基于LT3591的鉆孔成像儀探頭光源設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 博

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

引言

鉆孔成像儀是一種基于光學(xué)成像原理，將攝像頭送入鉆孔內(nèi)部進(jìn)行視頻觀測的儀器。在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，利用鉆孔成像儀對(duì)鉆孔內(nèi)部進(jìn)行直觀觀測逐漸成為了一種常規(guī)的地質(zhì)探查手段[1]。鉆探施工后形成的鉆孔貫穿于不同的地質(zhì)構(gòu)造中，自然光源無法直接進(jìn)入。為了獲取鉆孔內(nèi)部真實(shí)、清晰的圖像信息，穩(wěn)定可靠的光源必不可少。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

鉆孔成像儀由主機(jī)、電纜、探頭等組成，實(shí)際使用如圖1所示，探頭通過電纜連接至主機(jī)，探頭尾端連接推桿由人工推送進(jìn)入鉆孔內(nèi)部觀測。主機(jī)提供人機(jī)交互功能顯示、存儲(chǔ)采集到的鉆孔內(nèi)部圖像信息；電纜用于連接主機(jī)和探頭實(shí)現(xiàn)供電和數(shù)據(jù)傳輸功能；探頭內(nèi)部包括攝像頭、光源及驅(qū)動(dòng)電路、穩(wěn)壓電路等，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔內(nèi)部圖像的采集。

圖1 鉆孔成像儀的構(gòu)成Fig.1 The composition of the drilling imager

鉆孔成像儀探頭的光源安裝在探頭前端，對(duì)鉆孔內(nèi)部進(jìn)行照明，使攝像頭能夠捕捉到清晰真實(shí)的圖像信息。光源部分由主機(jī)進(jìn)行供電，探頭端穩(wěn)壓電路為驅(qū)動(dòng)電路提供穩(wěn)定可靠的能量來源，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)燈板將電能轉(zhuǎn)換稱為光。

2 照明光源

2.1 光源的選擇

鉆孔內(nèi)部是鉆孔成像儀的觀測對(duì)象，其內(nèi)部空間往往較小，需要體積小且效率高的光源。鉆孔多分布在野外、煤礦井下、施工現(xiàn)場等不方便外接交流電源的地方，因此成像儀設(shè)備多為便攜式電池供電[5，6]?？紤]成像儀主機(jī)電池供電容量有限的條件，就必須使用低功耗的光源。發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)作為半導(dǎo)體照明光源，具有功耗低、發(fā)光效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，逐漸替代了白熾燈和熒光燈成為了工業(yè)應(yīng)用中的主流照明光源，也是成像儀照明系統(tǒng)理想的光源。

2.2 照明燈板設(shè)計(jì)

LED選用直射型DIP封裝的白色發(fā)光二極管，供電電壓為3.3 V，電流為15～20 mA時(shí)亮度較高，單顆燈珠的最大機(jī)械尺寸為3.8 mm。照明燈板機(jī)械尺寸設(shè)計(jì)參考探頭的機(jī)械設(shè)計(jì)，CXK-42T礦用本安型鉆孔成像儀探頭外部直徑為42 mm，燈板內(nèi)部安裝8 mm的微型攝像頭及1 mm厚度的遮光圈，此外機(jī)械結(jié)構(gòu)還需預(yù)留出端部密封和軸部密封的尺寸。因此，照明燈板設(shè)計(jì)為圓環(huán)狀，內(nèi)圓直徑為12 mm，外圓半徑為28 mm。根據(jù)燈板的外形尺寸，環(huán)型陣列分布16顆發(fā)光二極管。照明燈板電路原理圖如圖2(a)所示，由兩組串聯(lián)發(fā)光二極管組成，每組串聯(lián)8顆發(fā)光二極管。圖2(b)為照明燈板的印制電路板圖。

圖2 照明燈板電路設(shè)計(jì)Fig.2 Circuit design of the lighting board

3 穩(wěn)壓及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

3.1 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

鉆孔成像儀探頭的電源由CXK12-Z礦用本安型鉆孔成像儀主機(jī)提供。CXK12-Z礦用本安型鉆孔成像儀主機(jī)輸出兩路直流電源，其中一路為直流5 V(2 A)，另一路為直流12 V(600 mA)。鉆孔成像儀探頭和主機(jī)之間通過電纜連接，為了保證觀測距離，電纜長度一般不小于100 m。電纜自身的阻抗隨著長度的增加而增大，對(duì)直流電源產(chǎn)生一定的損耗。電纜上流過的電流越大，造成的電壓損耗也越高。探頭端接收到的實(shí)際電壓往往低于主機(jī)輸出的電壓。為了保證探頭端攝像頭、電子羅盤、光源等負(fù)載正常工作，一方面需要選取電壓輸入范圍較寬的芯片，另一方面進(jìn)行穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)提高器件工作效率。

圖3 穩(wěn)壓電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of voltage stabilization circuit

LT1963系列芯片是Analog Devices公司生產(chǎn)的一款低壓差瞬態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)壓器，該芯片外圍電路設(shè)計(jì)簡單，性能優(yōu)良。輸出電壓范圍為1.21～20 V，輸出電流最高可達(dá)到1.5 A，壓差僅為340 mV，噪聲低，且在芯片內(nèi)部集成了反向電池保護(hù)、電流限制、熱限制和反向電流保護(hù)。

探頭端光源部分電源選擇主機(jī)輸出的12 V直流電源，由于電纜線損的影響探頭端接收到的電壓約為9 V，考慮驅(qū)動(dòng)電路的工作效率需要輸出5 V的電壓。本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路原理圖如圖2所示，電容C5、C6、C7為濾波電容用于濾除輸入端和輸出端的高頻和低頻諧波，輸出電壓通過電阻R7和R8進(jìn)行調(diào)節(jié)。輸出電壓的計(jì)算公式為

