SDZ-5041谱分析分系统说明书

1、SDZ-5041谱分析分系统中国电子科技集团公司第二十二研究所 2008 年9月目 次1 概述11.1 仪器外形11.2 仪器的技术指标21.3 仪器简介32 注意事项72.1 操作安全性73 仪器的维修73.1 电路详细描述73.2 一般故障的排除151 概述1.1 仪器外形1.2 仪器的技术指标（一）战术技术指标最高工作温度：175，2h；最大工作压力：140Mpa；抗拉、抗压强度：不小于30t；仪器外径：不大于94mm；仪器供电： 180±10VAC，50±2HZ；仪器总线方式：CAN总线传输方式；壳体材料：钛合金：测量范围与精度：a、自然伽马 测量范围：0 1500

2、API准确度：±5API稳定性：±5%b、能谱测量范围：K 0 20% ；U 0 300 PPm ；Th 0 300 PPm准确度 ： K（钾）±1% ；U（铀）±2 PPm ；Th（钍）±4 PPm稳定性： ±5%c、补偿密度脉冲计数通道 测量范围：0 2000 CPS 准确度 ：±1 CPS上、下接头贯通线定义：接头序号上接头下接头1#:交流供电AC交流供电AC3#:液压推靠器收供电液压推靠器收供电4#:交流供电AC交流供电AC5#感应SP感应SP6#:液压推靠器开供电液压推靠器开供电7#:中子长源距脉冲信号中子长源距脉

3、冲信号8#:中子短源距脉冲信号中子短源距脉冲信号9#:贯通线贯通线10#:液压推靠器开、收供电回路液压推靠器开、收供电回路11#:脉冲信号地脉冲信号地21#:液压推靠器井径信号液压推靠器井径信号22#:中子信号地中子信号地23#CANHCANH24#CANLCANL25#密度短道脉冲26#密度长道脉冲29#液压推靠器井径信号地液压推靠器井径信号地30#密度短道高压控制信号31#密度长道高压控制信号:1.3 仪器简介SDZ-5041谱分析分系统包含自然伽马能谱和岩性密度谱分析两个部分。自然伽马能谱由闪烁体、光电倍增管、放大、256道谱分析和CAN通讯组成。岩性密度谱分析具有双256道谱分析和CA

4、N通讯组成，对岩性密度滑板输出的脉冲信号进行幅度测量。SDZ-5041谱分析分系统设有补偿密度计数功能。在连接液压推靠器、岩性（补偿）密度滑板的情况下，可以完成自然伽马能谱、岩性密度或补偿密度的测量。仪器组合顺序从上到下为：SDZ-5020集成化单元1SDZ-5040伽马短节SDZ-5041谱分析分系统 SDZ-5080补偿中子SDZ-5090液压推靠器SDZ-5100补偿密度（或SDZ-5101岩性密度）（其它）+导向胶锥1.3.1 伽马能谱自然伽马能谱能够测量岩层中放射性核素核衰变过程中放射出来的自然伽马射线的能量。岩石中的自然伽马放射性主要由238U放射系、232Th放射系和40K核素产

5、生。因此，自然伽马能谱测井就是对岩石中的自然伽马射线进行能谱分析，确定出放射性元素U、Th、K的含量。从而评价地层的岩性、生油能力以及解决更多的地质和油田开发中的问题。自然伽马能谱测井仪器就是将地层岩石中的天然伽马射线能谱测定出来，把伽马射线按能量分别进行量化。并把测量结果绘制成能谱图，然后将测得的伽马能谱经过一定的运算，转换成地层U、Th、K的含量。伽马射线探测器由光电倍增管和CsI闪烁体组成，当伽马射线进入CsI闪烁体时，闪烁体中的原子受激而产生荧光，荧光光子通过传导到光电倍增管的光阴极上，光子在光阴极上打出光电子，光电子在光电倍增管内不断倍增，最后形成电子束在光电倍增管的阳极上产生电压负

6、脉冲，然后送入电路中进行处理。射线能量闪烁体光强度光电倍增管输出脉冲幅度，存在着线性对应的关系。理想情况下，一定能量的射线转化的脉冲幅度都相等，被测脉冲应落在同一道中。但由于闪烁体被射位置不同，入射角不同；光电倍增管阴极光接收面灵敏度不同，光电倍增管噪声；电路噪声等原因。造成同一能量射线，所对应的脉冲幅度不同，但基本围绕某一幅度，上下波动。造成测量谱呈峰状出现。图1-1至1-4是几种情况下，仪器的实测谱图。 图1-1 K层谱图图1-2 U层谱图图1-3 Th层谱图图1-4 刻度器谱图1.3.2 岩性密度谱分析岩性密度谱分析电路对从滑板来得长、短脉冲信号进行测量。电路包括峰值保持、A/D采集、通

