基于KT 系列芯片的鉆孔成像儀探頭電路設計

賈若辰，潘照方

（中煤科工西安研究院（集團）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造情況進行直觀觀測的專業化鉆孔攝錄儀器。使用鉆孔成像儀對煤礦井下鉆孔或地面垂直孔的孔內進行觀測已成為常規的地質勘探方法之一。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、記錄和鉆孔內斷鉆、掉鉆的可視化打撈等[1-7]。

根據實際工程需要，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實現上述功能的成像儀主機外接設備，需在其內部裝有攝像模組和姿態測量模組。由于攝像模組、光源模組和姿態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使用的實際需求，設計了穩壓電路、光源驅動電路和燈板電路[8]。

1 探頭電路組成

礦用鉆孔成像儀探頭電路包括穩壓電路、光源驅動電路、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

穩壓電路用于將外部輸入的9～12 V 供電電壓轉至5 V 后，再由5 V 穩壓至3.3 V，再分別提供給光源驅動電路、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九顆LED 發光二極管組成，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。光源驅動電路用于給燈板電路提供恒流驅動，保證燈板電路的LED 發光二極管穩定工作。

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信息，并通過RS485 傳輸數據。

2 電路設計

2.1 穩壓電路

穩壓電路設計包括兩部分：12 V 轉5 V 和5 V 穩壓至3.3 V。12 V 轉5 V 的U1 降壓芯片選用Kinetic的KTB8370。12 V 轉5 V 電路原理圖如圖2 所示。

圖2 12 V轉5 V電路原理圖

KTB8370 芯片作為同步降壓穩壓器，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 區間內，其最大輸出電流高達5 A；同時具有±0.5%的反饋電壓參考，以及先進的自適應實時控制、快速瞬態響應和高輸出電壓精度。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表示最大的負載暫態步長，單位為A；33 mΩ為內部控制電路設置的常數。

KTB8370 的標稱電感值為0.8～6.5 μH，由于電感值越小，負載瞬態響應越快，因此L1的電感值設置為1 μH。式（1）中的ISTEP設置為最大5 A。根據式（1）計算可得出：

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

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

5 V 穩壓至3.3 V 的U2 穩壓芯片選用AMS1117-3.3 低壓差穩壓器，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 時工作。在U2 穩壓電路的輸入端使用C8和C9電容并聯（容值分別為10 μF 與0.1 μF），輸出端使用C10和C11電容并聯（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，由于鉆孔內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內置鋰電池為其供電，為盡可能延長主機的連續工作時間，功耗也是選擇照明光源的重要因素之一。

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

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

依據鉆孔成像儀探頭的結構，設計的燈板位于探頭頂部呈圓環狀，攝像頭位于圓環中央，LED 發光二極管圍繞攝像頭一圈。受限于燈板結構，在燈板的環形結構中放置了三串三并共計九顆LED 發光二極管，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 驅動電路

LED 發光二極管的驅動方式有恒壓驅動和恒流驅動兩種。當有LED 發光二極管短路時，恒壓驅動可能會導致其余LED 電壓增加造成損壞，而恒流驅動時，其余LED 不受影響。因此，恒流驅動方式更適合燈板電路[13-16]。

光源驅動電路的恒流驅動芯片U3 選用Kinetic的KTD3113。KTD3113 是一種電流調節的升壓轉換器，具有25 V 的過壓保護，可最多連接三串（每路六個LED 發光二極管）共計18 個LED 發光二極管，提供給每個通道最大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，可適應單芯鋰離子電池或5 V 調節電源。同時，KTD3113 集成了一個30 V 功率場效應晶體管以及補償和軟啟動電路，并內置了包括周期性輸入限流保護、輸出過壓保護、LED 故障(開或短路)保護和熱停機保護等保護功能，停機狀態下的泄漏電流小于1 μA。封裝方式為3 mm×3 mm×0.75 mm尺寸的ThinQFN封裝。光源驅動電路原理圖如圖5所示。

圖5 光源驅動電路原理圖

+LED 與燈板電路的三串LED 發光二極管陽極相連，S1、S2、S3 分別為三路輸出電流調節端，與燈板電路的三串LED 發光二極管陰極相連。

當某個LED 出現故障時，故障串的電壓會被拉低，此時升壓轉換器控制回路，輸出電壓將達到過電壓閾值。LX 引腳用于檢測輸出過電壓。一旦過電壓情況被檢測到，發生故障的一串LED 發光二極管將被禁用。之后升壓轉換器的輸出電壓恢復正常。在此過程中，其余LED 串繼續正常工作，為探頭提供照明亮度。

3 電路測試

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

3.1 穩壓電路性能測試

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

表1 輸出電壓測試

經測試，電路穩壓效果良好，滿足電壓精度要求，符合電路預期設計。

3.2 光源驅動電路性能測試

將數字萬用表調至電流檔串接在驅動板P1 端口上+LED 與燈板上+LED 之間，用于測量燈板上LED 發光二極管的總工作電流，計算出經過每一顆LED 發光二極管的電流。測試情況如表2 所示。

表2 燈板工作電流測試

經過測試，電流輸出穩定，可保證光源驅動電路正常工作。

3.3 光源照度及現場試驗

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

圖6 光源照度測試值

在現場試驗中將探頭深入地面觀測孔68 m 處，清晰可見鉆孔內壁及裂隙水，如圖7 所示。經多次測試，電路工作穩定、運行可靠，符合預期設計。

圖7 現場試驗孔內觀測情況

4 結論

針對鉆孔成像儀在小孔徑、無自然光鉆孔內應用的實際工況環境，設計了成像儀探頭的穩壓電路、光源驅動電路和燈板電路。

通過穩壓電路、光源驅動電路的性能測試，以及光源照度和現場試驗，結果表明，電路穩壓效果良好，電流輸出穩定；光源照度滿足需求，現場試驗時鉆孔內壁及裂隙水清晰可見，符合預期設計的使用要求。

電路設計中選用了Kinetic的KTB8370和KTD3113來實現電路的穩壓和恒流驅動，但目前可實現以上兩種電路的方式仍有很多，有待于下一步進行更深入的研究。