隧道小线圈瞬变电磁仪器的设计与实现

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1、隧道小线圈瞬变电磁仪器的设计与实现DesignandImplementationofTunnelTransientElectromagneticInstrumentwithSmallCoil作者姓名：张磊专业名称：电工理论与新技术指导教师：段清明教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年6月1日摘要摘要隧道小线圈瞬变电磁仪器的设计与实现瞬变电磁法近几年在地质调查、地下水探测及灾害水探测等领域都发挥了很大的作用，现已成为探测地下未知物体的重要方法。与其他国家相比，虽然我国对瞬变电磁法的研究起步较晚，但由吉林大学研制出的ATEM型瞬变电磁仪器以及重庆奔腾

2、数控技术研究所研制的WTEM仪器在地面应用中都已经取得了良好的探测效果。然而在隧道环境下，由于线圈参数限制，导致发射电流关断时间较长，一定程度上制约了瞬变电磁仪器在野外的工作范围。因此，为了满足探测需求，本文针对现有仪器的不足，提出开展适合于隧道应用的小线圈瞬变电磁仪器的研制，并给出了仪器各部分的具体设计方案和测试结果。通过查阅国内外关于瞬变电磁发射机的设计方案可知，现有瞬变电磁仪器具有以下特点：（1）发射机主控单元主要是基于单片机或者PC104进行设计的，但二者存在处理速度缓慢或功耗较大等缺点，不适合在野外长时间工作；（2）发射电流关断时间是发射机

3、的重要指标，是影响后续数据解释结果可靠性的关键因素；（3）瞬变电磁信号具有早期信号幅值相对较大、中晚期信号幅值小的特点。针对这些难题，本文提出以下方案进行解决：（1）基于复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice，CPLD)开展瞬变电磁发射机的设计，CPLD具有处理速度快、功耗低、外围电路简单等优点；（2）采用基于开关速度快的MOSFET开关管设计功率变换电路，并通过TVS管进行能量吸收，可实现短发射电流关断时间，同时，为满足不同探测环境的需要，发射机具有多种发射频率及占空比；（3）鉴于MPS-140801采集卡

4、具有采样噪声低、信噪比高等优势，本文提出基于该采集卡实现接收机的设计，采用前端匹配分段放大电路的技术手段，基于不同放大倍数的五个通道进行同步采集，分别截取不同时段的数据，经归一化处理后拼接为一组瞬变电磁信号数据，实现了对早期信号低放大倍数采集，对中晚期信号高放大倍数采集的目的，提高对中晚期信号的采集精度。本文接收机控制软件基于LabVIEW编程，用户可以通过控制软件对接收机进行控制。控制软件主要完成的工作包括：参数设置，电流采集和信号采集。接I摘要收机工作前可以对数据存储位置、采样率、叠加次数、采样长度等参数进行设置。电流采集部分可以对发射电流波形进

5、行显示及存储，并且可以计算和存储发射电流关断时间。信号采集部分可以实时显示当前叠加次数和采集信号波形，并且提供线性坐标和对数坐标两种显示方式。为验证仪器设计指标，对发射机和接收机分别进行了室内测试和野外实验。室内测试包括发射电流关断时间、发射频率及占空比、接收机本底噪声、数据存储等功能。测试结果表明，当采用适用于隧道环境下的5m×5m、8匝发射线圈，发射电流20A时，发射电流关断时间为50μs，接收机本底噪声为15μV。最后在甘肃麦积山隧道进行了野外实验，通过对实验结果分析，验证了该瞬变电磁系统的有效性。关键词：瞬变电磁法，关断时间，CPLD，分段放

6、大，LabVIEWIIAbstractAbstractDesignandImplementationofTunnelTransientElectromagneticInstrumentwithSmallCoilTheTransientElectromagneticMethod(TEM)hasplayedanimportantroleingeologicalsurvey,groundwaterexplorationanddisasterwaterdetectioninrecentyears,andnowit’sanimportantwaytodetec

7、ttheunknownundergroundtarget.AlthoughthestudyofTransientElectromagneticMethodinourcountryisrelativelylatecomparedwithothercountries,theATEMinstrumentdevelopedbyJilinUniversityandWTEMdevelopedbyChongqingPentiumNumericalControlTechnologyResearchInstitutehaveachievedgooddetectionr

8、esultsingroundapplications.However,duetothelimitofcoil