岩石电阻率测量系统设计

西安石油大学电子工程学院　张妙瑜　郭新兴　靳钊钊　李　霄　李春凯　刘　转　马　彤



岩石电阻率测量系统设计

西安石油大学电子工程学院张妙瑜郭新兴靳钊钊李霄李春凯刘转马彤

【摘要】根据实际需求提出了一种基于微控制器的岩石电阻率测量装置的实现方式，对装置的核心部分进行了软件仿真，并制作出实际的硬件实验装置及上位机通讯软件，测试出待测岩样的电阻率数据并将其通过微控制器的串口模块发送到上位机进行分析处理。装置的核心部分是一个利用双电测组合法进行电阻率测量的电阻率测量装置，得到实验对象的电阻率，提供给研究人员并做出相应参考。

【关键词】岩石电阻率；双电测组合法；STM32单片机；恒流源；MSComm控件

2014年国家级大学生创新创业项目（201410705033）。

0　前言

使用电阻率测量设备测量、算得地层真电阻率，是估算地层原始含油（气）饱和度、进行储层评价、识别油气层的重要研究内容之一。20世纪60年代，Brace虽做过岩石电阻率变化各向异性实验研究工作，但当时他只用电阻率二极测量法，作了一个横向电阻率与纵向电阻率变化的对比，没进行更深入的研究。1986年，K.Kurite报道了用4条测线、4个方向布极，观测单轴压力下，电阻率各向异性与地震波速各向异性的对比，结果很好，但只见到定性作图解释，未见定量计算结果[1]。我们研究的对象是非均匀的，具有各向异性，我们不能用单个的水平电阻率或者垂直电阻率来评价地层，所以需要在x、y、z三个方向上甚至多个方向上进行数据采集。随着科学技术的发展，DSP、FPGA/CPLD、ARM等技术被应用到测井系统，数据采集系统也开始呈现多样化的发展。本课题的目的是在实验室中使用单片机作为主控芯片来实现多点信号的采集，完成数据的测量、传输、存储等功能，最后对采集到的数据进行分析，得到实验对象的电阻率，并做出相应的评价。

1　岩石电阻率的测量原理

1.1岩石电阻率的测量方法研究

测量岩石电阻率的方法有很多种，大体分为两类：①无接触式测量法，就是在测量过程中不需要与样品接触，这是它的最大优点，不会对样品造成损坏，而且不接触也不会对样品带来玷污。但其弊端主要在于设备相对复杂，成本较高，并且测量范围窄。②相对较为经济及成熟的测试方法是接触测量法，当前的接触测量法有很多种，例如两探针法、三电极法、扩展电阻法以及四探针法[2]。针对实验室中常用的两电极法和四电极法，拟采用如图1所示的四电极法。这种方法能够明显消除两电极法中因为极化而产生的接触电阻。

图1　四电极测试原理图

1.2数据采集系统研究

数据采集系统如图2所示，数据采集系统就是把通过传感器的模拟信号转变成数字信号，再由计算机做出相应的计算及处理，得到用户所需的数据。同时，我们还可以对这些数据进行显示、打印及相应的后处理，反馈到控制系统中对某些物理量进行监视，从而使系统达到最优。

图2　数据采集系统结构框图

2　探测仪硬件电路设计

岩石电阻率探测仪硬件电路主要由以下几部分构成：一个稳压性能较好的电源、一个能够测量较宽范围电阻负载的恒流源、一个四探针测试夹具、一套高分辨率模数转换电路、一套上位机通信电路等。

2.1基于UC3842的反激式开关电源设计

UC3842能够用来直接驱动MOSFET。电流型脉宽调制器利用后级的反馈电流来调节脉冲宽度，以实现对输出电压的稳定控制。后级输出电感的电流进入脉宽比较器与误差放大器的输出信号进行比较，用其输出调节占空比，从而使输出的电感峰值电流能够时刻跟随误差电压的变动。因此能够得到较为稳定的输出电压。

