密度測井中新型長短道穩譜的電路設計

常見的密度測井儀器^[1]一般會采用兩個高壓控制兩個探測器輸出，以實現穩譜^[2] 功能。本文介紹了用一路高壓實現兩路穩譜，經濟又能節省空間，特別實用于空間受限的井下儀器。

1 密度測井中高壓穩譜介紹

密度測井是由放射源銫-137向地層發射單能伽馬射線，射線的能量為662keV。射線與地層發生作用，主要是康普頓散射和光電效應。作用后的射線能量衰減，一部分被晶體探測器接收到，晶體探測接收到射線后會產生光信號，光信號再經過光電倍增管放大后，轉換成能夠被電路測量的電信號。不同能量的射線會產生不同電壓的電信號，通過對電壓值的測量就可以分辨出入射射線的能量^[1-2]。

為了使測量到的電信號與伽馬射線的能量能夠相互對應，我們需要將已知的662keV能量射線產生的電信號固定在一個電壓值上，相當于能量的參考值，這個過程就是穩譜。穩譜的效果會嚴重影響測量的精度，穩譜不穩則相當于參考值不穩，那么所測得的信號也是不準確的。

信號受環境影響很大，尤其是溫度的影響。同樣能量的射線和電路，在不同溫度下產生的電壓值是不同的，一般來講，溫度過高或過低時倍增管效率降低，這時要使662KeV的信號在原來的電壓值上，必須要適當增加倍增管的控制高壓；相之，則應該適當降低控制高壓。我們通過電路上的調節，使參考信號處于相對穩定的區域內，從而達到穩譜的目的。

2 電路設計方案

2.1 兩路高壓控制

一般的密度測井儀器都有兩個探測器，長源距探測器和短源距探測器^[3]。每個探測器都會有相應的晶體和倍增管總成實現光電信號的轉換，而每個倍增管配有1個輸出電壓可調的高壓電源模塊，來控制倍增管的工作，如圖1 所示。

圖1 高壓調節電路框圖

在電路上通過MCU和DAC產生1 個低壓信號Vctrl，用來控制高壓模塊的輸出電壓HV。當Vctrl增大時，HV增大，Vin也增大，用多道測量倍增管的輸出信號會發現能量峰向右偏移。相反，Vctrl降低時，能量峰左移，這樣我們就可以通過調節控制電壓的大小，來實現能量峰的相對固定，而不會產生偏移。

該電路的優點是控制可靠，缺點是需要兩個高壓模塊，占用的空間大，不便于實現小型化設計，而且高溫高壓模塊價格高，在成本上也會加倍。

2.2 固定高壓控制增益

該方案是根據倍增管的坪區特性，給長短道兩個倍增管一個固定的高壓值，兩道產生的信號通過不同的增益控制電路來進行信號調節，使信號輸出在設定的區域內，以此來實現穩譜功能^[4]。如圖2所示，固定高壓HV后，長短道各自輸出信號Vin，經過增益調節電路后，信號變為A*Vin。A是增益值，可通過MCU來控制大小。

圖2 增益調節電路

這種只調增益的方法優點是電路及控制相對簡單。缺點是信號可調范圍窄，適應性差。對于測井儀器，其環境溫度變化是很大的，最高可達200多度。而當溫度變化很大時，倍增管的輸出也會發生變化，當信號過小時，則A 需要調到很大，增益A 過大帶來的后果是信噪比降低；相反如果信號過大時，只調整增益A又會出現飽和現象。這兩種情況下都會影響測量精度，甚至使儀器出現故障。

圖3 穩譜核心電路

電路中U1（DAC）、U2（運放）、U3（高壓模塊）實現長源距的高壓調節，保證不同環境溫度下倍增管都能工作在合理范圍內。電路由控制器向U1發送控制數DAC1，其輸出電壓經過U2 后得到放大，輸出高壓控制電壓Vctrl，然后再經過高壓模塊輸出高壓值HV1，二者之間是線性關系，系數為K，則長源距的高壓值為：

HV1=Vctrl×K   (1)

HV1經過分壓電阻后得到高壓值HV2，用來給短源距倍增管提供高壓；同時短源距的信號NEARIN先輸入到運放U4，可對信號進行初步放大，放大系數為A，然后輸入到可調增益放大器U5，U5 是R-2R 型的14 bits 的DAC，由控制器向其發送控制數DAC2，其輸入輸出的關系是:

   (2)

這樣硬件上就實現了長、短源距信號的數字化控制，結合穩譜算法即可實現兩路的自動穩譜功能。

3 穩譜固件實現

電路設計實現后，固件的穩譜控制方法^[8] 也要隨之改變。如圖4 所示，固件開始運行后首先根據長道的信號對高壓進行調整，由穩譜算法計算出粗調因子FF1；如果FF1進入到了微調的范圍內，則需要進行細調，計算出細調因子CFF1；最后根據FF1或CFF1計算出DAC的值，發送DAC完成一次長道高壓調節。當長道高壓基本穩定，即CFF1小于域值時，開始進行短道調節，同樣進行粗調FF2或細調CFF2，然后發送DAC完成一次短道調節。至于穩譜因子的算法，一般采用四個能窗穩譜^[5]的方法，這里不做詳細介紹了。

圖4 穩譜固件流程

4 結束語

該電路實現了一個高壓控制長短探測器穩譜的功能，所采用的 1 路控制高壓 1 路控制增益的方法有多個優點：與兩路高壓控制相比，簡化了硬件設計，從而縮減空間、降低成本；與兩路增益控制相比具有更好的兼容性和可靠性。該電路已在實際測井儀器中得到了應用，事實證明穩譜效果非常好。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年7月期）