基于LT3591的鉆孔成像儀探頭光源設計與應用

王 博

(中煤科工集團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成像原理，將攝像頭送入鉆孔內部進行視頻觀測的儀器。在地質勘探領域，利用鉆孔成像儀對鉆孔內部進行直觀觀測逐漸成為了一種常規的地質探查手段[1]。鉆探施工后形成的鉆孔貫穿于不同的地質構造中，自然光源無法直接進入。為了獲取鉆孔內部真實、清晰的圖像信息，穩定可靠的光源必不可少。

1 系統構成及原理

鉆孔成像儀由主機、電纜、探頭等組成，實際使用如圖1所示，探頭通過電纜連接至主機，探頭尾端連接推桿由人工推送進入鉆孔內部觀測。主機提供人機交互功能顯示、存儲采集到的鉆孔內部圖像信息；電纜用于連接主機和探頭實現供電和數據傳輸功能；探頭內部包括攝像頭、光源及驅動電路、穩壓電路等，實現對鉆孔內部圖像的采集。

圖1 鉆孔成像儀的構成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，對鉆孔內部進行照明，使攝像頭能夠捕捉到清晰真實的圖像信息。光源部分由主機進行供電，探頭端穩壓電路為驅動電路提供穩定可靠的能量來源，驅動電路驅動燈板將電能轉換稱為光。

2 照明光源

2.1 光源的選擇

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

2.2 照明燈板設計

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

圖2 照明燈板電路設計Fig.2 Circuit design of the lighting board

3 穩壓及驅動電路設計

3.1 穩壓電路設計

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提供。CXK12-Z礦用本安型鉆孔成像儀主機輸出兩路直流電源，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，對直流電源產生一定的損耗。電纜上流過的電流越大，造成的電壓損耗也越高。探頭端接收到的實際電壓往往低于主機輸出的電壓。為了保證探頭端攝像頭、電子羅盤、光源等負載正常工作，一方面需要選取電壓輸入范圍較寬的芯片，另一方面進行穩壓電路設計提高器件工作效率。

圖3 穩壓電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of voltage stabilization circuit

LT1963系列芯片是Analog Devices公司生產的一款低壓差瞬態響應的穩壓器，該芯片外圍電路設計簡單，性能優良。輸出電壓范圍為1.21～20 V，輸出電流最高可達到1.5 A，壓差僅為340 mV，噪聲低，且在芯片內部集成了反向電池保護、電流限制、熱限制和反向電流保護。

探頭端光源部分電源選擇主機輸出的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，考慮驅動電路的工作效率需要輸出5 V的電壓。本文設計的穩壓電路原理圖如圖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進行調節。輸出電壓的計算公式為

(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的值應小于4.17 kΩ。因此，結合公式1通過計算選取R7為3.3 kΩ電阻，R8為11 kΩ電阻。

3.2 驅動電路設計

Analog Devices公司生產的LT3591芯片是一款用于鋰電池供電的LED串聯驅動芯片，可直接驅動10個串聯的白色LED。具有直流2.5～12 V的寬范圍輸入電壓，輸出開關頻率為1MHz，能夠適用于大部分儀器儀表電路的供電應用要求。此外，該芯片為DFN封裝，體積僅有3 mm×2 mm大小，內部集成了肖特基二極管、LED開路保護等功能，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 照明驅動電路Fig.5 Lighting driving circuit

LT3591芯片的原理框圖如圖2所示。上電時，CAP引腳上的電容通過外接電感和內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、啟動偏置和振蕩器被打開。在每個震蕩周期開始時，電源開關Q1接通。與開關電流成比例的電壓逐漸增大，并反饋到PWM比較器A2的正端。當電壓超過A2的負端輸入電壓時，PWM比較器關閉電源開關。A2的負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整LED電路的電流，但是CTRL引腳電壓低于50 mV時芯片停止工作。

本文設計的LED驅動電路如圖5(a)所示，以LT3591芯片為核心搭建外圍電路設計而成。電感L1和電容C1構成LC震蕩電路，為驅動電路提供穩定可靠的輸入。CAP引腳和LED引腳之間的電阻R3為反饋電阻，通過調節該電阻可以控制驅動電路的輸出電流。本文選用的發光二極管在電流為20 mA時發光亮度最大，因此R3選取10 Ω的電阻。反饋電阻選取的計算公式為

(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LED串聯的發光二極管，因此需要兩組驅動電路。根據探頭內部電路板支架的機械結構設計寬度為22 mm、長度為56 mm的印制電路板。穩壓及驅動印制電路板如圖5(b)所示。

4 試驗與測試

1)穩定性測試。用直流穩壓電源給穩壓及驅動電路板輸入9 V直流電源，將照明燈板與穩壓和驅動電路板用導線進行連接。燈板的兩路串聯發光二極管輸入端連接至穩壓和驅動電路板的LED1引腳和LED2引腳，兩個電路板地線直接連接。上電后照明燈板正常發光，連續工作72 h，照明燈板運行穩定可靠。

2)光源照度測試。將照明燈板和穩壓及驅動電路板裝入探頭機械結構內部。在測試環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連接，打開電源，將照度計放置在探頭前端3～5 cm處，觀察照度計的讀數，照度計測試本方案光源照度為1080 lx。

3)現場應用。本方案設計的照明燈板和穩壓及驅動電路板用于鉆孔成像儀觀測鉆孔時對鉆孔內部進行照明。組裝一套鉆孔成像儀，在實際鉆孔中進行測試。本文設計的探頭光源能夠為鉆孔成像儀提高穩定可靠的光源，使鉆孔成像儀清晰準確獲取鉆孔內部的圖像信息。圖6為將本文設計的光源應用在鉆孔成像儀探頭中，在實際黑暗鉆孔中采集到的視頻圖像。

圖6 鉆孔內部圖像Fig.6 Inside image of borehole

5 結論

鉆孔成像儀獲取鉆孔內部的圖像信息，穩定可靠的光源必不可少。本文對鉆孔成像儀探頭的照明系統進行研究，設計了照明燈板、穩壓及驅動電路板，并通過試驗驗證本方案照明穩定、可靠，照明照度高，滿足鉆孔成像儀現場應用的實際需求。