動(dòng)圈式檢波器芯體極性的一種智能測(cè)試方法

雷 宇，余正杰，焦新程，王云琦，井 喬

(中國(guó)石油東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077)

0 引 言

自現(xiàn)代石油工業(yè)誕生以來，地震勘探技術(shù)是解決油氣勘探問題最有效的方法。地震檢波器作為把地震波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的機(jī)電裝置，被廣泛應(yīng)用在地震勘探中。目前被大量使用的是動(dòng)圈式模擬地震檢波器，在其制造過程中存在芯體極性反接的情況，而檢波器反極性會(huì)影響整體的輸出幅值，從而不能反映真實(shí)的振動(dòng)波。檢波器的極性測(cè)試便成為了檢波器工業(yè)生產(chǎn)過程中及出廠前的重要檢測(cè)環(huán)節(jié)。

常規(guī)測(cè)試極性的方法一是使用SMT-200等檢波器測(cè)試儀，檢測(cè)儀采購成本較高、發(fā)生故障維修困難，在測(cè)試時(shí)需要采用人工敲擊等方式手動(dòng)激發(fā)振動(dòng)；而另外一種低成本測(cè)試方法就是使用微安表，搖動(dòng)或敲擊檢波器來激發(fā)振動(dòng)，通過觀察指針的初次偏轉(zhuǎn)方向來進(jìn)行判斷，在實(shí)際測(cè)試時(shí),指針會(huì)反復(fù)擺動(dòng)而無法準(zhǔn)確判讀初次偏轉(zhuǎn)方向，造成判斷失誤。本文針對(duì)動(dòng)圈式檢波器芯體極性測(cè)試提出一種簡(jiǎn)易、低成本、準(zhǔn)確性高且易于實(shí)現(xiàn)的方法。

1 總體設(shè)計(jì)

動(dòng)圈式檢波器芯體內(nèi)部存在彈簧片、線圈、磁鋼等部件，當(dāng)動(dòng)圈式檢波器芯體在接收到外部機(jī)械振動(dòng)信號(hào)后，芯體內(nèi)部的線圈由于慣性會(huì)與磁系統(tǒng)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)而切割磁力線，線圈產(chǎn)生電壓信號(hào)。而當(dāng)極性反接時(shí)，輸出電壓信號(hào)的相位會(huì)發(fā)生180°的變化，即第一個(gè)脈沖信號(hào)由正電壓變換為負(fù)電壓。本方法便是通過檢測(cè)第一個(gè)脈沖信號(hào)的正負(fù)電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)檢波器芯體極性進(jìn)行判斷[1]。

本方法采用氣缸作為使檢波器芯體產(chǎn)生振動(dòng)的外部激勵(lì)源，使用單片機(jī)來控制氣動(dòng)電磁閥的通斷，從而可由單片機(jī)內(nèi)部中斷定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化激勵(lì)，無需手動(dòng)操作。檢波器做切割磁力線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)過前置濾波、信號(hào)調(diào)理后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)行處理[2]?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

2 電路設(shè)計(jì)

本方法中采用單片機(jī)MSP430F249作為控制單元(MCU)，該芯片配置有兩個(gè)內(nèi)置 16 位定時(shí)器、1個(gè)快速 12 位模數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換器、1個(gè)比較器、4個(gè)通用串行通信接口 (USCI) 模塊、和高達(dá) 48 個(gè) I/O 引腳。通過它完成驅(qū)動(dòng)AD芯片采集數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)電磁閥控制氣缸產(chǎn)生外部激勵(lì)信號(hào)以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理判斷檢波器極性是否正確等功能[3]。以下是各功能模塊的具體設(shè)計(jì)。

