田小超，王冰純，賈　茜，王繼礦

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 物探儀器與裝備研發(fā)中心，陜西 西安 710077)

隨鉆方位自然伽馬測(cè)井儀整形處理電路的設(shè)計(jì)*

田小超，王冰純，賈茜，王繼礦

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 物探儀器與裝備研發(fā)中心，陜西 西安 710077)

摘要：分析了自然伽馬傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)，以及該信號(hào)對(duì)拾取電路的要求，采用高輸入阻抗、低噪聲運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的微弱電流信號(hào)拾取電路和新型的脈沖鑒別窗口電路，實(shí)現(xiàn)了隨鉆方位自然伽馬測(cè)井儀的信號(hào)拾取、放大及整形處理功能，滿足了伽馬計(jì)數(shù)電路的輸入要求。

關(guān)鍵詞：隨鉆測(cè)量；自然伽馬；測(cè)井儀；整形處理電路；光電倍增管

在煤礦生產(chǎn)和煤層氣抽采過(guò)程中，有很多順煤層鉆進(jìn)的工程，在這些工程的施工過(guò)程中要求鉆頭在煤層中行進(jìn)[1-2]。操作人員需要實(shí)時(shí)了解鉆頭在煤層中的空間位置，以使鉆頭保持在煤層內(nèi)。隨鉆方位自然伽馬測(cè)井儀是測(cè)量鉆頭距離頂?shù)装蹇臻g位置的儀器之一。煤層頂?shù)装鍘r性不同，其自然伽馬的測(cè)量值就不同[3-4]。隨鉆方位自然伽馬測(cè)井儀就是以此原理來(lái)測(cè)量鉆頭在煤層中距離頂?shù)装宓木嚯x，操作人員以此調(diào)整鉆頭鉆進(jìn)方向，以確保鉆頭在煤層中行進(jìn)。本文論述了礦井隨鉆方位自然伽馬測(cè)井儀(以下簡(jiǎn)稱測(cè)井儀)整形處理電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試技術(shù)。

1測(cè)井儀整形處理電路的組成

測(cè)井儀整形處理電路主要由信號(hào)拾取與放大電路、脈沖鑒別與脈沖整形電路組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1　測(cè)井儀整形處理電路原理框圖

測(cè)井儀的伽馬傳感器由碘化鈉(鉈)晶體與光電倍增管組成。地層中的伽馬射線進(jìn)入伽馬傳感器后，由伽馬傳感器將伽馬光子轉(zhuǎn)換成負(fù)脈沖電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形處理電路，將該信號(hào)進(jìn)行拾取、放大、去噪和整形，變成標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，送入伽馬計(jì)數(shù)電路。

2測(cè)井儀整形處理電路設(shè)計(jì)

由于伽馬傳感器中光電倍增管輸出的地層伽馬射線強(qiáng)度信息是微弱的電流信號(hào)，大小一般為10 nA～300 uA，而且該信號(hào)中常常混雜著各種各樣的噪聲；因此，設(shè)計(jì)的整形處理電路應(yīng)具有信號(hào)拾取與放大、有用信號(hào)鑒別與整形處理的功能。

2.1信號(hào)拾取與放大

由于光電倍增管陽(yáng)極輸出的電流信號(hào)非常微弱，所以在進(jìn)行信號(hào)拾取與放大時(shí)所選運(yùn)算放大器應(yīng)具有高開(kāi)環(huán)增益和高輸入阻抗。運(yùn)算放大器的輸出阻抗應(yīng)盡可能小，以減小輸出阻抗上產(chǎn)生的壓降對(duì)輸出電壓的影響，且在內(nèi)阻很小的情況下運(yùn)算放大器可以近似看作一個(gè)電壓源，這樣輸出電壓則不會(huì)隨下級(jí)負(fù)載變化。除此之外，所選運(yùn)算放大器還應(yīng)滿足低輸入偏置、低噪聲的要求。

