基于LabVIEW的井下弱磁信号检测系统

西安石油大学 贺正泽 何长明



基于LabVIEW的井下弱磁信号检测系统

西安石油大学 贺正泽 何长明

【摘要】本文介绍了井下弱磁信号产生的模型与原理。为了对井下弱磁信号实现检测及改善信号的信噪比，利用信号累加平均对弱磁信号检测系统设计。采用软硬件相结合的设计方法，以Labview为虚拟仪器软件开发平台，结合磁通门传感器、信号调理电路以及数据采集卡组成弱磁信号检测系统，该系统具有数据采集、处理分析和保存回放的功能。测试结果表明，该系统对弱磁信号检测具有性能稳定，分辨率高，界面友好，操作简单的特点，在石油工业及其他各个领域都有广泛的应用价值。

【关键词】LabVIEW；磁通门传感器；弱磁信号；数据采集；累加平均

0 引言

为实现定向钻井的轨迹监控和精确导向，操作者必须及时获取地下钻井的各项参数及其空间位置，利用基于LaBVIEW的图形化虚拟平台与磁通门传感器构成的捷联式姿态测量系统对井下弱磁信号检测、分析，以便实现目标井定位。本文重点利用环境噪声的规律性，从噪声干扰背景中检测和分离出有用的弱磁信号，以实时反映出被测对象的状态，确定目标井位置。

为了对信号进行实时采集，及时存储、分析和处理。采用单片机结合磁通门传感器和LabVIEW虚拟仪器开发平台对弱磁信号检测，提供了简单实用，功能全面的检测系统。

1 检测系统概述

弱磁信号探测系统主要是从具有高环境噪声中检测微弱的磁场信号。硬件设备包括: 磁通门传感器、信号调理电路、数据采集卡、PC机等。软件程序基于虚拟仪器技术，利用 LabVIEW软件开发平台对弱磁场信号进行数据采集、数据处理、数据实时显示、数据存储回放的功能。检测系统框图如图1所示。

2 检测系统的硬件设计

本硬件系统主要由激励源、三轴磁通门传感器、信号调理电路、数据采集卡、电源和CP机组成。首先通过激励源向地层注入低频电流，在目标井上产生电流，三轴磁通门传感器将采集到此电流产生的二次磁场，测得的磁场信号经信号调理电路 进行简单的放大、相敏检波、滤波之后，再传送到带有A/D转换器的数据采集卡上，将输入的模拟信号转换为数字信号，然后通过USB接口将数字信号传至上位机，对信号进行分析处理、显示和存储等。

图1 检测系统框图

2.1 传感器

该系统选用麦格韦尔TF系列三分量磁通门传感器，该传感器具有分辨率高、

噪声低、功耗低、温度性能好、线性度好、抗干扰强等特点。磁通门传感器的部分参数技术指标如表1所示。

表1 磁通门传感器参数指标

三端式磁通门传感器的主要特点是测量、反馈、激励三组线圈共用一组线圈。跑道型骨架两边的线圈匝数、阻值、电感量、分布电容相等，两边的干扰（包括基波分量）可以抵消，从而提高磁传感器的灵敏度，降低噪声。三个测量线圈与该磁芯，构成三轴磁通门探头。

2.2 信号调理电路

由于三轴磁通门传感器输出的信号幅度非常微弱，且包含了环境噪声等干扰信号。因此该部分电路的选频放大器选用低功耗双运算放大器LM158够成的一阶带通放大器。二次谐波信号经选频放大器放大后，送入带有公共使能输入控制位的3路二选一模拟开关的74HC4053构成的相敏检波器中，经相敏检波器后其他谐波信号都抑制为零，输出只有二次谐波信号。将获得的信号再次作为输入输送到由低功耗双运算放大器LM158构成的积分滤波器中，将二次谐波信号转换为稳定的直流信号，且电压的大小与外磁场信号大小成正比[4]，以便作为数据采

集卡的输入信号和磁通门传感器的反馈信号。具体信号调理框图如图2所示。

图2 信号调理框图

2.3 NI数据采集卡

本系统采用的是NI USB-6251数据采集卡，它的主要性能参数有：16路模拟输入 (16位)，2路模拟输出 (16位，2.8 MS/s)，24路数字I/O (其中8路时钟同步)。本系统利用传感器将被测信号传送到USB-6251数据采集卡，通过数据采集卡内部的信号处理模块、AD转换模块将所采集模拟信号转换为计算机能识别的数字信号，上传至以PC机为硬件平台，LaBVIEW2012为软件开发平台的上位机软件，对信号进行时域分析、滤波和累加平均等数据处理。

