自動掃頻式電感測量儀及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及自動掃頻式電感測量儀及測量方法。由24V電池對儀器供電，由計算機經(jīng)掃頻軟件控制通訊控制器，通訊控制器控制發(fā)射模塊和高壓瞬變電源，發(fā)射模塊與線圈、配諧電容和電流傳感器相連接，電流傳感器將采集到的發(fā)射電流信號經(jīng)過放大器模塊放大后傳遞給發(fā)射電流采集模塊，由串口傳遞給上位機。上位機掃頻系統(tǒng)可以設置激發(fā)頻率區(qū)間和頻率間隔，自動改變激發(fā)頻率不斷發(fā)射，電流采集模塊采集電流值，軟件系統(tǒng)會根據(jù)采集到的電流值繪制一個幅頻圖，根據(jù)最大值點對應的頻率可算出電感的精確值。利用此掃頻方法測量電感測電感配電容的操作更加簡便，提高了測量效率和精度；在復雜干擾環(huán)境下也能精準的測量出電感值，具有抗干擾性。
【專利說明】自動掃頻式電感測量儀及測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于地球物理探測的電感測試儀，尤其是能在復雜環(huán)境干擾下通過掃頻測量的方式測量出線圈的精確電感值，從而為核磁共振地下水探測儀提供準確參數(shù)值。
【背景技術】
[0002]核磁共振地下水探測儀是一種不破壞大地的地球物理探測儀器，這種探測儀器與方法與傳統(tǒng)的地球物理勘探方法相比具有靈敏度高、分辨率高、快速經(jīng)濟、反演解釋信息量豐富等優(yōu)點，不打鉆就能探測地下水層的深度、含水量和含水層的孔隙度等水文地質信息。
[0003]CN102621397A公開了“一種電感測量儀”，包含信號輸入接口、電容接口、電感接口和電壓表，還配套使用的電容器、待測電感器和信號發(fā)生器。上述發(fā)明利用LC諧振電路測電感結構簡單，實驗操作簡便，儀器成本低，但是抗干擾能力不強，測量精度不高。
[0004]CN203069677U公開了“一種數(shù)字式電感測量儀”，包括用于連接被測電感將電感的電感值轉換為相對應的頻率值且將頻率值以正弦波的形式輸出的振蕩電路、接收所述振蕩電路發(fā)出的頻率值的正弦波并將該正弦波整形成矩形波的施密特觸發(fā)器、接收施密特觸發(fā)器發(fā)出的矩形波并對矩形波進行分頻的分頻器、接收所述分頻器傳送的分頻后的矩形波并對矩形波進行處理獲得電感值的單片機和接收單片機發(fā)送的電感值并對該電感值進行顯示的顯示電路；所述振蕩電路、施密特觸發(fā)器、分頻器、單片機和顯示電路依次連接。上述實用新型的數(shù)字式電感測量儀，具有結構簡單，但測量效率低，而且不具有抗干擾特性。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種抗干擾，測量精確的自動掃頻式電感測量儀；
[0006]本發(fā)明的另一目的是提供一種掃頻式電感測量方法。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0008]一種自動掃頻式電感測試儀，包括線圈、上位機、通訊控制器、發(fā)射模塊、配諧電容、電流傳感器、放大器、以及發(fā)射電流采集模塊，其中，上位機通過通訊控制器與發(fā)射模塊以及發(fā)射電流采集模塊連接，發(fā)射模塊通過配諧電容與線圈連接；線圈還依次通過電流傳感器以及放大器與發(fā)射電流采集模塊連接；線圈通過一轉換開關實現(xiàn)與配諧電容以及電流傳感器之間的切換，分別實現(xiàn)發(fā)射電流激發(fā)信號以及接受核磁共振信號；發(fā)射模塊上連接高壓瞬變電源，為發(fā)射模塊提供高壓瞬變電能。
