一種微電阻率成像儀器電極信號檢測裝置的製作方法

2023-08-09 20:20:56 2

專利名稱：一種微電阻率成像儀器電極信號檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是關於微電阻率成像儀，具體的講是一種微電阻率成像儀器電極信號檢測裝置。
背景技術：
微電阻率成像儀是一種獲取井壁電阻率的成像儀器，其探頭採用陣列排列的電極採樣地層電阻率信號，微電阻率成像儀器利用排列在極板上的陣列電極測量井壁附近地層電阻率的儀器，利用測量得到的數據可以進行井壁電阻率成像，利用成像結果可以識別裂縫、孔洞，進行沉積構造分析。微電阻率成像儀器利用排列在極板上的陣列電極測量井壁附近地層電阻率的儀器，現有的微電阻率成像儀器中的電路板可以使用的面積很小，這樣對檢測電路體積要求高。目前，現有的電極電壓信號採集過程中，在對採集的信號進行處理的過程中，地線噪聲同時被放大，導致電路信噪比降低，而且檢測電路工作在高溫狀態，現有的方法不能滿足微電阻率成像儀對功率和溫度的要求。

實用新型內容本實用新型實施例提供了一種微電阻率成像儀器電極信號檢測裝置，該裝置包括電極信號採集模塊、分時傳輸模塊、低噪聲放大模塊、帶通濾波模塊、AD轉換模塊及時鐘控制模塊；電極信號採集模塊通過分時傳輸模塊與低噪聲放大模塊相連接，低噪聲放大模塊通過帶通濾波模塊與AD轉換模塊相連接，時鐘控制模塊與AD轉換模塊相連接；電極信號採集模塊，用於將微電阻率成像儀極板上的各電極流入地層的電流信號轉換為並行的電極電壓信號；分時傳輸模塊，包括η個模擬開關，用於對電極電壓信號進行分時傳輸，將並行的電極電壓信號轉換為η道串行的電極電壓信號；低噪聲放大模塊，用於對η道電極電壓信號進行增益放大，生成低噪聲放大後的電極電壓信號；帶通濾波器，用於對低噪聲放大後的電極電壓信號進行帶通濾波，對低噪聲放大後的電極電壓信號帶寬限制，生成帶通濾波處理後的電極電壓信號；AD轉換模塊，用於將帶通濾波處理的電極電壓信號轉換為電極電壓數位訊號；時鐘控制模塊，用於根據AD轉換模塊的工作狀態控制系統時鐘。為讓本實用新型的上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本實用新型微電阻率成像儀的結構框3[0007]圖2為微電阻率成像儀的極板結構圖；圖3為本實用新型微電阻率成像儀器電極信號檢測裝置的結構框圖；圖4為本實用新型的信號傳輸時序圖。
具體實施方式
下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。微電阻率成像儀器是一種獲取井壁電阻率圖像的儀器，利用排列在極板上的陣列電極測量井壁附近地層電阻率的儀器，微電阻率成像儀通過測量發射電極上電壓和電極上探頭流入地層電流可以計算地層電阻率，利用測量得到的數據可以進行井壁電阻率成像， 利用成像結果可以識別裂縫、孔洞，進行沉積構造分析。本實用新型公開了一種微電阻率成像儀器電極信號檢測裝置，如圖1所示，本實用新型的微電阻率成像儀包括電極信號採集模塊101、分時傳輸模塊102、低噪聲放大模塊103、帶通濾波模塊104、AD轉換模塊105及時鐘控制模塊106 ；電極信號採集模塊101通過分時傳輸模塊102與低噪聲放大模塊103相連接，低噪聲放大模塊103通過帶通濾波模塊104與AD轉換模塊105相連接，時鐘控制模塊106也與AD轉換模塊相連接。電極信號採集模塊101，用於將微電阻率成像儀極板上的各電極流入地層的電流信號轉換為並行的電極電壓信號；分時傳輸模塊102，用於對電極電壓信號進行分時傳輸，將並行的電極電壓信號轉換為串行的電極電壓信號；低噪聲放大模塊103，用於減小串行電極電壓信號的噪聲密度並對其進行增益放大，生成低噪聲放大後的電極電壓信號；帶通濾波器模塊104，用於對低噪聲放大後的電極電壓信號進行帶寬限制，生成帶通濾波處理後的電極電壓信號； AD轉換模塊105，用於將帶通濾波處理的電極電壓信號轉換為電極電壓數位訊號；時鐘控制模塊106，用於根據AD轉換模塊的工作狀態控制系統時鐘；信號接收單元107，用於接收 AD轉換後的電極電壓數位訊號。