CN104834014A

CN104834014A - 一种放射性矿物地质勘探仪

Info

Publication number: CN104834014A
Application number: CN201510222703.3A
Authority: CN
Inventors: 巩小明; 陈相弘; 韩登宇; 赵军辉; 陈文强; 杨松波; 张维娟; 解凡; 徐高中; 权建平; 李占游; 邓小卫
Original assignee: Nuclear Industry Two 03 Research Center
Current assignee: Nuclear Industry Two 03 Research Center
Priority date: 2015-05-05
Filing date: 2015-05-05
Publication date: 2015-08-12

Abstract

本发明公开了一种放射性矿物地质勘探仪，其特征在于，包括地面部分和井下仪器部分；所述地面部分通过单芯或四芯电缆连接井下仪器部分；所述地面部分包括接收控制面板和供电电源；所述接收控制面板电性连接供电电源；所述井下仪器部分包括遥传及电源单元、温度压力磁定位单元、自然伽马能谱测量单元及方位伽马测量单元；所述自然伽马能谱测量单元包括复合探测器和自然伽马能谱测量电路；所述复合探测器电性连接自然伽马能谱测量电路。本发明显著特点是技术先进、体积小、组合功能强，低压电源采用高可靠性的电源模块集中供电，并安装在仪器上部的铝合金骨架上，这样保证了电源的统一管理，也有效地减少了仪器长度，提高了仪器的实用性。

Description

一种放射性矿物地质勘探仪

技术领域

本发明涉及矿物地质勘探仪，具体涉及一种放射性矿物地质勘探仪。

背景技术

目前的放射性矿物地质勘探仪只能测单个功能，需要逐个下井测量；而且仪器体积大，只能在裸眼井使用，其它生产测井中不能使用。

发明内容

本发明针对上述问题提出一种放射性矿物地质勘探仪，包括地面部分和井下仪器部分；所述地面部分通过单芯或四芯电缆连接井下仪器部分；所述地面部分包括接收控制面板和供电电源；所述接收控制面板电性连接供电电源；所述井下仪器部分包括遥传及电源单元、温度压力磁定位单元、自然伽马能谱测量单元及方位伽马测量单元；所述自然伽马能谱测量单元包括复合探测器和自然伽马能谱测量电路；所述复合探测器电性连接自然伽马能谱测量电路。

进一步地，所述遥传及电源单元包括遥传部分和电源部分。

更进一步地，所述遥传部分包括遥传模拟电路和遥传数字电路；所述遥传模拟电路连接遥传数字电路。

更进一步地，所述遥传模拟电路包括接收电路、转换电路及反馈电路；所述转换电路输出端连接接收电路；所述反馈电路连接转换电路。

更进一步地，所述遥传数字电路包括MCU、FPGA、遥传数字电源电路、曼彻斯特编译码电路及第一CAN总线接口；所述MCU分别连接FPGA、遥传数字电源电路、曼彻斯特编译码电路及第一CAN总线接口。

更进一步地，所述自然伽马能谱测量电路包括FPGA、MCU、AD转换器、晶振及第二CAN总线接口；所述FPGA分别连接MCU、AD转换器、晶振及第二CAN总线接口。

更进一步地，所述方位伽马测量单元包括MCU、方位伽马电机驱动控制电路、方位伽马探测器、三维电子罗盘及第三CAN总线接口；所述MCU分别电性连接方位伽马电机驱动控制电路、方位伽马探测器、三维电子罗盘及第三CAN总线接口。

更进一步地，所述方位伽马电机驱动控制电路包括碘化钠和CZT输入选择电路、可调放大电路、电子罗盘接口电路、CAN总线接口及MCU；所述碘化钠和CZT输入选择电路输出端连接可调放大电路；所述MCU分别连接碘化钠和CZT输入选择电路、电子罗盘接口电路及CAN总线接口。

本发明的优点：

1.探测器方面：基于CZT半导体和溴化镧晶体组成复合探测器；

2.在PHA实现方面，本仪器的伽马射线脉冲信号处理全部在一块PHA电路板内完成。能谱数据量化采用12位高速AD以保证转换速度和精度，仪器实形成1024道能谱。由于采用了CPLD器件，并且仪器使用FIF0器件+MCU的技术方案达到了很高的PHA处理性能，并且大大减少了硬件以及连线规模。

