隨鉆方位自然伽馬測井儀整形處理電路的設計*

田小超，王冰純，賈　茜，王繼礦

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

隨鉆方位自然伽馬測井儀整形處理電路的設計*

田小超，王冰純，賈茜，王繼礦

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

摘要：分析了自然伽馬傳感器輸出信號的特點，以及該信號對拾取電路的要求，采用高輸入阻抗、低噪聲運算放大器設計的微弱電流信號拾取電路和新型的脈沖鑒別窗口電路，實現了隨鉆方位自然伽馬測井儀的信號拾取、放大及整形處理功能，滿足了伽馬計數電路的輸入要求。

關鍵詞：隨鉆測量；自然伽馬；測井儀；整形處理電路；光電倍增管

在煤礦生產和煤層氣抽采過程中，有很多順煤層鉆進的工程，在這些工程的施工過程中要求鉆頭在煤層中行進[1-2]。操作人員需要實時了解鉆頭在煤層中的空間位置，以使鉆頭保持在煤層內。隨鉆方位自然伽馬測井儀是測量鉆頭距離頂底板空間位置的儀器之一。煤層頂底板巖性不同，其自然伽馬的測量值就不同[3-4]。隨鉆方位自然伽馬測井儀就是以此原理來測量鉆頭在煤層中距離頂底板的距離，操作人員以此調整鉆頭鉆進方向，以確保鉆頭在煤層中行進。本文論述了礦井隨鉆方位自然伽馬測井儀(以下簡稱測井儀)整形處理電路的設計與調試技術。

1測井儀整形處理電路的組成

測井儀整形處理電路主要由信號拾取與放大電路、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　測井儀整形處理電路原理框圖

測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入伽馬傳感器后，由伽馬傳感器將伽馬光子轉換成負脈沖電流信號，經過整形處理電路，將該信號進行拾取、放大、去噪和整形，變成標準脈沖信號，送入伽馬計數電路。

2測井儀整形處理電路設計

由于伽馬傳感器中光電倍增管輸出的地層伽馬射線強度信息是微弱的電流信號，大小一般為10 nA～300 uA，而且該信號中常常混雜著各種各樣的噪聲；因此，設計的整形處理電路應具有信號拾取與放大、有用信號鑒別與整形處理的功能。

2.1信號拾取與放大

由于光電倍增管陽極輸出的電流信號非常微弱，所以在進行信號拾取與放大時所選運算放大器應具有高開環增益和高輸入阻抗。運算放大器的輸出阻抗應盡可能小，以減小輸出阻抗上產生的壓降對輸出電壓的影響，且在內阻很小的情況下運算放大器可以近似看作一個電壓源，這樣輸出電壓則不會隨下級負載變化。除此之外，所選運算放大器還應滿足低輸入偏置、低噪聲的要求。

測井儀整形處理電路中信號拾取與放大電路，可以使伽馬傳感器中光電倍增管陽極輸出的微弱的、負極性的電流信號變換為電壓信號，以被后續信號處理電路處理。在設計該電路時，選用美國無線電公司開發的融合了高壓PMOS和bipolar工藝優點的低噪聲單片集成運算放大器CA3140A，其輸入阻抗高達1.5 TΩ，輸出阻抗低至60 Ω,最大開環增益可達105，在工作電壓為±15 V時輸入偏置電流為0.5 pA，偏置電壓為5 mV時最大功耗只有180 mW。

測井儀的信號拾取與放大電路由兩級CA3140A型運算放大器組成：第1級運算放大器完成信號拾取，將光電倍增管輸出的微弱電流信號變換為電壓信號；第2級為運算放大器實現電壓同相放大。信號拾取與放大電路如圖2所示。

圖2　測井儀信號拾取與放大電路原理圖

光電倍增管的輸出信號IA經隔直耦合電容C輸入到第1級運算放大器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，這樣運算放大器的輸出電壓和反饋電阻兩端發生的電壓相同，其計算式為：

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自偏置電路高壓的影響，應通過選用漏電流小、頻率特性好、耐壓≥1 500 V的瓷介質電容，將光電倍增管的輸出信號耦合至運算放大器的反相輸入端[5]。