此外，本實用新型實施例的電極信號採集模塊101包括多個電阻，電阻與微電阻率成像儀的電極一一對應，將微電阻率成像儀的各電極電流信號轉換為電極電壓信號，並且電極信號採集模塊的各電阻的阻值小於10歐姆。本實用新型的低噪聲放大模塊103包括n個差分放大器，與η個模擬開關一一對應，差分放大器採用多個並聯的三極體作為差分放大器的輸入級，對輸入的電極電壓信號進行低噪聲放大；η個運算放大器，與差分放大器相連接，用於提高低噪聲放大模塊的電路增益。本實用新型的時鐘控制模塊106包括AD檢測單元，檢測AD轉換模塊105的工作狀態；時鐘控制單元，根據檢測到的AD轉換模塊105的工作狀態控制系統時鐘，AD檢測單元檢測到AD轉換模塊105啟動AD轉換時，時鐘控制單元關閉系統時鐘；AD檢測單元檢測到AD轉換模塊105的轉換完成時，開啟系統時鐘。本實用新型的微電阻率成像儀器電極信號檢測裝置還包括延遲消除模塊，控制分時傳輸模塊對所述的各電極電壓信號的傳輸時間，消除電極電壓信號通過濾波模塊後形成的信號延遲。本實用新型的帶通濾波模塊104包括n個高Q值帶通濾波器，與低噪聲放大模塊的運算放大器一一對應，對濾波模塊生成的低噪聲放大後的電極電壓信號帶寬限制。本實用新型公開的微電阻率成像儀器電極信號檢測裝置，其陣列探頭的信號採用很少的放大器通道進行信號採樣、放大、無群延遲帶通濾波、驅動以及分時控制輸出、無時鐘幹擾AD轉換、DSP矢量相敏檢測、通訊驅動等，將得到的信號進行高信噪比、低噪聲放大。 下面以具體的實施例對本實用新型做進一步詳細說明。圖2所示為微電阻率成像儀極板的結構圖，其中，201為微電阻率成像儀極板，在極板201上有排列規則的電極202，極板201具有一空間203用於放置電極信號檢測電路， 即本實用新型微電阻率成像儀器電極信號檢測裝置。如圖3所示，為本實用新型微電阻率成像儀器電極信號檢測裝置的結構框圖。其中包括低噪聲模擬開關部件302，前置放大器303，帶通濾波器304，無群延遲控制部件 305，AD轉換模塊306，單片機308，FPGA309，控制單元310及電阻307。為了檢測電極流入地層的電流，在每個電極與極板體外殼導體之間連接一個小於 10歐姆的電阻307，電阻307用於將微電阻率成像儀各電極流入地層的電流轉換為電壓，這裡為了減小電極信號的噪聲，電阻307應採用無噪聲材料，並且是高精密的，總共η個電阻， 為不影響電極之間信號的一致性，電阻307互相之間的差別很小。微電阻率成像儀的電極電流信號通過電阻307轉換為電壓信號後，進入低噪聲模擬開關部件302，η個電阻具有η 道信號，模擬開關部件302按照分時傳輸方式進行順序切換，本實施例中，模擬開關部件包括多個模擬開關，根據電極數目及採用的模擬開關的輸入確定模擬開關的數目，採用8選一模擬開關時，在模擬開關前信號並行輸入，如第一個8選1模擬開關輸入為1、2、3、4、5、6、 7、8道信號，第二個模擬開關輸入為9、10、11、12、13、14、15、16，第三個模擬開關輸入為17、 18、19等等，經過模擬開關的分時傳輸後，在模擬開關後輸出的是一個串行的按照一定順序排列的電極電壓信號，輸出信號為1、9、17、2、10、18等等。每個電極電壓信號由於對應地層電阻率不同，它們的大小是不同的，因此在這裡輸出的看上去就像一個一個幅度不同的多個波形組成信號串。在模擬開關部件302後連接的是與模擬開關部件302中的模擬開關對應的低噪聲前置放大器303，本實用新型實施例中的前置放大器，其電壓噪聲密度遠小於常用運算放大器的電壓噪聲密度，本實用新型中的前置放大器實現上採用專用超低噪聲輸入專用三極體 ΜΑΤ02多個並聯作為差分放大器輸入級，從而減小放大器輸入電壓噪聲密度，最終減小了整體電路輸出噪聲，差分放大器後接一個運算放大器，目的是提高電路增益，這樣實現的前置放大器的電路噪聲可以做到電壓噪聲密度小於0. 