巖石電阻率測量系統設計

西安石油大學電子工程學院　張妙瑜　郭新興　靳釗釗　李　霄　李春凱　劉　轉　馬　彤

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巖石電阻率測量系統設計

西安石油大學電子工程學院張妙瑜郭新興靳釗釗李霄李春凱劉轉馬彤

【摘要】根據實際需求提出了一種基于微控制器的巖石電阻率測量裝置的實現方式，對裝置的核心部分進行了軟件仿真，并制作出實際的硬件實驗裝置及上位機通訊軟件，測試出待測巖樣的電阻率數據并將其通過微控制器的串口模塊發送到上位機進行分析處理。裝置的核心部分是一個利用雙電測組合法進行電阻率測量的電阻率測量裝置，得到實驗對象的電阻率，提供給研究人員并做出相應參考。

【關鍵詞】巖石電阻率；雙電測組合法；STM32單片機；恒流源；MSComm控件

2014年國家級大學生創新創業項目（201410705033）。

0　前言

使用電阻率測量設備測量、算得地層真電阻率，是估算地層原始含油（氣）飽和度、進行儲層評價、識別油氣層的重要研究內容之一。20世紀60年代，Brace雖做過巖石電阻率變化各向異性實驗研究工作，但當時他只用電阻率二極測量法，作了一個橫向電阻率與縱向電阻率變化的對比，沒進行更深入的研究。1986年，K.Kurite報道了用4條測線、4個方向布極，觀測單軸壓力下，電阻率各向異性與地震波速各向異性的對比，結果很好，但只見到定性作圖解釋，未見定量計算結果[1]。我們研究的對象是非均勻的，具有各向異性，我們不能用單個的水平電阻率或者垂直電阻率來評價地層，所以需要在x、y、z三個方向上甚至多個方向上進行數據采集。隨著科學技術的發展，DSP、FPGA/CPLD、ARM等技術被應用到測井系統，數據采集系統也開始呈現多樣化的發展。本課題的目的是在實驗室中使用單片機作為主控芯片來實現多點信號的采集，完成數據的測量、傳輸、存儲等功能，最后對采集到的數據進行分析，得到實驗對象的電阻率，并做出相應的評價。

1　巖石電阻率的測量原理

1.1巖石電阻率的測量方法研究

測量巖石電阻率的方法有很多種，大體分為兩類：①無接觸式測量法，就是在測量過程中不需要與樣品接觸，這是它的最大優點，不會對樣品造成損壞，而且不接觸也不會對樣品帶來玷污。但其弊端主要在于設備相對復雜，成本較高，并且測量范圍窄。②相對較為經濟及成熟的測試方法是接觸測量法，當前的接觸測量法有很多種，例如兩探針法、三電極法、擴展電阻法以及四探針法[2]。針對實驗室中常用的兩電極法和四電極法，擬采用如圖1所示的四電極法。這種方法能夠明顯消除兩電極法中因為極化而產生的接觸電阻。

圖1　四電極測試原理圖

1.2數據采集系統研究

數據采集系統如圖2所示，數據采集系統就是把通過傳感器的模擬信號轉變成數字信號，再由計算機做出相應的計算及處理，得到用戶所需的數據。同時，我們還可以對這些數據進行顯示、打印及相應的后處理，反饋到控制系統中對某些物理量進行監視，從而使系統達到最優。

圖2　數據采集系統結構框圖

2　探測儀硬件電路設計

巖石電阻率探測儀硬件電路主要由以下幾部分構成：一個穩壓性能較好的電源、一個能夠測量較寬范圍電阻負載的恒流源、一個四探針測試夾具、一套高分辨率模數轉換電路、一套上位機通信電路等。

2.1基于UC3842的反激式開關電源設計

UC3842能夠用來直接驅動MOSFET。電流型脈寬調制器利用后級的反饋電流來調節脈沖寬度，以實現對輸出電壓的穩定控制。后級輸出電感的電流進入脈寬比較器與誤差放大器的輸出信號進行比較，用其輸出調節占空比，從而使輸出的電感峰值電流能夠時刻跟隨誤差電壓的變動。因此能夠得到較為穩定的輸出電壓。

