密度测井中新型长短道稳谱的电路设计_闫俊杰.pdf

68ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.7$模拟应用电子产品世界Design设计应用&Application密度测井中新型长短道稳谱的电路设计Circuit design of long and short channel stable spectrum in density logging闫俊杰，宋 宇，曹宇畅，袁彩华，张森峰（中国石油集团测井有限公司测井技术研究院，北京100200）摘 要：密度测井在测井过程中因为各种环境因素的影响，能谱会发生漂移，因此需要在仪器中加入稳谱电路，使稳谱源的能量峰固定在要求值附近。能谱峰稳谱一般采用高压进行调节，通过高压的变化使探测器输出信号幅度发生变化，从而实现稳谱功能。本文结合稳谱电路的现状，阐述及对比分析了3种稳谱电路：两道高压调节、固定高压调增益、一道调高压一道调增益，并对后者进行了详细说明。关键词：密度测井；稳谱；高压控制；增益可调常见的密度测井仪器1一般会采用两个高压控制两个探测器输出,以实现稳谱2功能。本文介绍了用一路高压实现两路稳谱,经济又能节省空间,特别实用于空间受限的井下仪器。1 密度测井中高压稳谱介绍密度测井是由放射源铯-137 向地层发射单能伽马射线,射线的能量为 662keV。射线与地层发生作用,主要是康普顿散射和光电效应。作用后的射线能量衰减,一部分被晶体探测器接收到,晶体探测接收到射线后会产生光信号,光信号再经过光电倍增管放大后,转换成能够被电路测量的电信号。不同能量的射线会产生不同电压的电信号,通过对电压值的测量就可以分辨出入射射线的能量1-2。为了使测量到的电信号与伽马射线的能量能够相互对应,我们需要将已知的 662keV 能量射线产生的电信号固定在一个电压值上,相当于能量的参考值,这个过程就是稳谱。稳谱的效果会严重影响测量的精度,稳谱不稳则相当于参考值不稳,那么所测得的信号也是不准确的。信号受环境影响很大,尤其是温度的影响。同样能量的射线和电路,在不同温度下产生的电压值是不同的,一般来讲,温度过高或过低时倍增管效率降低,这时要使 662KeV 的信号在原来的电压值上,必须要适当增加倍增管的控制高压；相之,则应该适当降低控制高压。我们通过电路上的调节,使参考信号处于相对稳定的区域内,从而达到稳谱的目的。2 电路设计方案2.1 两路高压控制一般的密度测井仪器都有两个探测器,长源距探测器和短源距探测器3。每个探测器都会有相应的晶体和倍增管总成实现光电信号的转换,而每个倍增管配有 1个输出电压可调的高压电源模块,来控制倍增管的工作,如图 1 所示。图1 高压调节电路框图在电路上通过 MCU 和 DAC 产生 1 个低压信号Vctrl,用来控制高压模块的输出电压 HV。当 Vctrl 增大时,HV 增大,Vin 也增大,用多道测量倍增管的输 2023.7电子产品世界设计应用模拟应用Design&Application出信号会发现能量峰向右偏移。相反,Vctrl 降低时,能量峰左移,这样我们就可以通过调节控制电压的大小,来实现能量峰的相对固定,而不会产生偏移。该电路的优点是控制可靠,缺点是需要两个高压模块,占用的空间大,不便于实现小型化设计,而且高温高压模块价格高,在成本上也会加倍。2.2 固定高压控制增益该方案是根据倍增管的坪区特性,给长短道两个倍增管一个固定的高压值,两道产生的信号通过不同的增益控制电路来进行信号调节,使信号输出在设定的区域内,以此来实现稳谱功能4。如图 2 所示,固定高压HV后,长短道各自输出信号Vin,经过增益调节电路后,信号变为A*Vin。A是增益值,可通过MCU来控制大小。图2 增益调节电路这种只调增益的方法优点是电路及控制相对简单。