基于KT 系列芯片的鉆孔成像儀探頭電路設(shè)計(jì)

賈若辰，潘照方

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西西安 710077）

鉆孔成像儀是一種以圖像方式對巖土工程深部構(gòu)造情況進(jìn)行直觀觀測的專業(yè)化鉆孔攝錄儀器。使用鉆孔成像儀對煤礦井下鉆孔或地面垂直孔的孔內(nèi)進(jìn)行觀測已成為常規(guī)的地質(zhì)勘探方法之一。鉆孔成像儀可用于煤礦井下錨桿孔、瓦斯抽放孔和探放水孔等中小孔徑以及管道、裂縫等的檢查、觀測、記錄和鉆孔內(nèi)斷鉆、掉鉆的可視化打撈等[1-7]。

根據(jù)實(shí)際工程需要，鉆孔成像儀需兼具視頻錄制、拍攝、軌跡測量等功能。鉆孔成像儀探頭作為鉆孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)上述功能的成像儀主機(jī)外接設(shè)備，需在其內(nèi)部裝有攝像模組和姿態(tài)測量模組。由于攝像模組、光源模組和姿態(tài)測量模組具有不同的輸入電壓，因此，需對輸入電壓降壓，從而為各模組供電。此外，由于鉆孔內(nèi)無自然光源，探頭還需高亮光源模組為其視頻錄制提供照明光源。針對鉆孔成像儀探頭在鉆孔內(nèi)使用的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓電路、光源驅(qū)動電路和燈板電路[8]。

1 探頭電路組成

礦用鉆孔成像儀探頭電路包括穩(wěn)壓電路、光源驅(qū)動電路、燈板電路、PNI 電子羅盤電路以及攝像頭。探頭電路組成框圖如圖1 所示。

圖1 探頭電路組成框圖

穩(wěn)壓電路用于將外部輸入的9～12 V 供電電壓轉(zhuǎn)至5 V 后，再由5 V 穩(wěn)壓至3.3 V，再分別提供給光源驅(qū)動電路、PNI 電子羅盤電路和攝像頭。其中攝像頭采用3.3 V 電壓供電，光源驅(qū)動電路和PNI 電子羅盤電路采用5 V 電壓供電。

燈板電路由三串三并共計(jì)九顆LED 發(fā)光二極管組成，為鉆孔成像儀探頭在光線不足的工作場景提供有效照明光源。光源驅(qū)動電路用于給燈板電路提供恒流驅(qū)動，保證燈板電路的LED 發(fā)光二極管穩(wěn)定工作。

PNI 電子羅盤板則用于記錄探頭的方位角、傾角和工具面向角等姿態(tài)信息，并通過RS485 傳輸數(shù)據(jù)。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)包括兩部分：12 V 轉(zhuǎn)5 V 和5 V 穩(wěn)壓至3.3 V。12 V 轉(zhuǎn)5 V 的U1 降壓芯片選用Kinetic的KTB8370。12 V 轉(zhuǎn)5 V 電路原理圖如圖2 所示。

圖2 12 V轉(zhuǎn)5 V電路原理圖

KTB8370 芯片作為同步降壓穩(wěn)壓器，具有4.7～17 V 的寬電壓輸入范圍，固定輸出電壓在0.64～5.5 V 區(qū)間內(nèi)，其最大輸出電流高達(dá)5 A；同時(shí)具有±0.5%的反饋電壓參考，以及先進(jìn)的自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制、快速瞬態(tài)響應(yīng)和高輸出電壓精度。封裝方式為1.7 mm×2.0 mm×0.6 mm 尺寸的WLCSP20 封裝。依據(jù)芯片手冊，通過式（1）可算出總有效輸出電容的容值：

式中，VIN、VOUT分別表示輸入電壓、輸出電壓，單位為V；COUTEFFECTIVE表示總有效輸出電容，單位為μF；ISTEP表示最大的負(fù)載暫態(tài)步長，單位為A；33 mΩ為內(nèi)部控制電路設(shè)置的常數(shù)。

KTB8370 的標(biāo)稱電感值為0.8～6.5 μH，由于電感值越小，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)越快，因此L1的電感值設(shè)置為1 μH。式（1）中的ISTEP設(shè)置為最大5 A。根據(jù)式（1）計(jì)算可得出：

