从而产生二次电磁场，接收线圈接收二次场后转换成可用的电压信号，通过分析和处理该信号来研究地下的物质结构、形态等信息。
3.在发射电路中，发射电流的关断时间、线性度以及下降沿尾部明显的波形震荡都会严重影响接收端的效果和接收数据的质量，除了开关器件的开通和关断会造成以上问题，感性的线圈负载也会对电流波形具有阻碍作用，导致输出电流变化的速度较慢，从电流峰值下降到零的过程会耗费一段时间。
4.吉林大学韩哲鑫于2018年公开了一种基于分段放电技术的多匝线圈快关断瞬变电磁发射电路，提出了用igbt构造的双向开关模块将多匝线圈分离成多个单匝线圈，减少了在航空瞬变电磁领域中由于操作难度和环境的限制导致的线圈布置难度，但在地面瞬变电磁领域，由于负载布置多为单匝大线圈，该结构并不适用。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种可控分离式发射线圈，减少单匝感性线圈负载的自感对发射电流的影响。
6.本实用新型是这样实现的，一种可控分离式发射线圈，该发射线圈包括n段长直导线单元，所述n段长直导线单元通过相邻两段长直导线单元之间通过可控双向开关模块连接形成单匝多边形线圈。
7.进一步地，所述多边形为n边形与长直导线单元段数相同。
8.进一步地，所述可控双向开关模块包括两个n沟道mosfet串联在一起，其中两个mosfet的源极为串联节点，两个快关断二极管为两n沟道mosfet的等效寄生二极管，n沟道mosfet内部含有的寄生并联二极管起保护n沟道mosfet的作用。
9.进一步地，所述发射线圈连接有发射电路，所述发射电路包括：电源模块、主控电路模块、驱动电路、发射桥路模块以及可控双向开关模块；其中：电源模块为主控电路模块、驱动电路模块、发射桥路模块供电；所述主控电路模块连接驱动电路模块，驱动电路模块连接发射桥路模块以及可控双向开关模块，所述发射桥路模块以及可控双向开关模块连接发射线圈。
10.进一步地，所述主控电路模块采用fpga作为控制器，通过控制时钟分频获得发射频率，再将其进行调制获得调制频率，然后通过驱动电路模块进一步控制发射桥路模块中的逆变桥路的开关管以及可控双向开关模块。
11.进一步地，所述发射桥路模块，包括四个igbt模块，四个igbt模块中两两串联后通过发射线圈连接成h桥路，在每个igbt模块的两端并联有串联在一起的电感与电容。
12.本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本新型通过多根长直导线单元通过可控双向开关模块连接形成单匝多边形线圈，在电流极性转换时控制可控双向开关模块中相应开关的关断，从而减少自感、互感现象对电流变化的阻碍，即缩短脉冲电流的关断时间。
附图说明
13.图1是带有可分离式发射线圈的瞬变电磁发射电路的结构框图；
14.图2是可控双向开关原理图；
15.图3是可分离式发射线圈原理图；
16.图4是简化了的带有可控分离式发射线圈的发射电路原理图；
17.图5是电路中各开关管时序图；
18.图6是使用分离式线圈前后电流波形下降沿处对比图。
具体实施方式
19.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
20.一种可控分离式发射线圈，该发射线圈包括n段长直导线单元，所述n段长直导线单元通过相邻两段长直导线单元之间通过可控双向开关模块连接形成单匝多边形线圈。多边形为n边形与长直导线单元段数相同。
21.参见图3结合图4所示，将导线的电阻、电感与电容均等效化，为图4所示的结构，相邻两根长直导线单元之间都用开关模块进行连接，每段导线上的电容、电感与电阻为当该段导线单元的等效电容、等效电感和等效电阻；
22.本新型采用长直导线单元可减少自感；分离式发射线圈可减少自感的原理在于：长直导线线段的自感
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其中已知l》》a,其中为l长直导线的长度，a为长直导线截面的半径；
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若将长直导线线段分成n段，则各段电感之和为
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其中li为第i段线段的电感，li第i段线段的长度,
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由可以看出，相较于未切割的长直导线，切割后的长直导线的电感少，且长直导线线段分割的段数越多即n越大，电感少的越明显。
[0029]
参见图1所示，发射线圈连接有发射电路，所述发射电路包括：电源模块、主控电路模块、驱动电路、发射桥路模块以及可控双向开关模块；其中：电源模块为主控电路模块、驱动电路模块、发射桥路模块供电；主控电路模块连接驱动电路模块，驱动电路模块连接发射桥路模块以及可控双向开关模块，所述发射桥路模块以及可控双向开关模块连接发射线圈。
[0030]
主控电路模块采用fpga作为控制器，通过控制时钟分频获得发射频率，再将其进行调制获得调制频率，然后通过驱动电路模块进一步控制发射桥路模块中的逆变桥路的开关管以及可控双向开关模块。
[0031]
所述发射桥路模块，包括四个igbt模块，四个igbt模块中两两串联后通过发射线圈连接成h桥路，在每个igbt模块的两端并联有串联在一起的电感与电容。
[0032]
参见图2所示，可控双向开关模块包括两个n沟道mosfet串联在一起，其中两个mosfet的源极为串联节点，两个快关断二极管为两n沟道mosfet的等效寄生二极管，n沟道mosfet内部含有的寄生并联二极管起保护n沟道mosfet的作用。
[0033]
主控电路模块是将fpga作为发射机的控制核心,主要原因在于相较于dsp、单片机而言，fpga最大的优点就是拥有丰富的i/o引脚，集成度和可靠性较高，运算速率快，功耗低。
[0034]
fpga作为控制器，通过控制时钟分频获得发射频率，再将其进行调制获得调制频率，然后通过驱动电路进一步控制逆变桥路的开关管以及发射线圈上的可控双向开关模块，缩短负载电流波形下降沿时间。
[0035]
参见图4为发射电路基本原理图，其中，包括:电源模块v1，为电路中各模块供电；电源模块v1通过二极管d1以及电容c1供电，发射桥路模块，四个igbt模块(q1、q2、q3、q4)中两两串联后通过发射线圈连接而成的h桥路，其中电感与电容串联在一起后分别并联在各个igbt两端；发射线圈，为可控分离式线圈，相邻两段导线之间用可控双向开关模块进行连接，此可控双向开关是两组n沟道mosfet模块串联在一起，其中两个mosfet的源极为串联节点；
[0036]
在逆变电路的正半周期，在发射桥路上电流的走向趋势为：q1-》r1、l1-》q7、d7-》r2、l2-》q5、d9-》r3、l3-》q9、d11-》q4；在逆变电路的负半周期，在发射桥路上电流的走向趋势为：q3-》q10、d10-》l3、r3-》q6、d8-》l2、r2-》q8、d6-》q2；
[0037]
参见图5所示为桥路开关管、双向开关管的时序图，在电流上升沿开始前使对应回路的各开关管闭合，在t1时刻使正向回路上的对应的各开关管关断，当电流下降为0后在t2时刻使反向回路对应的各开关管导通，在t3时刻使反向回路对应的各开关管关断，当电流下降为0后在t4时刻使正向回路上的对应的各开关管导通；
[0038]
参见图6所示为使用可控分离式线圈前后电流下降沿波形对比图，使用前电流从最大值下降到0时用时为t
0-t1,使用后电流从最大值下降到0时用时为t
01-t1，用时减少，线
性度变好；
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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。