基于電磁感應(yīng)的多層管柱電磁探傷測(cè)井系統(tǒng)

電橋的負(fù)載為發(fā)射線圈。我們小組通過查閱資料，以文獻(xiàn)指標(biāo)為參考，采用0.6mm漆包線，將發(fā)射線圈和接收線圈密繞在同一根空心塑膠管上，實(shí)物如圖 12所示：

圖 12 自制發(fā)射線圈實(shí)物圖

經(jīng)測(cè)量，發(fā)射線圈和接收線圈的指標(biāo)為：D=2.6cm，L=0.31mH，R=2.7Ω。 發(fā)射機(jī)電路連接如圖 13所示，其中負(fù)載為發(fā)射線圈。

圖 13 發(fā)射機(jī)電路原理圖

IRS2110的輸入與PIC32單片機(jī)的RD9，RD11兩腳相連。通過RD9和RD11電平的交替變化，時(shí)序如圖7所示，就可以產(chǎn)生交替變化的柵壓，進(jìn)而控制MOSFET開關(guān)的開啟，在發(fā)射線圈兩端產(chǎn)生雙極性脈沖。

圖 14 發(fā)射機(jī)模塊時(shí)序圖

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，電流脈沖總存在一定的上升延遲和下降延遲，使電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間變長(zhǎng)，尤其是當(dāng)下降沿陡度不夠時(shí)，接收線圈對(duì)二次場(chǎng)的感應(yīng)受到一次場(chǎng)的干擾；除此之外，電流脈沖呈線性下降，能夠在油管中產(chǎn)生穩(wěn)定的感生電流。

故對(duì)發(fā)射線圈電流脈沖要求：上升沿盡量陡，下降沿陡且線性度好。

衰減曲線的模擬及模型解釋

鑒于比賽的時(shí)間緊迫和缺少不同損傷類型油井管道等硬件條件，我們小組經(jīng)過討論，決定用可變電阻和瓷片電容并聯(lián)充放電地形式來模擬接收線圈中的指數(shù)衰減曲線，電路如下圖所示：

圖 15 衰減曲線模擬電路

模擬的衰減曲線衰減速率與可變電阻的阻值有關(guān)。根據(jù)前述衰減速度同管壁損傷的關(guān)系和

電容充放電公式：和,當(dāng)滑動(dòng)變阻器的阻值變小時(shí)，模擬的是管壁較?。ㄓ袚p傷）的情況；當(dāng)滑動(dòng)變阻器的阻值增大時(shí)，模擬的是管壁較厚（無損傷）的情況。

接收機(jī)模塊

接收機(jī)模塊由接收線圈，前置放大電路，可編程放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。其中，接收線圈如前文所述，和發(fā)射線圈密繞在同一根空心塑膠管上。

前置放大電路

在瞬變電磁法套管檢測(cè)中，信號(hào)源是不接地的接受線圈，感應(yīng)的電壓信號(hào)衰變同指數(shù)曲線的形態(tài)相似，幅度的變化范圍很大，且在時(shí)間上早、中、晚期的衰變速度相差相當(dāng)大。信號(hào)的頻帶寬度較小，頻譜能量主要集中在低頻部分。就信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍考慮，前置放大電路的放大倍數(shù)應(yīng)該很小，信號(hào)中、晚期屬弱信號(hào)，必須考慮放大器的性能：信號(hào)的頻帶寬度要求放大器是低頻放大。為了提高瞬變電磁信號(hào)數(shù)據(jù)采集的精度，減少系統(tǒng)的噪聲，可以從兩個(gè)方面著手，一方面是盡量減少前置放大電路的噪聲系數(shù)，因?yàn)榍凹?jí)放大對(duì)噪聲的影響最大；另一方面必須考慮信號(hào)源阻抗與前置放大電路源阻抗的匹配，以提高額定功率的增益。此外，放大電路輸入阻抗應(yīng)使接收線圈處于臨界阻尼狀態(tài)的匹配。按照以上要求，根據(jù)瞬變電磁信號(hào)的特點(diǎn)，選擇多運(yùn)放組合的測(cè)量放大器作為前置放大電路是較適合的。測(cè)量放大器具有很高的共模抑制比，可抑制各種共模干擾引入的誤差。

瞬變電磁法套管檢測(cè)系統(tǒng)的前置放大電路如圖 16所示，選擇普通放大器集成芯片OP07來設(shè)計(jì)通用的測(cè)量放大器，三運(yùn)放組成的測(cè)量放大器如圖中所示。

上面設(shè)計(jì)的三運(yùn)放組合式測(cè)量放大器由兩級(jí)構(gòu)成，第一級(jí)為對(duì)稱的同相放大器，第二級(jí)為差動(dòng)放大器。

