專利名稱：新型礦用瞬變電磁儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
新型礦用瞬變電磁儀
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及礦用地質(zhì)探測儀器，特別涉及一種礦用瞬變電磁儀器。背景技術(shù)：
水害是采礦建設(shè)與生產(chǎn)過程中的主要災(zāi)害之一，因此，構(gòu)造含水體的超前探測是 確保礦安全開采的主要需求之一。瞬變電磁法是利用不接地線圈向地下發(fā)送一次電磁場， 在一次電磁場間歇期間，使用不接地線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法，其物理基礎(chǔ) 為電磁感應(yīng)原理，即導(dǎo)電介質(zhì)在階躍變化的激勵磁場的激發(fā)下產(chǎn)生渦流場的問題，從礦不 同巖性地層的物性差異分析。一般變化規(guī)律為從泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、粗砂巖、礫 巖到層，電阻率值逐漸增高，即層相對其頂、底板呈現(xiàn)為相對高阻層。構(gòu)造發(fā)育區(qū)，或者是 出現(xiàn)層位錯動，或者是裂隙發(fā)育，局部會出現(xiàn)明顯的含水構(gòu)造，由于礦井裂隙水體的導(dǎo)電性 良好，都會打破原有的縱向和橫向電性固有連續(xù)變化規(guī)律，會呈現(xiàn)出局部電性異常體的變 化特征。上述物性變化的存在為瞬變電磁勘探方法的實施提供了良好的地球物理前提條 件。另外，瞬變電磁法觀測純二次場，對含、導(dǎo)水構(gòu)造等低阻體反應(yīng)敏感，體積效應(yīng)小，分辨 率高。目前，國內(nèi)僅有在地面使用的瞬變電磁儀，為了減少半空間電磁干擾，增加探測深度， 多采用高電壓(大于12V)，大電流(50A以上)的方式產(chǎn)生一次脈沖磁場，并且都采用普通 的單匝或者多芯編織的電纜制成的發(fā)射線圈和接收線圈，并且所述發(fā)射和接收線圈均為直 接裸露在空氣中，并不適合礦井下使用儀器的安全要求，市場迫切需要研發(fā)出能夠適合礦 井下作用使用的礦用瞬變電磁儀。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題，在于提供一種能夠符合礦井下使用儀器的本質(zhì)安 全要求、接收可靠性好、便于攜帶和移動的新型礦用瞬變電磁儀。本實用新型是這樣實現(xiàn)的一種新型礦用瞬變電磁儀，包括不共地的兩組直流電 源、MCU、內(nèi)存、USB接口、液晶顯示電路、光耦、發(fā)射電路、接收電路、發(fā)射線圈和接收線圈，所 述接收電路、內(nèi)存、液晶顯示電路、光耦、USB接口分別與MCU相連接，其中一組直流電源為 MCU供電，另一組電源為發(fā)射電路供電，光耦用于隔離發(fā)射電路和接收電路，發(fā)射電路和接 收電路分別與發(fā)射線圈與接收線圈相連接，所述所述發(fā)射電路采用低電壓限流電路，其發(fā) 射電壓限制在9. 6V以內(nèi)，發(fā)射電流控制在1. 5A以內(nèi)。所述接收電路采用高精度ADC芯片加上前置運放電路組成。所述發(fā)射電路包括第一光電隔離驅(qū)動器(U2)和第二光電隔離驅(qū)動器(U3)、以及 由第一二極管(D15)、第一場效應(yīng)管(Ql)、第二場效應(yīng)管(Q2)和第二二極管(D16)、第三場 效應(yīng)管(Q3)、第四場效應(yīng)管(Q4)組成兩組半橋驅(qū)動電路，該兩組半橋驅(qū)動電路分別形成發(fā) 射波形的正半周和負(fù)半周。所述高精度ADC芯片采用MAX1200。所述前置運放電路由第一運算放大器(U24)和第二運算放大器(U25)組成，分別放大二次場的正半周和負(fù)半周，并用自動增益方式以去除背景噪聲干擾。所述接收電路還包括第一電壓比較器(U16)、第二電壓比較器(U20)和第三電壓 比較器(U22)，分別為ADC芯片提供需要的各類基準(zhǔn)電壓，其中第一電壓比較器(U16)為 ADC芯片正向參考電壓RFPF穩(wěn)壓電路，第二電壓比較器(U20)為ADC芯片負(fù)正向參考電壓 RFNF穩(wěn)壓電路，第三電壓比較器(U22)為ADC芯片共模電壓基準(zhǔn)電壓CM穩(wěn)壓電路。本實用新型的優(yōu)點在于1、本實用新型的發(fā)射電路采用限幅驅(qū)動，限制發(fā)射電流，可以解決低電壓下低電 流發(fā)射一次脈沖磁場問題；接收電路采用高精度ADC加低噪聲、自適應(yīng)、浮點前置運放，可 以解決因低電流發(fā)射一次脈沖磁場造成場強小，二次渦流場弱的問題。2、本實用新型的電路采樣率可達lMsps，具有快速的數(shù)字誤差校正和自校準(zhǔn)功 能，能保證在全采樣率時具有16位的線性度和91db的非雜散動態(tài)范圍，以及良好的信噪比 和諧波失真特性；3、本實用新型的電路適用于礦用電子儀器低功耗、高精度、電路本質(zhì)安全的要求， 并可以通過安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心制定檢測機構(gòu)的檢測，取得礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志 證書。