[0009]進一步地，發(fā)射模塊是由發(fā)射控制MCU經(jīng)時序控制電路、驅動電路和H橋路與能量吸收模塊連接構成，其中H橋路中的儲能電容與高壓瞬變電源連接，能量吸收模塊由兩個方向相反的二極管并聯(lián)后串聯(lián)在發(fā)射回路中。
[0010]進一步地，所述配諧電容為多個電容設置在配諧電容箱，電容之間的串并聯(lián)形式通過在配諧電容箱操作完成。[0011]一種自動掃頻式電感測量儀的測量方法，其特征在于包括以下步驟:
[0012]a、根據(jù)地形鋪設方形或者圓形測量線圈；
[0013]b、由當?shù)氐牡卮艌鲋担ㄟ^上位機預置的地磁場一拉摩爾頻率轉換公式，計算出與地磁場值相對應的拉摩爾頻率；
[0014]C、采用常規(guī)技術估算線圈的電感值，根據(jù)拉摩爾頻率和線圈的電感特性，計算出需要匹配的配諧電容值的大小，并修正配諧電容中的電容值；
[0015]d、通過上位機中閾值的掃頻軟件設置電容、電感參數(shù)值以及采集回來的發(fā)射電流數(shù)據(jù)的保存路徑，給儀器上電，設置加載放大器；
[0016]e、以拉莫爾頻率為中間值上下浮動50Hz作為發(fā)射頻率區(qū)間，發(fā)射頻率間隔f取值IOHz或5Hz，掃頻次數(shù)N= (Fh-F1)/f+Ι，其中Fh是發(fā)射頻率區(qū)間內的最高頻率，F(xiàn)1是頻率區(qū)間的最低頻率；
[0017]f、設置發(fā)射的脈沖矩，脈沖矩是發(fā)射電流和發(fā)射時間的乘積，脈沖矩選用400A*ms，發(fā)射時間40ms ;將脈沖矩參數(shù)通過通訊控制器發(fā)送至發(fā)射控制MCU ；
[0018]g、上位機根據(jù)所設發(fā)射頻率區(qū)間自動改變發(fā)射頻率,發(fā)射控制MCU接受上位機的指令并控制發(fā)射模塊，在發(fā)射頻率區(qū)間不斷發(fā)射電流數(shù)據(jù)，每發(fā)射一次后電流傳感器把線圈內的電流信號經(jīng)放大器放大后傳遞給發(fā)射電流采集模塊，發(fā)射電流采集模塊把電流值經(jīng)通訊線返回到上位機內；
[0019]h、采集的電流數(shù)據(jù)在上位機界面上形成頻率幅值圖，縱坐標為采集的電流，橫坐標為頻率，由頂點電流最大值對應的橫坐標的頻率值和配諧電容值，根據(jù)LC振蕩電路的電感計算公式L=I/ (4 π 2CF),其中L是待測電感值，C是配諧電容值，F(xiàn)是激發(fā)頻率，算出線圈電感的精確值，完成了對電感的精確測量。
[0020]有益效果:本發(fā)明采用掃頻式測電感，通過設置拉莫爾頻率區(qū)間范圍以及頻率間隔，激發(fā)頻率F在2000?3000Hz之間，由公式L=I/ (4 Ji 2CF)知，激發(fā)頻率越大，電感值誤差越小，測得電感值越精確，實現(xiàn)對電感的精確測量；
[0021]本發(fā)明中采用的發(fā)射電流可達到幾十安培，發(fā)射電流遠遠大于一般的環(huán)境干擾，所以具有極強的抗干擾性；本發(fā)明大大提高了核磁共振地下水探測儀野外探測的準度、精度和效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明結構的結構框圖；
[0023]圖2是圖1中的發(fā)射模塊的結構框圖；
[0024]圖3是電流數(shù)據(jù)形成的頻率幅值圖；
[0025]其中，124V電池，2上位機，3通訊控制器，4高壓瞬變電源，5發(fā)射模塊，6電流傳感器，7線圈，8配諧電容，9放大器模塊，10發(fā)射電流采集模塊，11發(fā)射控制MCU，12時序控制電路，13驅動電路，14H橋路，15能量吸收模塊。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和實施例作進一步詳細說明:
