随钻方位自然伽马测井仪整形处理电路的设计*

田小超，王冰纯，贾　茜，王继矿

(中煤科工集团西安研究院有限公司 物探仪器与装备研发中心，陕西 西安 710077)

随钻方位自然伽马测井仪整形处理电路的设计*

田小超，王冰纯，贾茜，王继矿

(中煤科工集团西安研究院有限公司 物探仪器与装备研发中心，陕西 西安 710077)

摘要：分析了自然伽马传感器输出信号的特点，以及该信号对拾取电路的要求，采用高输入阻抗、低噪声运算放大器设计的微弱电流信号拾取电路和新型的脉冲鉴别窗口电路，实现了随钻方位自然伽马测井仪的信号拾取、放大及整形处理功能，满足了伽马计数电路的输入要求。

关键词：随钻测量；自然伽马；测井仪；整形处理电路；光电倍增管

在煤矿生产和煤层气抽采过程中，有很多顺煤层钻进的工程，在这些工程的施工过程中要求钻头在煤层中行进[1-2]。操作人员需要实时了解钻头在煤层中的空间位置，以使钻头保持在煤层内。随钻方位自然伽马测井仪是测量钻头距离顶底板空间位置的仪器之一。煤层顶底板岩性不同，其自然伽马的测量值就不同[3-4]。随钻方位自然伽马测井仪就是以此原理来测量钻头在煤层中距离顶底板的距离，操作人员以此调整钻头钻进方向，以确保钻头在煤层中行进。本文论述了矿井随钻方位自然伽马测井仪(以下简称测井仪)整形处理电路的设计与调试技术。

1测井仪整形处理电路的组成

测井仪整形处理电路主要由信号拾取与放大电路、脉冲鉴别与脉冲整形电路组成，其原理框图如图1所示。

图1　测井仪整形处理电路原理框图

测井仪的伽马传感器由碘化钠(铊)晶体与光电倍增管组成。地层中的伽马射线进入伽马传感器后，由伽马传感器将伽马光子转换成负脉冲电流信号，经过整形处理电路，将该信号进行拾取、放大、去噪和整形，变成标准脉冲信号，送入伽马计数电路。

2测井仪整形处理电路设计

由于伽马传感器中光电倍增管输出的地层伽马射线强度信息是微弱的电流信号，大小一般为10 nA～300 uA，而且该信号中常常混杂着各种各样的噪声；因此，设计的整形处理电路应具有信号拾取与放大、有用信号鉴别与整形处理的功能。

2.1信号拾取与放大

由于光电倍增管阳极输出的电流信号非常微弱，所以在进行信号拾取与放大时所选运算放大器应具有高开环增益和高输入阻抗。运算放大器的输出阻抗应尽可能小，以减小输出阻抗上产生的压降对输出电压的影响，且在内阻很小的情况下运算放大器可以近似看作一个电压源，这样输出电压则不会随下级负载变化。除此之外，所选运算放大器还应满足低输入偏置、低噪声的要求。

测井仪整形处理电路中信号拾取与放大电路，可以使伽马传感器中光电倍增管阳极输出的微弱的、负极性的电流信号变换为电压信号，以被后续信号处理电路处理。在设计该电路时，选用美国无线电公司开发的融合了高压PMOS和bipolar工艺优点的低噪声单片集成运算放大器CA3140A，其输入阻抗高达1.5 TΩ，输出阻抗低至60 Ω,最大开环增益可达105，在工作电压为±15 V时输入偏置电流为0.5 pA，偏置电压为5 mV时最大功耗只有180 mW。

测井仪的信号拾取与放大电路由两级CA3140A型运算放大器组成：第1级运算放大器完成信号拾取，将光电倍增管输出的微弱电流信号变换为电压信号；第2级为运算放大器实现电压同相放大。信号拾取与放大电路如图2所示。

图2　测井仪信号拾取与放大电路原理图

光电倍增管的输出信号IA经隔直耦合电容C输入到第1级运算放大器A1的反相输入端，反相输入端与输出端之间接反馈电阻RF，而同相输入端接地电位，这样运算放大器的输出电压和反馈电阻两端发生的电压相同，其计算式为：

VO1=-IARF

(1)

式中，VO1是输出电压，单位为V；IA是输入电流，单位为A；RF是反馈电阻，单位为Ω。

在测井仪中，为了减小高压偏置电路引入的额外噪声，为光电倍增管各倍增极之间提供直流偏置电压的偏置电路采用阳极接高压正极的正高压接法。为了确保整形处理电路不受来自偏置电路高压的影响，应通过选用漏电流小、频率特性好、耐压≥1 500 V的瓷介质电容，将光电倍增管的输出信号耦合至运算放大器的反相输入端[5]。