3.在数据处理及传输方式上，井下仪器主控板采用曼彻斯特编码收发器完成，下井仪器的各个短节之间通过 CAN总线与遥传短节通信。

4.在实现普通自然伽马能谱功能的基础上增加方位伽马系统，测量特定方向的自然伽马值；准确判断不同地层的界面位置；自动实现地下水流速的自动测量。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的一种放射性矿物地质勘探仪的结构框图；

图2是本发明的一种放射性矿物地质勘探仪的遥传部分电路框图；

图3是本发明的一种放射性矿物地质勘探仪的遥传模拟电路框图；

图4是本发明的一种放射性矿物地质勘探仪的遥传数字电路框图；

图5是本发明的一种放射性矿物地质勘探仪的自然伽马能谱测量电路框图；

图6是本发明的一种放射性矿物地质勘探仪的方位伽马测量单元框图；

图7是本发明的一种放射性矿物地质勘探仪的方位伽马电机驱动控制电路框图；

图8是本发明的一种放射性矿物地质勘探仪的自然伽马能谱测量电路AD工作时序图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1至图7，如图1至图7所示的本发明的一种放射性矿物地质勘探仪，包括地面部分和井下仪器部分；所述地面部分通过单芯或四芯电缆连接井下仪器部分；所述地面部分包括接收控制面板和供电电源；所述接收控制面板电性连接供电电源；所述井下仪器部分包括遥传及电源单元、温度压力磁定位单元、自然伽马能谱测量单元及方位伽马测量单元；所述自然伽马能谱测量单元包括复合探测器和自然伽马能谱测量电路；所述复合探测器电性连接自然伽马能谱测量电路。

所述遥传及电源单元包括遥传部分和电源部分。

参考图2，如图2所示，所述遥传部分包括遥传模拟电路和遥传数字电路；所述遥传模拟电路连接遥传数字电路。

参考图3，如图3所示，所述遥传模拟电路包括接收电路、转换电路及反馈电路；所述转换电路输出端连接接收电路；所述反馈电路连接转换电路。

参考图4，如图4所示，所述遥传数字电路包括MCU、FPGA、遥传数字电源电路、曼彻斯特编译码电路及第一CAN总线接口；所述MCU分别连接FPGA、遥传数字电源电路、曼彻斯特编译码电路及第一CAN总线接口。

参考图5，如图5所示，所述自然伽马能谱测量电路包括FPGA、MCU、AD转换器、晶振及第二CAN总线接口；所述FPGA分别连接MCU、AD转换器、晶振及第二CAN总线接口。

参考图6，如图6所示，所述方位伽马测量单元包括MCU、方位伽马电机驱动控制电路、方位伽马探测器、三维电子罗盘及第三CAN总线接口；所述MCU分别电性连接方位伽马电机驱动控制电路、方位伽马探测器、三维电子罗盘及第三CAN总线接口。

参考图7，如图7所示，所述方位伽马电机驱动控制电路包括碘化钠和CZT输入选择电路、可调放大电路、电子罗盘接口电路、第四CAN总线接口及MCU；所述碘化钠和CZT输入选择电路输出端连接可调放大电路；所述MCU分别连接碘化钠和CZT输入选择电路、电子罗盘接口电路及第四CAN总线接口。

自然伽马能谱探测采用基于CZT半导体和碘化钠晶体组成复合探测器。鉴于CZT半导体晶体对于能量大于800Kev的伽马射线的探测能力较弱，同时因为体积小的缘故，探测效率很低，不能适应完全由CZT晶体来完成自然伽马能谱测量，而采用CZT半导体晶体与大尺寸的碘化钠晶体组成复合探测器，充分发挥碘化钠晶体在高能测量方面的优势，主要的能谱测量由闪烁探测器完成；利用CZT晶体在低能段良好的能量分辨率，使CZT晶体作为稳峰源探测器，专门探测²⁴¹Am的59.5Kev的单能射线。

CZT半导体属室温探测器件，主要应用在常温（小于300K）的环境中，随着温度的升高其能量分辨率将显著下降，性能会急剧变差，而井下测量随地层深度的增加，温度变化范围会很大。为此采用了半导体制冷技术，利用半导体材料的热电特性，制成一个具有降温、恒温等功能的制冷器，来保证CZT晶体的工作温度基本不随环境温度的变化而改变，基本维持恒温，从而保证其较好的实现实时稳谱。

