CN202033480U - 一种微电阻率成像仪器电极信号检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微电阻率成像仪的电极信号检测装置，该装置包括：电极信号采集模块、分时传输模块、低噪声放大模块、带通滤波模块、AD转换模块及时钟控制模块；电极信号采集模块，将各电极流入地层的电流信号转换为并行的电极电压信号；分时传输模块，包括n个模拟开关，对电极电压信号进行分时传输，转换为n道串行的电极电压信号；低噪声放大模块，进行增益放大，生成低噪声放大后的电极电压信号；带通滤波器，对低噪声放大后的电极电压信号进行带通滤波，生成带通滤波处理后的电极电压信号；AD转换模块，将带通滤波处理的电极电压信号转换为电极电压数字信号；时钟控制模块，根据AD转换模块的工作状态控制系统时钟。

Description

一种微电阻率成像仪器电极信号检测装置

技术领域

本实用新型是关于微电阻率成像仪，具体的讲是一种微电阻率成像仪器电极信号检测装置。 

背景技术

微电阻率成像仪是一种获取井壁电阻率的成像仪器，其探头采用阵列排列的电极采样地层电阻率信号，微电阻率成像仪器利用排列在极板上的阵列电极测量井壁附近地层电阻率的仪器，利用测量得到的数据可以进行井壁电阻率成像，利用成像结果可以识别裂缝、孔洞，进行沉积构造分析。 

微电阻率成像仪器利用排列在极板上的阵列电极测量井壁附近地层电阻率的仪器，现有的微电阻率成像仪器中的电路板可以使用的面积很小，这样对检测电路体积要求高。目前，现有的电极电压信号采集过程中，在对采集的信号进行处理的过程中，地线噪声同时被放大，导致电路信噪比降低，而且检测电路工作在高温状态，现有的方法不能满足微电阻率成像仪对功率和温度的要求。 

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种微电阻率成像仪器电极信号检测装置，该装置包括：电极信号采集模块、分时传输模块、低噪声放大模块、带通滤波模块、AD转换模块及时钟控制模块；电极信号采集模块通过分时传输模块与低噪声放大模块相连接，低噪声放大模块通过带通滤波模块与AD转换模块相连接，时钟控制模块与AD转换模块相连接；电极信号采集模块，用于将 微电阻率成像仪极板上的各电极流入地层的电流信号转换为并行的电极电压信号；分时传输模块，包括n个模拟开关，用于对电极电压信号进行分时传输，将并行的电极电压信号转换为n道串行的电极电压信号；低噪声放大模块，用于对n道电极电压信号进行增益放大，生成低噪声放大后的电极电压信号；带通滤波器，用于对低噪声放大后的电极电压信号进行带通滤波，对低噪声放大后的电极电压信号带宽限制，生成带通滤波处理后的电极电压信号；AD转换模块，用于将带通滤波处理的电极电压信号转换为电极电压数字信号；时钟控制模块，用于根据AD转换模块的工作状态控制系统时钟。为让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本实用新型微电阻率成像仪的结构框图； 

图2为微电阻率成像仪的极板结构图； 

图3为本实用新型微电阻率成像仪器电极信号检测装置的结构框图； 

图4为本实用新型的信号传输时序图。 

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。 

微电阻率成像仪器是一种获取井壁电阻率图像的仪器，利用排列在极板上的阵列电极测量井壁附近地层电阻率的仪器，微电阻率成像仪通过测量发射电极上电压和电极上探头流入地层电流可以计算地层电阻率，利用测量得到的数据可以进行井壁电阻率成像，利用成像结果可以识别裂缝、孔洞，进行沉积构造分析。 

