隨鉆中子He3管探測(cè)器抗干擾的改進(jìn)設(shè)計(jì)程羽張嘉偉

薛志波 王昊煒

摘? 要：He3管探測(cè)器是隨鉆中子測(cè)井儀器中的關(guān)鍵部件， 它采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響著整支儀器的性能。隨鉆中子He3管探測(cè)器在安裝和測(cè)試過程中，會(huì)存在很多干擾，從信號(hào)采集過程、電路工作原理、制造工藝等方面入手，改進(jìn)了抗干擾設(shè)計(jì)，極大地提高了隨鉆中子He3管探測(cè)器的抗干擾性能，保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：He3管? 隨鉆中子? 濾波? 厚膜電路

中圖分類號(hào)：TN912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）02（c）-0027-04

Abstract：He3 tube detector is the key component of the neutron logging while drilling， its accuracy of data acquisition directly affects the performance of the whole tool. In the process of installation and testing， there will be a lot of interference. The anti-interference design has been improved from the aspects of signal acquisition process， circuit working principle and manufacturing process， which greatly improves the anti-interference performance for He3 detector of the neutron logging while drilling and ensures the accuracy of data acquisition.

Key Words：He3 Tube;Neutron Logging While Drilling;Filtering;Thick Film Circuit

隨鉆中子測(cè)井儀是具有陣列式多通道熱中子He3管探測(cè)器的測(cè)井儀，在井下工作時(shí)，He3管探測(cè)器是隨鉆中子測(cè)井儀器的關(guān)鍵部件，主要測(cè)量地層中熱中子數(shù)量多少，從而反映出地層孔隙度的變化，它的性能優(yōu)劣將直接影響著整支儀器的性能和測(cè)井效果[1]。因此，He3管探測(cè)器的穩(wěn)定性特別重要，所以He3管探測(cè)器的抗干擾性也成了儀器調(diào)校的重點(diǎn)。

1? He3管探測(cè)器工作原理

隨鉆中子測(cè)井儀井下工作時(shí)裝載著15Ci的Am-Be中子源，每秒鐘將產(chǎn)生4×107個(gè)快中子，這些快中子射入地層，與地層中的物質(zhì)碰撞。經(jīng)過幾次碰撞后，快中子將被減速，能量從快中子的平均能量5.6MeV衰減到0.025eV的熱中子。這些熱中子部分進(jìn)入He3管探測(cè)器，撞擊He3核，引起核反應(yīng)，產(chǎn)生H3（氚）子，該質(zhì)子使其他一部分He3電離，產(chǎn)生帶電的離子和電子，在高壓電場(chǎng)的作用下，電子向陽極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一負(fù)脈沖，脈沖幅度在0.5μV～1.5mV范圍內(nèi)連續(xù)分布，脈沖寬度小于5μs，為隨機(jī)信號(hào)，該脈沖被電子線路放大并記錄下來，探測(cè)器接受中子的多少直接反映了地層中氫原子的多少[2]。因此He3探測(cè)器及其電子線路組成的測(cè)井儀可以測(cè)量地層中的含氫量多少，它探測(cè)中子的反應(yīng)式[2]為：

實(shí)際情況是，自然界中不存在快中子，He3管在實(shí)驗(yàn)室不加放射源的情況下，是采集不到快中子的，因此He3管是沒有任何計(jì)數(shù)的。He3管探測(cè)器很容易受到電子噪聲等干擾，在并不存在快中子的空間里，He3管探測(cè)器也會(huì)采集到脈沖信號(hào)，經(jīng)過電路處理之后就會(huì)產(chǎn)生計(jì)數(shù)。這種計(jì)數(shù)叫作空計(jì)數(shù)（無源時(shí)采集的計(jì)數(shù)值），既影響儀器的刻度測(cè)試，又影響儀器的下井作業(yè)應(yīng)用，不能真實(shí)地反映出地層孔隙度的變化[3]。針對(duì)這種情況，從信號(hào)的采集過程、電路工作原理、制造工藝等方面入手，采取了一些措施，改進(jìn)抗干擾設(shè)計(jì)。

1.1 硬件電路改進(jìn)

