伽馬信號測量儀器電路設計及應用

李春楠

（中海油服油田技術研究院，河北燕郊，065201）

0 引言

隨鉆測井是一門多學科的應用技術，包括基本理論、儀器設計、儀器制造、測量數據處理和解釋等，目前它已成為儲量評估、油儲勘探及油氣開采等方面不可缺少的工具。Gamma數據對整個地層分析起著非常重要的作用，儀器具有結構簡單，操作方便的特點，非常適合應用于滿貫測井作業。

1 電路結構

該系統主要完成對井下伽瑪信號采集、處理、計數,并把采集到的數據通過總線傳送到上位機。GM管的輸出信號，經整形處理后連接到計數處理器的通用I/O引腳，計數處理器不斷讀取引腳的電平狀態，并通過電平的高低變換來分辨和記錄脈沖。計數芯片記錄的脈沖個數通過串口發給主CPU。

總電源：在總線取電時在總線上加一電感即可取得總線電壓。總線電壓范圍是15V～25V，伽瑪工程樣機電流范圍是23.5mA～40mA。工程樣機的電流范圍是根據總線上電壓的變化而得到的不同電流值，電流值是在總線上串電流表測量得到。

高壓電源：GM管用總線電源供電，經脈沖高壓電路輸出800V—1200V直流電壓，電壓覆蓋范圍約為120V，電壓不穩定度小于30V。

低壓電源：低壓電路主要用集成電源管理芯片完成從總電源到低壓直流電源的轉換，經過采樣反饋電路，濾波電路和分壓電路得到各個電路所需要的低壓直流電源。電壓不穩定度小于90mV。

地：系統中有模擬地、數字地，電路中模擬地與數字地先單獨的連接起來，最終在某一點把模擬地與數字地再連接在一起。不同電壓的地和數字地連接在一起，無特殊處理。

圖1 電路結構框圖

2 高壓電源模塊

GM管電源用總線電源供電，經脈沖高壓電路輸出800V—1200V直流電壓，電壓覆蓋范圍約為120伏，電壓不穩定度小于30V。整個儀器需要1組高壓電源，輸出電壓值要調整到能覆蓋16支GM管的全部工作點電壓（每一根GM管都要用測試工裝確定坪區及工作電壓）。該高壓電源由主處理芯片的I/O引腳進行開關控制以達到省電目的。

從總線電源分離出來的電源電壓VBatt經過頻率調制后激勵脈沖變壓器的原邊，副邊輸出的高壓經升壓整流濾波電路后再經過分壓輸出GM激活需要的工作電壓。輸出電壓的反饋電壓與基準電壓VR經電壓比較，控制脈沖變壓器激勵脈沖的震蕩頻率，從而實現穩壓閉環控制。

3 低壓電源模塊

系統主電源由穩壓+5V、±2.5V和+3V 所組成。+5V電源主要用于通信電路以及高壓電源的反饋閉環電路，±2.5V電源主要用于振動量數據采集的模擬電路。+3V電源主要用于主處理芯片和GM整形電路。+5V，±2.5V和+3V的不穩定度不大與90mV。

低壓電路主要用集成電源管理芯片完成從總電源到低壓直流電源的轉換，經過采樣反饋電路，濾波電路和分壓電路得到各個電路所需要的低壓直流電源。低壓直流電源由主處理芯片的I/O引腳進行開關控制已達到省電目的。

4 傳感器

γ射線的測量采用G-M計數管（蓋特彌勒計數管），G-M計數管為一密封的圓柱形玻璃管，中央有一根金屬絲作為陽極，玻璃管內涂以導電材料或另裝一金屬圓筒做為陰極。管內充有一定量的惰性氣體和少猝滅氣體。計數管的陽極和陰極之間加有適當的工作電壓。G-M計數管是一種氣體探測器，當帶電粒子 （γ射線射）射入時，引起氣體分子電離。電離產生的電子在陽極附近的強電場中又產生一系列的電離碰撞，即觸發“自持放電”。這一過程中產生的電子和正離子向兩極漂移時，在外電路中就產生脈沖信號。

圖2 GM管連接電路圖

注:GM管的陽極即G-Mg1端應接GM管的坪區電壓，陰極應接地。

GM管連接電路圖中的G-Mg1接GM 管信號處理電路原理圖中的G-Mg1。

5 信號捕捉和整形電路

因為GM管的輸出信號比較微弱，而且帶有噪聲，需要放大和濾波整形處理。單根GM管的輸出信號處理電原理圖如圖3所示。

圖3 GM管輸出波形

注:整形電路中的VCC1～VCC16是接高壓的端點，即接上述高壓電路中的Uh1、Uh2、Uh3、Uh4、Uh5，具體的接法根據伽瑪管的平區電壓而定。

GM管受到γ射線照射產生放電現象，透過電容的輸出信號為微弱的負脈沖信號，經濾波電路限幅放大電路變換成數字邏輯電平信號。考慮到G-M管的死時間指標為100微秒，脈寬指標定為150微秒，以保證連續脈沖的分辨能力。一組伽瑪探測器由8根GM 管組成，需要圖所示的電路8套。整個儀器需要16套這樣的整形電路。

GM管為電壓型傳感器，GM管輸出的GM信號波形如圖由上圖可以得出整形前的G-M脈沖是一個負脈沖，該脈沖的幅度是3V脈沖寬度是200us。

由圖4可以得出整形后的G-M脈沖是標準的數字邏輯電平，該脈沖的幅度是3V脈沖寬度是160us。

圖4 整形后的波形

6 采集電路

伽瑪計數電路由一塊專門用于計數的微處理器實現，分為兩組，每組可以實現8 路輸入的同時計數。電路的同時計數分辨率設計值為10KHz，數據緩沖堆棧為 64 個時間記錄數據。經整形電路后的整形后的G-M脈沖是標準的數字邏輯電平，該脈沖的幅度是3V脈沖寬度是不大于160us。8路輸入同時計數器對 8 根 GM的輸出脈沖整形后分別計數，由GM信號處理電路得到的8個GM信號接入微處理器的八個引腳，由這八個引腳引入計數處理器。定時讀取這些引腳，當引腳電平有變化時說明有脈沖到來，按所設定計數時間累計相應的計數器中并堆入計數處理器內部的輸出數據緩沖區，并按要求順序傳送到主處理器。主處理器和計數的微處理器用串口進行通訊。

7 實驗結果及討論

試驗樣機與指定產品的CPS原始數據及圖形比較如圖5所示，實驗結論：

圖5 試驗樣機與指定產品的CPS比較

試驗樣機CPS凈計數值與指定產品的CPS凈計數值大小一致，符合要求。

試驗樣機標準方差與指定產品的標準方差相比，符合要求。

在自然或有源環境下，試驗樣機與指定產品的變化曲線趨勢和大小一致，符合要求。

8 結束語

經測試,該系統工作穩定，同時具備信號處理，濾波，采集，指令傳送等處理功能，并標準化了電路板的尺寸及相應的灌封處理，在尺寸上大大縮短，從而很好地縮短儀器長度，提高電路設計的可靠性，且滿足實際生產作業的要求。