電壓從12 V 降至5 V 需要COUTEFFECTIVE值大于或等于22 μF。為獲得更好的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，并聯(lián)使用C5、C6、C7三個(gè)電容作為輸出電容，其容值分別為10 μF、10 μF 和2.2 μF。

此外，成像儀安標(biāo)要求VIN輸入的最大電壓限制在12 V 以內(nèi)，因此在VIN輸入端增加13 V 的穩(wěn)壓二極管D1。同時(shí)，為防止KTB8370 芯片短路時(shí)對后端電路的損壞，在VOUT輸出端增加5.6 V 的穩(wěn)壓二極管D2。

5 V 穩(wěn)壓至3.3 V 的U2 穩(wěn)壓芯片選用AMS1117-3.3 低壓差穩(wěn)壓器，封裝方式為SOT-223 封裝。其可提供最大1 A 的輸出電流，并可在輸入輸出壓差僅有1 V 時(shí)工作。在U2 穩(wěn)壓電路的輸入端使用C8和C9電容并聯(lián)（容值分別為10 μF 與0.1 μF），輸出端使用C10和C11電容并聯(lián)（容值分別為10 μF 與0.1 μF）。電路原理圖如圖3 所示。

圖3 5 V穩(wěn)壓至3.3 V電路原理圖

2.2 燈板電路

使用成像儀探頭觀測煤礦井下鉆孔或者觀測地面垂直孔時(shí)，由于鉆孔內(nèi)部無自然光源且空間狹小，因此首選體積小、亮度高的光源。此外，探頭部分是由成像儀主機(jī)內(nèi)置鋰電池為其供電，為盡可能延長主機(jī)的連續(xù)工作時(shí)間，功耗也是選擇照明光源的重要因素之一。

LED 發(fā)光二極管是一種半導(dǎo)體照明光源，其特點(diǎn)為亮度高、效率高、壽命長、功耗低等，因此選擇LED 發(fā)光二極管作為照明光源[9]。

LED 發(fā)光二極管有直插式和貼片式兩種類型。貼片式LED 發(fā)光二極管內(nèi)部聚集光線僅靠一個(gè)透鏡結(jié)構(gòu)，因此發(fā)射角度大、照射范圍大，但照射距離較近。直插式LED 發(fā)光二極管通過反光帽和透鏡結(jié)構(gòu)等匯聚光線，對比貼片式LED 發(fā)光二極管，光線匯聚效果更好，雖發(fā)射角度和照射范圍變小，但照射距離較遠(yuǎn)。由于使用現(xiàn)場需要對孔內(nèi)側(cè)壁及孔底情況進(jìn)行觀測，而觀測孔內(nèi)尺寸一般較小，所以對照明光源的發(fā)射角度要求不高，但需要光線匯聚，照射距離遠(yuǎn)。因此，直插式LED 發(fā)光二極管更適合作為照明光源使用[10-12]。

依據(jù)鉆孔成像儀探頭的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的燈板位于探頭頂部呈圓環(huán)狀，攝像頭位于圓環(huán)中央，LED 發(fā)光二極管圍繞攝像頭一圈。受限于燈板結(jié)構(gòu)，在燈板的環(huán)形結(jié)構(gòu)中放置了三串三并共計(jì)九顆LED 發(fā)光二極管，D1-D3為第一路，D4-D6為第二路，D7-D9為第三路，燈板電路原理圖如圖4 所示。

圖4 燈板電路原理圖

2.3 驅(qū)動電路

LED 發(fā)光二極管的驅(qū)動方式有恒壓驅(qū)動和恒流驅(qū)動兩種。當(dāng)有LED 發(fā)光二極管短路時(shí)，恒壓驅(qū)動可能會導(dǎo)致其余LED 電壓增加造成損壞，而恒流驅(qū)動時(shí)，其余LED 不受影響。因此，恒流驅(qū)動方式更適合燈板電路[13-16]。