2.1 電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊

為了便于全電路的統(tǒng)一供電設(shè)計(jì)，本方法采用直流12 V氣動(dòng)電磁閥來啟停氣缸。

采用三極管作為開關(guān)管來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

當(dāng)P20輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通電磁閥負(fù)端電壓為0,電磁閥正端連接+12 V電源，此時(shí)氣缸開始工作，產(chǎn)生外部激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)P20輸出低電平時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，電磁閥正端與負(fù)端電壓都為+12 V，電壓差為0,電磁閥斷開，氣缸不工作。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)產(chǎn)生外部激勵(lì)信號(hào)，采用MSP430F249單片機(jī)內(nèi)部中斷定時(shí)器TA，實(shí)現(xiàn)每間隔4 s產(chǎn)生一次外部激勵(lì)信號(hào)。

2.2 信號(hào)濾波放大模塊

由于外部激勵(lì)信號(hào)較小，檢波器芯體振動(dòng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)較小，為了方便單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，首先需要對(duì)其進(jìn)行濾波放大，減少外部干擾信號(hào)，提高系統(tǒng)整體信噪比。LT6023是一款低功耗、增強(qiáng)壓擺率的精準(zhǔn)運(yùn)算放大器，本方法采用運(yùn)算放大器LT6023實(shí)現(xiàn)有源低通濾波放大電路。該放大器的專有電路拓?fù)淇稍诘挽o態(tài)功率耗散條件下提供出色的壓擺率，并且不會(huì)犧牲精度或穩(wěn)定時(shí)間指標(biāo)。此外，專有的輸入級(jí)電路還允許在輸入電壓階躍高達(dá)5 V的情況下保持很高的輸入阻抗[4]。前置濾波放大電路圖如圖3所示。

圖3 前置濾波放大電路圖

(1)

截止頻率計(jì)算：

(2)

使用TINA軟件對(duì)其交流特性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，該電路實(shí)現(xiàn)了增益為20 dB、截止頻率為100 Hz的低通濾波功能，與計(jì)算結(jié)果相同，滿足使用需求。

圖4 前置濾波放大電路仿真結(jié)果圖

2.3 差分運(yùn)放信號(hào)調(diào)理模塊

經(jīng)過前置濾波放大電路后，檢波器芯體輸出信號(hào)為-5～+5 V信號(hào)，本方法中采用AD7468模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其模擬輸入范圍為0～3.3 V。

AD7468采用3.3 V電源供電，采集數(shù)據(jù)范圍為0～3.3 V，因此需要將檢波器芯體輸出信號(hào)調(diào)理為0～3.3 V，采用差分運(yùn)放INA132實(shí)現(xiàn)。差分運(yùn)放信號(hào)調(diào)理電路如圖5所示。圖5中，OUTA為經(jīng)過前置濾波放大后的檢波器輸出信號(hào)，通過二極管IN4004后，利用二極管單向?qū)ㄌ匦?，信?hào)范圍為-0.7 V～5 V。經(jīng)過INA132后其輸出信號(hào)在輸出端并聯(lián)兩個(gè)二極管，保證輸出信號(hào)的取值范圍為0～1.4 V，送到AD芯片進(jìn)行采集[5]。

圖5 差分運(yùn)放信號(hào)調(diào)理電路圖

使用TINA軟件對(duì)硬件電路進(jìn)行仿真，當(dāng)輸入信號(hào)起始相位為0°時(shí)，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 初始相位為0°信號(hào)調(diào)理仿真圖

當(dāng)輸入信號(hào)初始相位為180°時(shí)，模擬檢波器極性接反，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 初始相位為180°信號(hào)調(diào)理仿真圖

當(dāng)檢波器芯體沒有電壓信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，INA132輸出為0.7 V直流信號(hào)。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

本方法中采用 AD7468作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它是8位高速、低功耗、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，工作電壓為1.6 V至3.6 V單電源，轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS和串行時(shí)鐘進(jìn)行控制，從而為器件與微處理器或DSP接口創(chuàng)造了條件。輸入信號(hào)在CS的下降沿進(jìn)行采樣。基準(zhǔn)電壓從供電電壓獲得，從而為ADC提供了最寬的動(dòng)態(tài)輸入范圍[6]。

