遥传仪器中自然伽马电路的改进与实现

刘 婉 钱步仁 朱新楷 王 威

(1. 中国石油大学(北京)地球物理与信息工程学院 北京)(2. 中国石油集团长城钻探公司测井技术研究院 北京)

0 引 言

自然伽马测井仪是各种组合测井仪器中较为重要的一种下井仪器，它具有多种组合功能和优越性能。随着科技的发展，各种仪器都向着集成化方向发展，伽马测井仪也逐渐被集成在遥传测井系统中，组成新的高速遥测伽马测井仪，是一种实现测井地面平台系统与井下仪器间高速数据传输的井下电子仪器。

对于伽马信号的采集，电脉冲的计数方式，本文采用的是一种新形式，将单片机集成在伽马数字电路板上，通过定时器的外部定时功能进行计数，并通过串口传出。这样的设计更加集成化，数字化，并且数字信号传送具有稳定性好、可靠性高的优点，更加适应科技的发展，而且方便、经济、实用。

1 伽马测井仪工作原理

自然伽马测井方法是测量地层总的自然放射性伽马射线所造成的总计数率，总计数率反映地层中全部放射性核素的总伽马射线。地层中的伽马射线通过泥浆到达探测器，探测器把它变成电脉冲进行放大形成电信号，再通过电缆到达地面仪器，变换成电脉冲数/每分钟(强度)进行记录。伽马射线探测器采用闪烁探测器，为了提高计数率，减少统计涨落偏差，在自然伽马测井仪中通常采用尺寸较大的NaI 晶体或者CsI 闪烁体。自然伽马测井仪配有一个遥测接口电路，通过三条电源线和串口线与遥测系统相连接，测井过程在地面计算机测井系统的指令控制下自动完成。

2 改进自然伽马电路的设计

2.1 放大/鉴别电路的设计

改进自然伽马电路结构框图如图1 所示。

图1 改进自然伽马电路原理框图

设计电路原理图如图2 所示。

NaI 闪烁体探测到伽马射线，通过光电倍增管转换成电脉冲信号，经过放大、上拉后的信号，由单片机采集、计数，并通过串口将数据传出。改进的伽马电路在原有伽马电路上集成了单片机，自身可实现脉冲计数，并通过串口将数据传出，可以缩短整只遥传仪器的长度，并且节省经费，更适应现代科技的发展方向。

由运放HA2620 组成同相放大电路，双路单稳态触发器MC14528 组成鉴别电路。输入信号经过隔直电容，运放放大，放大后的信号送入单稳态触发器的输入端5 脚，输入信号高于门坎电压时，7 脚会有输出脉冲。

放大器放大倍数设计为75，取R12= 75K，R11=1 K，电路实际放大倍数75/1 =75 倍。

图2 放大/鉴别电路

MC14528 门坎电压的设定，用信号发生器设置频率为1K 的随机信号，用示波器监测7 脚，经测试，当幅度为3 Vpp，偏置电压为1.5 Vdc 时，有输出脉冲，最终确定门坎电压为6 V。

当放大后的信号幅值高于6 V 时，即高于门坎电压，MC14528 有输出脉冲。放大倍数设计在75 倍，是考虑噪声幅值一般在60 mV 以下，而信号幅值一般高于80 mV，这样经过放大器放大后，噪声被放大后不能达到触发器的门坎电压6 V，经过MC14528 后没有输出脉冲，噪声被成功滤除。

测试点TP1，TP3 和TP4 处的脉冲信号波形，如图3所示。

测试点TP1 处脉冲是从光电倍增管出来的原始脉冲，TP3 是经过放大，隔直，由12 V 上拉之后的脉冲，TP4 是从单稳态触发器输出的脉冲。

图3 测试点脉冲波形

2.2 单片机电路设计

设计电路原理图如图4 所示。

图4 单片机电路设计原理图

对于单片机芯片的选择，要可以承受150℃的高温，主要用做计数功能，可以进行串口通信，考虑PIC系列单片机采用Harvard 双总线结构，运行速度快，性能比较稳定，低工作电压，低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，在工程上比较常用，并且PIC18 系列低功耗、封装小、价格低、工作电压范围较大，是一款性价比较高的单片机，因此最后选择单片机PIC18F26K80。

3 单片机软件设计

原理是利用定时器寄存器timer2 进行定时，将timer1 外部定时器将寄存器RD 位置1，使timer1 工作在16 位计数器模式，实现对脉冲的计数。实现计数功能后，通过写串口程序，通信协议，把数据从串口传出。实现流程图如图5 所示。

对于数字单片机计数功能是否实现进行测试，用信号发生器给单片机T1CKI 口发送脉冲，调试器在线监测，串口接收并发送，数码管最后显示。实物显示结果如图6 所示。

此时，脉冲频率为100 Hz，串口每秒收到数据是65 H，数码管正确显示65，说明软件设计成功实现计数、传输和显示的功能。

图5 单片机软件实现流程图

图6 实物显示图

4 结束语

实验证明，改进自然伽马电路，可以按照预期实现计数、传输。该设计采用单片机PIC18F26K80 进行智能控制，不仅降低了费用，减小了仪器体积，而且实现起来也更加便捷，实用性强。对于未来测井仪器的设计有一定的借鉴意义，并且数字化，集成化必定是未来测井仪器的发展趋势。

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