微型一體化井下電阻率探管設(shè)計方案

1、微型一體化井下電阻率探管的設(shè)計-電氣論文微型一體化井下電阻率探管的設(shè)計宮?。ò不绽砉ご髮W(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001 ）【摘 要】針對傳統(tǒng)的電阻率探管存在體積較大、笨重、不便于攜帶等問題 導(dǎo)致在很多特殊地形無法測量，限制儀器的使用范圍。本文提出了一種微型一體 化電阻率探管的設(shè)計方案，適用于復(fù)雜環(huán)境下礦井工礦的測量。關(guān)鍵詞微型；一體化；電阻率0引言測井儀是在煤礦勘探和開發(fā)過程中進行測量、記錄、分析井下巖層與地質(zhì)或 流體的物理特性，并對井下油氣煤進行評價與檢測的一種技術(shù)裝置1-2。測井儀主要針對井下各種情況的參數(shù)進行探測。本文設(shè)計的井下電阻率探管，即對井 下的礦井介質(zhì)實現(xiàn)采集，傳輸，存

2、儲等功能。傳統(tǒng)的電阻率探管，由于體積較大、笨重、不便于攜帶等一些問題，導(dǎo)致在很多特殊地形無法測量，而且功能單一，僅采取數(shù)據(jù)，無法立即對數(shù)據(jù)進行分析， 能耗高。本文提出了一種小型一體化電阻率探管，以STM32F103單片機為核心， 內(nèi)置32k到128k的閃存，速度快，性能強，外設(shè)多，實現(xiàn)了高性能、低成本、 低功耗的目標(biāo)。同時采用集成電路，整體電路符合本安電路設(shè)計要求，讓系統(tǒng)更 加小型化3-4。在數(shù)據(jù)傳輸方面采用了 CAN總線數(shù)據(jù)傳輸方式，使得數(shù)據(jù)傳輸 更加穩(wěn)定，高效，快速。很好的減輕了工作負(fù)擔(dān)，縮短了工作時間，同時降低了 工作成本。1系統(tǒng)總體設(shè)計該系統(tǒng)總體設(shè)計主要為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系

3、統(tǒng)框圖如圖1所示。 軟件系統(tǒng)由初始化模塊、在線模式、離線模式、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、 數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。該電阻率探管的主要功能就是測量鉆孔中巖石， 礦石的電阻 率。在測量電阻率時，要給巖層供入電流，并測量巖層在不同位置上因供入電流 而產(chǎn)生的電位差，從而計算出視電阻率。同時通過 CAN數(shù)據(jù)采集卡，與PC機 相連。測量得到的數(shù)據(jù)，可以經(jīng)過運算處理得到最終的測量結(jié)果， 同時可以對結(jié) 果進行存儲與傳輸?shù)忍幚怼 J MMtfj ft -iff打人it： 1亀氓揮管垂確吃圜2 系統(tǒng)硬件設(shè)計電阻率探管整體由單片機控制模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、存儲模塊、通訊 模塊、電源模塊構(gòu)成。單片機控制模塊用于對用

4、戶命令的響應(yīng)并對采集到的多組 數(shù)據(jù)進行算法上的處理，進行處理篩選符合條件的數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的測量精度， 同時對其他模塊進行控制。發(fā)射模塊實現(xiàn)了對測量信號的發(fā)射處理。接收模塊用 于對發(fā)射后的測量信號進行接收并通訊于存儲模塊。 存儲模塊對控制模塊處理篩 選后的信號進行存儲。通訊模塊可以與含有 CAN模塊的設(shè)備或具有數(shù)據(jù)采集卡 的PC通訊。電源模塊向整個系統(tǒng)進行供電保證系統(tǒng)的正常運行。整體硬件電路參考了本安防爆規(guī)范：GB3836.4-2000。考慮到本安防爆對設(shè)備耗電流的規(guī)定，所以盡量選取了低功耗的芯片，使電阻率探管整體耗電量降低到10mA02.1單片機控制模塊核心芯片采用了 100針引腳基于cort

