我国是水资源缺少的国家,急需用新办法、新技能勘查地下水资源。地上核磁共振找水办法是现在世界上仅有直接找水的地球物理办法[1]。发射机是核磁共振找水仪的中心部分，而发射的交变脉冲电流的质量直接关系到地下水勘探的深度和反演的精度。因而，规划一台发射功率大、频率精度高、主动调整谐振电容的电源是本文要点研讨的内容,研发完结的电源最高能够发生3 000 V、400 A的正弦脉冲信号,满意100 m以内的地下水勘探的要求。处理了发射功率小、频率精度低、关断后能量释怠慢等关键性的技能难题，为运用核磁共振技能勘探地下水奠定了坚实的根底。
水中的氢核具有弱小的磁性，在地磁场的效果下发生微观的磁矩。向铺在地上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安稳能级的旋进频率(亦称拉莫尔频率)。该交变电流脉冲在垂直于地磁场方向发生一激起磁场,使水中氢质子的微观磁矩停留在垂直于地磁场方向,堵截激起交变电流脉冲后,撤去激起磁场,水中氢质子发生绕地磁场的旋进运动,此刻,用接纳线圈拾取由激起脉冲矩激起发生的氢质子核磁共振信号NMR(Nuclear Magnetic Resonance),经过反演得到地下水的厚度、深度、含水量等信息[2]。
1 中心电路规划
电源体系首要由频率发生模块、DC-DC逆变模块、驱动电路模块、大功率交变脉冲发生模块、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。
电源体系的作业进程是：首要经过PC机把测验点的拉莫尔频率、DC-DC逆变模块输出电压、收集形式等参数送入单片机，然后由单片机经过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，其间频率发生模块输出的信号经过驱动电路模块和大功率交变脉冲模块发生功方波，再经过串联在线圈中的谐振电容，变换为发生核磁共振所需的正弦波激起脉冲；AD模块完结逆变模块输出端电压的实时采样，比较预置电压和输出电压的巨细来决议是否持续给电容充电；谐配电容参数调整模块运用电路谐振,主动调整电容的巨细，并确认发射进程中电容的最佳值。一次发射的脉冲信号持续时刻为40 ms，然后中止发射，经过约70 ms的线圈能量开释时刻后，完结一次发射。
1.1 频率发生器及驱动电路的完结
频率发生器的电路首要完结发生精度高的方波信号，操控IPM输出频率可变的沟通信号。在世界规模内，地磁场强度在30 000 nT~60 000 nT规模改变，对应拉莫尔频率规模为1.3 kHz~3.7 kHz[3-4]。NMR对激起脉冲的频率精度要求十分高，运用屡次收集叠加进步信噪比的办法接纳天线上的NMR信号，在勘探点每次发射的脉冲有必要坚持同频同相，因而选用ADI公司高集成度的DDS芯片AD9851作为频率发生器的主控芯片。AD9851接口功用操控简略，32位频率操控字,在180 MHz时钟下，输出频率分辨率达0.037 2 Hz，完全能够满意发射机的发射要求。驱动电路首要是对AD9851输出的方波进行扩大，然后驱动IGBT功率管，发生沟通信号。考虑到经过IGBT的电流最高到达400 A,本文选取了三菱公司的M57962L作为驱动模块，该驱动模块内部集成了3 000 V的高阻隔、高电压的光电耦合器，过流维护电路和过流维护端子，具有封闭性短路维护功用，满意试验要求。
1.2 大功率交变脉冲模块电路的完结
大功率交变脉冲模块的规划是电源规划的中心技能和难点。大功率交变脉冲模块的功用是：经过天线调和配电容箱组成的LC回路，发射特定频率的交变电流信号，然后发生垂直于地磁场方向的交变磁场，终究激起地下水中的氢核磁矩发生偏转而发生自在感应衰减信号(FID)。由于核磁共振接纳到的有用信号为纳伏(nV)级，因而激起的交变磁场强度越大，则激起的脉冲矩(q=I0t)越强，然后保证接纳的核磁共振信号越强,勘探地下水的深度就会越准确。
因而选用方波全桥逆变技能规划了电压型H桥电路，由AD9851发生的高精度拉莫尔频率的脉冲经过死区时刻发生电路、驱动电路后操控H桥4个臂的距离导通，在输出端发生大功率的方波，经过发射线圈调和振电容后，变成发射所需的正弦功率波。在实践电路规划中，选用三菱公司的2块大功率PM400DSA060模块(简称IPM)构成H桥电路，替代由4个独立的IGBT功率管组成的电路，不仅把功率开关器材和驱动电路集成在一起，并且经过内置过电压、过电流和过热等毛病检测电路，将检测信号送到单片机，完结对IPM发射状况的实时监测。大功率IPM模块电路如图2所示。
