密度測井中新型長(cháng)短道穩譜的電路設計

常見(jiàn)的密度測井儀器^[1]一般會(huì )采用兩個(gè)高壓控制兩個(gè)探測器輸出，以實(shí)現穩譜^[2] 功能。本文介紹了用一路高壓實(shí)現兩路穩譜，經(jīng)濟又能節省空間，特別實(shí)用于空間受限的井下儀器。

1 密度測井中高壓穩譜介紹

密度測井是由放射源銫-137向地層發(fā)射單能伽馬射線(xiàn)，射線(xiàn)的能量為662keV。射線(xiàn)與地層發(fā)生作用，主要是康普頓散射和光電效應。作用后的射線(xiàn)能量衰減，一部分被晶體探測器接收到，晶體探測接收到射線(xiàn)后會(huì )產(chǎn)生光信號，光信號再經(jīng)過(guò)光電倍增管放大后，轉換成能夠被電路測量的電信號。不同能量的射線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生不同電壓的電信號，通過(guò)對電壓值的測量就可以分辨出入射射線(xiàn)的能量^[1-2]。

為了使測量到的電信號與伽馬射線(xiàn)的能量能夠相互對應，我們需要將已知的662keV能量射線(xiàn)產(chǎn)生的電信號固定在一個(gè)電壓值上，相當于能量的參考值，這個(gè)過(guò)程就是穩譜。穩譜的效果會(huì )嚴重影響測量的精度，穩譜不穩則相當于參考值不穩，那么所測得的信號也是不準確的。

信號受環(huán)境影響很大，尤其是溫度的影響。同樣能量的射線(xiàn)和電路，在不同溫度下產(chǎn)生的電壓值是不同的，一般來(lái)講，溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)倍增管效率降低，這時(shí)要使662KeV的信號在原來(lái)的電壓值上，必須要適當增加倍增管的控制高壓；相之，則應該適當降低控制高壓。我們通過(guò)電路上的調節，使參考信號處于相對穩定的區域內，從而達到穩譜的目的。

2 電路設計方案

2.1 兩路高壓控制

一般的密度測井儀器都有兩個(gè)探測器，長(cháng)源距探測器和短源距探測器^[3]。每個(gè)探測器都會(huì )有相應的晶體和倍增管總成實(shí)現光電信號的轉換，而每個(gè)倍增管配有1個(gè)輸出電壓可調的高壓電源模塊，來(lái)控制倍增管的工作，如圖1 所示。

圖1 高壓調節電路框圖

在電路上通過(guò)MCU和DAC產(chǎn)生1 個(gè)低壓信號Vctrl，用來(lái)控制高壓模塊的輸出電壓HV。當Vctrl增大時(shí)，HV增大，Vin也增大，用多道測量倍增管的輸出信號會(huì )發(fā)現能量峰向右偏移。相反，Vctrl降低時(shí)，能量峰左移，這樣我們就可以通過(guò)調節控制電壓的大小，來(lái)實(shí)現能量峰的相對固定，而不會(huì )產(chǎn)生偏移。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是控制可靠，缺點(diǎn)是需要兩個(gè)高壓模塊，占用的空間大，不便于實(shí)現小型化設計，而且高溫高壓模塊價(jià)格高，在成本上也會(huì )加倍。

2.2 固定高壓控制增益

該方案是根據倍增管的坪區特性，給長(cháng)短道兩個(gè)倍增管一個(gè)固定的高壓值，兩道產(chǎn)生的信號通過(guò)不同的增益控制電路來(lái)進(jìn)行信號調節，使信號輸出在設定的區域內，以此來(lái)實(shí)現穩譜功能^[4]。如圖2所示，固定高壓HV后，長(cháng)短道各自輸出信號Vin，經(jīng)過(guò)增益調節電路后，信號變?yōu)锳*Vin。A是增益值，可通過(guò)MCU來(lái)控制大小。

圖2 增益調節電路

這種只調增益的方法優(yōu)點(diǎn)是電路及控制相對簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是信號可調范圍窄，適應性差。對于測井儀器，其環(huán)境溫度變化是很大的，最高可達200多度。而當溫度變化很大時(shí)，倍增管的輸出也會(huì )發(fā)生變化，當信號過(guò)小時(shí)，則A 需要調到很大，增益A 過(guò)大帶來(lái)的后果是信噪比降低；相反如果信號過(guò)大時(shí)，只調整增益A又會(huì )出現飽和現象。這兩種情況下都會(huì )影響測量精度，甚至使儀器出現故障。

圖3 穩譜核心電路

電路中U1（DAC）、U2（運放）、U3（高壓模塊）實(shí)現長(cháng)源距的高壓調節，保證不同環(huán)境溫度下倍增管都能工作在合理范圍內。電路由控制器向U1發(fā)送控制數DAC1，其輸出電壓經(jīng)過(guò)U2 后得到放大，輸出高壓控制電壓Vctrl，然后再經(jīng)過(guò)高壓模塊輸出高壓值HV1，二者之間是線(xiàn)性關(guān)系，系數為K，則長(cháng)源距的高壓值為：

HV1=Vctrl×K   (1)

HV1經(jīng)過(guò)分壓電阻后得到高壓值HV2，用來(lái)給短源距倍增管提供高壓；同時(shí)短源距的信號NEARIN先輸入到運放U4，可對信號進(jìn)行初步放大，放大系數為A，然后輸入到可調增益放大器U5，U5 是R-2R 型的14 bits 的DAC，由控制器向其發(fā)送控制數DAC2，其輸入輸出的關(guān)系是:

   (2)

這樣硬件上就實(shí)現了長(cháng)、短源距信號的數字化控制，結合穩譜算法即可實(shí)現兩路的自動(dòng)穩譜功能。

3 穩譜固件實(shí)現

電路設計實(shí)現后，固件的穩譜控制方法^[8] 也要隨之改變。如圖4 所示，固件開(kāi)始運行后首先根據長(cháng)道的信號對高壓進(jìn)行調整，由穩譜算法計算出粗調因子FF1；如果FF1進(jìn)入到了微調的范圍內，則需要進(jìn)行細調，計算出細調因子CFF1；最后根據FF1或CFF1計算出DAC的值，發(fā)送DAC完成一次長(cháng)道高壓調節。當長(cháng)道高壓基本穩定，即CFF1小于域值時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行短道調節，同樣進(jìn)行粗調FF2或細調CFF2，然后發(fā)送DAC完成一次短道調節。至于穩譜因子的算法，一般采用四個(gè)能窗穩譜^[5]的方法，這里不做詳細介紹了。

圖4 穩譜固件流程

4 結束語(yǔ)

該電路實(shí)現了一個(gè)高壓控制長(cháng)短探測器穩譜的功能，所采用的 1 路控制高壓 1 路控制增益的方法有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：與兩路高壓控制相比，簡(jiǎn)化了硬件設計，從而縮減空間、降低成本；與兩路增益控制相比具有更好的兼容性和可靠性。該電路已在實(shí)際測井儀器中得到了應用，事實(shí)證明穩譜效果非常好。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）