雷电瞬态电磁脉冲辐射源的研制

论文总字数：15365字

目 录

0引言 1

1 理论分析 2

1．1 瞬变电磁法的介绍 2

1．2 瞬变磁场的辐射 3

1．2．1 瞬态电流元的辐射 3

1．2．2 均匀全空间中磁偶极子形成的瞬变场 5

2 实验分析 9

2．1 实验目的 9

2．2 时钟测试 9

2．2．1 时钟电路构成 9

2．2．2 实验分析 10

2．3 驱动电路的测试 11

2．3．1 驱动电路选择 11

2．3．2 测试实验 12

2．4 驱动电路、全桥电路和发射线圈测试 14

2．4．1全桥电路的构成及基本原理 14

2．4．2 连接测试 15

2．5 电磁场耦合测试 16

2．5．1电磁耦合 16

2．5．2 耦合分析 16

3 结论 17

参考文献 17

致谢 19

雷电瞬态电磁脉冲源的研制

唐佳

，China

Abstract：For the problem that the electromagnetic field generated by the transmitting coil is coupled to other devices, the theory of the transient electromagnetic field and the radiation of the transient magnetic field are used for theoretical analysis. A time-controlled power supply to the transmitter coil is used to generate a magnetic field, and then a coupling analysis circuit is performed. The clock circuit part is tested and the STM32F103C8T6 microcontroller is nested. Then the driver circuit is tested, and then the driver and the bridge circuit are connected to test to check whether the driver circuit can work normally and drive the full bridge circuit. Then connect the drive, full bridge circuit and transmitting coil through the oscilloscope to test the output waveform, and finally conduct the coupling experiment on the magnetic field generated by the coil. It is concluded that the magnetic field generated by the small coil-based electromagnetic emission system can be coupled to the cosine waveform using the receiving antenna. This has certain reference value for the study of the coupling effect of electromagnetic and electromagnetic fields generated by transient currents.

Key words：Transient electromagnetic; Transmitter; Bridge circuit; Sequential circuit

0引言

　　现如今社会高速发展的时代，人们面临着各种的难题，资源问题就是其中之一。资源是经济和社会发展不可或缺的。我国的资源生产和消费在世界各国中均排名靠前，一次能源消费量在世界各国排名中占据第二，在世界各国一次能源生产上排名第三。所以资源勘探技术成为了尤为重要的一环。能源勘探技术不但制约着经济发展，而且对制定战略策略、提升综合国力有着非比寻常的作用。在2011年国资部开始实施了矿产突破战略的行动，对矿产资源的查找勘查、开发利用迫不及待，提高勘探技术是关键点，而电磁勘探正是能源勘探领域的重要技术手段。这些年来我国不断加大改革开放的力度，经济快速发展，从最开始的基本解决温饱问题到2020全面建成小康社会，在这期间，社会各行各位都快速发展，对基础设施的建设投入的力度也不断加大，在地铁、公路和高铁动车等运输工程建设中由于预报的不准确，对地理地势情况的不了解等一些突发事故时有发生。主要有突发水突发泥等事故，它会给工程的施工带来阻碍和困难同时还会造成经济损失严重时还可能造成人员伤亡。在瞬变电磁勘探中占据重要位置的是瞬变电磁发射系统，其性能与后期数据解释的可靠性有很大关系，进而影响到探测结果的精度。瞬变电磁发射系统在勘探应用中，需要铺设一定尺寸的发射线圈，用于产生交变磁场的激励信号。

Ward在上个世纪三十年代第一次正式提出了瞬变电磁的概念。然后到上个世纪七八十年代，TEM在苏联得到广泛运用[1]。随后各国都开始加大对瞬变电磁理论与技术的研究，瞬变电磁得到飞速发展，瞬变电磁发射系统得到不断的发展与完善。瞬变电磁系统在国内不断发展和完善，发射机作为激励源，其仪器性能的稳定性和发射参数的配置都将给系统响应带来诸多影响，如果影响不可预测，整个瞬变电磁的探测都将失去意义。对于瞬变电磁发射机部分的研究国内越来越多，为满足野外探测的需要而研制的瞬变电磁法新型发射机[2]。徐亚昆，李国才[3]等人为提高瞬变电磁仪侧量的准确度，设计了基于FPUA的瞬变电磁仪发射电路，实现了发射电流的快速关断，并且性能稳定。对于TEM-2型瞬变电磁法发射机中的过流保护张秉仁[4]通过对电磁法发射机中EXB841驱动电路的改进得以实现。付一奎等人[5]能够使电流下降线性度良好，下降沿两端抖动小，电路简易，通过无源恒压钳位方法得以实现。而对于瞬变电磁发射机的电路设计及其响应的标定研究纂美南[6]在他的论文中也有过详细阐述。对于发射机系统的频率和占空比不可调王颖等人设计了瞬变电磁发射机时序控制电路[7]。彭良玉在基于多匝小线圈的瞬变电磁发射系统设计中对桥电路提出了两种改进方法并通过实验对这两种设计进行对比[8]。关于国内外瞬变电磁法理论曲放[9]进行了整理并对现有电磁探测技术做了讲解,用多种不同的方法讲述瞬变电磁法的三维模拟。陈明生[10]提出了瞬变电磁场求解的几种方法关于电偶源瞬变电磁测深。陈本池[11]通过实验分析得出一些在不同条件下瞬变电磁场数据的波场变换的规律，让我们对瞬变电磁场波场变换的物理过程有更深入的了解。刘继东[12]经过理论分析和实验验证表明了大回线源在地下形成的瞬变电磁场与地面装置条件下的电阻率曲线有相似之处。闫述[13]等人通过时间域对负阶跃脉冲激发的二维瞬态场进行数值分析以便加深对瞬变电磁勘测原理的理解。陈民生[14]在文中描述了一些关于探测地质的原理，通过对瞬变电磁测得的波形进行频谱研究得到了瞬变电磁测深与频率电磁测深分量间的关系。付志红[15]为了实现更加便捷的计算测量物体在中心回线下的电阻率，在电阻率的计算过程中将发射电流过的关断时间当作系统参数。关于瞬变电磁无损探伤系统的研究廖明栋[16]通过时序控制能够发射多种关于瞬变电磁无损探伤系统发射的波形，同时利用电路放大完成了一些电气测试的相关实验。付志红[17]针对瞬变电磁发射系统关断时延问题和电流下降陡度等问题设计了恒压钳位高速关断电路，将这些问题得到有效解决，从整体上提高了瞬变电磁发射系统的性能。

本文研究瞬变电磁场对其他元器件产生的影响。通过时钟电路，驱动电路和桥电路与线圈相连构成基本完整的电路，给电路一个稳定的电源通过发射线圈产生一个稳定的电磁场，然后进行电磁场耦合实验。时钟电路部分对STM32F103C8T6单片机进行程序的嵌套并且制做了一个矩形线圈，再单独对驱动电路进行性能测试检测其是否能正常工作，并对驱动电路是否能驱动场效应管工作进行测试。对线圈产生的电磁场进行耦合分析，这对于瞬变电磁对其它的元器件产生的影响具有一定的参考价值。

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