[0027]如圖1和圖2所示，一種自動掃頻式電感測試儀，包括線圈7、上位機2、通訊控制器3、發(fā)射模塊5、配諧電容8、電流傳感器6、放大器模塊9、以及發(fā)射電流采集模塊10，其中，上位機2通過通訊控制器3與發(fā)射模塊5以及發(fā)射電流采集模塊10連接，發(fā)射模塊5通過配諧電容8與線圈7連接；線圈7還依次通過電流傳感器6以及放大器模塊9與發(fā)射電流采集模塊10連接；線圈7通過一轉換開關實現(xiàn)與配諧電容8以及電流傳感器6之間的切換，分別實現(xiàn)發(fā)射電流激發(fā)信號以及接受核磁共振信號；發(fā)射模塊5上連接高壓瞬變電源4，高壓瞬變電源4通過24V電池供電，為發(fā)射模塊提供高壓瞬變電能。如圖2所示，發(fā)射模塊是由發(fā)射控制MCUll經(jīng)時序控制電路12、驅動電路13和H橋路14與能量吸收模塊15連接構成，其中H橋路中的儲能電容與高壓瞬變電源連接，能量吸收模塊由兩個方向相反的二極管并聯(lián)后串聯(lián)在發(fā)射回路中。
[0028]配諧電容為多個電容設置在配諧電容箱，電容之間的串并聯(lián)形式通過在配諧電容箱操作完成。
[0029]自動掃頻式電感測量儀的測量方法，包括以下步驟:
[0030]a、根據(jù)地形鋪設方形或者圓形測量線圈；
[0031]b、由當?shù)氐牡卮艌鲋?，通過上位機預置的地磁場一拉摩爾頻率轉換公式，計算出與地磁場值相對應的拉摩爾頻率；
[0032]C、采用常規(guī)技術估算線圈的電感值，根據(jù)拉摩爾頻率和線圈的電感特性，計算出需要匹配的配諧電容值的大小，并修正配諧電容中的電容值；
[0033]d、通過上位機中閾值的掃頻軟件設置電容、電感參數(shù)值以及采集回來的發(fā)射電流數(shù)據(jù)的保存路徑，給儀器上電，設置加載放大器；
[0034]e、以拉莫爾頻率為中間值上下浮動50Hz作為發(fā)射頻率區(qū)間，發(fā)射頻率間隔f取值IOHz或5Hz，掃頻次數(shù)N= (Fh-F1)/f+Ι，其中Fh是發(fā)射頻率區(qū)間內的最高頻率，F(xiàn)1是頻率區(qū)間的最低頻率；
[0035]f、設置發(fā)射的脈沖矩，脈沖矩是發(fā)射電流和發(fā)射時間的乘積，脈沖矩選用400A*ms，發(fā)射時間40ms ;將脈沖矩參數(shù)通過通訊控制器發(fā)送至發(fā)射控制MCU ；
[0036]g、上位機根據(jù)所設發(fā)射頻率區(qū)間自動改變發(fā)射頻率,發(fā)射控制MCU接受上位機的指令并控制發(fā)射模塊，在發(fā)射頻率區(qū)間不斷發(fā)射電流數(shù)據(jù)，每發(fā)射一次后電流傳感器把線圈內的電流信號經(jīng)放大器放大后傳遞給發(fā)射電流采集模塊，發(fā)射電流采集模塊把電流值經(jīng)通訊線返回到上位機內；
[0037]h、采集的電流數(shù)據(jù)在上位機界面上形成頻率幅值圖，縱坐標為采集的電流，橫坐標為頻率，由頂點電流最大值對應的橫坐標的頻率值和配諧電容值，根據(jù)LC振蕩電路的電感計算公式L=I/ (4 π 2CF),其中L是待測電感值，C是配諧電容值，F(xiàn)是激發(fā)頻率，算出線圈電感的精確值，從而完成了對電感的精確測量。實施例1
[0038]長春市農(nóng)安縣燒鍋鎮(zhèn)附近為例，對掃頻式電感測量儀的測量方法以及本發(fā)明的設備的應用進行說明，包括以下步驟:
