巖石電阻率測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院　張妙瑜　郭新興　靳釗釗　李　霄　李春凱　劉　轉(zhuǎn)　馬　彤

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巖石電阻率測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院張妙瑜郭新興靳釗釗李霄李春凱劉轉(zhuǎn)馬彤

【摘要】根據(jù)實(shí)際需求提出了一種基于微控制器的巖石電阻率測量裝置的實(shí)現(xiàn)方式，對裝置的核心部分進(jìn)行了軟件仿真，并制作出實(shí)際的硬件實(shí)驗(yàn)裝置及上位機(jī)通訊軟件，測試出待測巖樣的電阻率數(shù)據(jù)并將其通過微控制器的串口模塊發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行分析處理。裝置的核心部分是一個(gè)利用雙電測組合法進(jìn)行電阻率測量的電阻率測量裝置，得到實(shí)驗(yàn)對象的電阻率，提供給研究人員并做出相應(yīng)參考。

【關(guān)鍵詞】巖石電阻率；雙電測組合法；STM32單片機(jī)；恒流源；MSComm控件

2014年國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201410705033）。

0　前言

使用電阻率測量設(shè)備測量、算得地層真電阻率，是估算地層原始含油（氣）飽和度、進(jìn)行儲(chǔ)層評價(jià)、識(shí)別油氣層的重要研究內(nèi)容之一。20世紀(jì)60年代，Brace雖做過巖石電阻率變化各向異性實(shí)驗(yàn)研究工作，但當(dāng)時(shí)他只用電阻率二極測量法，作了一個(gè)橫向電阻率與縱向電阻率變化的對比，沒進(jìn)行更深入的研究。1986年，K.Kurite報(bào)道了用4條測線、4個(gè)方向布極，觀測單軸壓力下，電阻率各向異性與地震波速各向異性的對比，結(jié)果很好，但只見到定性作圖解釋，未見定量計(jì)算結(jié)果[1]。我們研究的對象是非均勻的，具有各向異性，我們不能用單個(gè)的水平電阻率或者垂直電阻率來評價(jià)地層，所以需要在x、y、z三個(gè)方向上甚至多個(gè)方向上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，DSP、FPGA/CPLD、ARM等技術(shù)被應(yīng)用到測井系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也開始呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展。本課題的目的是在實(shí)驗(yàn)室中使用單片機(jī)作為主控芯片來實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)信號(hào)的采集，完成數(shù)據(jù)的測量、傳輸、存儲(chǔ)等功能，最后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到實(shí)驗(yàn)對象的電阻率，并做出相應(yīng)的評價(jià)。

1　巖石電阻率的測量原理

1.1巖石電阻率的測量方法研究

測量巖石電阻率的方法有很多種，大體分為兩類：①無接觸式測量法，就是在測量過程中不需要與樣品接觸，這是它的最大優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)對樣品造成損壞，而且不接觸也不會(huì)對樣品帶來玷污。但其弊端主要在于設(shè)備相對復(fù)雜，成本較高，并且測量范圍窄。②相對較為經(jīng)濟(jì)及成熟的測試方法是接觸測量法，當(dāng)前的接觸測量法有很多種，例如兩探針法、三電極法、擴(kuò)展電阻法以及四探針法[2]。針對實(shí)驗(yàn)室中常用的兩電極法和四電極法，擬采用如圖1所示的四電極法。這種方法能夠明顯消除兩電極法中因?yàn)闃O化而產(chǎn)生的接觸電阻。

圖1　四電極測試原理圖

1.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是把通過傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，再由計(jì)算機(jī)做出相應(yīng)的計(jì)算及處理，得到用戶所需的數(shù)據(jù)。同時(shí)，我們還可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、打印及相應(yīng)的后處理，反饋到控制系統(tǒng)中對某些物理量進(jìn)行監(jiān)視，從而使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。

圖2　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　探測儀硬件電路設(shè)計(jì)

巖石電阻率探測儀硬件電路主要由以下幾部分構(gòu)成：一個(gè)穩(wěn)壓性能較好的電源、一個(gè)能夠測量較寬范圍電阻負(fù)載的恒流源、一個(gè)四探針測試夾具、一套高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、一套上位機(jī)通信電路等。

2.1基于UC3842的反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

UC3842能夠用來直接驅(qū)動(dòng)MOSFET。電流型脈寬調(diào)制器利用后級(jí)的反饋電流來調(diào)節(jié)脈沖寬度，以實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定控制。后級(jí)輸出電感的電流進(jìn)入脈寬比較器與誤差放大器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，用其輸出調(diào)節(jié)占空比，從而使輸出的電感峰值電流能夠時(shí)刻跟隨誤差電壓的變動(dòng)。因此能夠得到較為穩(wěn)定的輸出電壓。

電路工作在電流斷續(xù)模式下時(shí)：

由式（2-1）可知，當(dāng)電路工作在電流斷續(xù)模式，負(fù)載開路的情況下時(shí)，輸出電壓迅速升高。為避免輸出電壓隨負(fù)載漂移，需引入反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，本設(shè)計(jì)基于UC3842芯片，采用電流、電壓雙閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出穩(wěn)定的直流電壓（如圖3所示）。