缺点是信号可调范围窄,适应性差。对于测井仪器,其环境温度变化是很大的,最高可达 200 多度。而当温度变化很大时,倍增管的输出也会发生变化,当信号过小时,则 A 需要调到很大,增益 A 过大带来的后果是信噪比降低；相反如果信号过大时,只调整增益 A 又会出现饱和现象。这两种情况下都会影响测量精度,甚至使仪器出现故障。2.3 一路控制高压一路控制增益通过大量的实验发现,同一型号的倍增管对环境变化的响应趋势是基本相同的,基于此发现我们设计了一种 1 路调高压 1 路调增益的稳谱电路。该电路的主要思路是长源距探测器用高压 HV1 实现稳谱,短源距则通过该高压分压 HV2 并结合增益 A 调整来实现稳谱,如图 3 所示。电路中 U1（DAC）、U2（运放）、U3（高压模块）实现长源距的高压调节,保证不同环境温度下倍增管都能工作在合理范围内。电路由控制器向 U1 发送控制数图3 稳谱核心电路70ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.7$模拟应用电子产品世界Design设计应用&ApplicationDAC1,其输出电压经过 U2 后得到放大,输出高压控制电压 Vctrl,然后再经过高压模块输出高压值 HV1,二者之间是线性关系,系数为 K,则长源距的高压值为：HV1Vctrl K=（1）HV1 经过分压电阻后得到高压值 HV2,用来给短源距倍增管提供高压；同时短源距的信号 NEARIN 先输入到运放 U4,可对信号进行初步放大,放大系数为A,然后输入到可调增益放大器 U5,U5 是 R-2R 型的14 bits 的 DAC,由控制器向其发送控制数 DAC2,其输入输出的关系是:VA VVoutinin2=DAC21142（2）这样硬件上就实现了长、短源距信号的数字化控制,结合稳谱算法即可实现两路的自动稳谱功能。3 稳谱固件实现电路设计实现后,固件的稳谱控制方法8也要随之改变。如图 4 所示,固件开始运行后首先根据长道的信号对高压进行调整,由稳谱算法计算出粗调因子 FF1；如果 FF1 进入到了微调的范围内,则需要进行细调,计算出细调因子 CFF1；最后根据 FF1 或 CFF1 计算出DAC 的值,发送 DAC 完成一次长道高压调节。当长道高压基本稳定,即CFF1小于域值时,开始进行短道调节,同样进行粗调 FF2 或细调 CFF2,然后发送 DAC 完成一次短道调节。至于稳谱因子的算法,一般采用四个能窗稳谱5的方法,这里不做详细介绍了。4 结束语该电路实现了一个高压控制长短探测器稳谱的功能,所采用的 1 路控制高压 1 路控制增益的方法有多个优点：与两路高压控制相比,简化了硬件设计,从而缩减空间、降低成本；与两路增益控制相比具有更好的兼容性和可靠性。该电路已在实际测井仪器中得到了应用,事实证明稳谱效果非常好。图4 稳谱固件流程参考文献：1 陆介明,杨荣礼,耿全喜.岩性密度测井M.北京:石油工业出版社,1986.2 黄隆基.核测井原理M.北京:石油工业出版社,2000.3 鞠晓东,李会银,成向阳,等.新型岩性密度测井研制J.测井技 术,2005,29(1).4 卢进,田彦民,付广,等.岩性密度测井仪固定高压稳谱的实现.舰船防化,2012,(1):35-38.5 鲁保平,张惠芳.四能窗稳谱技术在岩性密度测井仪中的应用J.测井技术,2008,31(1):76-79.6 刘易,方方,陈宝,等.岩性密度测井能谱低能段稳谱方法研究J.中国测试,2014,41（1）：5-8.7 刘易,汤天知,岳爱忠.一种新型岩性密度测井仪数据采集处理电路设计J.测井技术,2012,36(4):397-400.8 敖奇,魏义祥,屈建石.NaI谱仪数字稳谱方法设计J.核电子学与探测技术,2009,29(1):19-22.