钻孔成像仪探头光源驱动与稳压电路设计实现_贾若辰.pdf

收稿日期：第一作者：贾若辰（），男，陕西咸阳人，硕士，工程师，研究方向为物探仪器生产测试技术。：钻孔成像仪探头光源驱动与稳压电路设计实现贾若辰，潘照方（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安）摘要：针对钻孔内的空间相对狭小且黑暗，自然光源无法进入，成像仪探头不同功能具有不同工作电压的情况，进行了钻孔成像仪探头光源驱动与稳压电路设计。结合钻孔现场实际使用环境以及对光源的要求，选用单色性好、发光亮度高的直插式 封装 灯作为成像仪探头的光源，并依据探头结构设计了光源灯板电路。基于 芯片设计了 光源驱动电路，基于 芯片设计了稳压电路。实验室测试验证结果表明：探头光源亮度满足成像仪视频录制的照明需求，设计的光源驱动与稳压电路工作稳定、可靠，可保证成像仪探头在使用现场的视频采集质量以及工作的稳定性。关键词：钻孔成像仪；光源；发光二极管；驱动电路；稳压电路中图分类号：；文章编号：（）文献标识码：，（），）：，：；引言钻孔成像仪适用于煤矿井下恶劣条件中的各类钻孔检测，对钻孔进行全孔壁成像、录像，对关键部位抓拍图片以及局部放大等。主要用于观测断层裂隙产状及发育情况，含水层、溶沟溶洞、含水层出水口位置；观测煤层等矿体的走向、厚度、倾向和倾角，层内夹矸及与顶板岩层的离层裂缝程度等；区分矿体、岩体、煤层、土层等各种地质结构体。目前利用钻孔成像仪对煤矿井下钻孔的孔内观测已成为一种常规的地质勘探方法。当前使用的新型钻孔成像仪，除早期设备具有的钻孔内部拍照、录像功能外，还增加了可测量探头姿态和探头深度等信息的功能。由于不同的功能模块其工作电压不同，因此需要对输入到成像仪探头的单一电压进行升压或降压，以满足不同功能电路的需求。同时，由于自然光 年第 期 工业仪表与自动化装置线无法直接进入煤矿井下钻孔中，所以亮度高且工作稳定的光源便成为探头拍摄、录制清晰孔中图像视频的保证。该文结合钻孔成像仪实际应用环境及技术需求，对其探头光源、光源驱动电路和稳压电路进行设计，通过设计光源灯板电路和驱动、稳压电路，给探头提供稳定的高亮度光源，同时可给测量探头姿态的电子罗盘板供电。系统组成钻孔成像仪由手持式显示终端、通信缆线及成像仪探头等设备组成，实际使用示意图如图 所示。图 钻孔成像仪使用示意图 手持式显示终端和成像仪探头通过通信缆线相互连接，成像仪探头尾部连接推送杆，由人工推送的方式将成像仪探头推入钻孔内部工作。手持式显示终端主要用来显示、储存采集到的钻孔内部的视频和角度等信息；通信缆线连接手持式显示终端和成像仪探头，以完成给成像仪探头供电和数据实时传输等功能，实现对钻孔内部图像信息和角度信息的采集。钻孔成像仪探头由探头外管、内部支架、摄像头、光源灯板、驱动稳压板以及电子罗盘板构成。钻孔手持式显示终端输出的工作电压通过驱动稳压板提供给光源灯板和电子罗盘板。图 所示为钻孔成像仪探头内部结构框图。图 钻孔成像仪探头内部结构框图 电路设计 光源灯板电路由于钻孔成像仪的探头需推送入钻孔中使用，而钻孔内的空间相对狭小且十分阴暗，因此宜选用体积小且亮度高的光源。同时，钻孔又多分布在野外、煤矿井下这些不易外接供电电源的地方，因此手持式显示终端由便携式电池供电。由于电池存储能量有限，为延长仪器设备的工作时间，还需选择功耗较低的光源。发光二极管（，）作为一种半导体照明光源，不仅单色性好、发光亮度高，还具有功耗低、发光效率高、使用寿命长的优点，其本身可以直接提供均匀且高亮的照明。一般分为直插式和贴片式 种。直插式 元件集成封装，结构高度一体化，其中包含有反光帽、透镜等聚光结构，且直插式 的发光区域小，聚光结构可以有效的将光线汇聚。因此，直插式 具有光线集中汇聚，照射距离远，但光线发射角及照射范围小的特点。