[0039]a、首先在長春市農(nóng)安縣燒鍋鎮(zhèn)附近，根據(jù)當?shù)氐匦武佋O一個100米*100米的單匝數(shù)方形待測量線圈；
[0040]b、由當?shù)氐牡卮艌鲋礏。為54600.9nT,通過上位機掃頻軟件中的“地磁場一拉摩爾頻率”轉換計算公式:4=0.0426ΦΒ。，計算出與地磁場值相對應的拉摩爾頻率4為2326Hz ；
[0041]C、估算線圈的電感值，根據(jù)拉摩爾頻率和線圈的電感特性，計算出發(fā)射橋路中需要匹配的配諧電容值的大小，并修正配諧電容箱中的電容值；
[0042]d、通過上位機上的掃頻軟件設置電容、電感等參數(shù)值以及采集回來的發(fā)射電流數(shù)據(jù)的保存路徑，給儀器上電，加載放大器；
[0043]e、設置發(fā)射頻率區(qū)間、發(fā)射頻率間隔，頻率間隔f取值10Hz，掃頻次數(shù)N=(Fh-F1)/f+Ι，其中頻率區(qū)間內的最高頻率Fh取2385Hz，頻率區(qū)間的最低頻率F1取2285Hz ；
[0044]f、設置發(fā)射的脈沖矩，脈沖矩是發(fā)射電流和發(fā)射時間的乘積，脈沖矩選用400A*ms,發(fā)射時間 40ms;
[0045]g、儀器運行后，自動改變發(fā)射頻率，不斷發(fā)射和采集電流數(shù)據(jù)，每發(fā)射一次后電流傳感器把線圈內的電流信號經(jīng)放大器放大后傳遞給發(fā)射電流采集模塊，發(fā)射電流采集模塊把電流值經(jīng)通訊線返回到上位機內；
[0046]h、最終返回的電流數(shù)據(jù)在形成一個頻率一幅值圖如圖3所示，由頂點電流最大值對應的橫坐標的頻率值和配諧電容值，根據(jù)公式L=I/ (4 PCF)，算出線圈電感的精確值為
0.82mH，從而完成了對電感的精確測量。
[0047]實施例2
[0048]長春市文化廣場南側具有高壓線和電線附近處為例:掃頻式電感測量儀的測量方法，包括以下步驟:
[0049]a、首先在長春市文化廣場南側具有高壓線和電線附近處，根據(jù)地形鋪設一個150米*150米的單匝數(shù)方形待測量線圈；
[0050]b、由當?shù)氐牡卮艌鲋礏。為54600.9nT,通過上位機掃頻軟件中的地磁場一拉摩爾頻率轉換計算公式:4=0.0426ΦΒ。，計算出與地磁場值相對應的拉摩爾頻率&為2326Hz ；
[0051]C、粗略估算線圈的電感值，根據(jù)拉摩爾頻率和線圈的電感特性，計算出發(fā)射橋路中需要匹配的配諧電容值的大小，并修正配諧電容箱中的電容值；
[0052]d、通過上位機上的掃頻軟件設置電容、電感等參數(shù)值以及采集回來的發(fā)射電流數(shù)據(jù)的保存路徑，給儀器上電，加載放大器；
[0053]e、設置發(fā)射頻率區(qū)間、發(fā)射頻率間隔。因在干擾源附近測量，此時設定頻率區(qū)間大一點，頻率間隔小一點，頻率間隔f取5Hz，掃頻次數(shù)N= (Fh-F1) /f+Ι，其中頻率區(qū)間的最高頻率Fh取2380Hz，頻率區(qū)間的最低頻率F1取2290Hz ；
[0054]f、設置發(fā)射的脈沖矩，脈沖矩是發(fā)射電流和發(fā)射時間的乘積，脈沖矩為400A*ms，發(fā)射時間40ms;
[0055]g、儀器運行后，軟件系統(tǒng)會自動改變發(fā)射頻率，不斷發(fā)射和采集電流數(shù)據(jù)，每發(fā)射一次后電流傳感器把線圈內的電流信號經(jīng)放大器放大后傳遞給發(fā)射電流采集模塊，發(fā)射電流采集模塊把電流值經(jīng)通訊線返回到上位機內；