7、讯以及相关的时序电路。1.3.3 结构组成SDZ-5041谱分析分系统在结构上由电路部分、伽马探测器部分和下接头组成。电子线路和伽马探测器装在由铝材料加工而成的骨架上，分为上、下两部分。上部骨架较粗，依次安装：电源变压器，电源1电路板（A1），电源2电路板（A2）。电源变压器由两个铝制的半圆形的电源压板保护起来。保温瓶内有上、下两个吸热器，上吸热器装在上、下骨架的连接处，当电路骨架装入保温瓶时上吸热器就在保温瓶内的上部分，下吸热器装在保温瓶内的下部分，在保温瓶内27芯插座后面，上、下吸热器的中间都有一孔，用来过线。下骨架较细，装在保温瓶内，依次安装：伽马能谱电路板（A3），岩性密度谱分析电路板

8、（A4），光电倍增管，CsI闪烁体。电子线路骨架上端为31芯插座，电子线路骨架下端为27芯插头，当电子线路插入保温瓶内时，27芯插头与保温瓶内的27芯插座相连接。SDZ-5041谱分析分系统下端接上具有尺寸转换功能的下接头，2 注意事项2.1 操作安全性为了您的人身与仪器、设备的安全，操作仪器时请注意以下事项：必须是专业操作人员进行仪器操作；在移动、拆卸与装配仪器时，请戴上手套，穿上工作服与工作靴，以防您的身体受到机械伤害；请勿带电拆装仪器，以防造成仪器、设备的损坏。SDZ-5041谱分析分系统使用了闪烁体，在运输、存放和使用过程中，严禁与强放射源接触，以防闪烁体被活化，造成测量错误。SDZ-

9、5041谱分析分系统使用了光电倍增管，此器件在受到强冲击时，容易损坏，操作时应轻拿轻放，避免冲击。运输时，应与车辆固定牢固。拆卸光电倍增管时，严禁强行拔出，应加入酒精，慢慢滑动光电倍增管，至到硅油融解，光电倍增管可以轻松拿下。3 仪器的维修3.1 电路详细描述3.1.1 电源1（A1）参考电路图 BK2.933.173DL。电源1电路提供±15V工作电源，电源地为AGND。为仪器所有模拟电路提供工作电源。二极管V1V4对AC18V交流信号全波整流，电容C1滤波，N1为厚膜稳压模块，输出稳定的+15V电压，R1是N1限流取样电阻。二极管V5V8对另一组AC18V交流信号全波整流，电容C

10、2滤波，N2为厚膜稳压模块，输出稳定的-15V电压，R2是N2限流取样电阻。3.1.2 电源2（A2）参考电路图BK2.933.174DL。电源2电路提供两路+5V电源，+5V1和5V2。二极管V1V4对AC10V交流信号全波整流，电容C1滤波，N1为厚膜稳压模块，输出稳定的+5V电压，R1是N1限流取样电阻。+5V1为仪器数字电路供电，电源地为DGND1。二极管V5V8对AC10V交流信号全波整流，电容C2滤波，N2为厚膜稳压模块，输出稳定的+5V电压，R2是N2限流取样电阻。+5V2为仪器CAN通讯供电。电源地为DGND2。+5V1与5V2是两组相互隔离的电源。3.1.3 伽马能谱电路（A

11、3）图3-1是伽马能谱的原理框图。光电倍增管只有加上合适的高压时方能进入工作状态，本仪器采用的是正高压供给光电倍增管。N10为高压模块，控制电压0 7.2V，对应直流高压输出是1000 1720V，提供光电倍增管所需的高压。我们采用12位D/A控制，最小控制电压是2.44 mV（1 LSB），高压输出变化0.244V。图 3-1 伽马能谱原理框图ScI晶体光电倍增管高压模块放大电路峰值保持A/D采集及数据缓存通讯、幅度计数、高压控制隔离、CAN总线驱动单片机系统 电路图 BK2.908.079DL是伽马能谱的电原理图。其中：N1、N2 AD845 高速运放N3 HVC20P12V2-J 高压模