圖 16 前置放大電路

為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的能力，設(shè)置測(cè)量放大器上下對(duì)稱，根據(jù)虛短虛斷，可以推出測(cè)量放大器閉環(huán)增益為：

由上式可知，通過調(diào)節(jié)電阻R1,可以很方便的改變測(cè)量放大器的閉環(huán)增益。

可變?cè)鲆娣糯箅娐?p>在瞬變電磁法套管檢測(cè)系統(tǒng)中，欲測(cè)量的二次場(chǎng)信號(hào)的基本特點(diǎn)就是信號(hào)弱，且動(dòng)態(tài)范圍較大，而且要對(duì)三路磁探頭信號(hào)進(jìn)行分時(shí)處理。為了滿足瞬變電磁信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大、信號(hào)弱，以及要對(duì)三路磁信號(hào)測(cè)量的要求，在電路設(shè)計(jì)中采用前置放大電路后通過四路單刀單擲開關(guān)接可變?cè)鲆娣糯箅娐返姆椒?，在不同的時(shí)期對(duì)三路磁信號(hào)進(jìn)行分時(shí)測(cè)量，由PIC單片機(jī)控制不同的放大倍數(shù)，這樣可以減小信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，從而使三個(gè)磁探頭的信號(hào)均能實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)?？勺?cè)鲆娣糯箅娐返脑韴D如圖3.8所示，它是由放大器集成芯片OP27和四路單刀單擲模擬開關(guān)H1201相配合構(gòu)成的，OP27具有噪音低、線性好、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，對(duì)于磁探頭信號(hào)能實(shí)現(xiàn)精確的放大。

圖 17 可變?cè)鲆娣糯箅娐?p>

由于縱向探頭A是主探頭，其作用最為重要；橫向探頭B,C為輔助探頭，協(xié)助縱向探頭A工作，在同一個(gè)時(shí)期對(duì)三路探頭進(jìn)行分時(shí)處理時(shí)，采樣順序定為A,A,A,B,C,A,A,A,B,C…這是由PIC32的RD1，RD2，RD3三個(gè)引腳控制的。

不同時(shí)期信號(hào)的放大倍數(shù)是由PIC32的RD12，RD13，RD4三個(gè)引腳控制的：

RD12有效，早期增益

RD13有效，中期增益

RD4有效，晚期增益

通過調(diào)節(jié)的阻值，即能改變放大倍數(shù)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的選擇

將可變?cè)鲆娣糯箅娐份敵龅男盘?hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，即完成了對(duì)接收線圈信號(hào)的采集。根據(jù)電磁法管柱探傷的特點(diǎn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

1. 較高的采樣速率。根據(jù)香農(nóng)采樣定律，只有當(dāng)采樣頻率不小于采集信號(hào)頻譜最高頻率的2倍，才能不失真地還原出采樣信號(hào)。瞬變電磁方法實(shí)際上是寬頻的電磁系統(tǒng)，在理論上，其頻譜可以無限延伸，其中包括了頻域電磁方法的整個(gè)頻帶(幾Hz—幾kHz)。因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的最高采樣頻率最少為10kHz。
2. 支持雙極性采樣。由于激勵(lì)信號(hào)時(shí)雙極性脈沖，所以接收線圈產(chǎn)生的信號(hào)也應(yīng)是雙極性的。
3. 較高的采樣精度。由于采樣信號(hào)具有動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)（幾V—幾十uV），在采樣后期，經(jīng)過放大的信號(hào)幅值仍然很小，這就需要較高的采樣精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)應(yīng)不小于12Bits。

綜合以上各方面考慮，我們選用了ADI公司的14Bits模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7894。其采樣速率可達(dá)到160ksps以上，輸入范圍為-10V — +10V，1LSB僅為1.22mV，且為單電壓供電，使用簡(jiǎn)單。

主要參數(shù)的計(jì)算

接收機(jī)模塊的主要參數(shù)包括：前放增益；前，中，后三個(gè)時(shí)期的劃分和增益；采樣時(shí)隙和點(diǎn)數(shù)確定。

設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)要遵守以下三點(diǎn)：1. 信號(hào)放大后不能超過模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍-10V--+10V，控制采樣的放大倍數(shù) ；1. 為了保證采樣的精確性，要合理地劃分時(shí)期 ；3. 前期衰減快，時(shí)隙應(yīng)較??；后期衰減慢，時(shí)隙應(yīng)較大。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，我們確定以上參數(shù)為：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探頭采樣6*3個(gè)點(diǎn)，B探頭采樣6個(gè)點(diǎn)，C探頭采樣6個(gè)點(diǎn)。采樣時(shí)隙 300us。