電路工作在電流斷續模式下時：

由式（2-1）可知，當電路工作在電流斷續模式，負載開路的情況下時，輸出電壓迅速升高。為避免輸出電壓隨負載漂移，需引入反饋補償環節，本設計基于UC3842芯片，采用電流、電壓雙閉環串級控制結構，能夠實現輸出穩定的直流電壓（如圖3所示）。

圖3　基于UC3842的反激式開關電源

反激變壓器參數設計：

2.2基于集成運放的高精度恒流源設計

集成運算放大器是一種高增益的直流放大器，一般工作在閉環狀態，只要外接很少的幾個電阻，就可以構成具有深度負反饋的放大器，因此可以用來制作恒流源[3]。由于接地負載恒流源原理相對簡單，制作方便，故采用負載接地的方案。

該恒流源核心部分由兩個集成運放和四個精密電阻構成。如圖所示，運放A1使用了OP37，接成一個深度負反饋同相放大器。而運放A2使用了單位增益穩定的OPA842集成運算放大器，構成一個電壓跟隨器。運算放大器A2把A1的輸出電壓Uo傳到A1的同相端，并在該端與A1的同相端輸入電壓VSS相加，因而A1同相端電壓：

此輸出電流的大小可由外加電壓VSS和電阻RS控制。選擇運放時，應該盡可能選擇輸入阻抗較高的集成運算放大器。控制電壓VSS，電阻Rs及負載RL的數值范圍主要受A1的最大輸出電壓限制，所以應該保證RS上的壓降和RL上的壓降之和不大于A1的最大輸出電壓。而為了使恒流源的精密度更高，所以在對進行選型時，都用了誤差0.1%的精密電阻。

圖4　基于OP37與OPA842的負載可達60K的恒流源電路圖

2.3基于CH340G的串口通信電路設計

CH340是一個USB總線的轉接芯片，實現USB轉串口，SUB轉IrDA紅外或者USB轉打印口。在串口方式下，CH340提供常用的MODEM聯絡信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設備直接升級到USB總線。

3　探測儀軟件部分設計

3.1基于STM32的單片機控制程序設計框圖

圖5　STM32單片機核心代碼原理框圖

3.2基于VB6.0的串口通信上位機軟件

在開發串行通信程序的過程中，利用微軟的MSComm通信控件相對較簡單，該控件具有豐富的與串行通信密切相關的屬性及事件，提供了對串口的各種操作。 在Visual Basic開發環境下，利用VB自帶的MSComm控件設計單片機和上位機通訊程序。

圖6　上位機通信顯示界面

采用 Visual Basic 開發 Windows 下的測控應用軟件使用簡單、容易上手、開發效率高，尤其是軟件界面設計非常便捷，編程工作量較小、開發周期短。在實踐中，使用 Visual Basic 串口控件實現通信的方法比調用 API 函數的方法更加方便、快捷，而且用較少的代碼就可以實現相同的功能，從而使編程效率大大提高，也減少了因編程不當而導致的系統不穩定。

4　部分核心電路的仿真結果與分析

圖7　精密恒流源multisim仿真結果

5　結論

該系統能否完成的關鍵因素在于恒流源的性能，能否設計出一個電流穩定，負載調整率高的恒流源很大意義上決定了本課題的完成效果。該系統的硬件部分包含較高電壓的電阻率測量電路和高EMI的開關電源部分和低電壓高頻率的數字通信模塊。故而在這兩個部分之間會有一定的電磁干擾產生。因此在設計PCB板時就要將這個因素考慮進去。盡可能的優化開關電源的PCB板，減小電磁干擾的產生。另外一點是在設計PCB的過程中，要充分考慮到一些關鍵元器件的布局以及隨之而來的布線對EMI的影響。

參考文獻

[1]陳峰,安金珍,廖椿庭.原始電阻率各向異性巖石電阻率變化的方向性[J].地球物理學報,2003,02期.

[2]趙英偉,龐克儉.Kelin四線連接電阻測試技術及應用[A].半導體技術,2005.04(02):44-45．

[3]楊帆.一款半導體材料電阻率測量的恒流源系統設計[C].西安電子科技大學碩士畢業論文.

張妙瑜（1980-），女，在讀博士，講師，主要從事電磁測井理論和測井信號數值計算方面的研究。

郭新興（1993-），男，陜西咸陽人，大學本科，專業：自動化。

作者簡介：

陜西省自然科學基礎研究計劃項目：薄交互地層中的感應測井機理研究（編號：2013JM5011）。