12、块V3 2N2222 三极管V4 2N2907 三极管N3 TL081 运放 N4 LM111 比较器N5 LM119 比较器N6 AD845 高速运放N7 LM110 跟随器N8 OP200 双运放N9 采集通讯模块N10 高压模块D1 54HC00 二与非门（4个）D2 54HC211 可重触发单稳态D3 DG303 模拟开关D4 54HC112 J、K触发器由光电倍增管输出的负脉冲信号，进入运放N1 AD845，N1为反相放大形式，C4、R4、R5+R6 组成极零校正网络，减小脉冲下降沿引起的冲击。 N2为同相放大，V1、V2、V3、V4组成基线恢复电路。N6、N7、D3组成一个高速峰值

13、检测器。当被测脉冲到来时，相应的脉冲控制、定时电路产生控制信号使模拟开关D3开关1断开，被测脉冲对C25充电，达到峰值后并进行保持，A/D转换结束后D3的开关3接通，使电容C25放电，峰值检测器回零。其它电路完成控制、定时任务，在一定的控制状态下，峰值检测器和N9中的单片机、A/D按一定的次序工作。噪声门坎电平(N5-4处电平)设置为60mV，当输入信号幅度较小或没有信号时，N5-5处电平小于噪声门坎电平(N5-4处电平)时，N5-12是高电平，使得D3的4脚和5脚接通，记忆电容C25处于放电状态。当输入脉冲信号较大时， N5-5电平大于60mV时，N5-12产生下降脉冲，使得D3的4脚和5脚

14、断开，记忆电容C25开始充电。同时N4-7由低电平变为高电平（N4-3脚比较电平60mV），而当被测脉冲的峰值过后，由于微分电路C16、R17的缘故，N4-7由高电平变为低电平，产生一个下降沿，触发J、K触发器D4，使得D4-6变成低电平，D4-6下降沿触发单稳电路D2A，D2的13脚产生一个500ns脉冲，而D4-6一直低电平，至到J、K触发器D4被清零。同时（输入脉冲到来时），N5-9电平大于TP7电平，N5-7输出正脉冲， D111脚才能产生一个负脉冲，触发单稳电路D2B，使得D212（ STAR）脚产生一个负脉冲，去启动N9上的A/D转换。D25脚的脉冲输出到N9上的计数器计数。若输入

15、脉冲到来时，N5-9电平小于TP7电平，N3-7没有脉冲输出，不会产生A/D启动信号。此时，N512输出结束后，D4清零。N9上的A/D启动后，N9上的BUSY脚信号经D1A反相后，与N512输出与非后由D16脚控制J、K触发器D4清零端，使得在A/D转换期间，不会产生新的启动A/D信号，另外在A/D转换结束后，N512输出如果还没有结束时，可以提前对记忆电容C25放电。D16脚脉冲结束后，J、K触发器D4清零，允许下一个脉冲的到来。N9是特制模块，具有A/D、CAN总线通讯等功能。N8是双运放，目的是把单片机内部两路D/A转换的0 2.4V的电压（N9输出），放大为0 7.2V （N6A增益

16、是3倍），用于控制高压，N6B增益是2倍，用于控制低门坎电平LLD。图3-2是伽马能谱电路的时序示意图。图3-2 伽马能谱时序示意图3.1.4 岩性密度谱分析此电路包含两个完全相同的峰值保持以及相应的脉冲控制、定时、A/D启动功能。图3-3是岩性密度谱分析测量的原理框图。图 3-3 岩性密度谱分析原理框图滑板部分峰值保持A/D采集及数据缓存通讯、幅度计数、高压控制隔离、CAN总线驱动单片机A/D采集系统放大电路图BK2.908.078DL是岩性密度谱分析的电原理图。其中：D1 54HC00二与非门（4个） D2 DG303 模拟开关D3 54HC112 J、K触发器D4 54HC211 可重触

17、发单稳态D5 54HC00二与非门（4个） D6 DG303 模拟开关D7 54HC112 J、K触发器D8 54HC211 可重触发单稳态N3 TL081 单运放 N4 LM119 比较器N5 LM119 比较器N6 AD845 单运放N7 LM110 射随器N8 OP200 双运放N11 TL081 单运放 N12 LM119 比较器N13 LM119 比较器N14 AD845 单运放N15 LM110 射随器N16 PHAMCUN6、N7、D2组成一个高速峰值检测器。当被测脉冲到来时，相应的脉冲控制、定时电路产生控制信号使模拟开关D2开关1断开，被测脉冲对C29充电，达到峰值后并进行保持