贴片式 固定在面积较大的金属座上，散热能力较好，且可将控制芯片集成在结构内部，易完成编程控制；但贴片式 内部仅有一个透镜结构用来汇集光线，所以具有 发 射 角 和 照 射 范 围 大，但 照 射 距 离 近 的特点。由于贴片式 的发射角较大，光线不易集中，会造成照明光线的浪费。相比之下，直插式 发射角小，照射范围小，光线集中，在空间狭小的钻孔中更适合作为成像仪探头的光源。因此，该文选用直插式 封装的白色 灯作为探头光源。由于钻孔成像仪探头的摄像头位于探头顶端正中央，因此设计的光源灯板形状为圆环状，将光源布置在探头顶端摄像头的周围，以满足摄像头拍摄区域的高亮度，从而保证成像质量。根据光源灯板的形状，在环形阵列中排布 路串行共计 颗 灯，为第 路，为第 路，光源灯板原理图如图 所示，图如图 所示。图 光源灯板原理图工业仪表与自动化装置 年第 期图 光源灯板 图 驱动稳压电路 光源驱动电路钻孔成像仪探头由钻孔手持式显示终端供电，供电电压为 ，光源驱动电路选用 芯片作为驱动芯片。芯片是美国芯源系统公司（）生产的一款电路升压转换器，可实现宽输入电压范围驱动 阵列，输入电压为 。通过一个外部电流设置电阻可调节 电流至用户设定的程控值，最多可驱动 个串联的白色 灯。具有可调开关频率，可调开路负载关机电压。同时，还包括欠压锁定、限流和热过载保护，防止在输出过载的情况下损坏。采用 封装，尺寸为 ，可应用于数字照相机、小型液晶显示器等。光源驱动电路原理如图 所示。图 光源驱动电路原理图 的 引脚为 电流输入引脚，与 灯的阴极相连，其内部有 参考电流，正常工作时流入 引脚的电流应小于 。引脚为 电流设置引脚，将电流设置电阻从这个引脚连接到，即可控制 灯的电流。通过式（）可算出调节的 总电流。（）稳压电路由于成像仪探头中测量探头姿态使用的电子罗盘板的工作电压为 ，而手持式显示终端的供电电压为 ，因此需要使用稳压电路，将 电压降至 供电子罗盘板使用。文中稳压电路选用 芯片。是圣邦威电子生产的一款同步降压转换器，输入电压为 ，具有 连续输出电流的能力。采用周期峰值电流限制，具有输出过电压保护、热停机自动恢复以及可调输入欠压锁定功能。稳压电路原理如图 所示。的 引脚为输出电压和编程的反馈（感应）引脚，通常设置为 。输出电压由接至 引脚的 和 之间的电阻分压器设置，输出电压计算如式（）：（）式中：为输出电压值，；为 引脚电压值，根据芯片手册将电阻 设置为，即可算出电阻 阻值。年第 期 工业仪表与自动化装置图 稳压电路原理图 电路测试将摄像头、光源灯板、驱动稳压板和电子罗盘板安装在成像仪探头内部支架上并焊接好机内线后，使用 通信线缆将手持式显示终端与探头连接好。驱动与稳压电路测试通过 的 电流计算式（）可得出，当 时，计算出 总电流约为。而使用电流表测试的光源灯板的实际工作电流为 。为保证 灯保持合理亮度并兼顾其使用寿命，将光源灯板工作电流限制为 ，即 电阻设置为，经实测通过每串 灯的实际工作电流为 。采用的稳压电路中 为，为 与 电阻串联，即电阻 为 ，电阻 为 ，电阻 为 。为保证输出电压精度，电阻、和 均选用精度为 的电阻，同时，稳压电路的输入和输出端使用 与 电容并联，分别滤除低频干扰和高频干扰。使用数字万用表实际测得的输出电压值为 ，误差为 ，满足电压精度要求，稳压效果良好，符合预期设计指标。电路工作性能测试使用直流稳压源给已装配好的探头输入 电压，摄像头、光源灯板、驱动稳压板以及电子罗盘板开始工作，经过 连续测试，探头各项功能均保持正常工作状态。手持式显示终端打开显示软件后，将探头放入黑暗的模拟钻孔中，通过显示屏可清晰看到钻孔内的图像，且角度信息显示正常。图 为实测模拟钻孔图像。图 实测模拟钻孔图像 将探头内部支架装入探头外管中，手持式显示终端开机工作，探头内的光源灯板点亮，将照度计置于探头正前方 处，照度计上的检测数值超过，该文要求光源灯板的光源照度。