核测井仪探测器输出信号特征分析及信号处理电路设计

田小超

（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安 710077）

透明工作面构建的基础是探明煤层顶底板位置、煤层厚度、煤层中蕴含的地质异常体等。核测井技术以其独特的优势可以有效探明钻遇地层岩性，识别煤层顶底板，并结合轨迹跟踪技术推断出煤层厚度，因此，近几年在透明工作面构建方面也逐渐发挥积极作用，由于煤矿井下特殊的工况环境，目前仅以自然伽马测井开展技术应用[1-4]。

自然伽马测井技术是以测量地层中天然放射性核素自然衰变时发射出的伽马射线为基础实现。当测井仪在钻进时，地层中辐射出的自然伽马射线主动入射进仪器，被伽马探测器所捕获。为了对钻遇地层岩性进行识别和划分，需要将捕获的伽马射线强度信息转化为可量化的电信号，再由信号采集电路进行统计计数，通过计算单位时间内统计的脉冲数量，从而获得钻遇地层的岩性差异化信息[5-7]。但是，伽马探测器输出的原始信号为微弱的负极性尖峰信号，无法被信号采集电路直接所接收，需要对其做相应的信号变换使其符合输入要求。根据对伽马探测器信号特征的分析，信号调理电路应具备原始信号的拾取、合理放大以及标准化等功能。但是多种因素制约下，经信号调理电路处理的信号中还会存在一些噪声信号可能会影响真实的统计结果，所以在对微弱信号进行处理时还要考虑尽可能消除噪声信号对有效信号的干扰，提高电路信噪比[8-10]。

该文对核测井仪伽马探测器组成进行介绍，并分析了其输出信号的特证，结合煤矿钻孔探测仪器应用环境及其实际需求，采用小体积、低功耗、高性能运算放大器设计并实现了核测井仪专用信号处理电路，并在实验室自然放射性和弱放射性条件下对信号调理电路进行了测试验证，验证结果表明，电路运行可靠、性能稳定，处理效果达到预期技术要求。

1 探测器信号特征分析

伽马探测器是核测井仪的重要组成部件，主要由闪烁晶体、光电转换器件——光电倍增管及高压直流偏置电源等几部分组成，伽马探测器组成及典型的工作原理如图1 所示。

图1 伽马探测器典型工作原理

图1 中，K 为光电阴极，F 为聚焦极，D1-D10 为各倍增极，P 为阳极，H0-H12 为各级直流偏置高压。

当伽马射线入射进闪烁晶体时，会立刻与晶体中的分子、原子发生相互作用产生康普顿散射效应、光电效应和电子对效应。在发生相互作用时，闪烁晶体吸收伽马射线的能量被激发，在退激时会产生光子而释放能量，光子则被光导传导到光电倍增管的光阴极。不同材质的闪烁晶体，其所具有的特性有所不同的，相比较而言，NaI(TI)晶体的能量分辨率、光产额、时间响应特性等均比较好，而且具有透明度好、发光效率高、对伽马射线阻止本领强的优点，但其容易潮解，使用时需要密封保护[11-12]。

光电倍增管是一种将弱小光信号转换成电信号的真空器件，由光电阴极、电子倍增极、聚焦极和阳极四部分组成。光子通过光电倍增管端窗照射到光电阴极，在真空环境下，光电阴极被激发出光电子，经外电场加速后的光电子聚焦于第一倍增极，并依次逐级倍增，被多级放大的电子流由阳极电极收集并输出光电流，而其大小与入射的光子数成正比，即与所处环境的放射性强度成正比[13-15]。

伽马探测器输出的电信号一般是微弱的、电流型、负极性窄脉冲信号，而脉冲信号统计电路所能接收的是一定幅度的正极性电压信号，因此需要对原始输出信号进行适当放大和整形处理。另外，输出信号中还常常混杂着由宇宙射线、光电倍增管自身暗电流或强电磁干扰等因素引起的噪声干扰，所以为了得到真实的地层放射性差异信息，在信号调理过程中还需要考虑这些无效信号对真实信号的影响。因此，为了实现对伽马探测器输出的非标原始信号的有效采集，需设计专门的信号处理电路对原始信号进行信号拾取、放大、鉴别以及脉冲成型等处理，以满足后端信号采集电路的输入要求[16]。

2 信号调理电路组成

伽马探测器将地层中辐射的自然伽马射线变换成电信号，起到了至关重要的纽带作用，基于以上对核测井仪中伽马探测器输出信号特征的分析，以及对非标原始信号变换成标准信号的处理需求，设计了如下专门的信号处理电路，其主要由信号拾取电路、信号放大电路、信号鉴别电路、脉冲成型电路、电源电路等五部分组成，电路结构框图如图2 所示。

