0 引言

　　目前新型的測(cè)井儀器為了獲得豐富的探測(cè)信息，其傳感器大都采用陣列的形式，如陣列感應(yīng)測(cè)井儀、聲波陣列測(cè)井儀和陣列側(cè)向測(cè)井儀等[1-4]。傳感器陣列的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，與其對(duì)應(yīng)的電子測(cè)量與控制系統(tǒng)的規(guī)模也比較龐大。由于井下的工作環(huán)境比較惡劣(高溫與高壓)，測(cè)井作業(yè)要求儀器系統(tǒng)必須具備很高的可靠性。除了機(jī)械部分必須耐受很高的壓強(qiáng)外，還要求電子測(cè)量系統(tǒng)適應(yīng)最低150 ℃的高溫。電子系統(tǒng)中諸多器件的性能參數(shù)都對(duì)溫度的變化比較敏感，如電感器、電容器、運(yùn)算放大器等。而由這些器件組成的調(diào)理電路不可避免地會(huì)出現(xiàn)溫度漂移的現(xiàn)象。因此，儀器的溫漂問題主要有兩個(gè)方面的原因，分別來(lái)自傳感器陣列和電子線路。目前，大部分的測(cè)井儀器都需要經(jīng)過復(fù)雜的溫度校正流程。為了保證測(cè)量精度，需要在地面測(cè)得儀器的溫度漂移曲線，用來(lái)對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)作后續(xù)的溫度校正。而與傳感器陣列相對(duì)單調(diào)的溫漂曲線相比，電子線路由于受諸多電子元器件溫漂的影響，其溫度漂移趨勢(shì)一般都比較復(fù)雜。如果能抑制電路溫度漂移的影響，就能提升儀器的可靠性，并簡(jiǎn)化整機(jī)的溫度校正工作。

1 測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1.1 測(cè)量電路

　　測(cè)井儀電路系統(tǒng)一般可由電源、通信、發(fā)射、前置放大、測(cè)量和控制等幾部分構(gòu)成。其中測(cè)量和控制電路集中體現(xiàn)儀器的功能結(jié)構(gòu)，是完成信號(hào)測(cè)量和邏輯控制的核心。本文的設(shè)計(jì)中包括測(cè)量控制電路、發(fā)射電路和前置放大電路，三者的結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)射電流經(jīng)過取樣后，一方面作為參考信號(hào)直接送入測(cè)量控制電路，另一方面經(jīng)過衰減網(wǎng)絡(luò)得到不同幅度的刻度信號(hào)。

　　前置放大電路共有3路，每路包含1路刻度信號(hào)和5路目標(biāo)（線圈）信號(hào)，通過模擬開關(guān)進(jìn)行切換。因此該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)15路目標(biāo)信號(hào)的采集。前置放大電路根據(jù)目標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)度從衰減網(wǎng)絡(luò)中選擇幅度相當(dāng)?shù)目潭刃盘?hào)?？潭刃盘?hào)和目標(biāo)信號(hào)被前置放大器分時(shí)放大，然后送入測(cè)量控制電路，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和DPSD運(yùn)算。

　　1.2 測(cè)控電路

　　測(cè)控電路主要包括數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）以及4個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。其中3個(gè)用于完成前置放大電路信號(hào)的轉(zhuǎn)換，另一個(gè)用于參考信號(hào)的轉(zhuǎn)換。如圖２所示，4路ADC的并行數(shù)據(jù)同時(shí)輸入FPGA，利用FPGA并行運(yùn)算特性，高效地完成4路信號(hào)的DPSD運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果通過高速同步串行傳輸總線（SPI）送入DSP，利用DSP較強(qiáng)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，完成數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。DSP通過異步串口（SCI）將最終的測(cè)量結(jié)果傳輸至地面測(cè)控系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)處理流程

　　為了滿足多通道信號(hào)的測(cè)量要求，這里將刻度信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)分時(shí)復(fù)用一個(gè)前置放大器，以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。為了在分時(shí)復(fù)用過程中，確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位差，本文從發(fā)射電流取樣，將獲得的參考信號(hào)送入測(cè)量控制電路，通過DPSD算法計(jì)算出其相位，并將其作為刻度信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)的相位基準(zhǔn)。

　　圖3以一路前置放大電路為例給出了信號(hào)分時(shí)導(dǎo)通的時(shí)序圖。參考信號(hào)R作為相位基準(zhǔn)，在測(cè)量過程中需要一直導(dǎo)通。刻度信號(hào)C與目標(biāo)信號(hào)S1，S2，S3，S4，S5則依次通過前置放大電路。為測(cè)得各個(gè)信號(hào)的幅度和相位信息，本文采用DPSD算法[5]對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。ADC輸出的數(shù)據(jù)直接與FPGA內(nèi)部歸一化正弦和余弦函數(shù)完成DPSD運(yùn)算[6-8]，計(jì)算出信號(hào)的幅度和相位值。

　　在FPGA中同時(shí)對(duì)刻度信號(hào)C和參考信號(hào)R作上述正交化的DPSD運(yùn)算，得到兩者的幅度UC、UR和相位?茲C、?茲R，則兩信號(hào)可以表示為UC e和UR e。在DSP中對(duì)兩者作除法運(yùn)算，得到：

