微型一体化井下电阻率探管设计方案

1、微型一体化井下电阻率探管的设计-电气论文微型一体化井下电阻率探管的设计宫琛（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001 ）【摘 要】针对传统的电阻率探管存在体积较大、笨重、不便于携带等问题 导致在很多特殊地形无法测量，限制仪器的使用范围。本文提出了一种微型一体 化电阻率探管的设计方案，适用于复杂环境下矿井工矿的测量。关键词微型；一体化；电阻率0引言测井仪是在煤矿勘探和开发过程中进行测量、记录、分析井下岩层与地质或 流体的物理特性，并对井下油气煤进行评价与检测的一种技术装置1-2。测井仪主要针对井下各种情况的参数进行探测。本文设计的井下电阻率探管，即对井 下的矿井介质实现采集，传输，存

2、储等功能。传统的电阻率探管，由于体积较大、笨重、不便于携带等一些问题，导致在很多特殊地形无法测量，而且功能单一，仅采取数据，无法立即对数据进行分析， 能耗高。本文提出了一种小型一体化电阻率探管，以STM32F103单片机为核心， 内置32k到128k的闪存，速度快，性能强，外设多，实现了高性能、低成本、 低功耗的目标。同时采用集成电路，整体电路符合本安电路设计要求，让系统更 加小型化3-4。在数据传输方面采用了 CAN总线数据传输方式，使得数据传输 更加稳定，高效，快速。很好的减轻了工作负担，缩短了工作时间，同时降低了 工作成本。1系统总体设计该系统总体设计主要为硬件系统和软件系统组成。硬件系

3、统框图如图1所示。 软件系统由初始化模块、在线模式、离线模式、数据采集模块、数据处理模块、 数据传输模块组成。该电阻率探管的主要功能就是测量钻孔中岩石， 矿石的电阻 率。在测量电阻率时，要给岩层供入电流，并测量岩层在不同位置上因供入电流 而产生的电位差，从而计算出视电阻率。同时通过 CAN数据采集卡，与PC机 相连。测量得到的数据，可以经过运算处理得到最终的测量结果， 同时可以对结 果进行存储与传输等处理。V J MMtfj ft -iff打人it： 1亀氓揮管垂確吃圜2 系统硬件设计电阻率探管整体由单片机控制模块、发射模块、接收模块、存储模块、通讯 模块、电源模块构成。单片机控制模块用于对用

4、户命令的响应并对采集到的多组 数据进行算法上的处理，进行处理筛选符合条件的数据，提高数据的测量精度， 同时对其他模块进行控制。发射模块实现了对测量信号的发射处理。接收模块用 于对发射后的测量信号进行接收并通讯于存储模块。 存储模块对控制模块处理筛 选后的信号进行存储。通讯模块可以与含有 CAN模块的设备或具有数据采集卡 的PC通讯。电源模块向整个系统进行供电保证系统的正常运行。整体硬件电路参考了本安防爆规范：GB3836.4-2000。考虑到本安防爆对设备耗电流的规定，所以尽量选取了低功耗的芯片，使电阻率探管整体耗电量降低到10mA02.1单片机控制模块核心芯片采用了 100针引脚基于cort

5、ex-M3 处理内核的新一代 ARM芯片 STM32F103。该芯片自带了 CAN通讯模块，只需外接 CAN收发器即可实现 CAN总线通讯，简化了电路设计，缩小了电路板体积，具有优异的实时性能与 杰出的功耗控制，最大限度的控制了该测井仪的能耗。 在最大程度的集成整合的 基础上缩小了产品的体积，从而使得仪器轻便易携带。其丰富的10 口及各种外设资源更多是能够满足各种嵌入式控制领域的需求。考虑到性价比我们选用这款-H- UL 心片。2.2 发射模块在常规直流电法勘探中，仅存在 2个回路，其中一个为供电回路（称为 AB 回路），另一个为测量回路（称为 MN回路）。ABMN在空间上组成某一种测量 装置

6、。测量电阻率只需精确测量 MN两端的电压与AB回路中的电流，并将所 测参数进行转换即可。2.3接收模块采集部分主要分为采集前置电路与 AD采样部分。由于地电信号非常的微弱， 故而必须将其放大同时对噪声进行处理滤波，减少干扰，因此需要采集前置电路部分，它主要由四个部分组成，分别是：低通滤波部分、仪表放大器部分，差分 放大部分和跟随器部分。为了避免周边环境例如雷电等产生的高频干扰，需要在 最前端添加低通滤波电路。之后为了降低信号的共模干扰同时对信号进行增益放 大接入由两个运放TLV2402组成的仪表放大器电路。再此后将双端输入信号通 过一个差分放大电路，更好的抑制共模比，进一步增益信号，同时转换成

7、单端信 号给跟随器，通过跟随器提升输入阻抗。2.4 存储模块用SD卡进行存储，考虑到成本没有采用文件管理芯片，而是采用了软件的方 式通过STM32F103直接操控SD卡的读写，同时通过移植FATFS文件管理系统 实现对SD卡文件的管理。2.5 通讯模块由于采集节点在矿井下，故向下通讯必须考虑到矿井下通讯的特殊性：距离 远、干扰大、充满易爆气体、潮湿等。综合以上因素，选择了 CAN总线来实现 向下通信。CAN总线具有传输距离远抗干扰能力强的特点，满足矿井内使用的 要求。同时核心芯片STM32F103自带的CAN模块，仅需要在外面集成一个收 发器即可完成。3系统软件设计在硬件电路的基础上，需要对芯

8、片 STM32F103进行软件程序的编写，使得 电阻率探管按照指定的方式工作，完成对数据的采集、初步处理以及对数据的传 输等功能。软件系统分为数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块。并可分 为在线模式与离线模式。具体主程序流程图如图2所示，程序首先进行初始化，设置芯片STM32F103 内部各个工作寄存器的内容，以及其他电路的初始状态。其中初始化主要包括单 片机、SPI、CAN总线、CH376、串口以及时钟初始化。START 'J|Ll*'、. 杓作 v tip横 »2>I rft一 / ' -.S 严;:I；.一皿I p呂ii4K=（I樓第*51直）

9、ra2电阻率探隽主理序育用囲电阻率探管通过向测试介质中供入方波，测量方波的电流（AB ）和电压（MN），以获得介质的视电阻率和视极化率。电阻率探管离线或在线启动探管后，进入发射、采样和计算数据以及数据传输。对 AB回路发射双极性电流脉冲 要求：脉冲类型固定：双极性脉冲。脉冲宽度固定：占空比 1:1，脉宽500ms， 每次发射时长共2500ms。4 结语本文提出的电阻率探管，经过实验验证，不仅适应各种复杂地形，扩大了仪 器的使用范围；在结构上进一步优化，使得整体轻便，易于携带；降低了功耗， 延长了工作时间；采用CAN总线实现数据传输，提高了传输数据的稳定性与实 时性。实验证明本系统具有良好的性能，能够很好的满足矿下探测的需要。参考文献1庞巨丰,李长星，施振飞，等.测井原理及仪器M.北京:科学出版社，2008.