电路工作在电流断续模式下时：

由式（2-1）可知，当电路工作在电流断续模式，负载开路的情况下时，输出电压迅速升高。为避免输出电压随负载漂移，需引入反馈补偿环节，本设计基于UC3842芯片，采用电流、电压双闭环串级控制结构，能够实现输出稳定的直流电压（如图3所示）。

图3　基于UC3842的反激式开关电源

反激变压器参数设计：

2.2基于集成运放的高精度恒流源设计

集成运算放大器是一种高增益的直流放大器，一般工作在闭环状态，只要外接很少的几个电阻，就可以构成具有深度负反馈的放大器，因此可以用来制作恒流源[3]。由于接地负载恒流源原理相对简单，制作方便，故采用负载接地的方案。

该恒流源核心部分由两个集成运放和四个精密电阻构成。如图所示，运放A1使用了OP37，接成一个深度负反馈同相放大器。而运放A2使用了单位增益稳定的OPA842集成运算放大器，构成一个电压跟随器。运算放大器A2把A1的输出电压Uo传到A1的同相端，并在该端与A1的同相端输入电压VSS相加，因而A1同相端电压：

此输出电流的大小可由外加电压VSS和电阻RS控制。选择运放时，应该尽可能选择输入阻抗较高的集成运算放大器。控制电压VSS，电阻Rs及负载RL的数值范围主要受A1的最大输出电压限制，所以应该保证RS上的压降和RL上的压降之和不大于A1的最大输出电压。而为了使恒流源的精密度更高，所以在对进行选型时，都用了误差0.1%的精密电阻。

图4　基于OP37与OPA842的负载可达60K的恒流源电路图

2.3基于CH340G的串口通信电路设计

CH340是一个USB总线的转接芯片，实现USB转串口，SUB转IrDA红外或者USB转打印口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。

3　探测仪软件部分设计

3.1基于STM32的单片机控制程序设计框图

图5　STM32单片机核心代码原理框图

3.2基于VB6.0的串口通信上位机软件

在开发串行通信程序的过程中，利用微软的MSComm通信控件相对较简单，该控件具有丰富的与串行通信密切相关的属性及事件，提供了对串口的各种操作。 在Visual Basic开发环境下，利用VB自带的MSComm控件设计单片机和上位机通讯程序。

图6　上位机通信显示界面

采用 Visual Basic 开发 Windows 下的测控应用软件使用简单、容易上手、开发效率高，尤其是软件界面设计非常便捷，编程工作量较小、开发周期短。在实践中，使用 Visual Basic 串口控件实现通信的方法比调用 API 函数的方法更加方便、快捷，而且用较少的代码就可以实现相同的功能，从而使编程效率大大提高，也减少了因编程不当而导致的系统不稳定。

4　部分核心电路的仿真结果与分析

图7　精密恒流源multisim仿真结果

5　结论

该系统能否完成的关键因素在于恒流源的性能，能否设计出一个电流稳定，负载调整率高的恒流源很大意义上决定了本课题的完成效果。该系统的硬件部分包含较高电压的电阻率测量电路和高EMI的开关电源部分和低电压高频率的数字通信模块。故而在这两个部分之间会有一定的电磁干扰产生。因此在设计PCB板时就要将这个因素考虑进去。尽可能的优化开关电源的PCB板，减小电磁干扰的产生。另外一点是在设计PCB的过程中，要充分考虑到一些关键元器件的布局以及随之而来的布线对EMI的影响。

参考文献

[1]陈峰,安金珍,廖椿庭.原始电阻率各向异性岩石电阻率变化的方向性[J].地球物理学报,2003,02期.

[2]赵英伟,庞克俭.Kelin四线连接电阻测试技术及应用[A].半导体技术,2005.04(02):44-45．

[3]杨帆.一款半导体材料电阻率测量的恒流源系统设计[C].西安电子科技大学硕士毕业论文.

张妙瑜（1980-），女，在读博士，讲师，主要从事电磁测井理论和测井信号数值计算方面的研究。

郭新兴（1993-），男，陕西咸阳人，大学本科，专业：自动化。

作者简介：

陕西省自然科学基础研究计划项目：薄交互地层中的感应测井机理研究（编号：2013JM5011）。