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(shí)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(lì)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(duì)其頂、底板呈現(xiàn)為相對(duì)高阻層。構(gòu)造發(fā)育區(qū)，或者是 出現(xiàn)層位錯(cuò)動(dòng)，或者是裂隙發(fā)育，局部會(huì)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(huì)打破原有的縱向和橫向電性固有連續(xù)變化規(guī)律，會(huì)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(shí)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(duì)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(shí)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(dòng)的新型礦用瞬變電磁儀。本實(shí)用新型是這樣實(shí)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(yùn)放電路組成。所述發(fā)射電路包括第一光電隔離驅(qū)動(dòng)器(U2)和第二光電隔離驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，該兩組半橋驅(qū)動(dòng)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(yùn)放電路由第一運(yùn)算放大器(U24)和第二運(yùn)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(dòng)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(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于1、本實(shí)用新型的發(fā)射電路采用限幅驅(qū)動(dòng)，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(diǎn)前置運(yùn)放，可 以解決因低電流發(fā)射一次脈沖磁場造成場強(qiáng)小，二次渦流場弱的問題。2、本實(shí)用新型的電路采樣率可達(dá)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(shí)具有16位的線性度和91db的非雜散動(dòng)態(tài)范圍，以及良好的信噪比 和諧波失真特性；3、本實(shí)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(jī)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(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。圖1是本實(shí)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(shí)用新型的瞬變電磁儀的發(fā)射電路的連接圖。圖3是本實(shí)用新型的瞬變電磁儀的接收電路的連接圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1，是本實(shí)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(qǐng)參閱圖2，是本實(shí)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(dòng)器，均采用IR2100，由D15、Q1、Q2和D16、Q3、Q4組成2組半橋驅(qū)動(dòng)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(hù)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(shí) C20就相當(dāng)于一個(gè)電壓源，從而使Ql導(dǎo)通，由于U2的LIN與HIN是一對(duì)互補(bǔ)輸入信號(hào)，所 以此時(shí)LIN為低電平，這時(shí)聚集在Q2通過U2內(nèi)部電路對(duì)地放電，由于死區(qū)時(shí)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(shí)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(shí)VH經(jīng)D15，C20和Q2形成回路，對(duì)C20進(jìn)行充電，迅速為C20補(bǔ)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(dá)到控制發(fā)射電
4流的目的。請(qǐng)參閱圖3，是本實(shí)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(yùn)放電路組成。其中，A為接收信號(hào)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(shí)，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(huì)激勵(lì)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(jī)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(chǔ)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?jì)算機(jī)中，然后在計(jì)算機(jī)上通過專用軟件進(jìn)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(huì)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(huì)出現(xiàn)視電阻率值減小等特點(diǎn)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(duì)礦井用電子儀器本質(zhì)安全有嚴(yán) 格的要求，本實(shí)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(shí)現(xiàn)了礦井下安全瞬變電磁探測，本實(shí)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(jī)構(gòu)的檢測，取得礦 用產(chǎn)品安全標(biāo)志證書(安標(biāo)號(hào)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(yùn)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(dòng)器(U2)和第二光電隔離驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，該兩組半橋驅(qū)動(dòng)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(yùn)放電路由第一運(yùn) 算放大器(U24)和第二運(yùn)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(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)的新型礦用瞬變電磁儀。
文檔編號(hào)G01V3/28GK201666955SQ20092018168
公開日2010年12月8日 申請(qǐng)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(qǐng)人:福州華虹智能科技開發(fā)有限公司