3 上位机程序设计

LabVIEW是一种图形化编程语言，具有界面友好、操作简便、开发周期短等特点，广泛应用于各个行业的仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等方面[5]。一个基本的VI包括：前面板和框图程序两部分。前面板是需要放置各种控件的。而程序框图是用来编写代码的，每个前面板都有一个与之对应的程序框图，程序框图是图形化的源程序。在框图程序中通过对VI编程，来控制和操纵在前面板上的控件。其中，框图程序由节点、端口和数据连线组成[6]。节点是程序的执行元素，LaBVIEW由4种节点类型：函数、结构控制、代码端口和子VI。端口包括：数据端口和节点端口。数据连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图程序中的数据流方向[6]。因此，该系统的上位机部分是在PC机Windows操作系统下基于LabVIEW的信息采集处理系统软件，总设计框图如图3所示。

3.1 数据采集模块

数据采集是将传感器采集到的模拟信号转换成数字信号后，再由计算机进行存储、处理、显示的过程。本文采用数据采集卡对信号进行采集，首先应确定计算机上已安装DAQ驱动，然后打开Labview2012在程序面板上，依次选定函数>>测量I/O>>DAQmx>>DAQmx创建>>DAQmx定时>>DAQmx开始>>DAQmx读取>>DAQmx清除。

3.2 数据存储回放模块

数据存储模块包括了两部分，一部分实现将采集到磁信号值作为原始数据以文本文件的形式保存在计算机; 另一部分实现将保存的原始数据提取出来，以便后期处理。

3.3 数据处理模块

因采集到的有用低频交变电磁信号十分的微弱，而且接收装置又是宽带测量，所以往往二次场的信号被噪声所淹没掉。需对数据进行滤波处理，滤波方法可分为硬件滤波和软件滤波，但硬件滤波电路需要的成本比较高，而且对一些不可预知的干扰难以抑制，灵活性比较差。而利用上位机软件对有用信号提取，干扰信号剔除成本低，效率高，灵活性强。在基于Labview上位机程序框图中，通过函数选板>>信号处理>>滤波器，可以选择切比雪夫、巴特沃斯、贝塞尔、中值等多种滤波器。因采集到的有用信号为低频正弦信号，所以需要选择低通性能优良的滤波器。本文选用巴特沃斯滤波器对信号滤除外界干扰。

其次，对滤波后的信号进行累加平均，是提高信噪比常用的处理方法[7]。由于二次场信号是周期性的，把多次周期的信号逐次累加，然后再求平均值。

假设有用信号和噪声叠加后的混合信号为：

由于二次场信号是周期信号，所以就有：

在对信号固定点经过n次重复采样后，则它的累加值为：

N次叠加后的噪声，取其几何平均值可得：

所以n次叠加后的信噪比为：

经过n次累积之后的信噪比有明显的改善，其值为：

模拟输入低频正弦信号与均匀白噪声的叠加，选用巴特沃斯滤波器对叠加的信号进行滤波，对各项滤波参数设置，使滤波效果达到最佳。并将滤波后的信号进行100次的采样累计平均，对比结果如图4所示。由图可知对模拟输入信号处理后，信号受外界干扰明显减少，数据处理效果明显。

图4 结果对比

4 结束语

文中建立了救援井电磁探测模型，分析了井下弱磁信号产生的基本原理，并详细介绍了基于LaVIEW与传感器的井下弱磁信号检测系统的软硬件模块。根据磁信号的频率特点，采用巴特沃斯滤波器对检测信号滤波，结合信号累加平均的方法，实现对弱磁信号的有效检测。对弱磁信号的有效检测是定向井成功实施的关键因素与必要条件。实践证明基于该软件的探测系统操作简单方便，界面直观，程序方便更改、扩展，具有很强的通用性。

参考文献

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[3]McElhinney G,Sognnes R,Smith B.Case histories demonstrate a new method for well avoidance and relief well drilling[R].SPE 37667,1997:807-814.

[4]杨鹏飞,张朴,成鹏,等.基于三端式磁通门传感器的弱磁测量系统设计[J].计算机与数字工程,2014,42(5):887-890.

[5]李婷婷,陈健.基于labview的船用气囊群安全监测系统的设计[J].现代电子技术,2013,36(11):100-102.

[6]詹惠琴,古军,袁亮.虚拟仪器设计[M].北京:高等教育出版社,2008.

[7]周倩婷,危峻,徐志鹏.噪声特性对多次采样累加平均技术的影响[J].红外与激光工程,2010,39(5):959-962.