下面參照附圖結(jié)合實施例對本實用新型作進一步的說明。圖1是本實用新型的瞬變電磁儀的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型的瞬變電磁儀的發(fā)射電路的連接圖。圖3是本實用新型的瞬變電磁儀的接收電路的連接圖。
具體實施方式
請參閱圖1，是本實用新型的礦用瞬變電磁儀的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。一種新型礦 用瞬變電磁儀，包括不共地的兩組直流電源、MCU、內(nèi)存、USB接口、液晶顯示電路、光耦、發(fā)射 電路、接收電路、發(fā)射線圈和接收線圈，所述接收電路、內(nèi)存、液晶顯示電路、光耦、USB接口 分別與MCU相連接，其中一組直流電源為MCU供電，另一組電源為發(fā)射電路供電，所述光耦 用于隔離發(fā)射電路和接收電路，發(fā)射電路和接收電路分別與發(fā)射線圈與接收線圈相連接。請參閱圖2，是本實用新型的瞬變電磁儀的發(fā)射電路的連接圖。所述發(fā)射電路采用 低電壓限流電路，其發(fā)射電壓限制在9. 6V以內(nèi)，發(fā)射電流控制在1.5A以內(nèi)。其中，U2、U3 為光電隔離驅(qū)動器，均采用IR2100，由D15、Q1、Q2和D16、Q3、Q4組成2組半橋驅(qū)動電路，分 別形成發(fā)射波形的正半周和負(fù)半周；C20、C21為自舉電容，C22、C23為濾波電容，C4、C5、為 退偶電容，D10、D11、D12、D13為限幅保護二極管。R20為輸出負(fù)載電阻，R21、Dl、D17、R19、 C16、U4A、RW1構(gòu)成穩(wěn)壓電路；當(dāng)MCU通過CK5的⑶端置U2的HIN為低電平，C20上的電壓 加到Ql的柵極和源極之間，C20通過U2內(nèi)部電路和Ql的柵極和源極形成放電回路，這時 C20就相當(dāng)于一個電壓源，從而使Ql導(dǎo)通，由于U2的LIN與HIN是一對互補輸入信號，所 以此時LIN為低電平，這時聚集在Q2通過U2內(nèi)部電路對地放電，由于死區(qū)時間影響使Q2 在Ql開通之前迅速關(guān)斷。經(jīng)過短暫的死區(qū)時間LIN為高電平，VH經(jīng)過U2和Q2形成回路， 使Q2開通。在此同時VH經(jīng)D15，C20和Q2形成回路，對C20進行充電，迅速為C20補充能 量，如此循環(huán)反復(fù)，形成發(fā)射波形的正半周；當(dāng)MCU通過CK5的VH端置U3的HIN為低電平 后，同理形成發(fā)射波形的負(fù)半周。因此只要控制C20和C21的容量，就可以達到控制發(fā)射電
4流的目的。請參閱圖3，是本實用新型的瞬變電磁儀的接收電路的連接圖。所述接收電路采用 高精度ADC芯片加上低噪聲前置運放電路組成。其中，A為接收信號輸入端，D2、D7為箝位 二極管電路；U16、R16、C29、Dl、RIO、R8、R30、C52、C8 組成 MAX1200 正向參考電壓 RFPF 穩(wěn) 壓電路；U20、R15、R17、C53組成MAX1200負(fù)正向參考電壓RFNF穩(wěn)壓電路；U22、C26、C13、 C27、R21、R22、R9組成MAX1200共模電壓基準(zhǔn)電壓CM穩(wěn)壓電路；U24、R12、R13、R14、R29為 正半周前置放大電路；U25、R23、R19、R20、R26為負(fù)半周前置放大電路，，分別放大二次場的 正半周和負(fù)半周，可以去除背景噪聲干擾；U23選用MAX1200，為新型流水線結(jié)構(gòu)、高速低功 耗、高精度ADC芯片。使用時，礦用瞬變電磁儀通過發(fā)射線圈1向探測介質(zhì)(礦層或圍巖)發(fā)射一次脈 沖磁場，當(dāng)發(fā)射線圈1中的電流突然斷開后，被探測介質(zhì)會激勵起二次渦流場返回，由接收 線圈3接收感應(yīng)二次渦流場，礦用瞬變電磁主機再把所接收的微弱二次渦流場，通過專業(yè) 算法轉(zhuǎn)換成視電阻率等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在儀器內(nèi)存中，再把通過USB接口把測量數(shù)據(jù) 傳輸?shù)接嬎銠C中，然后在計算機上通過專用軟件進行資料的處理和分析。