He3管探測(cè)器的輸出是一個(gè)電流脈沖，能模擬探測(cè)核輻的大小，不是電流脈沖的某一瞬間值，而是它積分值（或輸出電荷）的大小，在測(cè)量時(shí)，為了得到與能量呈線性關(guān)系的電壓脈沖，就應(yīng)該對(duì)探測(cè)器的輸出電流脈沖進(jìn)行積分。當(dāng)積分作用發(fā)生在探測(cè)器輸出端和預(yù)放大器輸入端之間，就稱為電壓成形方式，此時(shí)，預(yù)放大器的輸入信號(hào)為電壓脈沖，采用電壓預(yù)放大器相配合[4]。

前置放大器是置于信號(hào)源與放大級(jí)之間的預(yù)放大電路，是專為接受來自信號(hào)源的微弱電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的。此次測(cè)試所用的前置放大電路僅僅只放大有用的小信號(hào)，將電路上的噪聲信號(hào)濾掉，減少了后級(jí)電路對(duì)噪聲的進(jìn)一步放大，提高了系統(tǒng)的信噪比，減少外界干擾的相對(duì)影響，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配[5]。He3管探測(cè)器的前放電路如圖1所示。

前置放大器包括兩級(jí)放大器：第一級(jí)為高通濾波放大電路，第二級(jí)為二階Sallen-Key高通濾波器，進(jìn)一步濾除信號(hào)噪聲，提取有用信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。下面對(duì)部分電路做以下分析。

（1）第一級(jí)為高通濾波放大電路（見圖2）將He3管探測(cè)器采集到的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)， 濾除低頻噪聲干擾信號(hào)，提取有用的關(guān)鍵信號(hào)，并對(duì)有用信號(hào)適當(dāng)放大，放大截止頻率是12.87kHz。

（2）第二級(jí)是二階壓控型有源高通濾波器（HPF）（見圖3），當(dāng)頻率足夠高時(shí)，電容C1和C2可視為短路，因此HPF的通帶電壓放大倍數(shù)為：

傳遞函數(shù)為：

得到HPF的傳遞函數(shù)，整理得：

頻率特性。

中的s換成 jω，并令，則有：

所以f<

針對(duì)這種問題，結(jié)合He3管探測(cè)器采集信號(hào)的特點(diǎn)，從硬件電路入手，完善前置放大電路原理設(shè)計(jì)，把前后兩級(jí)放大倍數(shù)做適當(dāng)調(diào)整，前級(jí)放大倍數(shù)調(diào)整到20倍，保證后一級(jí)放大倍數(shù)在3倍以內(nèi)，調(diào)整到2.73倍，如圖4、圖5所示。

第一級(jí)高通濾波放大電路放大倍數(shù)為20倍，第二級(jí)二階壓控高通濾波放大器運(yùn)放的放大倍數(shù)為2.73倍，前后兩級(jí)一共放大倍數(shù)為55倍，和原來的放大倍數(shù)一樣，既保證了放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，又避免了在后一級(jí)輕微干擾就會(huì)產(chǎn)生的自激震蕩，保證了整個(gè)He3管探測(cè)器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 工藝改進(jìn)

隨鉆中子測(cè)井儀井下工作環(huán)境惡劣，高溫高壓、振動(dòng)強(qiáng)度大，因此He3管探測(cè)器的設(shè)計(jì)要保證能穩(wěn)定可靠的工作。

1.2.1 集成電路改進(jìn)

前放電路采用集成電路設(shè)計(jì)時(shí)，芯片、阻容等器件焊接時(shí)受人為影響較大，對(duì)焊接工藝要求非常高。

厚膜電路工藝優(yōu)勢(shì)是選用陶瓷基板，厚膜絕緣電阻高、介電常數(shù)小，并且線膨脹系數(shù)能與其他膜層相匹配，直接采用晶元器件進(jìn)行封裝，耐高溫、抗干擾、可靠性高、一致性好，降低了電磁輻射，改善了He3管探測(cè)器易受外界干擾性能。

如圖6所示，采用厚膜電路方式封裝前放模塊，所有的芯片都封裝在厚膜電路里面，保密性好，性能能穩(wěn)定可靠。

1.2.2 裝配工藝改進(jìn)

