基于电磁感应的多层管柱电磁探伤测井系统

电桥的负载为发射线圈。我们小组通过查阅资料，以文献指标为参考，采用0.6mm漆包线，将发射线圈和接收线圈密绕在同一根空心塑胶管上，实物如图 12所示：

图 12 自制发射线圈实物图

经测量，发射线圈和接收线圈的指标为：D=2.6cm，L=0.31mH，R=2.7Ω。 发射机电路连接如图 13所示，其中负载为发射线圈。

图 13 发射机电路原理图

IRS2110的输入与PIC32单片机的RD9，RD11两脚相连。通过RD9和RD11电平的交替变化，时序如图7所示，就可以产生交替变化的栅压，进而控制MOSFET开关的开启，在发射线圈两端产生双极性脉冲。

图 14 发射机模块时序图

然而，在实际应用中，电流脉冲总存在一定的上升延迟和下降延迟，使电流达到稳态的时间变长，尤其是当下降沿陡度不够时，接收线圈对二次场的感应受到一次场的干扰；除此之外，电流脉冲呈线性下降，能够在油管中产生稳定的感生电流。

故对发射线圈电流脉冲要求：上升沿尽量陡，下降沿陡且线性度好。

衰减曲线的模拟及模型解释

鉴于比赛的时间紧迫和缺少不同损伤类型油井管道等硬件条件，我们小组经过讨论，决定用可变电阻和瓷片电容并联充放电地形式来模拟接收线圈中的指数衰减曲线，电路如下图所示：

图 15 衰减曲线模拟电路

模拟的衰减曲线衰减速率与可变电阻的阻值有关。根据前述衰减速度同管壁损伤的关系和

电容充放电公式：和,当滑动变阻器的阻值变小时，模拟的是管壁较薄（有损伤）的情况；当滑动变阻器的阻值增大时，模拟的是管壁较厚（无损伤）的情况。

接收机模块

接收机模块由接收线圈，前置放大电路，可编程放大电路以及模数转换器组成。其中，接收线圈如前文所述，和发射线圈密绕在同一根空心塑胶管上。

前置放大电路

在瞬变电磁法套管检测中，信号源是不接地的接受线圈，感应的电压信号衰变同指数曲线的形态相似，幅度的变化范围很大，且在时间上早、中、晚期的衰变速度相差相当大。信号的频带宽度较小，频谱能量主要集中在低频部分。就信号的动态范围考虑，前置放大电路的放大倍数应该很小，信号中、晚期属弱信号，必须考虑放大器的性能：信号的频带宽度要求放大器是低频放大。为了提高瞬变电磁信号数据采集的精度，减少系统的噪声，可以从两个方面着手，一方面是尽量减少前置放大电路的噪声系数，因为前级放大对噪声的影响最大；另一方面必须考虑信号源阻抗与前置放大电路源阻抗的匹配，以提高额定功率的增益。此外，放大电路输入阻抗应使接收线圈处于临界阻尼状态的匹配。按照以上要求，根据瞬变电磁信号的特点，选择多运放组合的测量放大器作为前置放大电路是较适合的。测量放大器具有很高的共模抑制比，可抑制各种共模干扰引入的误差。

瞬变电磁法套管检测系统的前置放大电路如图 16所示，选择普通放大器集成芯片OP07来设计通用的测量放大器，三运放组成的测量放大器如图中所示。

上面设计的三运放组合式测量放大器由两级构成，第一级为对称的同相放大器，第二级为差动放大器。

图 16 前置放大电路

为了提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的能力，设置测量放大器上下对称，根据虚短虚断，可以推出测量放大器闭环增益为：

由上式可知，通过调节电阻R1,可以很方便的改变测量放大器的闭环增益。

可变增益放大电路

在瞬变电磁法套管检测系统中，欲测量的二次场信号的基本特点就是信号弱，且动态范围较大，而且要对三路磁探头信号进行分时处理。为了满足瞬变电磁信号动态范围大、信号弱，以及要对三路磁信号测量的要求，在电路设计中采用前置放大电路后通过四路单刀单掷开关接可变增益放大电路的方法，在不同的时期对三路磁信号进行分时测量，由PIC单片机控制不同的放大倍数，这样可以减小信号的动态范围，从而使三个磁探头的信号均能实现有效的检测。可变增益放大电路的原理图如图3.8所示，它是由放大器集成芯片OP27和四路单刀单掷模拟开关H1201相配合构成的，OP27具有噪音低、线性好、稳定性高的特点，对于磁探头信号能实现精确的放大。

图 17 可变增益放大电路

由于纵向探头A是主探头，其作用最为重要；横向探头B,C为辅助探头，协助纵向探头A工作，在同一个时期对三路探头进行分时处理时，采样顺序定为A,A,A,B,C,A,A,A,B,C…这是由PIC32的RD1，RD2，RD3三个引脚控制的。