　　因?yàn)閷?duì)刻度信號(hào)和參考信號(hào)的DPSD運(yùn)算是同時(shí)進(jìn)行的，所以C、R是在相同參考相位下測(cè)得的。式(1)中的C-R為刻度信號(hào)與參考信號(hào)的相位差。同樣地，當(dāng)輸入的是目標(biāo)信號(hào)S時(shí)，重復(fù)上述計(jì)算，得到目標(biāo)信號(hào)與參考信號(hào)的幅度比和相位差，即：

　　雖然參考信號(hào)R相位未發(fā)生變化，但由于刻度信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)分時(shí)導(dǎo)通，新一輪的DPSD運(yùn)算的參考相位已經(jīng)改變，故式(2)中的參考信號(hào)相位用R示。在實(shí)際的測(cè)量過程中，由于受溫度的影響，信號(hào)調(diào)理電路的溫度漂移會(huì)導(dǎo)致放大器的傳遞參數(shù)發(fā)生改變。當(dāng)溫度的變化范圍較寬時(shí)，溫漂引起測(cè)量結(jié)果會(huì)發(fā)生很大的變化，若沒有校正，便難以真實(shí)地反映目標(biāo)的實(shí)際信息。為了考察前置放大器的溫漂對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，這里假設(shè)前置放大電路的傳遞系數(shù)為Aej?漬，其中，A為前置放大電路的增益。當(dāng)溫度變化時(shí)，電路的溫漂就體現(xiàn)在A和?漬的漂移。若考慮溫漂對(duì)刻度信號(hào)C和目標(biāo)信號(hào)S測(cè)量結(jié)果的影響，則將前置放大電路傳遞系數(shù)帶入式(1)和式(2)中，得到：

　　不難看出，經(jīng)過上述運(yùn)算后，S的測(cè)量結(jié)果與前置放大器的A和?漬無(wú)關(guān)，從而消除了前置放大電路的溫漂對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。將參考信號(hào)幅值乘以網(wǎng)絡(luò)的衰減系數(shù)便可以得到刻度信號(hào)的幅度UC，最后將式(5)乘以UC，即可算出目標(biāo)信號(hào)的幅值和相位。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　為驗(yàn)證該方法對(duì)電路系統(tǒng)溫度漂移影響的抑制作用，本文在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下完成了測(cè)試。通過單獨(dú)加熱儀器的測(cè)量電路部分，排除傳感器陣列在加熱過程中對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。測(cè)試過程中儀器被加熱到155 ℃左右，基本符合實(shí)際作業(yè)時(shí)儀器對(duì)耐高溫性能的要求。本文對(duì)加熱和降溫過程中的測(cè)量數(shù)據(jù)都做了記錄，一共大約6 000組測(cè)量結(jié)果，如圖4～圖7所示。

　　儀器先從室溫32 ℃加熱到最高溫度155 ℃，隨后停止加熱，讓儀器自然降溫到80 ℃，此過程模擬了儀器在常規(guī)作業(yè)時(shí)的溫度變化過程。圖5記錄了一路前置放大電路的增益值在測(cè)試過程中隨溫度的變化曲線。增益值A(chǔ)在儀器升溫和降溫的過程中有明顯的漂移，說明前置放大電路的溫漂是比較明顯的。圖6和圖7分別為對(duì)應(yīng)的5路目標(biāo)信號(hào)幅值和相位的變化曲線。在電路升溫和降溫的過程中，目標(biāo)信號(hào)的幅值和相位的測(cè)量結(jié)果始終保持穩(wěn)定，并未受到溫漂的影響。

　　對(duì)數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表1所示。其中的平均值(Mean)取決于各傳感器的輸出，均方差值(Rms)則反映了儀器的測(cè)量精度。0.255 39 V和0.033 50°的最大均方差能夠滿足系統(tǒng)對(duì)精度的要求。

　　在實(shí)際測(cè)量過程中，主要關(guān)注的是目標(biāo)信號(hào)與發(fā)射信號(hào)同相位的分量，也可稱其為實(shí)部分量，對(duì)應(yīng)的虛部分量則稱為直耦信號(hào)。本文用幅值和相位分析數(shù)據(jù)，可以更直觀地考察溫漂對(duì)測(cè)量的影響。另外兩個(gè)前置放大器對(duì)應(yīng)的測(cè)量曲線也表現(xiàn)出同樣的抑制效果。

4 結(jié)論

　　針對(duì)油田測(cè)井儀器的需求，本文設(shè)計(jì)的耐高溫測(cè)量系統(tǒng)采用分時(shí)復(fù)用的機(jī)制以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，為多組目標(biāo)信號(hào)的測(cè)量提供了可能。

　　高溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過對(duì)模擬調(diào)理電路進(jìn)行實(shí)時(shí)的內(nèi)刻度，并結(jié)合適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法，有效地抑制了信號(hào)調(diào)理電路中的溫漂對(duì)測(cè)量的影響。

　　本文所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的最高工作溫度是150 ℃。通過對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)字與模擬電路作處理后，能達(dá)到175 ℃的耐溫指標(biāo)，從而滿足大多數(shù)測(cè)井儀器對(duì)耐溫的要求。采用這種測(cè)量機(jī)制的測(cè)井儀可以省略電子線路的溫度校正，有利于簡(jiǎn)化儀器生產(chǎn)與維護(hù)流程。

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