圖3　基于UC3842的反激式開關(guān)電源

反激變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)：

2.2基于集成運(yùn)放的高精度恒流源設(shè)計(jì)

集成運(yùn)算放大器是一種高增益的直流放大器，一般工作在閉環(huán)狀態(tài)，只要外接很少的幾個(gè)電阻，就可以構(gòu)成具有深度負(fù)反饋的放大器，因此可以用來制作恒流源[3]。由于接地負(fù)載恒流源原理相對簡單，制作方便，故采用負(fù)載接地的方案。

該恒流源核心部分由兩個(gè)集成運(yùn)放和四個(gè)精密電阻構(gòu)成。如圖所示，運(yùn)放A1使用了OP37，接成一個(gè)深度負(fù)反饋同相放大器。而運(yùn)放A2使用了單位增益穩(wěn)定的OPA842集成運(yùn)算放大器，構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器。運(yùn)算放大器A2把A1的輸出電壓Uo傳到A1的同相端，并在該端與A1的同相端輸入電壓VSS相加，因而A1同相端電壓：

此輸出電流的大小可由外加電壓VSS和電阻RS控制。選擇運(yùn)放時(shí)，應(yīng)該盡可能選擇輸入阻抗較高的集成運(yùn)算放大器。控制電壓VSS，電阻Rs及負(fù)載RL的數(shù)值范圍主要受A1的最大輸出電壓限制，所以應(yīng)該保證RS上的壓降和RL上的壓降之和不大于A1的最大輸出電壓。而為了使恒流源的精密度更高，所以在對進(jìn)行選型時(shí)，都用了誤差0.1%的精密電阻。

圖4　基于OP37與OPA842的負(fù)載可達(dá)60K的恒流源電路圖

2.3基于CH340G的串口通信電路設(shè)計(jì)

CH340是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口，SUB轉(zhuǎn)IrDA紅外或者USB轉(zhuǎn)打印口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號(hào)，用于為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串口，或者將普通的串口設(shè)備直接升級(jí)到USB總線。

3　探測儀軟件部分設(shè)計(jì)

3.1基于STM32的單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)框圖

圖5　STM32單片機(jī)核心代碼原理框圖

3.2基于VB6.0的串口通信上位機(jī)軟件

在開發(fā)串行通信程序的過程中，利用微軟的MSComm通信控件相對較簡單，該控件具有豐富的與串行通信密切相關(guān)的屬性及事件，提供了對串口的各種操作。 在Visual Basic開發(fā)環(huán)境下，利用VB自帶的MSComm控件設(shè)計(jì)單片機(jī)和上位機(jī)通訊程序。

圖6　上位機(jī)通信顯示界面

采用 Visual Basic 開發(fā) Windows 下的測控應(yīng)用軟件使用簡單、容易上手、開發(fā)效率高，尤其是軟件界面設(shè)計(jì)非常便捷，編程工作量較小、開發(fā)周期短。在實(shí)踐中，使用 Visual Basic 串口控件實(shí)現(xiàn)通信的方法比調(diào)用 API 函數(shù)的方法更加方便、快捷，而且用較少的代碼就可以實(shí)現(xiàn)相同的功能，從而使編程效率大大提高，也減少了因編程不當(dāng)而導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定。

4　部分核心電路的仿真結(jié)果與分析

圖7　精密恒流源multisim仿真結(jié)果

5　結(jié)論

該系統(tǒng)能否完成的關(guān)鍵因素在于恒流源的性能，能否設(shè)計(jì)出一個(gè)電流穩(wěn)定，負(fù)載調(diào)整率高的恒流源很大意義上決定了本課題的完成效果。該系統(tǒng)的硬件部分包含較高電壓的電阻率測量電路和高EMI的開關(guān)電源部分和低電壓高頻率的數(shù)字通信模塊。故而在這兩個(gè)部分之間會(huì)有一定的電磁干擾產(chǎn)生。因此在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)就要將這個(gè)因素考慮進(jìn)去。盡可能的優(yōu)化開關(guān)電源的PCB板，減小電磁干擾的產(chǎn)生。另外一點(diǎn)是在設(shè)計(jì)PCB的過程中，要充分考慮到一些關(guān)鍵元器件的布局以及隨之而來的布線對EMI的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]陳峰,安金珍,廖椿庭.原始電阻率各向異性巖石電阻率變化的方向性[J].地球物理學(xué)報(bào),2003,02期.

[2]趙英偉,龐克儉.Kelin四線連接電阻測試技術(shù)及應(yīng)用[A].半導(dǎo)體技術(shù),2005.04(02):44-45．

[3]楊帆.一款半導(dǎo)體材料電阻率測量的恒流源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C].西安電子科技大學(xué)碩士畢業(yè)論文.

張妙瑜（1980-），女，在讀博士，講師，主要從事電磁測井理論和測井信號(hào)數(shù)值計(jì)算方面的研究。

郭新興（1993-），男，陜西咸陽人，大學(xué)本科，專業(yè)：自動(dòng)化。

作者簡介：

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目：薄交互地層中的感應(yīng)測井機(jī)理研究（編號(hào)：2013JM5011）。