圖3.15弱電控制系統面板圖3.16發射機控制系統整機圖第4章發射機整體功能測試與結果分析PAGE52第4章發射機整體功能測試與結果分析4.1概述在前三章工作內容基礎上，本章將發射機功率電路部分和弱電系統部分整合到一起進行室內測試實驗，通過觀測示波器各個部分的實驗波形以及分析相關數據給出量化指標。4.2發射機室內實驗發射機工作電源選用6KW高頻斬波直流穩壓電源。主要測試工具為美國Tektronix公司生產的TDS2012B型數字存儲示波器。主要測試項目為發射電流波形測試和過沖削弱單元功率電阻電壓波形測試。如圖4.1所示為串聯諧振發射機室內實驗現場。圖4.1測試現場4.3電流發射測試結果分析4.3.1發射電流峰值計算依據課題要求，本文重點分析發射線圈電流波形，由于線圈中的電流過大而且線圈的電阻只是一個等效電阻無法直接測量，所以選用間接的測試手段，通過感應式互感器測量發射線圈電流波形。互感器采用上海永虹互感器有限公司生產的BH.0.66型號的電流互感器匝數比2500:5，測量方式為：發射線圈有效過流部分穿過互感器中心，互感器測試原理與實物如圖4.2和圖4.3所示。第4章發射機整體功能測試與結果分析PAGE52圖4.2互感器測試原理圖4.3互感器實物互感器二次側輸出端并接兩個串聯在一起的0.2Ω/10W功率電阻，由歐姆定律電阻兩端的電壓與電流呈線性關系，電阻電壓波形即為互感器二次側的電流波形，圖4.4給出了電阻兩端的電壓波形和串聯支路電容的電壓波形。圖4.4發射機主要指標波形峰值電壓約為2V，那么峰值電流需要依據公式4.1計算。………（4.1）式中為電阻兩端電壓峰值，為電阻阻值，后面的系數是互感器變比，將、帶入4.1式得到，達到了課題要求的2500A的指標。從示波器波形可以計算出正弦半波的發射電流波形頻率為25Hz，脈寬約第4章發射機整體功能測試與結果分析PAGE52為4ms。4.3.2發射電流波形結果分析通過計算分析實測發射線圈電流波形，并與相同參數設置得到的仿真電流波形進行比對，檢測波形差異、脈沖寬度差異、峰值大小差異的參數，最終得到發射機發射電流波形量化指標。圖4.5給出了互感器實測電流波形，從示波器橫軸計算半正弦波形脈沖寬度為4.1ms左右，與課題要求指標相差2.5%。圖4.5實測電流波形表4.1是將實測電流波形以時間軸為基準分為22個測點，計算每個測點電流值形成的數據表格，從表中數據可以看出峰值電流達到2725A，超過課題要求2500A的指標。表4.1實測電流波形各點計算值時間（ms）00.10.30.50.70.9電流峰值（A）025050080011251425時間（ms）1.11.31.51.71.92.1電流峰值（A）172519752238247526252725時間（ms）2.32.52.72.93.13.3電流峰值（A）262525002313206317901490時間（ms）3.53.73.94.1電流峰值（A）11307503750第4章發射機整體功能測試與結果分析PAGE52圖4.6給出了相同參數設置得到的仿真電流波形，正弦半波脈寬同為4.1ms，方便與實測波形比對。圖4.6仿真電流波形表4.2是將仿真電流波形分為22個點，測量每點的電流值形成的表格。表4.2仿真電流波形各點計算值時間（ms）00.10.30.50.70.9電流峰值（A）0230690105014501775時間（ms）1.11.31.51.71.92.1電流峰值（A）207023202540267027252750時間（ms）2.32.52.72.93.13.3電流峰值（A）267325682372216819001598時間（ms）3.53.73.94.1電流峰值（A）12358624700將上述數據分析整理后得到圖4.7所示的結果對比圖，圖中圓圈線為仿真電流波形、方塊線為實測電流波形、三角線為各點差異波形。第4章發射機整體功能測試與結果分析PAGE52圖4.7電流波形對比圖從結果對比圖中我們可以發現兩個波形前半段差異比較大，最大差異處達到了峰值電流的12%，后半段最大差異為峰值電流的4.1%，但兩波形形狀還是比較吻合的。