光源驅(qū)動電路的恒流驅(qū)動芯片U3 選用Kinetic的KTD3113。KTD3113 是一種電流調(diào)節(jié)的升壓轉(zhuǎn)換器，具有25 V 的過壓保護(hù)，可最多連接三串（每路六個(gè)LED 發(fā)光二極管）共計(jì)18 個(gè)LED 發(fā)光二極管，提供給每個(gè)通道最大25 mA 的電流。該芯片高度集成了升壓DC-DC 變換器，輸入電壓范圍為2.7～5.5 V，可適應(yīng)單芯鋰離子電池或5 V 調(diào)節(jié)電源。同時(shí)，KTD3113 集成了一個(gè)30 V 功率場效應(yīng)晶體管以及補(bǔ)償和軟啟動電路，并內(nèi)置了包括周期性輸入限流保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、LED 故障(開或短路)保護(hù)和熱停機(jī)保護(hù)等保護(hù)功能，停機(jī)狀態(tài)下的泄漏電流小于1 μA。封裝方式為3 mm×3 mm×0.75 mm尺寸的ThinQFN封裝。光源驅(qū)動電路原理圖如圖5所示。

圖5 光源驅(qū)動電路原理圖

+LED 與燈板電路的三串LED 發(fā)光二極管陽極相連，S1、S2、S3 分別為三路輸出電流調(diào)節(jié)端，與燈板電路的三串LED 發(fā)光二極管陰極相連。

當(dāng)某個(gè)LED 出現(xiàn)故障時(shí)，故障串的電壓會被拉低，此時(shí)升壓轉(zhuǎn)換器控制回路，輸出電壓將達(dá)到過電壓閾值。LX 引腳用于檢測輸出過電壓。一旦過電壓情況被檢測到，發(fā)生故障的一串LED 發(fā)光二極管將被禁用。之后升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓恢復(fù)正常。在此過程中，其余LED 串繼續(xù)正常工作，為探頭提供照明亮度。

3 電路測試

為測試電路性能，將穩(wěn)壓電路、光源驅(qū)動電路、燈板、PNI 電子羅盤板以及攝像頭按圖紙連接，并使用直流穩(wěn)壓源供電。

3.1 穩(wěn)壓電路性能測試

直流穩(wěn)壓源輸入12 V 電壓，使用數(shù)字萬用表的電壓檔測量穩(wěn)壓電路的輸出電壓。輸出電壓測試情況如表1 所示。

表1 輸出電壓測試

經(jīng)測試，電路穩(wěn)壓效果良好，滿足電壓精度要求，符合電路預(yù)期設(shè)計(jì)。

3.2 光源驅(qū)動電路性能測試

將數(shù)字萬用表調(diào)至電流檔串接在驅(qū)動板P1 端口上+LED 與燈板上+LED 之間，用于測量燈板上LED 發(fā)光二極管的總工作電流，計(jì)算出經(jīng)過每一顆LED 發(fā)光二極管的電流。測試情況如表2 所示。

表2 燈板工作電流測試

經(jīng)過測試，電流輸出穩(wěn)定，可保證光源驅(qū)動電路正常工作。

3.3 光源照度及現(xiàn)場試驗(yàn)

將鉆孔成像儀探頭組裝完成后，使用數(shù)字照度計(jì)對探頭光源照度進(jìn)行測試。數(shù)字照度計(jì)放置于探頭正前方5 cm 處，數(shù)字照度計(jì)測試值為3 196 Lux。光源照度測試值如圖6 所示。

圖6 光源照度測試值

在現(xiàn)場試驗(yàn)中將探頭深入地面觀測孔68 m 處，清晰可見鉆孔內(nèi)壁及裂隙水，如圖7 所示。經(jīng)多次測試，電路工作穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，符合預(yù)期設(shè)計(jì)。

圖7 現(xiàn)場試驗(yàn)孔內(nèi)觀測情況

4 結(jié)論

針對鉆孔成像儀在小孔徑、無自然光鉆孔內(nèi)應(yīng)用的實(shí)際工況環(huán)境，設(shè)計(jì)了成像儀探頭的穩(wěn)壓電路、光源驅(qū)動電路和燈板電路。

通過穩(wěn)壓電路、光源驅(qū)動電路的性能測試，以及光源照度和現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)果表明，電路穩(wěn)壓效果良好，電流輸出穩(wěn)定；光源照度滿足需求，現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)鉆孔內(nèi)壁及裂隙水清晰可見，符合預(yù)期設(shè)計(jì)的使用要求。

電路設(shè)計(jì)中選用了Kinetic的KTB8370和KTD3113來實(shí)現(xiàn)電路的穩(wěn)壓和恒流驅(qū)動，但目前可實(shí)現(xiàn)以上兩種電路的方式仍有很多，有待于下一步進(jìn)行更深入的研究。