图2 信号处理电路结构框图

信号拾取电路的功能是把伽马探测器输出的微弱的、快速变化的电流信号进行电流-电压转换，使其可以被后级电路所接收并做进一步的处理；信号放大电路是对伽马探测器输出的微弱信号进行合理化放大，同时实现负极性信号到正极性信号的变换，满足采集电路正极性信号输入的要求；依据信号特征分析可知，前一级处理电路的输出信号常包含噪声信号，可能会影响有效信号的统计结果，需经由信号鉴别电路进行纯净化处理，即将噪声信号剔除，仅保留有效信号；经过信号鉴别电路过滤后的有效信号因辐射强度原因，脉冲有高有低，且波形形态也不规整，设计了脉冲成形电路将所述信号进行标准化处理；信号调理电路的各功能模块属于模拟电路部分，要与后端信号采集电路的数字电路分开供电，且信号调理电路中包含正负极性信号，因此，应设计包含正负电压的电源电路，另外伽马探测器的输出信号较为微弱，供电电源应具有低纹波特性。

3 电路实现与验证

3.1 信号拾取电路

核测井仪中伽马探测器的输出是微小电流（电荷）信号，而常规的后端信号处理电路都是基于电压信号为处理对象的，所以有必要用某种手段，将该电流量转换成电压量。

在核测井脉冲计数领域，常用的电流量至电压量转换电路形式有两种：一种是负载电阻转换方式；另一种是基于运算放大器的转换方式。因为光电倍增管的小电流输出和高内阻特性，通常理想认为它相当于一个恒流源，通过外接负载电阻将电流脉冲信号变换成电压信号，该方式称之为负载电阻变换方式。在负载电阻变换方式下，为了保证伽马探测器有良好的线性和频响特性，负载电阻取值不能太大，但是这样会带来输出信号转换效率偏低的问题，而采用运算放大器代替负载电阻来实现上述电路，就能解决负载电阻变换方式存在的问题，这就是运算放大器转换方式，其具体实施电路如图3 所示。

图3 信号拾取电路原理图

信号拾取电路采用AD8065 型高性能运算放大器构成，伽马探测器输出的电流信号经隔直兼耦合电容C后，输入到运算放大器A1 的反相输入端（-），运算放大器A1 同相输入端（+）接地电位。AD8065型运算放大器具有高输入阻抗，伽马探测器输出的电流IP不能流入运算放大器A1 的反相输入端（-），而是大部分流经反馈电阻Rf，在其两端产生电压如式（1）所示。由于运算放大器的开环放大倍数比较高，按照虚地的理论，其同相输入端（+）与反相输入端（-）的电位相同，均为地电位，因此，信号拾取电路的输出电压Vout1就与反馈电阻Rf其两端产生电压值相同，由此就实现了电流-电压的变换。

式（1）中，Vout1是信号拾取电路输出电压，单位为V；Ip是伽马探测器输出的光电流，单位为A；Rf为反馈电阻，单位为Ω。

实际电路中的输出光电流信号常受到放大器偏置电流、温度漂移、Rf反馈电阻的质量和电路板基板绝缘性能等多种因素的制约。因此，首先需要选用极低偏置电流、温度漂移性能优异的运算放大器，AD8065 型运算放大器的典型偏置电流仅有1 pA，还拥有绝佳的温度漂移性能，另外它采用FET 输入，具有低噪声、高共模抑制比和低失调电压等优点。在电路设计时，为了不使直流高压成分影响后端信号调理电路，在伽马探测器与信号调理电路中间串入隔直兼耦合电容C，该电容应选用漏电流小、频率特性好的瓷介质电容，其耐压值不低于1 500 V。为克服输入电路存在对地输入电容、负载端存在耦合电容以及旁路电容导而致的信号波形相位偏移与振荡问题，在反馈电阻Rf两端并入电容Cf，以达到补偿相位、消除振荡的作用，与此同时，反馈电容Cf还可以起到抑制信号噪声的作用。

3.2 信号放大电路

信号拾取电路的输出信号Vout1相对较大，且已经将负极性信号变换为正极性信号，因此，根据实际的信号幅度大小设计一级放大电路即可，具体放大倍数以实际电路信号输入情况做适当调整。

信号放大电路由AD8011 型运算放大器构成,具体实现电路如图4 所示。AD8011 是一款极低功耗、高运行速率的电流反馈型运算放大器，可采用正负电源供电。另外，其具有高压摆率、低失真等特性[17]。因此，该运算放大器很适合用作上升沿变化很快的核脉冲信号的放大。放大倍数调节电阻中R30一般可选取10 kΩ电阻，而R31需根据前端输入信号强度来决定，一般选取20 kΩ左右。电路中，R28与C31、R29与C32组成RC 滤波器，确保信号放大电路正负电源稳定性。

图4 信号放大电路原理图

3.3 信号鉴别与脉冲成型电路

上级电路输出信号除包含地层放射性强度的信息外，往往还会包含一些噪声信号，如光电倍增管自身暗电流引起的噪声信号、宇宙射线引起的噪声信号以及电路中电子元器件热噪声引起的噪声信号等。在信号拾取、放大过程中电路无法自动识别有效信号，也会将这些无效信号捕获并放大，如不将其剔除的话会对核测井仪最终的脉冲统计计数结果产生影响，进而影响测量结果的真实性，因此，基于实际需求设计了如图5 所示的信号鉴别电路。