5nV/Hzl/2，由於電路輸出噪聲一般由電路放大器的第一級決定，在本電路中電壓噪聲密度起決定作用，因此輸入級電壓噪聲密度減小，電路系統輸出的電壓噪聲就小。在前置放大器303的輸出連接一個高Q值帶通濾波器304，用於限制信號帶寬，由於信號輸出噪聲與電路放大器的帶寬有很大關係，帶寬越小，電路輸出噪聲越小，有用信號越容易恢復，也才能準確，在本系統中，電極通道很多，每個通道專用時間很短，這樣為了很好檢測電極信號，在電路的模擬部分就要將噪聲降低。高Q值帶通濾波器304後是一個無群延遲控制部件305，該部件的作用是將每一個通道信號，原來是按照電極順序串行傳輸的電極信號，因為帶通濾波器原因產生的每個電極信號群，信號群與電極電壓關係電極接受的信號是正弦波，它的周期一般是IOKHz左右，要檢測的每個電極的電壓信號就是正弦波的幅度，檢測電極信號中，一般是檢測正弦波的多個周期，這多個周期的正弦波就叫信號群，信號群的每個單周期信號的幅度平均值就是要檢測的電極電壓前部和後部產生的延遲消除，這樣在後續處理中將可以充分利用電極信號群時間，提高電極群信號檢測精度，降低檢測的噪聲，電路上實現採用增長每道信號持續時間，信號持續時間由最前面的模擬開關對每道信號打開時間決定，然後採用定時選取信號持續部分有用信號實現。在無群延遲控制部件305後信號進入無始終幹擾AD轉換模塊306，AD轉換模塊 306將電極電壓信號由模擬信號轉換為數位訊號，量化位數為16位。由於系統中有單片機類元件，因此系統必然有時鐘，一般頻率都在5MHz以上，這樣的高頻信號對模擬電路的幹擾很大，為了減小對AD轉換的幹擾，採用在採樣信號和AD轉換期間，將系統時鐘關閉，這樣在AD轉換過程中沒有高頻幹擾，轉換精度高，電路上採用CPLD控制一個帶有時鐘輸出使能信號的晶振，當啟動AD轉換時將時鐘輸出停止，並且使PIC等單片機處於休眠狀態，當AD 轉換完成後，利用AD轉換完成信號啟動晶振輸出時鐘並且喚醒單片機工作，這樣保證系統工作不出現差錯。在轉換完成後再啟動系統時鐘完成其他控制。AD轉換後的電極數位化信號進入單片機308，在那裡將採集的電極信號進行矢量數字相敏檢測，求取信號的幅度，同時該單片機308進行模擬開關的控制，產生系統需要的時序。與AD轉換、單片機、模擬開關以及接收單元相連的有一個FPGA單元，它主要進行系統時序控制，一方面對AD轉換進行控制，另外與接收單元310進行通訊，接收單元發來的與電極發射信號同步的控制信號啟動AD轉換，將單片機計算的電極信號幅度傳送到接收單元。接收單元是微電阻率成像儀器的一個重要組成部分，在這裡主要負責與檢測電路的通訊。圖4為本實用新型的信息傳輸時序，採用雙線傳輸數據、時鐘以及控制時序，一根是數據線，主要傳輸下發命令數據、接收命令正常反饋命令、AD啟動同步時鐘、計算輸出電極數據、電極數據CRC校驗數據等，在時鐘線上發送對應數據的時鐘，數據線和時鐘線均為雙向傳輸，即是向下發送線也是向上發送信號線。首先接收單元向檢測電路系統發送控制命令，該命令用於控制檢測電路處於什麼狀態，當接收命令正常時將該命令再通過信號線反饋到接收單元，然後檢測系統就處於相應的狀態工作；當檢測電路處於正常採集狀態時， 接收單元通過數據線發送與接收信號同步的控制時鐘，時鐘控制AD轉換進行工作；在電極信號採集完全並計算完成後，電路系統將電極數據通過雙向信號線將數據發送到接收單元進行處理；當然在發送數據後有CRC校驗數據也是通過雙向信號線進行傳輸。本實用新型中應用了具體實施例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本實用新型的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本實用新型的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本實用新型的限制。
