核測井儀探測器輸出信號特征分析及信號處理電路設計

田小超

（中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西西安 710077）

透明工作面構建的基礎是探明煤層頂底板位置、煤層厚度、煤層中蘊含的地質異常體等。核測井技術以其獨特的優勢可以有效探明鉆遇地層巖性，識別煤層頂底板，并結合軌跡跟蹤技術推斷出煤層厚度，因此，近幾年在透明工作面構建方面也逐漸發揮積極作用，由于煤礦井下特殊的工況環境，目前僅以自然伽馬測井開展技術應用[1-4]。

自然伽馬測井技術是以測量地層中天然放射性核素自然衰變時發射出的伽馬射線為基礎實現。當測井儀在鉆進時，地層中輻射出的自然伽馬射線主動入射進儀器，被伽馬探測器所捕獲。為了對鉆遇地層巖性進行識別和劃分，需要將捕獲的伽馬射線強度信息轉化為可量化的電信號，再由信號采集電路進行統計計數，通過計算單位時間內統計的脈沖數量，從而獲得鉆遇地層的巖性差異化信息[5-7]。但是，伽馬探測器輸出的原始信號為微弱的負極性尖峰信號，無法被信號采集電路直接所接收，需要對其做相應的信號變換使其符合輸入要求。根據對伽馬探測器信號特征的分析，信號調理電路應具備原始信號的拾取、合理放大以及標準化等功能。但是多種因素制約下，經信號調理電路處理的信號中還會存在一些噪聲信號可能會影響真實的統計結果，所以在對微弱信號進行處理時還要考慮盡可能消除噪聲信號對有效信號的干擾，提高電路信噪比[8-10]。

該文對核測井儀伽馬探測器組成進行介紹，并分析了其輸出信號的特證，結合煤礦鉆孔探測儀器應用環境及其實際需求，采用小體積、低功耗、高性能運算放大器設計并實現了核測井儀專用信號處理電路，并在實驗室自然放射性和弱放射性條件下對信號調理電路進行了測試驗證，驗證結果表明，電路運行可靠、性能穩定，處理效果達到預期技術要求。

1 探測器信號特征分析

伽馬探測器是核測井儀的重要組成部件，主要由閃爍晶體、光電轉換器件——光電倍增管及高壓直流偏置電源等幾部分組成，伽馬探測器組成及典型的工作原理如圖1 所示。

圖1 伽馬探測器典型工作原理

圖1 中，K 為光電陰極，F 為聚焦極，D1-D10 為各倍增極，P 為陽極，H0-H12 為各級直流偏置高壓。

當伽馬射線入射進閃爍晶體時，會立刻與晶體中的分子、原子發生相互作用產生康普頓散射效應、光電效應和電子對效應。在發生相互作用時，閃爍晶體吸收伽馬射線的能量被激發，在退激時會產生光子而釋放能量，光子則被光導傳導到光電倍增管的光陰極。不同材質的閃爍晶體，其所具有的特性有所不同的，相比較而言，NaI(TI)晶體的能量分辨率、光產額、時間響應特性等均比較好，而且具有透明度好、發光效率高、對伽馬射線阻止本領強的優點，但其容易潮解，使用時需要密封保護[11-12]。

光電倍增管是一種將弱小光信號轉換成電信號的真空器件，由光電陰極、電子倍增極、聚焦極和陽極四部分組成。光子通過光電倍增管端窗照射到光電陰極，在真空環境下，光電陰極被激發出光電子，經外電場加速后的光電子聚焦于第一倍增極，并依次逐級倍增，被多級放大的電子流由陽極電極收集并輸出光電流，而其大小與入射的光子數成正比，即與所處環境的放射性強度成正比[13-15]。