图5 信号鉴别电路原理图

在图5 所示信号鉴别电路中，Vout2是信号放大电路的处理结果，输入至LT1720IS8 比较器的同向输入端，比较器的反向输入端接由电阻分压电路构成简易又可靠的参考电压电路，电路由精密电阻R32和RJ构成，其电压源由模拟+5 V 电源提供，因此，参考电压精度值得信赖。参考电压电路中的电阻RJ需根据参考电压范围进行设置，首次电路调试时调节一次即可。参考电压取值受限于上所述噪声信号幅度的最大值，核测井仪在煤矿井下钻孔中应用，因仪器有金属防护外壳保护，可以不予考虑宇宙射线脉冲的影响。在进行鉴别电路参考电压设置时，可采用一种较为简便的方法，即在用示波器观察伽马探测器输出波形Vout2的同时观察噪声信号情况，目测低端噪声的幅度水平，参考电压一般设置为略高于该幅度值即可。

鉴别电路工作过程：当鉴别电路没有输入信号时，鉴别电路比较器同相输入端输入电压比参考电压低，则鉴别电路输出低电平；当鉴别电路输入的脉冲信号为有效探测信号时，鉴别电路比较器的同相输入端输入电压比参考电压高，则鉴别电路输出高电平，电平电压幅度比所加电源正电压略低。因此，经过鉴别电路甄选后，就得到携带地层放射性强度信息的有效脉冲信号。

为了提高脉冲计数精度、增强电路抗干扰能力，在鉴别电路后级增加了脉冲成形电路。该电路采用双非门芯片组成，其外围电路简单，仅需几个旁路电容即可；芯片体积小、功耗低，符合核测井仪对电路小体积、低功耗、高可靠性的要求；电路输出信号为脉宽约5 μs、幅度5 V 的标准脉冲信号。信号采集电路控制核心采用STM32 单片机实现，其部分I/O 口可兼容5 V 输入，因此，脉冲成型电路输出信号可无差别输入至信号采集端口。

3.4 电源电路

信号调理电路所需要的电源主要是模拟电源±5 V，其中，信号拾取与放大电路需要正负电源，而信号鉴别电路与脉冲成型电路主要需要正电源。

+5 V 电源采用LT1963CS8-5 线性电源芯片，该芯片具有低压差、低噪声及低功耗的特性，通过添加容值为0.01 μF的旁路电容C8，输出噪声仅有20 μVRMS（在10 Hz 至100 kHz 带宽条件下）。另外该芯片外部电路简单，不需要其他的电阻器件，拉高引脚5 即可使能电源输出。ICL7660A 是电源反向芯片，该电路采用其转换器工作模式，可实现从+5 V 模拟电源至-5 V 模拟电源的转换，该芯片具有极低的静态电流，只需外接容值为10 μF 的小体积电容C14，可使芯片输出效率高达98%以上。

虽然LT1963CS8-5 电源芯片和ICL7660A 负电源芯片都具有低纹波输出，但是考虑到信号调理电路对电源纯洁度的要求，在两路电源输出端还设计了LCπ型滤波器，用以滤除电源芯片产生的高频干扰。

3.5 电路效果测试

在完成信号调理电路的制板、焊接与调试后，在实验室环境条件下开展性能测试，测试过程中输入信号为伽马探测器输出的原始信号。对核测井仪采用的伽马探测器进行坪特性曲线测定，以掌握其坪特性，并根据实测的坪特性曲线选取最佳直流偏置高压，一般选取在坪区范围中部偏前。电路上电运行，用示波器观察信号拾取电路输出电压Vout1的波形，应为幅度约在1 V 左右的正极性信号，且波形无畸变；观察信号放大电路的输出电压Vout2，并合理调整放大倍数调节电阻R31的大小，使最大输出电压Vout2波形无消顶，输出信号波形如图6 所示，同时观察噪声信号幅度，据此选取参考电压调节电阻RJ的阻值，使有效信号可以通过鉴别电路，而噪声脉冲信号不能通过，直至到达预期要求，最终经信号调理电路处理后的标准脉冲信号如图7 所示。

图6 Vout2输出信号波形

图7 Vout3输出信号波形

4 结论

通过对核测井仪伽马探测器输出信号特征的分析，以及现有电流-电压变换工作方式各自优缺点的总结，设计实现并测试验证了应用于核测井仪的伽马探测器输出信号调理电路，得到如下结论：

1）在实验室自然放射性及弱放射性源（三级刻度器）条件下实际测试验证结果表明：该信号调理电路能有效拾取、放大伽马探测器输出的微弱电流负脉冲信号，并能将其变换成可被脉冲统计计数电路识别的标准脉冲信号；

2）设计实现的核测井仪信号调理电路工作原理简单、工作稳定，同时满足煤矿钻孔用探测仪器对小体积、低功耗的应用需求；

3）针对核测井仪设计的信号调理电路，目前测试来看能够满足仪器的使用需求，但是还有很大的优化空间，也需要在实际应用中进一步的优化与升级。