18、，A/D转换结束后D2的开关3接通，使电容C29放电，峰值检测器回零。其它电路完成控制、定时任务，在一定的控制状态下，峰值检测器和单片机系统中的A/D按一定的次序工作。TP4处的电平是噪声门坎电平，设置为60mV。当输入信号幅度较小或没有信号时，N5-5处电平小于噪声门坎电平(TP4电平)时，N5-12是高电平，使得D2的4脚和5脚接通，记忆电容C29处于放电状态。当输入脉冲信号到来时， N5-5电平大于60mV时，N5-12产生下降脉冲，使得D2的4脚和5脚断开，记忆电容C29开始充电。同时N4-7由低电平变为高电平（N4-10脚比较电平60mV），而当被测脉冲的峰值过后，由于微分电路C70

19、、R59的缘故，N4-7由高电平变为低电平，产生一个下降沿，触发J-K触发器D3，使得D3-6变成低电平，D3-6下降沿触发单稳电路D4A，D4的13脚产生一个500ns脉冲，而D3-6一直低电平，至到J-K触发器D3被清零。若输入脉冲到来时，N15-9电平大于TP5电平，N5-7输出正脉冲， D18脚才能产生一个负脉冲，触发单稳电路D4B，使得D412（ STAR1）脚产生一个负脉冲，去启动N16上的A/D转换。D45脚的脉冲输出到N16上的计数器计数。若输入脉冲到来时，N5-9电平小于TP5电平，N5-7没有脉冲输出，不会产生A/D启动信号。此时，N512输出结束后，D3清零。N16上的A

20、/D启动后，N16上的BUSY1脚信号经D1A反相后与N512输出与非后由D16脚控制J-K触发器D3清零端，使得在A/D转换期间，不会产生新的启动A/D信号，另外在A/D转换结束后，N512输出如果还没有结束时，可以提前对记忆电容C29放电。D16脚脉冲结束后，J、K触发器D3清零，允许下一个脉冲的到来。N14、N15、D6组成另一个高速峰值检测器。当被测脉冲到来时，相应的脉冲控制、定时电路产生控制信号使模拟开关D6开关1断开，被测脉冲对C81充电，达到峰值后并进行保持，A/D转换结束后D6的开关3接通，使电容C81放电，峰值检测器回零。其它电路完成控制、定时任务，在一定的控制状态下，峰值检

21、测器和单片机系统中的A/D按一定的次序工作，当输入信号幅度较小或没有信号时，N13-5处电平小于噪声门坎电平(TP11电平)时，N13-12是高电平，使得D6的4脚和5脚接通，记忆电容C81处于放电状态。TP11处的电平是噪声门坎电平，设置为60mV，当输入脉冲信号到来时， N13-5电平大于60mV时，N13-12产生下降脉冲，使得D6的4脚和5脚断开，记忆电容C81开始充电。同时N12-7由低电平变为高电平（N12-10脚比较电平60mV），而当被测脉冲的峰值过后，由于微分电路C70、R59的缘故，N12-7由高电平变为低电平，产生一个下降沿，触发J、K触发器D7，使得D7-6变成低电平，

22、D7-6下降沿触发单稳电路D8A，D8的13脚产生一个500ns脉冲，而D7-6一直低电平，至到J、K触发器D7被清零。若输入脉冲到来时，N13-9电平大于TP12电平，N13-7输出正脉冲， D58脚才能产生一个负脉冲，触发单稳电路D8B，使得D812（ STAR2）脚产生一个负脉冲，去启动N16上的A/D转换。D85脚的脉冲N16上的计数器计数。若输入脉冲到来时，N13-9电平小于TP12电平，N13-7没有脉冲输出，不会产生A/D启动信号。此时，N1312输出结束后，D7清零。N16上的A/D启动后，N16上的BUSY2脚信号经D5A反相后与N1312输出与非后由D56脚控制J、K触发器

23、D7清零端，使得在A/D转换期间，不会产生新的启动A/D信号，另外在A/D转换结束后，N1312输出如果还没有结束时，可以提前对记忆电容C81放电。D56脚脉冲结束后，J、K触发器D7清零，允许下一个脉冲的到来。N16是特制模块，具有两路A/D、CAN总线通讯等功能。N8是双运放，目的是把单片机内部两路D/A转换的0 2.4V的电压（N16输出），放大为0 9.6V（增益是4倍），用于控制高压。图3-4是岩性密度谱分析的时序图。图3-4 岩性密度谱分析的时序图。3.2 一般故障的排除3.2.1 电源1的维修（A1）参考电路图 BK2.933.163DL和装配图BK2.933.163。电源1提供

