基于DDS的变频慎密脉冲型电源式样绸缪

时间:2021-07-14 来源:首页=华信娱乐登录=注册平台

  找水步骤是而今寰宇上唯不断接找水的地球物理方法[1]。发射机是核磁共振找水仪的中心片面,而发射的交变的质料直接关连到地下水探测的深度和反演的精度。因此,蓄意一台发射功率大、频率精度高、自动调整谐振电容的是本文核心磋商的内容,研制完毕的电源最高可能发生3 000 V、400 A的正弦,如意100 m以内的地下水探测的请求。解决了发射功率小、频率精度低、关断后能量释放慢等枢纽性的本事清贫,为诳骗核磁共振妙技探测地下水奠定了踏实的真相。

  水中的氢核具有凋零的磁性,在地磁场的成果下爆发宏观的磁矩。向铺在地面上的发射线圈中输入一交变电流脉冲,其频率等于氢质子在踏实能级的旋进频率(亦称拉莫尔频率)。该交变电流脉冲在垂直于地磁场对象发生一鼓动磁场,使水中氢质子的宏观磁矩逗留在垂直于地磁场宗旨,堵截勉励交变电流脉冲后,撤去激发磁场,水中氢质子发生绕地磁场的旋进举动,此时,用接收线圈拾取由勉励脉冲矩胀动爆发的氢质子核磁共振暗号NMR(Nuclear Magnetic Resonance),历程反演取得地下水的厚度、深度、含水量等音信[2]。

  电源形式主要由频率发作模块、DC-DC逆变模块、驱动电途模块、大功率交变脉冲发作模块、谐配电容参数调整模块、电容储能模块、发射线圈以及单片机组成,如图1所示。

  电源形式的事情过程是:起首原委PC机把试验点的拉莫尔频率、DC-DC逆变模块输出电压、搜罗模式等参数送入单片机,尔后由单片机原委DA模块设定逆变模块的输出电压值及频率发生模块的频率参数,个中频率发生模块输出的标识流程驱动电路模块和大功率交变脉冲模块爆发功方波,再历程串联在线圈中的谐振电容,转变为发作核磁共振所需的正弦波鼓励脉冲;AD模块实行逆变模块输出端电压的实时采样,对比预置电压和输出电压的大小来裁夺是否无间给电容充电;谐配电容参数调节模块欺骗电路谐振,自愿调理电容的大小,并肯定发射经过中电容的最佳值。一次发射的脉冲记号不息时间为40 ms,然后窒碍发射,历程约70 ms的线圈能量释放光阴后,完毕一次发射。

  频率发作器的电道要紧竣工发作精度高的方波信号,限定IPM输出频率可变的换取暗号。在宇宙限制内,地磁场强度在30 000 nT~60 000 nT限制转换,对应拉莫尔频率节制为1.3 kHz~3.7 kHz[3-4]。NMR对慰勉脉冲的频率精度要求出格高,诈骗再三搜求叠加提高信噪比的办法收受天线上的NMR暗号,在探测点每次发射的脉冲一定保持同频同相,因而采选ADI公司高集成度的DDS芯片AD9851行动频率产生器的主控芯片。AD9851接口功效节制大意,32位频率限制字,在180 MHz时钟下,输出频率分散率达0.037 2 Hz,全部可能舒服发射机的发射请求。驱动电路要紧是对AD9851输出的方波举行夸张,尔后驱动IGBT功率管,产生换取标识。商讨到始末IGBT的电流最高来到400 A,本文选取了三菱公司的M57962L行为驱动模块,该驱动模块内部集成了3 000 V的高分开、高电压的光电耦合器,过流回护电道和过流包庇端子,具有关闭性短路庇护功效,得意考试央求。

  大功率交变脉冲模块的预备是电源策动的重心才干和难点。大功率交变脉冲模块的功用是:历程天线妥洽配电容箱组成的LC回路,发射特定频率的交变电流标志,从而发作垂直于地磁场方向的交变磁场,终末激励地下水中的氢核磁矩发作偏转而发生自由感应衰减信号(FID)。由于核磁共振接管到的有效标志为纳伏(nV)级,以是胀励的交变磁场强度越大,则勉励的脉冲矩(q=I0t)越强,从而担保收受的核磁共振标识越强,探测地下水的深度就会越明确。

  所以采取方波全桥逆变本领准备了电压型H桥电途,由AD9851产生的高精度拉莫尔频率的脉冲经过死区韶华产生电路、驱动电途后限度H桥4个臂的间隔导通,在输出端爆发大功率的方波,流程发射线圈调和振电容后,形成发射所需的正弦功率波。在实际电途设计中,选拔三菱公司的2块大功率PM400DSA060模块(简称IPM)构成H桥电途,代替由4个独立的IGBT功率管组成的电途,不单把功率开闭器件和驱动电途集成在所有,而且经过内置过电压、过电流和过热等贫困检测电路,将检测标记送到单片机,实行对IPM发射状态的实时监测。大功率IPM模块电途如图2所示。