伽馬探測器輸出的電信號一般是微弱的、電流型、負極性窄脈沖信號，而脈沖信號統計電路所能接收的是一定幅度的正極性電壓信號，因此需要對原始輸出信號進行適當放大和整形處理。另外，輸出信號中還常常混雜著由宇宙射線、光電倍增管自身暗電流或強電磁干擾等因素引起的噪聲干擾，所以為了得到真實的地層放射性差異信息，在信號調理過程中還需要考慮這些無效信號對真實信號的影響。因此，為了實現對伽馬探測器輸出的非標原始信號的有效采集，需設計專門的信號處理電路對原始信號進行信號拾取、放大、鑒別以及脈沖成型等處理，以滿足后端信號采集電路的輸入要求[16]。

2 信號調理電路組成

伽馬探測器將地層中輻射的自然伽馬射線變換成電信號，起到了至關重要的紐帶作用，基于以上對核測井儀中伽馬探測器輸出信號特征的分析，以及對非標原始信號變換成標準信號的處理需求，設計了如下專門的信號處理電路，其主要由信號拾取電路、信號放大電路、信號鑒別電路、脈沖成型電路、電源電路等五部分組成，電路結構框圖如圖2 所示。

圖2 信號處理電路結構框圖

信號拾取電路的功能是把伽馬探測器輸出的微弱的、快速變化的電流信號進行電流-電壓轉換，使其可以被后級電路所接收并做進一步的處理；信號放大電路是對伽馬探測器輸出的微弱信號進行合理化放大，同時實現負極性信號到正極性信號的變換，滿足采集電路正極性信號輸入的要求；依據信號特征分析可知，前一級處理電路的輸出信號常包含噪聲信號，可能會影響有效信號的統計結果，需經由信號鑒別電路進行純凈化處理，即將噪聲信號剔除，僅保留有效信號；經過信號鑒別電路過濾后的有效信號因輻射強度原因，脈沖有高有低，且波形形態也不規整，設計了脈沖成形電路將所述信號進行標準化處理；信號調理電路的各功能模塊屬于模擬電路部分，要與后端信號采集電路的數字電路分開供電，且信號調理電路中包含正負極性信號，因此，應設計包含正負電壓的電源電路，另外伽馬探測器的輸出信號較為微弱，供電電源應具有低紋波特性。

3 電路實現與驗證

3.1 信號拾取電路

核測井儀中伽馬探測器的輸出是微小電流（電荷）信號，而常規的后端信號處理電路都是基于電壓信號為處理對象的，所以有必要用某種手段，將該電流量轉換成電壓量。

在核測井脈沖計數領域，常用的電流量至電壓量轉換電路形式有兩種：一種是負載電阻轉換方式；另一種是基于運算放大器的轉換方式。因為光電倍增管的小電流輸出和高內阻特性，通常理想認為它相當于一個恒流源，通過外接負載電阻將電流脈沖信號變換成電壓信號，該方式稱之為負載電阻變換方式。在負載電阻變換方式下，為了保證伽馬探測器有良好的線性和頻響特性，負載電阻取值不能太大，但是這樣會帶來輸出信號轉換效率偏低的問題，而采用運算放大器代替負載電阻來實現上述電路，就能解決負載電阻變換方式存在的問題，這就是運算放大器轉換方式，其具體實施電路如圖3 所示。

圖3 信號拾取電路原理圖

信號拾取電路采用AD8065 型高性能運算放大器構成，伽馬探測器輸出的電流信號經隔直兼耦合電容C后，輸入到運算放大器A1 的反相輸入端（-），運算放大器A1 同相輸入端（+）接地電位。AD8065型運算放大器具有高輸入阻抗，伽馬探測器輸出的電流IP不能流入運算放大器A1 的反相輸入端（-），而是大部分流經反饋電阻Rf，在其兩端產生電壓如式（1）所示。由于運算放大器的開環放大倍數比較高，按照虛地的理論，其同相輸入端（+）與反相輸入端（-）的電位相同，均為地電位，因此，信號拾取電路的輸出電壓Vout1就與反饋電阻Rf其兩端產生電壓值相同，由此就實現了電流-電壓的變換。