測(cè)井儀整形處理電路中信號(hào)拾取與放大電路，可以使伽馬傳感器中光電倍增管陽(yáng)極輸出的微弱的、負(fù)極性的電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)，以被后續(xù)信號(hào)處理電路處理。在設(shè)計(jì)該電路時(shí)，選用美國(guó)無(wú)線電公司開(kāi)發(fā)的融合了高壓PMOS和bipolar工藝優(yōu)點(diǎn)的低噪聲單片集成運(yùn)算放大器CA3140A，其輸入阻抗高達(dá)1.5 TΩ，輸出阻抗低至60 Ω,最大開(kāi)環(huán)增益可達(dá)105，在工作電壓為±15 V時(shí)輸入偏置電流為0.5 pA，偏置電壓為5 mV時(shí)最大功耗只有180 mW。

測(cè)井儀的信號(hào)拾取與放大電路由兩級(jí)CA3140A型運(yùn)算放大器組成：第1級(jí)運(yùn)算放大器完成信號(hào)拾取，將光電倍增管輸出的微弱電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)；第2級(jí)為運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電壓同相放大。信號(hào)拾取與放大電路如圖2所示。

圖2　測(cè)井儀信號(hào)拾取與放大電路原理圖

光電倍增管的輸出信號(hào)IA經(jīng)隔直耦合電容C輸入到第1級(jí)運(yùn)算放大器A1的反相輸入端，反相輸入端與輸出端之間接反饋電阻RF，而同相輸入端接地電位，這樣運(yùn)算放大器的輸出電壓和反饋電阻兩端發(fā)生的電壓相同，其計(jì)算式為：

VO1=-IARF

(1)

式中，VO1是輸出電壓，單位為V；IA是輸入電流，單位為A；RF是反饋電阻，單位為Ω。

在測(cè)井儀中，為了減小高壓偏置電路引入的額外噪聲，為光電倍增管各倍增極之間提供直流偏置電壓的偏置電路采用陽(yáng)極接高壓正極的正高壓接法。為了確保整形處理電路不受來(lái)自偏置電路高壓的影響，應(yīng)通過(guò)選用漏電流小、頻率特性好、耐壓≥1 500 V的瓷介質(zhì)電容，將光電倍增管的輸出信號(hào)耦合至運(yùn)算放大器的反相輸入端[5]。

由于輸入電容和負(fù)載電容(包括耦合電容和旁路電容)會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)相位滯后，從而引起電路的振蕩，因此應(yīng)在反饋電阻RF兩端并聯(lián)反饋電容CF進(jìn)行相位補(bǔ)償，以消除振蕩。反饋電容CF還具有抑制噪聲的作用[6]。反饋電阻RF的值不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，過(guò)大其穩(wěn)定性變差自身就會(huì)引入干擾；反之運(yùn)算放大器A1的輸出電壓也會(huì)相應(yīng)變小，易受到外部噪聲的干擾，也會(huì)增加第2級(jí)運(yùn)算放大器A2的負(fù)擔(dān)。

輸出信號(hào)VO1輸入到第2級(jí)運(yùn)算放大器A2的同相輸入端進(jìn)行電壓放大，調(diào)節(jié)電阻R1和R2以調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，取值為kΩ級(jí)，第2級(jí)放大電路的放大倍數(shù)一般設(shè)置為10倍左右。光電倍增管的輸出信號(hào)是負(fù)極性電流信號(hào)，而經(jīng)過(guò)信號(hào)拾取與放大后輸出為正極性電壓信號(hào)。

2.2信號(hào)鑒別與整形

光電倍增管輸出的脈沖信號(hào)中常包含由暗電流和宇宙射線引起的脈沖信號(hào)(見(jiàn)圖3)，如果不濾除這些無(wú)用信號(hào)，則會(huì)對(duì)測(cè)井儀的計(jì)數(shù)精度有一定的影響，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)由比較器及與門(mén)構(gòu)成的脈沖鑒別與整形電路(見(jiàn)圖4)，以鑒別有用計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)和干擾脈沖信號(hào)。