由于輸入電容和負載電容(包括耦合電容和旁路電容)會導致輸入信號相位滯后，從而引起電路的振蕩，因此應在反饋電阻RF兩端并聯反饋電容CF進行相位補償，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的值不宜過大也不宜過小，過大其穩定性變差自身就會引入干擾；反之運算放大器A1的輸出電壓也會相應變小，易受到外部噪聲的干擾，也會增加第2級運算放大器A2的負擔。

輸出信號VO1輸入到第2級運算放大器A2的同相輸入端進行電壓放大，調節電阻R1和R2以調節放大倍數，取值為kΩ級，第2級放大電路的放大倍數一般設置為10倍左右。光電倍增管的輸出信號是負極性電流信號，而經過信號拾取與放大后輸出為正極性電壓信號。

2.2信號鑒別與整形

光電倍增管輸出的脈沖信號中常包含由暗電流和宇宙射線引起的脈沖信號(見圖3)，如果不濾除這些無用信號，則會對測井儀的計數精度有一定的影響，因此，應設計由比較器及與門構成的脈沖鑒別與整形電路(見圖4)，以鑒別有用計數脈沖信號和干擾脈沖信號。

圖3　光電倍增管輸出信號及區分

圖4　測井儀信號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。當沒有脈沖輸入時，比較器A的同相輸入電壓低于閾值電壓VREF1時輸出為低電平，比較器B的反相輸入電壓低于閾值電壓VREF2時輸出為高電平，與門電路輸出為低電平；當輸入有用的正脈沖時，比較器A的同相輸入電壓高于閾值電壓VREF1時輸出為高電平，比較器B的反相輸入電壓低于閾值電壓VREF2時輸出為高電平，與門電路輸出為高電平。這樣符合要求的計數脈沖信號就送到了脈沖計數電路。

3測井儀整形處理電路調試

在實驗室環境條件下，用測井儀的伽馬傳感器提供輸入信號，用專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。根據該型光電倍增管的坪特性曲線及坪區范圍，偏置高壓選800 V，用示波器觀察放大器A1的輸入端，即未經整形處理電路處理的信號的形狀與大小，調整反饋RF的阻值，使放大器A1的輸出信號形狀沒有畸變，其絕大多數的信號幅值大小約為200 mV；調節電阻R1和R2的阻值，使放大器A2輸出的伽馬脈沖信號可以通過比較器構成的脈沖鑒別電路，而低于閾值電壓VREF2或高于閾值電壓VREF1不能通過。未整形處理信號如圖5所示，由整形電路輸出的脈沖信號為標準脈沖信號(見圖6)。

圖5　未整形處理信號

圖5　圖6　整形處理后5 V脈沖信號

4結語

綜上所述，可以得出以下結論。

1)采用高性能、低功耗、新型電子器件設計出的測井儀整形處理電路，在實驗室自然伽馬條件下進行調試，電路性能穩定，處理效果良好。從光電倍增管陽極輸出的微弱負脈沖信號，經整形處理電路后變換為正極性電壓信號，有效濾除了原始信號所包含的各種噪聲。

2)設計的測井儀整形處理電路體積小、成本低，輸出信號波形為標準脈沖信號，滿足伽馬計數電路的使用要求。

3)應進一步研究和探討信號鑒別電路中閾值電壓大小的選擇和整形處理電路的進一步升級優化。

參考文獻

[1] 劉程,李向東,楊守國.地質構造對煤層厚度的影響研究[J].煤礦安全,2008(5):14-16.

[2] 姚寧平.煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工技術[J].煤礦安全,2008(10):30-33..

[3] 董守華,張鳳威,王連元，等. 煤田測井方法和原理[M].徐州:中國礦業大學出版社,2012.

[4] 駱慶鋒,王鐵永,梁羽佳，等. 方位自然伽馬傳感器設計研究[J].石油儀器,2012,26(4):1-3.

[5] 賈衡天,彭浩,鄧樂，等. 隨鉆自然伽馬測量系統[J].微型機與應用,2014,33(16):18-21.

[6] 葉莉華,汪海洋，王文軒，等. 基于光電倍增管的低噪聲前置放大器的設計及其信號處理[J].電子器件,2013,36(3):340-343.

*“十二五”重大專項課題(2011ZX05040-002)

責任編輯馬彤

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等方面的研究。

中圖分類號：P 631.83

文獻標志碼:A