中期：11ms—45ms A探頭采樣12*3個(gè)點(diǎn)，B探頭采樣12個(gè)點(diǎn)，C探頭采樣12個(gè)點(diǎn)。采樣時(shí)隙 400us。

后期：45ms—110ms A探頭采樣30*3個(gè)點(diǎn)，B探頭采樣30個(gè)點(diǎn)，C探頭采樣30個(gè)點(diǎn)。采樣時(shí)隙 500us。

通信模塊設(shè)計(jì)

油井、氣井的一般深度為 3km 左右，有的甚至深達(dá) 5km。對(duì)于一般的傳輸方法都不能滿足如此大距離的有效傳輸。CAN-bus協(xié)議是一種通用的串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際場(chǎng)合中有許多的應(yīng)用，比如：汽車、煤礦、油田、艦船、電力、生產(chǎn)線等。其具有通信速率高、開放性好、報(bào)文短、糾錯(cuò)能力強(qiáng)以及控制簡(jiǎn)單、擴(kuò)展能力強(qiáng)、系統(tǒng)成本低等特點(diǎn)。CAN總線短距離通信中的數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)到10Mbps，遠(yuǎn)距離通信可以達(dá)到10km。本系統(tǒng)采用CAN總線實(shí)現(xiàn)井上和井下的通信，在中間加入數(shù)個(gè)CAN中繼器后，可以以50kbps的波特率穩(wěn)定的通信。

PIC32MX CAN模塊介紹

PIC32MX795F512L單片機(jī)提供有控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）模塊，CAN模塊實(shí)現(xiàn)了CAN2.0B協(xié)議，該協(xié)議主要用于工業(yè)和汽車應(yīng)用。該異步串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議能在電氣噪聲環(huán)境下提供可靠的通信。PIC32MX器件系列可以集成了兩個(gè)CAN模塊。

圖 18 PIC32MX CAN 模塊框圖

圖 18是PIC32MX CAN 模塊框圖。CAN模塊有32個(gè)報(bào)文FIFO，每個(gè)FIFO最多可包含32個(gè)報(bào)文，總共可包含1024個(gè)報(bào)文，32 個(gè)用于報(bào)文過濾的接收過濾器，4個(gè)用于報(bào)文過濾的接收過濾器屏蔽器寄存器，能夠自動(dòng)響應(yīng)遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求。并且提供環(huán)回、監(jiān)聽所有報(bào)文和監(jiān)聽模式，用于自檢、系統(tǒng)診斷和總線監(jiān)視；低功耗工作模式；專用的時(shí)間標(biāo)記定時(shí)器等特性。PIC32MX7系列強(qiáng)大的CAN模塊能夠快捷地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信部分功能。

CAN總線電路

圖 19為給出了典型 CAN 總線拓?fù)涞膱D示。

圖 19 典型的 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)

CAN收發(fā)器我們選擇通用 CAN 隔離收發(fā)器CTM8251AT，CTM8251AT是一款帶隔離的通用CAN收發(fā)器芯片，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件，這些都被集成在不到3平方厘米的芯片上。該芯片特別適合+3.3V系統(tǒng)的CAN控制器，實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)的收發(fā)與隔離功能。CTM8251A接口芯片可以實(shí)現(xiàn)帶隔離的CAN收發(fā)電路，隔離電壓可以達(dá)到DC2500V，可以取代在以往的設(shè)計(jì)方案中需要光耦、DC-DC電源隔離、CAN收發(fā)器等其他元器件才能實(shí)現(xiàn)帶隔離的CAN收發(fā)電路，其接口簡(jiǎn)單，使用方便。

圖 20 CAN總線模塊電路

圖20是本系統(tǒng)中CAN總線模塊的電路。其中C1RX和C1TX接PIC32MX795F512L單片機(jī)的CAN1模塊接收和發(fā)送管腳（87、88管腳）。CGND為收發(fā)器地，F(xiàn)GND為屏蔽線地，F(xiàn)GND接電纜屏蔽線。

CTM8251AT與CAN總線的接口部分也采取了一定的安全和抗干擾措施。CTM8251AT的CANH和CANL引腳各通過一個(gè)5.1Ω的電阻和CAN總線相連，電阻可以起到一定的限流的作用，保護(hù)CTM8251AT免受過流的沖擊。由于是遠(yuǎn)距離，所以終端的一對(duì)電阻（RT1）是必要加的，電阻值隨著通訊距離的增加應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾?，?km通信距離以內(nèi)一般設(shè)為120Ω。