不同时期信号的放大倍数是由PIC32的RD12，RD13，RD4三个引脚控制的：

RD12有效，早期增益

RD13有效，中期增益

RD4有效，晚期增益

通过调节的阻值，即能改变放大倍数。

模数转换芯片的选择

将可变增益放大电路输出的信号送入模数转换器，即完成了对接收线圈信号的采集。根据电磁法管柱探伤的特点，模数转换器应具有如下特点：

1. 较高的采样速率。根据香农采样定律，只有当采样频率不小于采集信号频谱最高频率的2倍，才能不失真地还原出采样信号。瞬变电磁方法实际上是宽频的电磁系统，在理论上，其频谱可以无限延伸，其中包括了频域电磁方法的整个频带(几Hz—几kHz)。因此，模数转换器的最高采样频率最少为10kHz。
2. 支持双极性采样。由于激励信号时双极性脉冲，所以接收线圈产生的信号也应是双极性的。
3. 较高的采样精度。由于采样信号具有动态范围大的特点（几V—几十uV），在采样后期，经过放大的信号幅值仍然很小，这就需要较高的采样精度，模数转换器的转换位数应不小于12Bits。

综合以上各方面考虑，我们选用了ADI公司的14Bits模数转换器AD7894。其采样速率可达到160ksps以上，输入范围为-10V — +10V，1LSB仅为1.22mV，且为单电压供电，使用简单。

主要参数的计算

接收机模块的主要参数包括：前放增益；前，中，后三个时期的划分和增益；采样时隙和点数确定。

设计参数时要遵守以下三点：1. 信号放大后不能超过模数转换器的动态范围-10V--+10V，控制采样的放大倍数 ；1. 为了保证采样的精确性，要合理地划分时期 ；3. 前期衰减快，时隙应较小；后期衰减慢，时隙应较大。经过实验和计算，我们确定以上参数为：前放增益：2，前期增益：2，中期增益5.5，后期增益11。

前期：2ms—11ms A探头采样6*3个点，B探头采样6个点，C探头采样6个点。采样时隙 300us。

中期：11ms—45ms A探头采样12*3个点，B探头采样12个点，C探头采样12个点。采样时隙 400us。

后期：45ms—110ms A探头采样30*3个点，B探头采样30个点，C探头采样30个点。采样时隙 500us。

通信模块设计

油井、气井的一般深度为 3km 左右，有的甚至深达 5km。对于一般的传输方法都不能满足如此大距离的有效传输。CAN-bus协议是一种通用的串行通讯标准，在实际场合中有许多的应用，比如：汽车、煤矿、油田、舰船、电力、生产线等。其具有通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单、扩展能力强、系统成本低等特点。CAN总线短距离通信中的数据传输率最高可达到10Mbps，远距离通信可以达到10km。本系统采用CAN总线实现井上和井下的通信，在中间加入数个CAN中继器后，可以以50kbps的波特率稳定的通信。

PIC32MX CAN模块介绍

PIC32MX795F512L单片机提供有控制器局域网（Controller Area Network，CAN）模块，CAN模块实现了CAN2.0B协议，该协议主要用于工业和汽车应用。该异步串行数据通信协议能在电气噪声环境下提供可靠的通信。PIC32MX器件系列可以集成了两个CAN模块。

图 18 PIC32MX CAN 模块框图

图 18是PIC32MX CAN 模块框图。CAN模块有32个报文FIFO，每个FIFO最多可包含32个报文，总共可包含1024个报文，32 个用于报文过滤的接收过滤器，4个用于报文过滤的接收过滤器屏蔽器寄存器，能够自动响应远程发送请求。并且提供环回、监听所有报文和监听模式，用于自检、系统诊断和总线监视；低功耗工作模式；专用的时间标记定时器等特性。PIC32MX7系列强大的CAN模块能够快捷地实现系统的通信部分功能。

CAN总线电路

图 19为给出了典型 CAN 总线拓扑的图示。

图 19 典型的 CAN 总线网络

CAN收发器我们选择通用 CAN 隔离收发器CTM8251AT，CTM8251AT是一款带隔离的通用CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件，这些都被集成在不到3平方厘米的芯片上。该芯片特别适合+3.3V系统的CAN控制器，实现CAN节点的收发与隔离功能。CTM8251A接口芯片可以实现带隔离的CAN收发电路，隔离电压可以达到DC2500V，可以取代在以往的设计方案中需要光耦、DC-DC电源隔离、CAN收发器等其他元器件才能实现带隔离的CAN收发电路，其接口简单，使用方便。

图 20 CAN总线模块电路

图20是本系统中CAN总线模块的电路。其中C1RX和C1TX接PIC32MX795F512L单片机的CAN1模块接收和发送管脚（87、88管脚）。CGND为收发器地，FGND为屏蔽线地，FGND接电缆屏蔽线。

CTM8251AT与CAN总线的接口部分也采取了一定的安全和抗干扰措施。CTM8251AT的CANH和CANL引脚各通过一个5.1Ω的电阻和CAN总线相连，电阻可以起到一定的限流的作用，保护CTM8251AT免受过流的冲击。由于是远距离，所以终端的一对电阻（RT1）是必要加的，电阻值随着通讯距离的增加应进行适当的增加，在2km通信距离以内一般设为120Ω。