(1)

其中：Vout為輸出電壓值；R8為引腳2與引腳1之間連接的電阻值；R7為引腳2與地之間連接的電阻值。

為了減小引腳4的偏置電流引起的輸出電壓誤差，R7的值應(yīng)小于4.17 kΩ。因此，結(jié)合公式1通過計(jì)算選取R7為3.3 kΩ電阻，R8為11 kΩ電阻。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

Analog Devices公司生產(chǎn)的LT3591芯片是一款用于鋰電池供電的LED串聯(lián)驅(qū)動(dòng)芯片，可直接驅(qū)動(dòng)10個(gè)串聯(lián)的白色LED。具有直流2.5～12 V的寬范圍輸入電壓，輸出開關(guān)頻率為1MHz，能夠適用于大部分儀器儀表電路的供電應(yīng)用要求。此外，該芯片為DFN封裝，體積僅有3 mm×2 mm大小，內(nèi)部集成了肖特基二極管、LED開路保護(hù)等功能，外圍電路簡單、成本低、性能高。

圖4 LT3591原理框圖Fig.4 LT3591 functional block diagram

圖5 照明驅(qū)動(dòng)電路Fig.5 Lighting driving circuit

LT3591芯片的原理框圖如圖2所示。上電時(shí)，CAP引腳上的電容通過外接電感和內(nèi)部肖特基二極管被充電至電源輸入電壓。如果CTRL引腳被拉倒高于100 mV，帶隙基準(zhǔn)、啟動(dòng)偏置和振蕩器被打開。在每個(gè)震蕩周期開始時(shí)，電源開關(guān)Q1接通。與開關(guān)電流成比例的電壓逐漸增大，并反饋到PWM比較器A2的正端。當(dāng)電壓超過A2的負(fù)端輸入電壓時(shí)，PWM比較器關(guān)閉電源開關(guān)。A2的負(fù)端輸入取決于誤差放大器A1的輸出，A1的輸出由CAP引腳和LED引腳的電壓差和CTRL的參考電壓控制。通過這種方式，誤差放大器A1 正確的峰值電流保證輸出滿足需求。CTRL引腳可用于控制和調(diào)整LED電路的電流，但是CTRL引腳電壓低于50 mV時(shí)芯片停止工作。

本文設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電路如圖5(a)所示，以LT3591芯片為核心搭建外圍電路設(shè)計(jì)而成。電感L1和電容C1構(gòu)成LC震蕩電路，為驅(qū)動(dòng)電路提供穩(wěn)定可靠的輸入。CAP引腳和LED引腳之間的電阻R3為反饋電阻，通過調(diào)節(jié)該電阻可以控制驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流。本文選用的發(fā)光二極管在電流為20 mA時(shí)發(fā)光亮度最大，因此R3選取10 Ω的電阻。反饋電阻選取的計(jì)算公式為

(2)

其中Rsence為反饋電阻的阻值；ILED為輸出的電流值。

照明燈板為2組8個(gè)LED串聯(lián)的發(fā)光二極管，因此需要兩組驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)探頭內(nèi)部電路板支架的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)寬度為22 mm、長度為56 mm的印制電路板。穩(wěn)壓及驅(qū)動(dòng)印制電路板如圖5(b)所示。

4 試驗(yàn)與測試

1)穩(wěn)定性測試。用直流穩(wěn)壓電源給穩(wěn)壓及驅(qū)動(dòng)電路板輸入9 V直流電源，將照明燈板與穩(wěn)壓和驅(qū)動(dòng)電路板用導(dǎo)線進(jìn)行連接。燈板的兩路串聯(lián)發(fā)光二極管輸入端連接至穩(wěn)壓和驅(qū)動(dòng)電路板的LED1引腳和LED2引腳，兩個(gè)電路板地線直接連接。上電后照明燈板正常發(fā)光，連續(xù)工作72 h，照明燈板運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

2)光源照度測試。將照明燈板和穩(wěn)壓及驅(qū)動(dòng)電路板裝入探頭機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部。在測試環(huán)境的照度低于光源照度的情況下，將探頭與CXK12-Z礦用本安型鉆孔成像儀主機(jī)連接，打開電源，將照度計(jì)放置在探頭前端3～5 cm處，觀察照度計(jì)的讀數(shù)，照度計(jì)測試本方案光源照度為1080 lx。

3)現(xiàn)場應(yīng)用。本方案設(shè)計(jì)的照明燈板和穩(wěn)壓及驅(qū)動(dòng)電路板用于鉆孔成像儀觀測鉆孔時(shí)對(duì)鉆孔內(nèi)部進(jìn)行照明。組裝一套鉆孔成像儀，在實(shí)際鉆孔中進(jìn)行測試。本文設(shè)計(jì)的探頭光源能夠?yàn)殂@孔成像儀提高穩(wěn)定可靠的光源，使鉆孔成像儀清晰準(zhǔn)確獲取鉆孔內(nèi)部的圖像信息。圖6為將本文設(shè)計(jì)的光源應(yīng)用在鉆孔成像儀探頭中，在實(shí)際黑暗鉆孔中采集到的視頻圖像。

圖6 鉆孔內(nèi)部圖像Fig.6 Inside image of borehole

5 結(jié)論

鉆孔成像儀獲取鉆孔內(nèi)部的圖像信息，穩(wěn)定可靠的光源必不可少。本文對(duì)鉆孔成像儀探頭的照明系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了照明燈板、穩(wěn)壓及驅(qū)動(dòng)電路板，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證本方案照明穩(wěn)定、可靠，照明照度高，滿足鉆孔成像儀現(xiàn)場應(yīng)用的實(shí)際需求。