本实用新型公开了一种微电阻率成像仪器电极信号检测装置，如图1所示，本实用新型的微电阻率成像仪包括：电极信号采集模块101、分时传输模块102、低噪声放大模块103、带通滤波模块104、AD转换模块105及时钟控制模块106；电极信号采集模块101通过分时传输模块102与低噪声放大模块103相连接，低噪声放大模块103通过带通滤波模块104与AD转换模块105相连接，时钟控制模块106也与AD转换模块相连接。电极信号采集模块101，用于将微电阻率成像仪极板上的各电极流入地层的电流信号转换为并行的电极电压信号；分时传输模块102，用于对电极电压信号进行分时传输，将并行的电极电压信号转换为串行的电极电压信号；低噪声放大模块103，用于减小串行电极电压信号的噪声密度并对其进行增益放大，生成低噪声放大后的电极电压信号；带通滤波器模块104，用于对低噪声放大后的电极电压信号进行带宽限制，生成带通滤波处理后的电极电压信号；AD转换模块105，用于将带通滤波处理的电极电压信号转换为电极电压数字信号；时钟控制模块106，用于根据AD转换模块的工作状态控制系统时钟；信号接收单元107，用于接收AD转换后的电极电压数字信号。 

此外，本实用新型实施例的电极信号采集模块101包括：多个电阻，电阻与微电阻率成像仪的电极一一对应，将微电阻率成像仪的各电极电流信号转换为电极电压信号，并且电极信号采集模块的各电阻的阻值小于10欧姆。 

本实用新型的低噪声放大模块103包括：n个差分放大器，与n个模拟开 关一一对应，差分放大器采用多个并联的三极管作为差分放大器的输入级，对输入的电极电压信号进行低噪声放大；n个运算放大器，与差分放大器相连接，用于提高低噪声放大模块的电路增益。 

本实用新型的时钟控制模块106包括：AD检测单元，检测AD转换模块105的工作状态；时钟控制单元，根据检测到的AD转换模块105的工作状态控制系统时钟，AD检测单元检测到AD转换模块105启动AD转换时，时钟控制单元关闭系统时钟；AD检测单元检测到AD转换模块105的转换完成时，开启系统时钟。 

本实用新型的微电阻率成像仪器电极信号检测装置还包括延迟消除模块，控制分时传输模块对所述的各电极电压信号的传输时间，消除电极电压信号通过滤波模块后形成的信号延迟。 

本实用新型的带通滤波模块104包括：n个高Q值带通滤波器，与低噪声放大模块的运算放大器一一对应，对滤波模块生成的低噪声放大后的电极电压信号带宽限制。 

本实用新型公开的微电阻率成像仪器电极信号检测装置，其阵列探头的信号采用很少的放大器通道进行信号采样、放大、无群延迟带通滤波、驱动以及分时控制输出、无时钟干扰AD转换、DSP矢量相敏检测、通讯驱动等，将得到的信号进行高信噪比、低噪声放大。下面以具体的实施例对本实用新型做进一步详细说明。 

图2所示为微电阻率成像仪极板的结构图，其中，201为微电阻率成像仪极板，在极板201上有排列规则的电极202，极板201具有一空间203用于放置电极信号检测电路，即本实用新型微电阻率成像仪器电极信号检测装置。 

如图3所示，为本实用新型微电阻率成像仪器电极信号检测装置的结构框图。其中包括：低噪声模拟开关部件302，前置放大器303，带通滤波器304，无群延迟控制部件305，AD转换模块306，单片机308，FPGA309，控制单元310及电阻307。 