使用單片機(jī)MSP430F249驅(qū)動(dòng)AD7468芯片，電路設(shè)計(jì)圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

本方法的軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理兩大功能。

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能需分別用單片機(jī)P10、P11、P12三個(gè)IO口驅(qū)動(dòng)AD7468 /CS、SDATA 、SCLK三個(gè)管腳。當(dāng)CS為低電平，SDATA數(shù)據(jù)可以在SCLK時(shí)鐘的下降沿讀出，一共12位數(shù)據(jù)，前4位為無效數(shù)據(jù)，輸出為0，后8位為有效數(shù)據(jù)，從最高位開始傳輸。

數(shù)據(jù)采集程序如下：

#define AD_CS P1OUT&=～BIT0

#define AD_CS_H P1OUT|=BIT0

#define AD_SCLK_L P1OUT&=～BIT2

#define AD_SCLK_H P1OUT|=BIT2

P1SEL=0X00; //定義P1為通用IO口

P1DIR=0X05;//定義P1口輸入輸出方向

AD_CS;//AD7468片選信號(hào)為低電平

for(int i=0;i<12;i++)

{

AD_SCLK_H;

AD_SCLK_L;

if(P1IN&BIT1)t|=0x01;

else if (P1IN&BIT1==0)t=0x00;

t<<=1;

} //讀取一次數(shù)據(jù)，保存在變量t中；

根據(jù)計(jì)算出的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理功能的流程設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 極性判斷流程圖

在實(shí)際測(cè)試中，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)為54，由于采集存在一定的誤差，0.7 V數(shù)據(jù)采集范圍可以設(shè)定為34～74，通過對(duì)超出這個(gè)范圍后的第一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，來實(shí)現(xiàn)檢波器極性的檢測(cè)[1]。

4 效果展示

將檢波器固定在氣缸上，通過硬件電路控制氣缸每4 s震動(dòng)一次，在震動(dòng)過程中對(duì)檢波器極性進(jìn)行判斷，極性正確時(shí)通過LED發(fā)光二極管對(duì)操作人員進(jìn)行提示，極性接反時(shí)通過蜂鳴器響聲對(duì)操作人員進(jìn)行提示。

首先固定一個(gè)極性正確的檢波器在氣缸上進(jìn)行一個(gè)小時(shí)的連續(xù)測(cè)試，LED發(fā)光二極管顯示正常，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率為100%。然后固定一個(gè)極性接反的檢波器在氣缸上進(jìn)行一個(gè)小時(shí)的連續(xù)測(cè)試，每次測(cè)試蜂鳴器都會(huì)通過響聲提示操作人員極性接反，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性為100%。本測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確直觀，有效避免了微安表的不易觀測(cè)和誤判問題，同時(shí)成本比現(xiàn)有測(cè)試儀低，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單也便于后期維護(hù)。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于動(dòng)圈式檢波器芯體極性的智能測(cè)試方法，通過單片機(jī)控制氣缸振動(dòng)作為檢波器的外部激勵(lì)源，同時(shí)單片機(jī)檢測(cè)檢波器芯體的第一個(gè)脈沖信號(hào)的正負(fù)電壓，實(shí)現(xiàn)了對(duì)檢波器芯體極性判斷。該測(cè)試方法程序較為簡(jiǎn)單，開發(fā)周期短，具有易于實(shí)現(xiàn)、成本低、準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，可以代替SMT-200及微安表的檢波器極性測(cè)試方法，自動(dòng)化激勵(lì)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，能有效避免檢波器芯體極性測(cè)試因受到人為因素干擾而造成判斷失誤，提高了產(chǎn)品的合格率，是搭建檢波器自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要組成部分。本文中提到的相位算法也可以通過FFT(快速傅里葉變換)計(jì)算，但是這種算法使用單片機(jī)的話計(jì)算數(shù)據(jù)量較大，影響檢測(cè)效率，且程序較為復(fù)雜，開發(fā)周期長(zhǎng)。