  由于开关器件不成防卫地保管闭断时间,即从限制器发出关断控制标记到 H桥开合器件彻底关断,会有势必的耽搁时光,这个年华平凡称之为死区时光或空载韶华[4]。于是必要在发送控制记号的同时把这个年华探究进去,防守路理4个IGBT同时导通造成发射回路短路废弃器件。本文希望了图2(c)所示的IPM模块死区韶华的发生电道,玩弄电容的充放电来完成硬延时支配,爆发IPM合断所需的死区岁月。与古代的软件延时比较,具有控制粗略、限制显然的特色。

  发射机发射单元的等效电途如图3所示,捉弄核磁共振的技巧探测地下水时,发射和收受为团结线 m时,线 V,而接管回头的NMR标识惟有纳伏级,因此,发射和接管之间的开关必须速快切换。本文从坚硬、稳重的角度起程,策动了利用耐高压真空继电器,完毕发射和收受的速速切换和分隔。当发射时,C1和L组成串联谐振回路,发射告终后,C1、C2、R、L组成放电回道,等待70 ms,线圈中的能量耗尽时,切换到接管回路,接管NMR标帜。R为100 ?赘大功率电阻,发射杀青后接入放电回途,用于快速释放线在举座发射过程中具有紧要的出力,并由L和C1组成串联谐振回途,在其谐振频率等于输入的方波频率时,电道发生谐振,此时的频率等于尝试点的拉莫尔频率。

  当发射暂息后,发射回路疾疾切换到释能形态。C1、C2、L生存的能量会发生自激振荡,但是自由衰减的频率和拉莫尔频率不再很是,保证了接收回想的NMR暗记来自觉射而不是自由衰减产生。缘由在自由衰减过程中,C1、C2、R、L联合加入,则自由衰减的频率:

  始末考试考试可知,C=(C1×C2)/(C1+C2),C2≈0.5C1,自由衰减的频率约为拉莫尔频率的1.2倍。核磁共振时,发射回路的谐振频率为探测点的拉莫尔频率,历程式(1)可知,放电时自由衰减的频率宏大于拉莫尔频率,如此就不会对地下的氢核产生核磁共振的陶染,放电回途的奇特妄图担保了发射实行后在最短的时光内快速切换到接管形态[5-6]。

  基于DDS的变频严密脉冲型电源的试验情况为某矿山的测试基地。已知地下30 m处有厚度为3 m的地下水仓,本仪器实地探测到了清楚的地下水存储。当频率为2 000 Hz时,体例中IGBT限制标识的波形如图4所示。当电源格式频率为2 000 Hz时,输出120 A电流波形如图5所示。当电源体例输出电流为150 A,频率分裂为2 420.5 Hz、2 410.1 Hz、2 470.7 Hz时,PC机接收到的NMR标记如图6所示。由图能够看出,遴选分歧频率发射、接管到的NMR暗记的初始相位都形似,从而进一步验证了发射波形的有效性。表1的考试数据是哄骗LC回途发射差异频率的记号,此中谐配电容C的值由当地的拉莫尔频率选定,线圈电感L的值固定褂讪,使电路事务在谐振状态,实测6组区别频率和理论之间的过错,DC/DC输出为400 V,储能电容为24 V。经过臆想阐发得出以下结论:电源格式的发射频率(f0) 的值在1 600 Hz~2 500 Hz限度内时,测得实际发射频率ft的值,其与f0之间的缺欠范围(fd)限制在0.20 Hz内,符合NMR才具要求的圭臬。

  本文妄想了一种大功率变频邃密脉冲型电源体系,与守旧的逆变电源比拟,改革点是:自吻合真切校准谐振电容技艺,原委采样发射回途的电流极值确信LC谐振回路的相干参数;速快闭断释能才具及发展自由衰减频率电路的古怪妄图,包管收受NMR标志的有效性;IPM功率模块和M57962L驱动模块的使用,告竣了大功率交变电流输出。通过电途的仿真和原野探测,如意探测的各项指标条件,对出产核磁共振找水仪发射机需要了成功的谋划。

  [1] 潘玉玲, 张昌达. 地面核磁共振找水理论和形式[M].武汉:华夏地质大学出版社,2000.

  [2] 张筑中,孙存谱.磁共振教程[M]. 合肥:中原科学本领大学出版社,1996.

  [3] 华学明,石伯圣,张继伟. IGBT逆变点焊电源主回途的预计机仿真[J].上海工程才干大学学报, 2001,15(1):

  [4] 林君,段明朗,王应吉,等.核磁共振找水仪路理与行使[M].北京:科学出版社,2011.



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