为了检测电极流入地层的电流，在每个电极与极板体外壳导体之间连接一个小于10欧姆的电阻307，电阻307用于将微电阻率成像仪各电极流入地层的电流转换为电压，这里为了减小电极信号的噪声，电阻307应采用无噪声材料，并且是高精密的，总共n个电阻，为不影响电极之间信号的一致性，电阻307互相之间的差别很小。微电阻率成像仪的电极电流信号通过电阻307转换为电压信号后，进入低噪声模拟开关部件302，n个电阻具有n道信号，模拟开关部件302按照分时传输方式进行顺序切换，本实施例中，模拟开关部件包括多个模拟开关，根据电极数目及采用的模拟开关的输入确定模拟开关的数目，采用8选一模拟开关时，在模拟开关前信号并行输入，如第一个8选1模拟开关输入为1、2、3、4、5、6、7、8道信号，第二个模拟开关输入为9、10、11、12、13、14、15、16，第三个模拟开关输入为17、18、19等等，经过模拟开关的分时传输后，在模拟开关后输出的是一个串行的按照一定顺序排列的电极电压信号，输出信号为1、9、17、2、10、18等等。每个电极电压信号由于对应地层电阻率不同，它们的大小是不同的，因此在这里输出的看上去就像一个一个幅度不同的多个波形组成信号串。 

在模拟开关部件302后连接的是与模拟开关部件302中的模拟开关对应的低噪声前置放大器303，本实用新型实施例中的前置放大器，其电压噪声密度远小于常用运算放大器的电压噪声密度，本实用新型中的前置放大器实现上采用专用超低噪声输入专用三极管MAT02多个并联作为差分放大器输入级，从而减小放大器输入电压噪声密度，最终减小了整体电路输出噪声，差分放大器后接一个运算放大器，目的是提高电路增益，这样实现的前置放大器的电路噪声可以做到电压噪声密度小于0.5nV/Hz1/2，由于电路输出噪声一般由电路放大器的第一级决定，在本电路中电压噪声密度起决定作用，因此输入级电压噪声密度减小，电路系统输出的电压噪声就小。 

在前置放大器303的输出连接一个高Q值带通滤波器304，用于限制信号带宽，由于信号输出噪声与电路放大器的带宽有很大关系，带宽越小，电 路输出噪声越小，有用信号越容易恢复，也才能准确，在本系统中，电极通道很多，每个通道专用时间很短，这样为了很好检测电极信号，在电路的模拟部分就要将噪声降低。 

高Q值带通滤波器304后是一个无群延迟控制部件305，该部件的作用是将每一个通道信号，原来是按照电极顺序串行传输的电极信号，因为带通滤波器原因产生的每个电极信号群，信号群与电极电压关系：电极接受的信号是正弦波，它的周期一般是10KHz左右，要检测的每个电极的电压信号就是正弦波的幅度，检测电极信号中，一般是检测正弦波的多个周期，这多个周期的正弦波就叫信号群，信号群的每个单周期信号的幅度平均值就是要检测的电极电压前部和后部产生的延迟消除，这样在后续处理中将可以充分利用电极信号群时间，提高电极群信号检测精度，降低检测的噪声，电路上实现采用增长每道信号持续时间，信号持续时间由最前面的模拟开关对每道信号打开时间决定，然后采用定时选取信号持续部分有用信号实现。 

在无群延迟控制部件305后信号进入无始终干扰AD转换模块306，AD转换模块306将电极电压信号由模拟信号转换为数字信号，量化位数为16位。由于系统中有单片机类元件，因此系统必然有时钟，一般频率都在5MHz以上，这样的高频信号对模拟电路的干扰很大，为了减小对AD转换的干扰，采用在采样信号和AD转换期间，将系统时钟关闭，这样在AD转换过程中没有高频干扰，转换精度高，电路上采用CPLD控制一个带有时钟输出使能信号的晶振，当启动AD转换时将时钟输出停止，并且使PIC等单片机处于休眠状态，当AD转换完成后，利用AD转换完成信号启动晶振输出时钟并且唤醒单片机工作，这样保证系统工作不出现差错。在转换完成后再启动系统时钟完成其他控制。 

AD转换后的电极数字化信号进入单片机308，在那里将采集的电极信号进行矢量数字相敏检测，求取信号的幅度，同时该单片机308进行模拟开关的控制，产生系统需要的时序。与AD转换、单片机、模拟开关以及接收单 元相连的有一个FPGA单元，它主要进行系统时序控制，一方面对AD转换进行控制，另外与接收单元310进行通讯，接收单元发来的与电极发射信号同步的控制信号启动AD转换，将单片机计算的电极信号幅度传送到接收单元。接收单元是微电阻率成像仪器的一个重要组成部分，在这里主要负责与检测电路的通讯。 