井下仪器的各个短节之间通过CAN总线与遥传短节通信,接收地面下发的控制命令,上传采集的数据和仪器的状态信息。每个仪器短节采用统一的十芯接头的螺纹拉环连接结构，既保证了各个短节之间连接的可靠性和相对位置，又便于各个短节之间的灵活组合以实现不同的仪器功能。当仅需进行三参数测量时，下井仪器由马笼头、遥传短节，温度压力磁定位三参数测量短节，下堵头组成即可；当需要自然伽马能谱测井时，下井仪器由马笼头、遥传短节，温度压力磁定位三参数测量短节，探头和自然伽马能谱测量分析短节和下堵头组成即可；当需要方位伽马测井时，下井仪器由马笼头、遥传短节，温度压力磁定位三参数测量短节，方位伽马测量短节和下堵头组成即可，其中磁定位参数测量部分可以根据实际需要在组装时是否选择安装，以提高方位伽马测井的准确度。

自然伽马能谱测量分析采用FPGA+MCU+AD相结合的PHA脉冲幅度分析处理电路。FPGA采用Actel公司的A3P250VQG100，MCU采用PIC公司PIC24HJ64GP504，AD采用AD公司的14位AD7899SR，其原理框图如图２所示，MCU通过CAN总线与遥传短节通信,接收地面下发的控制命令（包括采集间隔和探头高压等）并上传能谱采集的数据和相关状态信息。 MCU和FPGA之间的通讯采用MCU主动FPGA从动的双向通讯模式，在FPGA处理单元内，开设了两个RAM区域。一个RAM区域用来累计脉冲计数，而另一个RAM区域则用来上传数据。通过内部的交叉开关，每个采集周期开始时，RAM区域功能被交换。FPGA主要完成两部分功能，一部分是控制AD7899SR采集数据存放在FPGA的FIFO中，另一部分是在单片机MCU控制下从FIFO中读取采集到的道址能谱数据传送给MCU单片机。仪器的能谱数据上传则是通过CAN总线由数据处理板传递到遥测板，最后传输到达地面计算机系统，

AD工作时序图如图8所示：

1）当FPGA实时检测到核脉冲信号时，在门槛检测信号的下降沿将AD开始转换信号变成低电平即通知ADC准备转换；当检测到峰位信号的上升沿时，将AD开始转换信号变成高电平即ADC开始转换；

2）直到ADC转换完成会给FPGA一个低电平的AD转换结束信号；

3)接着判断AD转换结束信号，当下降沿到来时，给ADC读片选信号（cs）、读使能信号（rd）和读数据锁存信号（adc1_lock）低电平，当eoc高电平之后延时FPGA系统时钟的2个周期后将读数据锁存信号（adc1_lock）变为高电平，再延时FPGA系统时钟的4个周期后将读片选信号（cs）和读使能信号（rd）变为高电平。

4)当检测到读数据锁存信号（adc1_lock）的上升沿后开始读取ADC的数据。（对原始的锁存信号（adc1_lock）做2个FPGA时钟的上升沿）。

遥传电路由模拟部分电路板和数字部分电路板组成。其中模拟电路板用于接收来自单芯电缆上的的数据和发送数据到单芯电缆上，其中还包括缆头电压采集，数字电路板由曼彻斯特编译码芯片，FPGA，PIC单片机和CAN驱动芯片构成。

遥传数字部分主要完成对地面数据的解码与井下数据的编码，FPGA根据曼彻斯特编译码器的编译码时序完成数据的转换。微处理器PIC24单片机作为主控制器完成与FPGA之间的数据交互，并利用CAN通讯协议完成与井下其他仪器之间的数据交互。