由瞬變電磁探測原理我們知道影響探測結果因素主要由發射電流的后半段決定的，所以發射線圈中的電流波形可以滿足探測要求。4.4過沖削弱單元測試結果及分析該單元的工作過程為第3章完成的驅動信號輸入雙向可控硅的門極和陰極，在交流半正弦兩個半波電流波形將要過零的時刻開通，功率電阻并聯到發射線圈兩端，由于此時感性發射線圈電流的變化率不為零，因此線圈電感的感應電動勢將加到功率電阻兩端，部分能量將以熱量的形式消耗在功率電阻上，從而到達削弱電流過沖的目的。第4章發射機整體功能測試與結果分析PAGE52圖4.8過沖削弱單元功率電路原理首先，通過觀察圖4.8中并接到發射線圈兩端的功率電阻的電壓波形，并對比電流過零時刻的波形，以此判斷功率電阻并接到發射線圈兩端的時刻。測試結果如下：圖4.9為電流過沖削弱單元不工作時的波形，圖4.10為過沖削弱單元工作時功率電阻的電壓波形，圖中上半部分是發射線圈電流過零時的波形，下半部分是功率電阻兩端的電壓波形。從圖4.9和圖4.10對比可以看出，功率電阻在發射電流過零前200μs時刻并聯到發射線圈兩端。圖4.9無過沖削弱電路功率電阻電壓波形第4章發射機整體功能測試與結果分析PAGE52圖4.10有過沖削弱單元功率電阻電壓波形其次，分析過沖削弱電路對過沖電流的削弱能力，由瞬變電磁探測原理的知識我們知道，接收系統接收的信號是發射電流關斷后電流相對于時間的變化率。對于感性的發射線圈，在這里我們定義一個“過沖電壓”的概念，用符號U表示它的計算公式為：…………………(4.2)式中L為發射線圈電感，為發射線圈電流相對于時間的變化率，由于發射線圈電感不變，所以過沖電壓與發射線圈電流相對于時間的變化率成正比，本文將以過沖電壓減少的程度來分析電流過沖削弱單元的性能。圖4.11給出了發射線圈電流過沖的互感器輸出電壓波形圖。圖4.11電流過沖波形圖圖中顯示在22.5μs的時間內電壓變化23mv，而根據式4.1計算23mv電壓第4章發射機整體功能測試與結果分析PAGE52代表過沖電流變化28.75A。將L=290μH、Δi=28.75A、Δt=22.5μs帶入4.2式，得過沖電壓U=370.5V，圖4.10已標出。過沖削弱單元開通后，功率電阻與發射線圈并聯，功率電阻的電壓波形即為發射線圈的電壓波形。圖4.12所示為50Ω功率電阻并聯到發射線圈兩端的電壓波形，圖中顯示發射線圈的過沖電壓為300V，削弱掉過沖電壓為70.5V。圖4.12采用50歐姆功率電阻波形圖圖4.13所示為20Ω功率電阻并聯到發射線圈兩端的電壓波形，圖中顯示發射線圈的過沖電壓為75V，削弱掉的過沖電壓為295.5V。圖4.13采用20歐姆功率電阻波形最后，分析過沖削弱電路對發射電流過沖的抑制能力，從上面的分析我們得出：過沖削弱電阻為50Ω的時候對電流過沖削弱達到19%，過沖削弱電阻為20Ω的時候對電流過沖的削弱達到79.7%，從過沖削弱功率電阻的電壓波形我們也第4章發射機整體功能測試與結果分析PAGE52可以看出20Ω功率電阻并聯到發射線圈兩端對電流過沖的削弱是比較明顯的。4.5本章總結本章主要完成了室內測試實驗，包括介紹發射電流波形的測試分析、過沖削弱電路的功能測試和分析。通過對測試結果的分析，發射機的發射電流指標能夠滿足課題要求指標，峰值電流達到2725A、正弦半波脈寬4.1ms、基頻25Hz。20Ω功率電阻并聯到發射線圈兩端時，過沖削弱電路能削弱79.7%的過沖電流，效果比較理想。第5章全文總結及未來展望PAGE52第5章全文總結及未來展望5.1概述 直升機時間域航空電磁法是國內外航空物探測量技術的重要研究方向之一。目前國外已有多家公司能夠生產相關的航空電磁勘察系統，而我國在這一領域還處于空白階段，鑒于直升機時間域航空電磁勘察系統是尋找地下水、良導金屬礦體以及地質填圖等多種勘查任務的快速、有效的地質勘查方法，有很好的應用前景，我國相關單位已經開始著手研究直升機時間域航空電磁勘察系統。 