24、的两组电源指标如表3-1所示。表3-1：电源1指标测试测试对象标准值名称A1-5对A1-615±0.5V15VA1-7对A1-6-15±0.5V-15V使用Fluke数字万用表测量表6-5所列出的测试点电压，与标准值比较，发现测量值相差较大，应断电。应首先排除负载电路短路或部分短路引起的电源稳压模块过流保护，输出不正确情况；然后检查相对应电容、二极管。以上步骤进行后，加电检查输入交流电压值，正常，则可能对应的稳压块损坏。不正常，则断开变压器与电路板的连线，如果空载时交流电压正常，可能对应的稳压块损坏；不正常，则可能是变压器损坏或变压器相关连线有问题。3.2.2 电源2的维修

25、（A2）参考电路图BK2.933.167DL和装配图BK2.933.167。电源2提供的两组电源指标如表3-2所示。表3-2：电源1指标测试测试对象标准值名称A1-11对A1-135±0.3V5V1A1-7对A1-95±0.3V5V2使用Fluke数字万用表测量表3-2所列出的测试点电压，与标准值比较，发现测量值相差较大，应断电。应首先排除负载电路短路或部分短路引起的电源稳压模块过流保护，输出不正确情况；然后检查相对应电容、二极管。以上步骤进行后，加电检查输入交流电压值，正常，则可能对应的稳压块损坏。不正常，则断开变压器与电路板的连线，如果空载时交流电压正常，可能对应的稳压

26、块损坏；不正常，则可能是变压器损坏或变压器相关连线有问题。3.2.3 伽马能谱部分（A3）检查与维修3.2.3.1 电路的检查与维修参考电路图BK2.809.079 DL。A3板上的各测试点及相应波形描述如表3-3所示。 表3-3：测量电路测试测试点标准波形 可能损坏的元件A3-TP1对AGND随机的负脉冲信号（伽马原始信号） 伽马探测器部分,高压模块A3-TP2对AGND伽马随机信号，经运放N1反相放大后，正相脉冲信号 N1A3-TP3对AGND伽马随机信号，经运放N2同相放大后，正相脉冲信号 N2A3-T4对AGND经基线恢复后的脉冲信号 V3、V4给仪器加电，用示波器观察表3-3所列的测

27、试点的波形，看是否与表3-3所描述的波形相符，若不相符，则参考电路原理图，检查表中列出的可能损坏的元件或相关元件。高压模块检查可用高压棒检查HV相对于AGND 高压，不正确则检查N10-1（红线）对AGND的电压，应为15V，N10-2（黄线）对AGND的电压，应为15V；N3-3（绿线）对AGND的电压，此电压随高压控制可在07.2V左右变化，对应高压输出在1000V-1720V变化。通讯不正确。用Fluke数字万用表检查N9（NP-MCU）38脚与40脚、14脚与16脚的电压，应为5V。不正确，应按3.2.2检查电源，或参考接线图BK3.817.071JL检查A1与A4的连线。N9（NP-

28、MCU）38脚与40脚、14脚与16脚的电压，正确，参考接线图BK3.817.071JL检查上接头XS123 、XS124与A4板的连线。以上检查都正确，故障应在A3板N9（NP-MCU）上，更换。其它故障情况，参考电路图BK2.809.079 DL，用示波器按图3-2检查对应点的波形(相对DGND),波形不正确时, 检查与此波形相关的器件.3.2.3.2 管座组件（A5）检查与维修在仪器断电下进行。用Fluke数字万用表测量高压对地的阻值，应为7.63M±.5M，如果阻值相差很大，说明管座电阻有问题，需要将伽马探测器闭光筒拆开，检查管座组件。管座电路图BK3.290.064,直接检查管座间的电阻和电容，高压引线和信号引线。3.2.3.3 伽马探测器的检查与维护光电倍增管属于易碎器件，搬抬或运输中的剧烈震动都有可能引起光电倍增管的破裂，仪器有可能计数减少甚至没有计数。这时就需要对光电倍增管进行更换。步骤如下： 1、焊开电路板与管座间的连接线；2卸开探测器侧面两端固定贯通线的压线板；3、把探测器与电路骨架连接螺丝卸开（应用记号笔做上标记，以便恢复）；4、把探测器竖立（闪烁体在下端），拧开闭光筒（拧开后，闭光筒取不下来，只能上提12厘米）；5、把无水酒精从闭光筒与闪烁体的开口处倒入，慢慢左右滑动光电倍增管，至到光电倍增管可以