由于开关器材不可防止地存在关断时刻，即从操控器宣布关断操控信号到 H桥开关器材完全关断,会有必定的延迟时刻，这个时刻一般称之为死区时刻或空载时刻[4]。因而需要在发送操控信号的一起把这个时刻考虑进去，防止由于4个IGBT一起导通形成发射回路短路焚毁器材。本文规划了图2(c)所示的IPM模块死区时刻的发生电路，运用电容的充放电来完结硬延时操作，发生IPM关断所需的死区时刻。与传统的软件延时比较，具有操作简略、操控准确的特色。
1.3 发射单元及快速切换电路的完结
发射机发射单元的等效电路如图3所示，运用核磁共振的办法勘探地下水时，发射和接纳为同一线圈。当勘探深度为100 m时，线圈中的电流可达400 A,电压可达3 000 V，而接纳回来的NMR信号只要纳伏级，因而，发射和接纳之间的开关有必要快速切换。本文从安稳、安全的视点动身，规划了运用耐高压真空继电器,完结发射和接纳的快速切换和阻隔。当发射时，C1和L组成串联谐振回路，发射完结后，C1、C2、R、L组成放电回路，等候70 ms，线圈中的能量耗尽时，切换到接纳回路，接纳NMR信号。R为100 ?赘大功率电阻，发射完结后接入放电回路，用于快速开释线圈中的能量。C2在整个发射进程中具有重要的效果，并由L和C1组成串联谐振回路，在其谐振频率等于输入的方波频率时，电路发生谐振，此刻的频率等于测验点的拉莫尔频率。
当发射中止后，发射回路快速切换到释能状况。C1、C2、L存储的能量会发生自激振荡，可是自在衰减的频率和拉莫尔频率不再持平，保证了接纳回来的NMR信号来自发射而不是自在衰减发生。由于在自在衰减进程中，C1、C2、R、L一起参加，则自在衰减的频率:
经过试验测验可知，C=(C1×C2）/(C1+C2),C2≈0.5C1,自在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勘探点的拉莫尔频率，经过式(1)可知，放电时自在衰减的频率远大于拉莫尔频率，这样就不会对地下的氢核发生核磁共振的影响，放电回路的共同规划保证了发射结束后在最短的时刻内快速切换到接纳状况[5-6]。
2 试验成果
根据DDS的变频精细脉冲型电源的试验环境为某矿山的试验基地。已知地下30 m处有厚度为3 m的地下水仓，本仪器实地勘探到了准确的地下水存在。当频率为2 000 Hz时，体系中IGBT操控信号的波形如图4所示。当电源体系频率为2 000 Hz时，输出120 A电流波形如图5所示。当电源体系输出电流为150 A,频率分别为2 420.5 Hz、2 410.1 Hz、2 470.7 Hz时，PC机接纳到的NMR信号如图6所示。由图能够看出，选用不同频率发射、接纳到的NMR信号的初始相位都相同，然后进一步验证了发射波形的有用性。表1的试验数据是运用LC回路发射不同频率的信号，其间谐配电容C的值由当地的拉莫尔频率选定，线圈电感L的值固定不变，使电路作业在谐振状况,实测6组不同频率和理论之间的差错,DC/DC输出为400 V，储能电容为24 V。经过核算剖析得出以下定论:电源体系的发射频率(f0) 的值在1 600 Hz~2 500 Hz规模内时，测得实践发射频率ft的值，其与f0之间的误差规模(fd)操控在0.20 Hz内，契合NMR技能要求的规范。
本文规划了一种大功率变频精细脉冲型电源体系，与传统的逆变电源比较，立异点是：自适应准确校准谐振%&&&&&%技能，经过采样发射回路的电流极值确认LC谐振回路的相关参数；快速关断释能技能及进步自在衰减频率电路的奇妙规划，保证接纳NMR信号的有用性；IPM功率模块和M57962L驱动模块的运用，完结了大功率交变电流输出。经过电路的仿真和户外勘探，满意勘探的各项目标要求，对出产核磁共振找水仪发射机供给了成功的计划。
参考文献
[1] 潘玉玲, 张昌达. 地上核磁共振找水理论和办法[M].武汉:中国地质大学出版社,2000.
[2] 张建中，孙存谱.磁共振教程[M]. 合肥：中国科学技能大学出版社,1996.
[3] 华学明,石伯圣,张继伟. IGBT逆变点焊电源主回路的核算机仿真[J].上海工程技能大学学报, 2001,15(1):
17-20.
[4] 林君，段清明，王应吉,等.核磁共振找水仪原理与使用[M].北京：科学出版社,2011.
[5] 王应吉,林君,荣亮亮,等. 地上核磁共振找水仪扩大器规划[J]. 仪器仪表学报, 2008,29(8):1627-1632.
[6] ANFEROVA V, ANFEROV M, ADAMS P, et al. Blumich construction of a NMR-MOUSE with shortdead time concepts in magnetic resonance[J]. Magnetic Resonance Engineering,2002,15(1):15-25.