權利要求1.一種微電阻率成像儀器電極信號檢測裝置，其特徵在於，所述的裝置包括電極信號採集模塊、分時傳輸模塊、低噪聲放大模塊、帶通濾波模塊、AD轉換模塊及時鐘控制模塊；所述的電極信號採集模塊通過所述的分時傳輸模塊與所述的低噪聲放大模塊相連接， 所述的低噪聲放大模塊通過所述的帶通濾波模塊與所述的AD轉換模塊相連接，所述的時鐘控制模塊與所述的AD轉換模塊相連接；其中，所述的電極信號採集模塊，將所述微電阻率成像儀的極板上的各電極流入地層的電流信號轉換為並行的電極電壓信號；所述的分時傳輸模塊，包括η個模擬開關，對所述的並行的電極電壓信號進行分時傳輸，將並行的電極電壓信號轉換為η道串行的電極電壓信號；所述的低噪聲放大模塊，對所述的η道電極電壓信號進行增益放大，生成低噪聲放大後的電極電壓信號；所述的帶通濾波模塊，對所述的低噪聲放大後的電極電壓信號進行帶通濾波，對所述的低噪聲放大後的電極電壓信號帶寬限制，生成帶通濾波處理後的電極電壓信號；所述的AD轉換模塊，將所述的帶通濾波處理後的電極電壓信號轉換為電極電壓數位訊號；所述的時鐘控制模塊，根據所述的AD轉換模塊的工作狀態控制系統時鐘。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的電極信號採集模塊包括多個電阻， 所述的電阻與所述的微電阻率成像儀的電極一一對應，將所述的微電阻率成像儀的各電極電流信號轉換為電極電壓信號。
3.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述的電極信號採集模塊的各電阻的阻值小於10歐姆。
4.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的低噪聲放大模塊包括η個差分放大器，與所述的η個模擬開關一一對應，所述的差分放大器採用多個並聯的三極體作為差分放大器的輸入級，對輸入的電極電壓信號進行低噪聲放大；η個運算放大器，與所述的差分放大器相連接，用於提高低噪聲放大模塊的電路增益。
5.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的時鐘控制模塊包括 AD檢測單元，檢測所述的AD轉換模塊的工作狀態；時鐘控制單元，根據檢測到的AD轉換模塊的工作狀態控制系統時鐘，所述的AD檢測單元檢測到AD轉換模塊啟動AD轉換時，所述的時鐘控制單元關閉系統時鐘；所述的AD檢測單元檢測到AD轉換模塊的轉換完成時，開啟系統時鐘。
6.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述的裝置還包括延遲消除模塊，控制所述的分時傳輸模塊對所述的各電極電壓信號的傳輸時間，消除所述的電極電壓信號通過濾波模塊後形成的信號延遲。
7.如權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述的帶通濾波模塊包括η個高Q值帶通濾波器，與所述的低噪聲放大模塊的運算放大器一一對應，對所述的濾波模塊生成的低噪聲放大後的電極電壓信號帶寬限制。
專利摘要本實用新型公開了一種微電阻率成像儀的電極信號檢測裝置，該裝置包括電極信號採集模塊、分時傳輸模塊、低噪聲放大模塊、帶通濾波模塊、AD轉換模塊及時鐘控制模塊；電極信號採集模塊，將各電極流入地層的電流信號轉換為並行的電極電壓信號；分時傳輸模塊，包括n個模擬開關，對電極電壓信號進行分時傳輸，轉換為n道串行的電極電壓信號；低噪聲放大模塊，進行增益放大，生成低噪聲放大後的電極電壓信號；帶通濾波器，對低噪聲放大後的電極電壓信號進行帶通濾波，生成帶通濾波處理後的電極電壓信號；AD轉換模塊，將帶通濾波處理的電極電壓信號轉換為電極電壓數位訊號；時鐘控制模塊，根據AD轉換模塊的工作狀態控制系統時鐘。
文檔編號G01V3/20GK202033480SQ20102068264
公開日2011年11月9日 申請日期2010年12月27日 優先權日2010年12月27日
發明者湯天知, 肖宏, 郭彥軍, 馬雪青 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油集團測井有限公司