由于输入电容和负载电容(包括耦合电容和旁路电容)会导致输入信号相位滞后，从而引起电路的振荡，因此应在反馈电阻RF两端并联反馈电容CF进行相位补偿，以消除振荡。反馈电容CF还具有抑制噪声的作用[6]。反馈电阻RF的值不宜过大也不宜过小，过大其稳定性变差自身就会引入干扰；反之运算放大器A1的输出电压也会相应变小，易受到外部噪声的干扰，也会增加第2级运算放大器A2的负担。

输出信号VO1输入到第2级运算放大器A2的同相输入端进行电压放大，调节电阻R1和R2以调节放大倍数，取值为kΩ级，第2级放大电路的放大倍数一般设置为10倍左右。光电倍增管的输出信号是负极性电流信号，而经过信号拾取与放大后输出为正极性电压信号。

2.2信号鉴别与整形

光电倍增管输出的脉冲信号中常包含由暗电流和宇宙射线引起的脉冲信号(见图3)，如果不滤除这些无用信号，则会对测井仪的计数精度有一定的影响，因此，应设计由比较器及与门构成的脉冲鉴别与整形电路(见图4)，以鉴别有用计数脉冲信号和干扰脉冲信号。

图3　光电倍增管输出信号及区分

图4　测井仪信号鉴别与整形电路原理图

电路中，VREF1和VREF2是比较器的阈值电压，其值取决于伽马传感器中所用光电倍增管的暗电流脉冲最大值和宇宙射线脉冲最小值。当没有脉冲输入时，比较器A的同相输入电压低于阈值电压VREF1时输出为低电平，比较器B的反相输入电压低于阈值电压VREF2时输出为高电平，与门电路输出为低电平；当输入有用的正脉冲时，比较器A的同相输入电压高于阈值电压VREF1时输出为高电平，比较器B的反相输入电压低于阈值电压VREF2时输出为高电平，与门电路输出为高电平。这样符合要求的计数脉冲信号就送到了脉冲计数电路。

3测井仪整形处理电路调试

在实验室环境条件下，用测井仪的伽马传感器提供输入信号，用专用的直流高压电源模块为伽马传感器中的光电倍增管提供所需的偏置电压。根据该型光电倍增管的坪特性曲线及坪区范围，偏置高压选800 V，用示波器观察放大器A1的输入端，即未经整形处理电路处理的信号的形状与大小，调整反馈RF的阻值，使放大器A1的输出信号形状没有畸变，其绝大多数的信号幅值大小约为200 mV；调节电阻R1和R2的阻值，使放大器A2输出的伽马脉冲信号可以通过比较器构成的脉冲鉴别电路，而低于阈值电压VREF2或高于阈值电压VREF1不能通过。未整形处理信号如图5所示，由整形电路输出的脉冲信号为标准脉冲信号(见图6)。

图5　未整形处理信号

图5　图6　整形处理后5 V脉冲信号

4结语

综上所述，可以得出以下结论。

1)采用高性能、低功耗、新型电子器件设计出的测井仪整形处理电路，在实验室自然伽马条件下进行调试，电路性能稳定，处理效果良好。从光电倍增管阳极输出的微弱负脉冲信号，经整形处理电路后变换为正极性电压信号，有效滤除了原始信号所包含的各种噪声。

2)设计的测井仪整形处理电路体积小、成本低，输出信号波形为标准脉冲信号，满足伽马计数电路的使用要求。

3)应进一步研究和探讨信号鉴别电路中阈值电压大小的选择和整形处理电路的进一步升级优化。

参考文献

[1] 刘程,李向东,杨守国.地质构造对煤层厚度的影响研究[J].煤矿安全,2008(5):14-16.

[2] 姚宁平.煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工技术[J].煤矿安全,2008(10):30-33..

[3] 董守华,张凤威,王连元，等. 煤田测井方法和原理[M].徐州:中国矿业大学出版社,2012.

[4] 駱庆锋,王铁永,梁羽佳，等. 方位自然伽马传感器设计研究[J].石油仪器,2012,26(4):1-3.

[5] 贾衡天,彭浩,邓乐，等. 随钻自然伽马测量系统[J].微型机与应用,2014,33(16):18-21.

[6] 叶莉华,汪海洋，王文轩，等. 基于光电倍增管的低噪声前置放大器的设计及其信号处理[J].电子器件,2013,36(3):340-343.

*“十二五”重大专项课题(2011ZX05040-002)

责任编辑马彤

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

作者简介：田小超(1985-)，男，助理工程师，硕士研究生，主要从事地球物理勘探仪器研发等方面的研究。

中图分类号：P 631.83

文献标志码:A