结语该文针对钻孔内的空间相对狭小且黑暗，自然光源无法进入，成像仪探头不同功能具有不同工作电压的情况，结合钻孔实际应用环境以及对光源的需求设计了光源灯板电路、光源驱动电路和稳压电路。通过对光源灯板光源照度、驱动稳压板及光源灯板稳定性的测试，验证了该方案光源照度满足钻孔照明需求，电路工作稳定，可保证成像仪探头在使用现场的视频采集质量以及工作稳定性。该文选用 与 来实现成像仪探头的光源驱动与电路稳压，但可实现光源驱动和电路稳压的方法有很多，有待于下一步研究。参考文献：刘耀波 便携式多功能钻孔成像测量系统的研制工业仪表与自动化装置，（）：（下转第 页）工业仪表与自动化装置 年第 期集，并将均方误差（，）作为评价指标，将该文方法与其他两种方法对比验证分类性能，实验结果保留小数点后两位并用表 描述。表 分类性能测试结果方法惩罚因子 寻优时间 文献方法 文献方法 该文方法 分析表 实验结果可知，文献方法的寻优时间较久且均方误差值大，文献方法其均方误差值较文献方法略佳，但寻优耗时久一点，该方法采用粒子群算法改进支持向量机，其收敛性能不够理想，影响寻优效果；而该文方法寻优时间极短，且均方误差值较小，整体寻优结果优秀于其他两种方法，因为遗传算法具备极其优秀的收敛性分析方法，其寻优效果更好。结论针对抽水蓄能发电机转子电流特性，选取希尔伯特变化与伯格法提取电流特征量，并构建支持向量机分类器模型，利用收敛性较好的遗传算法优化支持向量机内的可调参数，寻求最佳故障检测分类器模型，实现转子绕组接地故障检测。实验结果证明所提方法能够准确检测出故障，且具备极佳的收敛性能及寻优效果，鉴于该文仅从几方面进行研究，仍有其他方向可深度探索，日后可继续开辟研究该课题的新路径。参考文献：刘忠，陈星宇，邹淑云，等 计及碳排放的风 光 抽水蓄能系统容量优化配置方法 电力系统自动化，（）：张飞，潘伟峰，江献玉，等 基于反时限方法的抽水蓄能机组振动保护模型 机械工程学报，（）：张高高，姜海军，徐青，等 基于机组运行特性曲线的变速抽水蓄能机组自适应协调控制方法 水力发电，（）：李玉平，桑建斌，朱宇聪，等 基于双端直流注入切换采样原理的发电机转子接地保护 电力系统自动化，（）：李永刚，王罗，李俊卿，等 基于多源信息融合的同步发电机转子绕组匝间短路故障识别 电力系统自动化，（）：武玉才，马倩倩，蔡波冲，等 水轮发电机转子绕组匝间短路故障的新型在线诊断方法 电机与控制学报，（）：王宾，崔鑫 基于伏安特性动态轨迹的谐振接地系统弧光高阻接地故障检测方法 中国电机工程学报，（）：谷艳昌，吴云星，黄海兵，等 基于遗传算法优化支持向量机的大坝安全性态预测模型 河海大学学报（自然科学版），（）：张举，王浩，罗舒婷，等 基于遗传算法的混合软件定义网络路由节能算法 计算机科学，（）：岳根霞 基于遗传算法的多模态病变图像关联挖掘仿真 计算机仿真，（）：（上接第 页）王博 基于 系统的多功能矿用本安型钻孔成像仪 设 计 与 应 用 煤 炭 技 术，（）：王博 基于 的钻孔成像仪探头光源设计与应用 照明工程学报，（）：徐莉军 钻孔成像仪在掘进工作面的应用 机械管理开发，（）：张晓虹，陈卫伟 眼科光学断层成像仪的发展及应用 中国医疗设备，（）：罗勇军，牟同升 基于成像方法 有效辐亮度测量系统设计 光子学报，（）：吴兰君，王艳荣 基于 多通道 集成驱动应用电路的设计 中国照明电器，（）：全向前，陈祥子，全永前，等 深海光学照明与成像系统分析及进展 中国光学，（）：张苗苗，孟炳寰，钱鸿鹄，等 多角度偏振成像仪杂散光校正 方 法 研 究 光 学 学 报，（）：宋德宇，方颖璐，王璐，等 微缩化 显示技术的发展及应用 光电子技术，（）：马骁，邬志峰 可编程的环形 阵列光源在显微成像中的应用 广东交通职业技术学院学报，（）：马骁，颜晓萌 环形 阵列光源显微成像系统设计 科学技术创新，：贾怀彬 高效 驱动芯片的设计与实现 集成电路应用，（）：工业仪表与自动化装置 年第 期