式（1）中，Vout1是信號拾取電路輸出電壓，單位為V；Ip是伽馬探測器輸出的光電流，單位為A；Rf為反饋電阻，單位為Ω。

實際電路中的輸出光電流信號常受到放大器偏置電流、溫度漂移、Rf反饋電阻的質量和電路板基板絕緣性能等多種因素的制約。因此，首先需要選用極低偏置電流、溫度漂移性能優異的運算放大器，AD8065 型運算放大器的典型偏置電流僅有1 pA，還擁有絕佳的溫度漂移性能，另外它采用FET 輸入，具有低噪聲、高共模抑制比和低失調電壓等優點。在電路設計時，為了不使直流高壓成分影響后端信號調理電路，在伽馬探測器與信號調理電路中間串入隔直兼耦合電容C，該電容應選用漏電流小、頻率特性好的瓷介質電容，其耐壓值不低于1 500 V。為克服輸入電路存在對地輸入電容、負載端存在耦合電容以及旁路電容導而致的信號波形相位偏移與振蕩問題，在反饋電阻Rf兩端并入電容Cf，以達到補償相位、消除振蕩的作用，與此同時，反饋電容Cf還可以起到抑制信號噪聲的作用。

3.2 信號放大電路

信號拾取電路的輸出信號Vout1相對較大，且已經將負極性信號變換為正極性信號，因此，根據實際的信號幅度大小設計一級放大電路即可，具體放大倍數以實際電路信號輸入情況做適當調整。

信號放大電路由AD8011 型運算放大器構成,具體實現電路如圖4 所示。AD8011 是一款極低功耗、高運行速率的電流反饋型運算放大器，可采用正負電源供電。另外，其具有高壓擺率、低失真等特性[17]。因此，該運算放大器很適合用作上升沿變化很快的核脈沖信號的放大。放大倍數調節電阻中R30一般可選取10 kΩ電阻，而R31需根據前端輸入信號強度來決定，一般選取20 kΩ左右。電路中，R28與C31、R29與C32組成RC 濾波器，確保信號放大電路正負電源穩定性。

圖4 信號放大電路原理圖

3.3 信號鑒別與脈沖成型電路

上級電路輸出信號除包含地層放射性強度的信息外，往往還會包含一些噪聲信號，如光電倍增管自身暗電流引起的噪聲信號、宇宙射線引起的噪聲信號以及電路中電子元器件熱噪聲引起的噪聲信號等。在信號拾取、放大過程中電路無法自動識別有效信號，也會將這些無效信號捕獲并放大，如不將其剔除的話會對核測井儀最終的脈沖統計計數結果產生影響，進而影響測量結果的真實性，因此，基于實際需求設計了如圖5 所示的信號鑒別電路。

圖5 信號鑒別電路原理圖

在圖5 所示信號鑒別電路中，Vout2是信號放大電路的處理結果，輸入至LT1720IS8 比較器的同向輸入端，比較器的反向輸入端接由電阻分壓電路構成簡易又可靠的參考電壓電路，電路由精密電阻R32和RJ構成，其電壓源由模擬+5 V 電源提供，因此，參考電壓精度值得信賴。參考電壓電路中的電阻RJ需根據參考電壓范圍進行設置，首次電路調試時調節一次即可。參考電壓取值受限于上所述噪聲信號幅度的最大值，核測井儀在煤礦井下鉆孔中應用，因儀器有金屬防護外殼保護，可以不予考慮宇宙射線脈沖的影響。在進行鑒別電路參考電壓設置時，可采用一種較為簡便的方法，即在用示波器觀察伽馬探測器輸出波形Vout2的同時觀察噪聲信號情況，目測低端噪聲的幅度水平，參考電壓一般設置為略高于該幅度值即可。

鑒別電路工作過程：當鑒別電路沒有輸入信號時，鑒別電路比較器同相輸入端輸入電壓比參考電壓低，則鑒別電路輸出低電平；當鑒別電路輸入的脈沖信號為有效探測信號時，鑒別電路比較器的同相輸入端輸入電壓比參考電壓高，則鑒別電路輸出高電平，電平電壓幅度比所加電源正電壓略低。因此，經過鑒別電路甄選后，就得到攜帶地層放射性強度信息的有效脈沖信號。

