0 引言

　　目前新型的测井仪器为了获得丰富的探测信息，其传感器大都采用阵列的形式，如阵列感应测井仪、声波阵列测井仪和阵列侧向测井仪等[1-4]。传感器阵列的结构比较复杂，与其对应的电子测量与控制系统的规模也比较庞大。由于井下的工作环境比较恶劣(高温与高压)，测井作业要求仪器系统必须具备很高的可靠性。除了机械部分必须耐受很高的压强外，还要求电子测量系统适应最低150 ℃的高温。电子系统中诸多器件的性能参数都对温度的变化比较敏感，如电感器、电容器、运算放大器等。而由这些器件组成的调理电路不可避免地会出现温度漂移的现象。因此，仪器的温漂问题主要有两个方面的原因，分别来自传感器阵列和电子线路。目前，大部分的测井仪器都需要经过复杂的温度校正流程。为了保证测量精度，需要在地面测得仪器的温度漂移曲线，用来对测量的数据作后续的温度校正。而与传感器阵列相对单调的温漂曲线相比，电子线路由于受诸多电子元器件温漂的影响，其温度漂移趋势一般都比较复杂。如果能抑制电路温度漂移的影响，就能提升仪器的可靠性，并简化整机的温度校正工作。

1 测量系统的设计

　　1.1 测量电路

　　测井仪电路系统一般可由电源、通信、发射、前置放大、测量和控制等几部分构成。其中测量和控制电路集中体现仪器的功能结构，是完成信号测量和逻辑控制的核心。本文的设计中包括测量控制电路、发射电路和前置放大电路，三者的结构如图1所示。发射电流经过取样后，一方面作为参考信号直接送入测量控制电路，另一方面经过衰减网络得到不同幅度的刻度信号。

　　前置放大电路共有3路，每路包含1路刻度信号和5路目标（线圈）信号，通过模拟开关进行切换。因此该系统能实现15路目标信号的采集。前置放大电路根据目标信号的强度从衰减网络中选择幅度相当的刻度信号。刻度信号和目标信号被前置放大器分时放大，然后送入测量控制电路，完成模数转换和DPSD运算。

　　1.2 测控电路

　　测控电路主要包括数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）以及4个模数转换电路。其中3个用于完成前置放大电路信号的转换，另一个用于参考信号的转换。如图２所示，4路ADC的并行数据同时输入FPGA，利用FPGA并行运算特性，高效地完成4路信号的DPSD运算。运算结果通过高速同步串行传输总线（SPI）送入DSP，利用DSP较强的浮点运算能力，完成数据的进一步处理。DSP通过异步串口（SCI）将最终的测量结果传输至地面测控系统。

2 数据处理流程

　　为了满足多通道信号的测量要求，这里将刻度信号和目标信号分时复用一个前置放大器，以简化电路结构。为了在分时复用过程中，确保能够准确测量接收信号与发射信号的相位差，本文从发射电流取样，将获得的参考信号送入测量控制电路，通过DPSD算法计算出其相位，并将其作为刻度信号和目标信号的相位基准。

　　图3以一路前置放大电路为例给出了信号分时导通的时序图。参考信号R作为相位基准，在测量过程中需要一直导通。刻度信号C与目标信号S1，S2，S3，S4，S5则依次通过前置放大电路。为测得各个信号的幅度和相位信息，本文采用DPSD算法[5]对信号进行计算。ADC输出的数据直接与FPGA内部归一化正弦和余弦函数完成DPSD运算[6-8]，计算出信号的幅度和相位值。

　　在FPGA中同时对刻度信号C和参考信号R作上述正交化的DPSD运算，得到两者的幅度UC、UR和相位?兹C、?兹R，则两信号可以表示为UC e和UR e。在DSP中对两者作除法运算，得到：

　　因为对刻度信号和参考信号的DPSD运算是同时进行的，所以C、R是在相同参考相位下测得的。式(1)中的C-R为刻度信号与参考信号的相位差。同样地，当输入的是目标信号S时，重复上述计算，得到目标信号与参考信号的幅度比和相位差，即：