方位伽马探测短节由方位伽马探测器，高精度倾角补偿式三维电子罗盘、MCU、方位伽马电机驱动控制电路及第三CAN总线接口等组成。

旋转支撑结构和测控电路四部分组成。方位伽马探测短节由上接头、滑环、电机、三维电子罗盘、CZT伽马探测器和上下轴承等部件组成。

CZT碘化钠探测器在开窗方向外的其他方向安装有屏蔽材料以遮挡其他方向的伽马射线。方位伽马控制电路经滑环与下井仪器的遥测短节相连接，MCU通过CAN总线与遥传短节通信,接收地面下发的控制命令（控制电机旋转、停止、测量方位伽马）并上传倾角、方位以及方位伽马等测量信息；等能谱采集的数据和相关状态信息。方位伽马控制电路MCU、三维电子罗盘、CZT碘化钠探测器在电机控制下一起旋转，每次旋转角度15度，数据采集时可以记录24个扇区的方位伽马数据，再利用实时上传的倾角、方位信息即可实现地下渗透流速、流向，涌水量和吸水量等地下水勘察、煤矿涌水预测。

用CZT的作用是在测量时稳峰作用，用碘化钠的作用是测谱作用。

本发明有益效果：

1.探测器方面：基于CZT半导体和溴化镧晶体组成复合探测器

5.本仪器具有方位伽马测量功能，集自然伽马测量、温度、湿度、压力、方位伽马测量于一体，组合功能强，适用于矿物勘探绝大多数场合，提高了工作效率。

6.仪器体积小，在探井、套管井中都可使用，在裸眼井、生产测井中都可使用。

本发明显著特点是技术先进、体积小、组合功能强，低压电源采用高可靠性的电源模块集中供电，并安装在仪器上部的铝合金骨架上，这样保证了电源的统一管理，也有效地减少了仪器长度，提高了仪器的实用性。

采用该仪器通过对地层中伽马射线能量谱的分析，可以测量地层中钾、铀、钍放射性核素的含量，从而可以帮助地球物理学家：识别钾蒸发岩、确定粘土含量、识别粘土矿物、研究沉积环境、进行井间对比。另外该仪器将方位伽马测量技术和同位素稀释测井技术相结合，可以实现地下渗透流速、流向，涌水量和吸水量等地下水勘察、煤矿涌水预测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种放射性矿物地质勘探仪，其特征在于，包括地面部分和井下仪器部分；所述地面部分通过单芯或四芯电缆连接井下仪器部分；所述地面部分包括接收控制面板和供电电源；所述接收控制面板电性连接供电电源；所述井下仪器部分包括遥传及电源单元、温度压力磁定位单元、自然伽马能谱测量单元及方位伽马测量单元；所述自然伽马能谱测量单元包括复合探测器和自然伽马能谱测量电路；所述复合探测器电性连接自然伽马能谱测量电路。

2.根据权利要求1所述的放射性矿物地质勘探仪，其特征在于，所述遥传及电源单元包括遥传部分和电源部分。

3.根据权利要求2所述的放射性矿物地质勘探仪，其特征在于，所述遥传部分包括遥传模拟电路和遥传数字电路；所述遥传模拟电路连接遥传数字电路。

4.根据权利要求3所述的放射性矿物地质勘探仪，其特征在于，所述遥传模拟电路包括接收电路、转换电路及反馈电路；所述转换电路输出端连接接收电路；所述反馈电路连接转换电路。

5.根据权利要求3所述的放射性矿物地质勘探仪，其特征在于，所述遥传数字电路包括MCU、FPGA、遥传数字电源电路、曼彻斯特编译码电路及第一CAN总线接口；所述MCU分别连接FPGA、遥传数字电源电路、曼彻斯特编译码电路及第一CAN总线接口。

6.根据权利要求1所述的放射性矿物地质勘探仪，其特征在于，所述自然伽马能谱测量电路包括FPGA、MCU、AD转换器、晶振及第二CAN总线接口；所述FPGA分别连接MCU、AD转换器、晶振及第二CAN总线接口。

7.根据权利要求1所述的放射性矿物地质勘探仪，其特征在于，所述方位伽马测量单元包括MCU、方位伽马电机驱动控制电路、方位伽马探测器、三维电子罗盘及第三CAN总线接口；所述MCU分别电性连接方位伽马电机驱动控制电路、方位伽马探测器、三维电子罗盘及第三CAN总线接口。

8.根据权利要求7所述的放射性矿物地质勘探仪，其特征在于，所述方位伽马电机驱动控制电路包括碘化钠和CZT输入选择电路、可调放大电路、电子罗盘接口电路、第四CAN总线接口及MCU；所述碘化钠和CZT输入选择电路输出端连接可调放大电路；所述MCU分别连接碘化钠和CZT输入选择电路、电子罗盘接口电路及第四CAN总线接口。