本論文的研究在國家高技術研究發展計劃（863計劃）重大項目——航空地球物理勘查技術系統子課題《吊艙式時間域直升機航空電磁勘查系統開發集成》的資助下，著重研究了以串聯諧振技術為基礎的半正弦電流發射機，在研究中采用了分析設計、仿真研究、實地測試相結合的方法，取得了一定的研究成果。5.2本論文的主要貢獻 本主要研究成果： （1）功率發射電路的設計實現 通過選取合理的功率發射電路方案，確定了串聯諧振方式的半正弦電流發射電路，給出了電路的結構原理并分析了電路的工作過程，通過對課題要求指標的計算選擇相應的功率器件和發射線圈的設計、測試；完成了以單片機為控制核心時序發生電路，給出了相應的硬件電路設計原理圖和軟件流程圖；設計并實現了分立元件搭建的大功率晶閘管驅動電路，給出了相應的電路設計原理圖；將時序發生電路與驅動電路結合到一起做到PCB電路板上，通過示波器測試驅動電路輸出的驅動信號，驗證了該部分滿足發射電路的要求。 （2）峰值電流采集記錄以及過沖削弱的設計實現 針對飛行過程中無法直接觀測發射電流峰值的變化，采用峰值檢測電路將峰值電流轉換為相應的直流電壓模擬信號，設計完成了以單片機為核心的峰值電流突變采集記錄單元，實現了電流和時間點實時顯示，電流變化超過一定數值的自動記錄和存儲相應的電流峰值和時間點以及在實驗完成后顯示出電流的變化前后的值和時間點的功能，給出了相應的電路設計原理圖和軟件程序流程圖。針對電流過沖對后續數據處理帶來的不利影響，設計完成了過沖削弱電路，它是通過延時時序信號后控制雙向晶閘管導通，在電流將要過零時將一個功率電第5章全文總結及未來展望PAGE52阻并聯到發射線圈兩端以消耗一定功率，達到削弱電流過沖的目的。 （3）室內功能測試實驗 最后，通過測量電流互感器輸出波形、線圈兩端電壓波形以及過沖削弱功率電阻波形并經過相應的計算推導，最終確定發射機發射電流峰值達到2725A、脈沖寬度4.1ms、基頻25Hz的指標，并能夠完成電流峰值突變采集記錄和電流過沖的削弱等附加的功能，其中電流過沖削弱單元對電流過沖的削弱達到79.7%。發射機實物照片如圖5.1所示。圖5.1發射機實物照片5.3展望本文主要研究串聯諧振式航空電磁法發射機的關鍵技術，在對大量技術資料的分析、總結的基礎上，通過大量的仿真實驗及硬件測試完成的。從航空電磁法的原理入手，介紹了國內外航空電磁法探測技術的發展現狀和應用前景，并對國外一些商品化的航空電磁法系統的性能進行比較，明確本次設計的方向：設計并制作完成串聯諧振式航空電磁法發射機。此發射機具有發射大偶極峰值距的能力，在直升機時間域航空電磁勘察系統中有很廣闊的應用前景。尚需深入研究的幾個問題：（1）發射電流波形脈寬比預期指標多出0.1ms，由于線圈結構已經確定，線圈電感值也隨之確定，只能通過改變串聯支路電容的值來減少電流脈沖寬度。（2）電路結構的需要進一步優化，其中比較突出的問題是功率回路的接觸第5章全文總結及未來展望PAGE52電阻過大導致的連接處過熱的問題，過大的接觸電阻同時會導致峰值電流的下降，嚴重影響發射機的整體效率并會帶來一定的安全隱患。針對此問題，本文提出減少發熱點接觸電阻的方法，發熱點的確定靠TEK公司生產的熱像儀來實現。（3）由于本文中的過沖削弱電路并不能完全消除電流過沖，需要進一步研究電流過沖產生的機理，從根本上解決電流過沖問題，這個問題的提出是基于對諧振電路的理論分析得來的，因為理論上晶閘管電流過零時應該處于關斷的狀態，而由于晶閘管在反向截止的過程中，空穴載流子需要一定的時間復合，這樣會產生反向回復電流，也就是發射線圈電流過零的時候會產生一定過沖電流。針對此問題，本文提出兩種嘗試方案，一是給大功率晶閘管加裝吸收電路，以達到減小反向電流的目的，二是過沖削弱部分電路嘗試其它類型的開關器件的應用，比如IGBT。（4）峰值電流采集功能有待提高，由于前文所介紹峰值電流采集電路采用串行AD芯片而且采樣率比較低，所以必須在AD前端加設峰值檢測電路，并行高采樣率AD芯片的應用對于這個問題的解決是非常有效的。同時采用更大容量的EEPROM對于后續發射機的功能擴展是非常有利的。