原始信號(hào)很微弱，脈沖幅度在0.5μV～1.5mV范圍內(nèi)連續(xù)分布，脈沖寬度小于5μs，為隨機(jī)信號(hào)，傳輸?shù)街鞣烹娐窌r(shí)，外界干擾信號(hào)很容易串入到電路系統(tǒng)里面，因此，對(duì)前放到主放之間的信號(hào)傳輸要求很嚴(yán)格，采用屏蔽線取代一般信號(hào)線，并把屏蔽層接地，避免干擾信號(hào)竄入系統(tǒng)。屏蔽效果要好，要用專門的屏蔽線，信號(hào)線需要采用同軸屏蔽線，能夠保證信號(hào)在傳輸過程中，受到外界干擾要小，可以有效地去除掉無用的干擾信號(hào)。針對(duì)存在干擾，在制造裝配時(shí)，從各種因素考慮，采用一點(diǎn)接地方式防止噪聲電壓的產(chǎn)生[6]。整個(gè)前放電路板都用鈹銅外殼屏蔽包裹在內(nèi)，這樣能很有效地屏蔽外界電磁干擾。

2? 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 測(cè)試波形信號(hào)

改進(jìn)后的He3管探測(cè)器，在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證測(cè)試，加上高壓測(cè)試信號(hào)，測(cè)試多個(gè)通道的本底計(jì)數(shù)值。

輸入加1200V高壓直流電源，測(cè)試He3管探測(cè)器，不加放射源，看本底噪聲信號(hào)大小，測(cè)試波形如圖7所示，都是白噪聲，不存在干擾噪聲信號(hào)。前放端加入模擬信號(hào)，模擬地層中熱中子的信號(hào)，輸入100kHz脈沖信號(hào)， 信號(hào)幅值為2mVpp，偏置-1mVpp，99%正占空比脈沖，測(cè)試波形如圖8所示（上面粉色為輸入信號(hào)，下面藍(lán)色為輸出信號(hào)），測(cè)試放大倍數(shù)。

改進(jìn)后，前放電路對(duì)模擬信號(hào)的放大倍數(shù)為55倍左右，達(dá)到改進(jìn)之前的效果，噪聲信號(hào)小，抗干擾能力強(qiáng)，在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試制造簡(jiǎn)單快捷。

2.2 He3管通道計(jì)數(shù)測(cè)試對(duì)比

改進(jìn)之前和改進(jìn)之后，在實(shí)驗(yàn)室里，測(cè)試本底計(jì)數(shù)，沒有任何放射源，理論上講，測(cè)試的空計(jì)數(shù)應(yīng)該為零，N1～N6為He3管探測(cè)器6個(gè)近通道計(jì)數(shù)，F(xiàn)1～F6為He3管探測(cè)器6個(gè)遠(yuǎn)通道計(jì)數(shù)。

沒有改進(jìn)抗干擾設(shè)計(jì)之前，本底計(jì)數(shù)很高，個(gè)別通道每秒能達(dá)到幾百多，如圖9所示，嚴(yán)重影響著測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在改進(jìn)前放抗干擾設(shè)計(jì)之后，如圖10所示，空計(jì)數(shù)值每秒最多只有幾個(gè)，完全滿足了測(cè)試精度要求。

3? 結(jié)語

測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)過硬件電路及制造工藝等改進(jìn)，可有效濾除雜質(zhì)干擾信號(hào)，減少了電磁干擾，保證了電路處在穩(wěn)定的狀態(tài)下工作。前放電路板制造合格率很高，空計(jì)數(shù)很低，提高了隨鉆中子孔隙度數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性，而且工藝也簡(jiǎn)單可靠，提高了儀器生產(chǎn)制造效率，有利于He3管探測(cè)器產(chǎn)業(yè)化大批量生產(chǎn)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李科，魯保平，吳永安.He3管檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研制[J].石油儀器，2007，21（1）：29-31.

[2] 李偉，趙帆.一種隨鉆中子孔隙度測(cè)井系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，22（3）：121-126.

[3] 黃芳，張士中，程輝建，等.SDZ-3090補(bǔ)償中子測(cè)井儀故障分析[J].石油管材與儀器，2017，3（3）：85-87.

[4] 鄧剛，劉靜松，郭志輝，等.SDZ-5070補(bǔ)償中子測(cè)井儀故障分析與排除[J].內(nèi)蒙古石油化工，2015（19）：31.

[5] 趙建輝，王麗艷，盛利民，等.去除隨鉆測(cè)量信號(hào)中噪聲及干擾的新方法[J].石油學(xué)報(bào)，2008，29（4）：596-600.

[6] 孟令晗.RC電路工作原理及其典型應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（1）：105-106.