[0056]h、最終返回的電流數(shù)據(jù)在掃頻軟件上形成一個頻率一幅值圖，由頂點電流最大值對應的橫坐標的頻率和配諧電容值，根據(jù)公式L=I/ (4 PCF)，算出線圈電感的精確值為
1.24mH，從而完成了對電感的精確測量。
【權利要求】
1.一種自動掃頻式電感測試儀，其特征在于，包括線圈、上位機、通訊控制器、發(fā)射模塊、配諧電容、電流傳感器、放大器、以及發(fā)射電流采集模塊，其中，上位機通過通訊控制器與發(fā)射模塊以及發(fā)射電流采集模塊連接，發(fā)射模塊通過配諧電容與線圈連接；線圈還依次通過電流傳感器以及放大器與發(fā)射電流采集模塊連接；線圈通過一轉換開關實現(xiàn)與配諧電容以及電流傳感器之間的切換，分別實現(xiàn)發(fā)射電流激發(fā)信號以及接受核磁共振信號；發(fā)射模塊上連接高壓瞬變電源，為發(fā)射模塊提供高壓瞬變電能。
2.按照權利要求1所述的掃頻式電感測試儀，其特征在于，發(fā)射模塊是由發(fā)射控制MCU經(jīng)時序控制電路、驅動電路和H橋路與能量吸收模塊連接構成，其中H橋路中的儲能電容與高壓瞬變電源連接，能量吸收模塊由兩個方向相反的二極管并聯(lián)后串聯(lián)在發(fā)射回路中。
3.按照權利要求1所述的掃頻式電感測試儀，其特征在于，所述配諧電容為多個電容設置在配諧電容箱，電容之間的串并聯(lián)形式通過在配諧電容箱操作完成。
4.按照權利要求1所述的自動掃頻式電感的測量方法，其特征在于包括以下步驟: a、根據(jù)地形鋪設方形或者圓形測量線圈； b、由當?shù)氐牡卮艌鲋?，通過上位機預置的地磁場一拉摩爾頻率轉換公式，計算出與地磁場值相對應的拉摩爾頻率； C、采用常規(guī)技術估算線圈的電感值，根據(jù)拉摩爾頻率和線圈的電感特性，計算出需要匹配的配諧電容值的大小，并修正配諧電容中的電容值； d、通過上位機中閾值的掃頻軟件設置電容、電感參數(shù)值以及采集回來的發(fā)射電流數(shù)據(jù)的保存路徑，給儀器上電，設置加載放大器； e、以拉莫爾頻率為中間值上下浮動50Hz作為發(fā)射頻率區(qū)間，發(fā)射頻率間隔f取值IOHz或5Hz，掃頻次數(shù)N= (Fh-F1) /f+1，其中Fh是發(fā)射頻率區(qū)間內的最高頻率，F(xiàn)1是頻率區(qū)間的最低頻率； f、設置發(fā)射的脈沖矩，脈沖矩是發(fā)射電流和發(fā)射時間的乘積，脈沖矩選用400A*ms，發(fā)射時間40ms ;將脈沖矩參數(shù)通過通訊控制器發(fā)送至發(fā)射控制MCU ； g、上位機根據(jù)所設發(fā)射頻率區(qū)間自動改變發(fā)射頻率，發(fā)射控制MCU接受上位機的指令并控制發(fā)射模塊，在發(fā)射頻率區(qū)間不斷發(fā)射電流數(shù)據(jù)，每發(fā)射一次后電流傳感器把線圈內的電流信號經(jīng)放大器放大后傳遞給發(fā)射電流采集模塊，發(fā)射電流采集模塊把電流值經(jīng)通訊線返回到上位機內； h、采集的電流數(shù)據(jù)在上位機界面上形成頻率幅值圖，縱坐標為采集的電流，橫坐標為頻率，由頂點電流最大值對應的橫坐標的頻率值和配諧電容值，根據(jù)LC振蕩電路的電感計算公式L=I/ (4PCF)，其中L是待測電感值，C是配諧電容值，F(xiàn)是激發(fā)頻率，算出線圈電感的精確值，完成了對電感的精確測量。
【文檔編號】G01R27/26GK103884920SQ201410106647
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權日:2014年3月20日
【發(fā)明者】易曉峰, 訾彥勇, 林君, 段清明, 田寶鳳 申請人:吉林大學