（5）由于本文是針對串聯諧振式航空電磁法的關鍵技術的研究，每一部分在設計的時候均采用各自的電源，這樣在電源效率方面就不那么令人滿意，所以需要對整個弱電系統電源進行結構的優化，包括信號傳輸時光耦隔離的應用，不同電壓等級的DC/DC變換的應用。參考文獻PAGE52參考文獻[1]王守坦.航空物探技術[J].地學前緣，1998，4：223-230.[2]王衛平，陳斌.直升機TEM系統發展研究現狀及應用前景[J].地質找礦論叢，2010,12:286-291.[3]滿延龍.國外航空電磁法的發展現狀和我國現階段航電的發展[J].物探與化探.1994（6）：174-178.[4]周錫華,熊盛青,張虹,金龍哲.數字發射在航空電磁儀中的應用[J].物探與化探.2007,31(16):564-567.[5]王世隆,林君,王言章,隨陽軼,孟慧,劉麗敏.直升機式航空時間域電磁法全波收錄[J].吉林大學學報（工學版）.2011,41(3):776-781.[6]嵇艷鞠.淺層高分辨率全程瞬變電磁系統中全程二次場提取技術研究[J].長春：吉林大學儀器科學與電氣工程學院，2004.[7]孫炳海,王劍,李永東.回饋式級聯型變頻器PWM整流控制及其諧波分析[J].電工技術學報.2011,26(7):210-215.[8]譚國貞,付志紅,周雒維,羅強.瞬變電磁發射機控制系統設計[J].電測與儀表.2006,43(3):8-12.[9]李軍鋒，李文杰.航空電磁發射線圈自感系數的精確計算[J].物探化探計算技術，2007，10：17-20.[10]張昌達.航空時間域電磁法測量系統:回顧與前瞻[J].工程地球物理學報.2005（8）：265－273.[11]雷棟,胡祥云,張素芳.航空電磁法的發展現狀[J].地質找礦論叢.2006（3）：40－44.[12]游力軍.可控沿大電流發射機控制裝置的研制[D].長春：吉林大學儀器科學與電氣工程學院，2009.[13]徐立忠.基于ATEM-Ⅱ的改進型電磁法發射系統設計與實現[D].長春：吉林大學儀器科學與電氣工程學院，2008.[14]賈巍單.片機仿真開發軟件的應用[J].中國水運(理論版).2007,5(11):134-136.[15]黃德勝.可控硅觸發電路[J].中國氯堿.2008(4):25-29.[16]汪軍.脈沖行波管雷達發射機高壓電源設計[J].電力電子技術.2008,42(2):36-38.參考文獻PAGE52[17]唐雄民.一種能實現串聯諧振電路的多種控制方案.儀器儀表用戶[J].2008，15（1）：109-110.[18]林飛，杜欣.電力電子應用技術的MATLAB仿真[M].中國電力出版社.2009年1月.[19]周淵深.電力電子技術與MATLAB仿真[M].中國電力出版社.2005年12月.[20]王利平,楊德州,賈春蓉,朱小紅.一種新型穩壓電源的研制[J].電力電子技術.2009,43(11):47-49.[21]吳俊娟,鄔偉揚,代明輝.基于移相控制的串聯諧振變換器穩態分析[J].電力電子技術.2010,44(2):34-36.[22]付喬.關于電力電子晶閘管參數的選擇.現代商貿工業[J].2007，19（8）：190-191.[23]譚林林,黃學良,黃輝,鄒玉煒,李慧.基于頻率控制的磁耦合共振式無線電力傳輸系統傳輸效率優化控制[J].中國科學:技術科學.2011,41(7):913-919.[24]GuiminLiu.EffectoftransmittercurrentwaveformonairborneTEMresponse.[J]ExplorationGeophysics.1998(29)：172-174.[25]郭悅韶.RLC串聯諧振曲線的計算機模擬與討論[J].實驗科學.2008，4（2）：74-76.[26]戴薇,鄧雪軍,齊懷軒.大功率晶閘管變流裝置的設計方法[J].電氣傳動.2008，38（5）：25-27.[27]ABecker.AirborneElectromagneticMethod[J].Geophysicsa