為了提高脈沖計數精度、增強電路抗干擾能力，在鑒別電路后級增加了脈沖成形電路。該電路采用雙非門芯片組成，其外圍電路簡單，僅需幾個旁路電容即可；芯片體積小、功耗低，符合核測井儀對電路小體積、低功耗、高可靠性的要求；電路輸出信號為脈寬約5 μs、幅度5 V 的標準脈沖信號。信號采集電路控制核心采用STM32 單片機實現，其部分I/O 口可兼容5 V 輸入，因此，脈沖成型電路輸出信號可無差別輸入至信號采集端口。

3.4 電源電路

信號調理電路所需要的電源主要是模擬電源±5 V，其中，信號拾取與放大電路需要正負電源，而信號鑒別電路與脈沖成型電路主要需要正電源。

+5 V 電源采用LT1963CS8-5 線性電源芯片，該芯片具有低壓差、低噪聲及低功耗的特性，通過添加容值為0.01 μF的旁路電容C8，輸出噪聲僅有20 μVRMS（在10 Hz 至100 kHz 帶寬條件下）。另外該芯片外部電路簡單，不需要其他的電阻器件，拉高引腳5 即可使能電源輸出。ICL7660A 是電源反向芯片，該電路采用其轉換器工作模式，可實現從+5 V 模擬電源至-5 V 模擬電源的轉換，該芯片具有極低的靜態電流，只需外接容值為10 μF 的小體積電容C14，可使芯片輸出效率高達98%以上。

雖然LT1963CS8-5 電源芯片和ICL7660A 負電源芯片都具有低紋波輸出，但是考慮到信號調理電路對電源純潔度的要求，在兩路電源輸出端還設計了LCπ型濾波器，用以濾除電源芯片產生的高頻干擾。

3.5 電路效果測試

在完成信號調理電路的制板、焊接與調試后，在實驗室環境條件下開展性能測試，測試過程中輸入信號為伽馬探測器輸出的原始信號。對核測井儀采用的伽馬探測器進行坪特性曲線測定，以掌握其坪特性，并根據實測的坪特性曲線選取最佳直流偏置高壓，一般選取在坪區范圍中部偏前。電路上電運行，用示波器觀察信號拾取電路輸出電壓Vout1的波形，應為幅度約在1 V 左右的正極性信號，且波形無畸變；觀察信號放大電路的輸出電壓Vout2，并合理調整放大倍數調節電阻R31的大小，使最大輸出電壓Vout2波形無消頂，輸出信號波形如圖6 所示，同時觀察噪聲信號幅度，據此選取參考電壓調節電阻RJ的阻值，使有效信號可以通過鑒別電路，而噪聲脈沖信號不能通過，直至到達預期要求，最終經信號調理電路處理后的標準脈沖信號如圖7 所示。

圖6 Vout2輸出信號波形

圖7 Vout3輸出信號波形

4 結論

通過對核測井儀伽馬探測器輸出信號特征的分析，以及現有電流-電壓變換工作方式各自優缺點的總結，設計實現并測試驗證了應用于核測井儀的伽馬探測器輸出信號調理電路，得到如下結論：

1）在實驗室自然放射性及弱放射性源（三級刻度器）條件下實際測試驗證結果表明：該信號調理電路能有效拾取、放大伽馬探測器輸出的微弱電流負脈沖信號，并能將其變換成可被脈沖統計計數電路識別的標準脈沖信號；

2）設計實現的核測井儀信號調理電路工作原理簡單、工作穩定，同時滿足煤礦鉆孔用探測儀器對小體積、低功耗的應用需求；

3）針對核測井儀設計的信號調理電路，目前測試來看能夠滿足儀器的使用需求，但是還有很大的優化空間，也需要在實際應用中進一步的優化與升級。