5、ex-M3 處理內(nèi)核的新一代 ARM芯片 STM32F103。該芯片自帶了 CAN通訊模塊，只需外接 CAN收發(fā)器即可實現(xiàn) CAN總線通訊，簡化了電路設(shè)計，縮小了電路板體積，具有優(yōu)異的實時性能與 杰出的功耗控制，最大限度的控制了該測井儀的能耗。 在最大程度的集成整合的 基礎(chǔ)上縮小了產(chǎn)品的體積，從而使得儀器輕便易攜帶。其豐富的10 口及各種外設(shè)資源更多是能夠滿足各種嵌入式控制領(lǐng)域的需求?？紤]到性價比我們選用這款-H- UL 心片。2.2 發(fā)射模塊在常規(guī)直流電法勘探中，僅存在 2個回路，其中一個為供電回路（稱為 AB 回路），另一個為測量回路（稱為 MN回路）。ABMN在空間上組成某一種測量 裝置

6、。測量電阻率只需精確測量 MN兩端的電壓與AB回路中的電流，并將所 測參數(shù)進行轉(zhuǎn)換即可。2.3接收模塊采集部分主要分為采集前置電路與 AD采樣部分。由于地電信號非常的微弱， 故而必須將其放大同時對噪聲進行處理濾波，減少干擾，因此需要采集前置電路部分，它主要由四個部分組成，分別是：低通濾波部分、儀表放大器部分，差分 放大部分和跟隨器部分。為了避免周邊環(huán)境例如雷電等產(chǎn)生的高頻干擾，需要在 最前端添加低通濾波電路。之后為了降低信號的共模干擾同時對信號進行增益放 大接入由兩個運放TLV2402組成的儀表放大器電路。再此后將雙端輸入信號通 過一個差分放大電路，更好的抑制共模比，進一步增益信號，同時轉(zhuǎn)換成

7、單端信 號給跟隨器，通過跟隨器提升輸入阻抗。2.4 存儲模塊用SD卡進行存儲，考慮到成本沒有采用文件管理芯片，而是采用了軟件的方 式通過STM32F103直接操控SD卡的讀寫，同時通過移植FATFS文件管理系統(tǒng) 實現(xiàn)對SD卡文件的管理。2.5 通訊模塊由于采集節(jié)點在礦井下，故向下通訊必須考慮到礦井下通訊的特殊性：距離 遠、干擾大、充滿易爆氣體、潮濕等。綜合以上因素，選擇了 CAN總線來實現(xiàn) 向下通信。CAN總線具有傳輸距離遠抗干擾能力強的特點，滿足礦井內(nèi)使用的 要求。同時核心芯片STM32F103自帶的CAN模塊，僅需要在外面集成一個收 發(fā)器即可完成。3系統(tǒng)軟件設(shè)計在硬件電路的基礎(chǔ)上，需要對芯

8、片 STM32F103進行軟件程序的編寫，使得 電阻率探管按照指定的方式工作，完成對數(shù)據(jù)的采集、初步處理以及對數(shù)據(jù)的傳 輸?shù)裙δ堋＼浖到y(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊。并可分 為在線模式與離線模式。具體主程序流程圖如圖2所示，程序首先進行初始化，設(shè)置芯片STM32F103 內(nèi)部各個工作寄存器的內(nèi)容，以及其他電路的初始狀態(tài)。其中初始化主要包括單 片機、SPI、CAN總線、CH376、串口以及時鐘初始化。START 'J|Ll*'、. 杓作 v tip橫 »2>I rft一 / ' -.S 嚴(yán);:I；.一皿I p呂ii4K=（I樓第*51直）

9、ra2電阻率探雋主理序育用囲電阻率探管通過向測試介質(zhì)中供入方波，測量方波的電流（AB ）和電壓（MN），以獲得介質(zhì)的視電阻率和視極化率。電阻率探管離線或在線啟動探管后，進入發(fā)射、采樣和計算數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)傳輸。對 AB回路發(fā)射雙極性電流脈沖 要求：脈沖類型固定：雙極性脈沖。脈沖寬度固定：占空比 1:1，脈寬500ms， 每次發(fā)射時長共2500ms。4 結(jié)語本文提出的電阻率探管，經(jīng)過實驗驗證，不僅適應(yīng)各種復(fù)雜地形，擴大了儀 器的使用范圍；在結(jié)構(gòu)上進一步優(yōu)化，使得整體輕便，易于攜帶；降低了功耗， 延長了工作時間；采用CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，提高了傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與實 時性。實驗證明本系統(tǒng)具有良好的性能，能夠很好的滿足礦下探測的需要。參考文獻1龐巨豐,李長星，施振飛，等.測井原理及儀器M.北京:科學(xué)出版社，2008.