　　虽然参考信号R相位未发生变化，但由于刻度信号与目标信号分时导通，新一轮的DPSD运算的参考相位已经改变，故式(2)中的参考信号相位用R示。在实际的测量过程中，由于受温度的影响，信号调理电路的温度漂移会导致放大器的传递参数发生改变。当温度的变化范围较宽时，温漂引起测量结果会发生很大的变化，若没有校正，便难以真实地反映目标的实际信息。为了考察前置放大器的温漂对测量结果的影响，这里假设前置放大电路的传递系数为Aej?渍，其中，A为前置放大电路的增益。当温度变化时，电路的温漂就体现在A和?渍的漂移。若考虑温漂对刻度信号C和目标信号S测量结果的影响，则将前置放大电路传递系数带入式(1)和式(2)中，得到：

　　不难看出，经过上述运算后，S的测量结果与前置放大器的A和?渍无关，从而消除了前置放大电路的温漂对测量结果的影响。将参考信号幅值乘以网络的衰减系数便可以得到刻度信号的幅度UC，最后将式(5)乘以UC，即可算出目标信号的幅值和相位。

3 实验数据

　　为验证该方法对电路系统温度漂移影响的抑制作用，本文在实验室环境下完成了测试。通过单独加热仪器的测量电路部分，排除传感器阵列在加热过程中对测量数据的影响。测试过程中仪器被加热到155 ℃左右，基本符合实际作业时仪器对耐高温性能的要求。本文对加热和降温过程中的测量数据都做了记录，一共大约6 000组测量结果，如图4～图7所示。

　　仪器先从室温32 ℃加热到最高温度155 ℃，随后停止加热，让仪器自然降温到80 ℃，此过程模拟了仪器在常规作业时的温度变化过程。图5记录了一路前置放大电路的增益值在测试过程中随温度的变化曲线。增益值A在仪器升温和降温的过程中有明显的漂移，说明前置放大电路的温漂是比较明显的。图6和图7分别为对应的5路目标信号幅值和相位的变化曲线。在电路升温和降温的过程中，目标信号的幅值和相位的测量结果始终保持稳定，并未受到温漂的影响。

　　对数据作统计分析，结果如表1所示。其中的平均值(Mean)取决于各传感器的输出，均方差值(Rms)则反映了仪器的测量精度。0.255 39 V和0.033 50°的最大均方差能够满足系统对精度的要求。

　　在实际测量过程中，主要关注的是目标信号与发射信号同相位的分量，也可称其为实部分量，对应的虚部分量则称为直耦信号。本文用幅值和相位分析数据，可以更直观地考察温漂对测量的影响。另外两个前置放大器对应的测量曲线也表现出同样的抑制效果。

4 结论

　　针对油田测井仪器的需求，本文设计的耐高温测量系统采用分时复用的机制以简化系统的结构，为多组目标信号的测量提供了可能。

　　高温实验数据表明，通过对模拟调理电路进行实时的内刻度，并结合适当的数据处理方法，有效地抑制了信号调理电路中的温漂对测量的影响。

　　本文所设计的测量系统的最高工作温度是150 ℃。通过对系统中的数字与模拟电路作处理后，能达到175 ℃的耐温指标，从而满足大多数测井仪器对耐温的要求。采用这种测量机制的测井仪可以省略电子线路的温度校正，有利于简化仪器生产与维护流程。

参考文献

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　　[2] 马金，李爱勇，秦才会，等.一种三分量感应测井仪的线圈系.中国，CN202510100U[P]，2012.10.31.

　　[3] 张瑞，赵立新，侯洪为，等.一种感应测井仪.中国, CN200955390[P]，2007.10.03.

　　[4] 张国艳，肖加奇，郝永杰.三维感应测井数值计算与理论分析[J].测井技术，2012(1)：15-19.

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