正常情況下，若地質(zhì)層位穩(wěn)定、不受富水區(qū)域和含導(dǎo)水構(gòu)造的影響，則視電阻率值 將不會有明顯的異常，反之，若地質(zhì)層存在富水區(qū)域和含、導(dǎo)水構(gòu)造，電性分布規(guī)律被打破， 就會出現(xiàn)視電阻率值減小等特點的異常區(qū)。通過專業(yè)算法，就可以直觀地確定出富水區(qū)域 的賦存深度及位置。由于礦井下存在粉塵、瓦斯等不安全因素，國家對礦井用電子儀器本質(zhì)安全有嚴(yán) 格的要求，本實用新型專利采用低電壓(< 9. 6V)、低電流(< 1. 5A)發(fā)射一次脈沖磁場，高 精度、低噪聲接收感應(yīng)二次渦流場，實現(xiàn)了礦井下安全瞬變電磁探測，本實用新型專利生產(chǎn) 的礦用瞬變電磁儀已經(jīng)通過安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心制定檢測機構(gòu)的檢測，取得礦 用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書(安標(biāo)號MFA090068)，非常適合礦井下的探測作業(yè)。
權(quán)利要求一種新型礦用瞬變電磁儀，包括不共地的兩組直流電源、MCU、內(nèi)存、USB接口、液晶顯示電路、光耦、發(fā)射電路、接收電路、發(fā)射線圈和接收線圈，所述接收電路、內(nèi)存、液晶顯示電路、光耦、USB接口分別與MCU相連接，其中一組直流電源為MCU供電，另一組電源為發(fā)射電路供電，光耦用于隔離發(fā)射電路和接收電路，發(fā)射電路和接收電路分別與發(fā)射線圈與接收線圈相連接，其特征在于所述所述發(fā)射電路采用低電壓限流電路，其發(fā)射電壓限制在9.6V以內(nèi)，發(fā)射電流控制在1.5A以內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用瞬變電磁儀，其特征在于所述接收電路采用高精度ADC 芯片加上前置運放電路組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用瞬變電磁儀，其特征在于所述發(fā)射電路包括第一光電 隔離驅(qū)動器(U2)和第二光電隔離驅(qū)動器(U3)、以及由第一二極管(D15)、第一場效應(yīng)管 (Ql)、第二場效應(yīng)管(Q2)和第二二極管(D16)、第三場效應(yīng)管(Q3)、第四場效應(yīng)管(Q4)組 成兩組半橋驅(qū)動電路，該兩組半橋驅(qū)動電路分別形成發(fā)射波形的正半周和負(fù)半周。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的礦用瞬變電磁儀，其特征在于所述高精度ADC芯片采用 MAX1200。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的礦用瞬變電磁儀，其特征在于所述前置運放電路由第一運 算放大器(U24)和第二運算放大器(U25)組成，分別放大二次場的正半周和負(fù)半周，并用自 動增益方式以去除背景噪聲干擾。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的礦用瞬變電磁儀，其特征在于所述接收電路還包括第一電 壓比較器(U16)、第二電壓比較器(U20)和第三電壓比較器(U22)，分別為ADC芯片提供需 要的各類基準(zhǔn)電壓，其中第一電壓比較器(U16)為ADC芯片正向參考電壓RFPF穩(wěn)壓電路， 第二電壓比較器(U20)為ADC芯片負(fù)正向參考電壓RFNF穩(wěn)壓電路，第三電壓比較器(U22) 為ADC芯片共模電壓基準(zhǔn)電壓CM穩(wěn)壓電路。
專利摘要本實用新型涉及礦用地質(zhì)探測儀器，特別涉及一種新型礦用瞬變電磁儀，包括不共地的兩組直流電源、MCU、內(nèi)存、USB接口、液晶顯示電路、光耦、發(fā)射電路、接收電路、發(fā)射線圈和接收線圈，所述接收電路、內(nèi)存、液晶顯示電路、光耦、USB接口分別與MCU相連接，其中一組直流電源為MCU供電，另一組電源為發(fā)射電路供電，光耦用于隔離發(fā)射電路和接收電路，發(fā)射電路和接收電路分別與發(fā)射線圈與接收線圈相連接，所述發(fā)射電路采用低電壓限流電路，其發(fā)射電壓限制在9.6V以內(nèi)，發(fā)射電流控制在1.5A以內(nèi)。本實用新型是一種能夠符合礦井下使用儀器的本質(zhì)安全要求、接收可靠性好、便于攜帶和移動的新型礦用瞬變電磁儀。
文檔編號G01V3/28GK201666955SQ20092018168
公開日2010年12月8日 申請日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者李培根, 林存志, 林曉, 陳經(jīng)章 申請人:福州華虹智能科技開發(fā)有限公司