图4为本实用新型的信息传输时序，采用双线传输数据、时钟以及控制时序，一根是数据线，主要传输下发命令数据、接收命令正常反馈命令、AD启动同步时钟、计算输出电极数据、电极数据CRC校验数据等，在时钟线上发送对应数据的时钟，数据线和时钟线均为双向传输，即是向下发送线也是向上发送信号线。首先接收单元向检测电路系统发送控制命令，该命令用于控制检测电路处于什么状态，当接收命令正常时将该命令再通过信号线反馈到接收单元，然后检测系统就处于相应的状态工作；当检测电路处于正常采集状态时，接收单元通过数据线发送与接收信号同步的控制时钟，时钟控制AD转换进行工作；在电极信号采集完全并计算完成后，电路系统将电极数据通过双向信号线将数据发送到接收单元进行处理；当然在发送数据后有CRC校验数据也是通过双向信号线进行传输。 

本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。 

Claims (7)

1.一种微电阻率成像仪器电极信号检测装置，其特征在于，所述的装置包括：电极信号采集模块、分时传输模块、低噪声放大模块、带通滤波模块、AD转换模块及时钟控制模块；

所述的电极信号采集模块通过所述的分时传输模块与所述的低噪声放大模块相连接，所述的低噪声放大模块通过所述的带通滤波模块与所述的AD转换模块相连接，所述的时钟控制模块与所述的AD转换模块相连接；其中，

所述的电极信号采集模块，将所述微电阻率成像仪的极板上的各电极流入地层的电流信号转换为并行的电极电压信号；

所述的分时传输模块，包括n个模拟开关，对所述的并行的电极电压信号进行分时传输，将并行的电极电压信号转换为n道串行的电极电压信号；

所述的低噪声放大模块，对所述的n道电极电压信号进行增益放大，生成低噪声放大后的电极电压信号；

所述的带通滤波模块，对所述的低噪声放大后的电极电压信号进行带通滤波，对所述的低噪声放大后的电极电压信号带宽限制，生成带通滤波处理后的电极电压信号；

所述的AD转换模块，将所述的带通滤波处理后的电极电压信号转换为电极电压数字信号；

所述的时钟控制模块，根据所述的AD转换模块的工作状态控制系统时钟。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的电极信号采集模块包括：多个电阻，所述的电阻与所述的微电阻率成像仪的电极一一对应，将所述的微电阻率成像仪的各电极电流信号转换为电极电压信号。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的电极信号采集模块的各电阻的阻值小于10欧姆。 

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的低噪声放大模块包括：

n个差分放大器，与所述的n个模拟开关一一对应，所述的差分放大器采用多个并联的三极管作为差分放大器的输入级，对输入的电极电压信号进行低噪声放大；

n个运算放大器，与所述的差分放大器相连接，用于提高低噪声放大模块的电路增益。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的时钟控制模块包括：

AD检测单元，检测所述的AD转换模块的工作状态；

时钟控制单元，根据检测到的AD转换模块的工作状态控制系统时钟，所述的AD检测单元检测到AD转换模块启动AD转换时，所述的时钟控制单元关闭系统时钟；所述的AD检测单元检测到AD转换模块的转换完成时，开启系统时钟。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的装置还包括：

延迟消除模块，控制所述的分时传输模块对所述的各电极电压信号的传输时间，消除所述的电极电压信号通过滤波模块后形成的信号延迟。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的带通滤波模块包括：

n个高Q值带通滤波器，与所述的低噪声放大模块的运算放大器一一对应，对所述的滤波模块生成的低噪声放大后的电极电压信号带宽限制。 

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