圖3　光電倍增管輸出信號(hào)及區(qū)分

圖4　測(cè)井儀信號(hào)鑒別與整形電路原理圖

電路中，VREF1和VREF2是比較器的閾值電壓，其值取決于伽馬傳感器中所用光電倍增管的暗電流脈沖最大值和宇宙射線脈沖最小值。當(dāng)沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，比較器A的同相輸入電壓低于閾值電壓VREF1時(shí)輸出為低電平，比較器B的反相輸入電壓低于閾值電壓VREF2時(shí)輸出為高電平，與門(mén)電路輸出為低電平；當(dāng)輸入有用的正脈沖時(shí)，比較器A的同相輸入電壓高于閾值電壓VREF1時(shí)輸出為高電平，比較器B的反相輸入電壓低于閾值電壓VREF2時(shí)輸出為高電平，與門(mén)電路輸出為高電平。這樣符合要求的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)就送到了脈沖計(jì)數(shù)電路。

3測(cè)井儀整形處理電路調(diào)試

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下，用測(cè)井儀的伽馬傳感器提供輸入信號(hào)，用專(zhuān)用的直流高壓電源模塊為伽馬傳感器中的光電倍增管提供所需的偏置電壓。根據(jù)該型光電倍增管的坪特性曲線及坪區(qū)范圍，偏置高壓選800 V，用示波器觀察放大器A1的輸入端，即未經(jīng)整形處理電路處理的信號(hào)的形狀與大小，調(diào)整反饋RF的阻值，使放大器A1的輸出信號(hào)形狀沒(méi)有畸變，其絕大多數(shù)的信號(hào)幅值大小約為200 mV；調(diào)節(jié)電阻R1和R2的阻值，使放大器A2輸出的伽馬脈沖信號(hào)可以通過(guò)比較器構(gòu)成的脈沖鑒別電路，而低于閾值電壓VREF2或高于閾值電壓VREF1不能通過(guò)。未整形處理信號(hào)如圖5所示，由整形電路輸出的脈沖信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)(見(jiàn)圖6)。

圖5　未整形處理信號(hào)

圖5　圖6　整形處理后5 V脈沖信號(hào)

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得出以下結(jié)論。

1)采用高性能、低功耗、新型電子器件設(shè)計(jì)出的測(cè)井儀整形處理電路，在實(shí)驗(yàn)室自然伽馬條件下進(jìn)行調(diào)試，電路性能穩(wěn)定，處理效果良好。從光電倍增管陽(yáng)極輸出的微弱負(fù)脈沖信號(hào)，經(jīng)整形處理電路后變換為正極性電壓信號(hào)，有效濾除了原始信號(hào)所包含的各種噪聲。

2)設(shè)計(jì)的測(cè)井儀整形處理電路體積小、成本低，輸出信號(hào)波形為標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，滿足伽馬計(jì)數(shù)電路的使用要求。

3)應(yīng)進(jìn)一步研究和探討信號(hào)鑒別電路中閾值電壓大小的選擇和整形處理電路的進(jìn)一步升級(jí)優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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*“十二五”重大專(zhuān)項(xiàng)課題(2011ZX05040-002)

責(zé)任編輯馬彤

The Azimuthal Gamma Measurement Instrument While Drilling Design of the Shaping and Controlling Circuit

TIAN Xiaochao, WANG Bingchun, JIA Qian, WANG Jikuang

( The Geophysical Instrument and Exploration R & D Center,Xi′an Research Institute Co., Ltd.

of China Coal Technology & Engineering Group Corp., Xi′an 710077, China )

Abstract：This paper analyzes the feature of gamma ray sensor′s output signal, and uses the weak current signal pickup circuit designed with extremely high input impedance and low noise operational amplifier with new pulse discrimination circuit. The research meets the function of azimuthal gamma measurement instrument′s signal and satisfies the input need of the Gamma counting circuit.

Key words:MWD，gamma，well-logging instrument，shaping and controlling circuit，PMT

收稿日期：2015-03-21

作者簡(jiǎn)介：田小超(1985-)，男，助理工程師，碩士研究生，主要從事地球物理勘探儀器研發(fā)等方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：P 631.83

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A