基于LabVIEW的井下弱磁信號檢測系統

西安石油大學 賀正澤 何長明

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基于LabVIEW的井下弱磁信號檢測系統

西安石油大學 賀正澤 何長明

【摘要】本文介紹了井下弱磁信號產生的模型與原理。為了對井下弱磁信號實現檢測及改善信號的信噪比，利用信號累加平均對弱磁信號檢測系統設計。采用軟硬件相結合的設計方法，以Labview為虛擬儀器軟件開發平臺，結合磁通門傳感器、信號調理電路以及數據采集卡組成弱磁信號檢測系統，該系統具有數據采集、處理分析和保存回放的功能。測試結果表明，該系統對弱磁信號檢測具有性能穩定，分辨率高，界面友好，操作簡單的特點，在石油工業及其他各個領域都有廣泛的應用價值。

【關鍵詞】LabVIEW；磁通門傳感器；弱磁信號；數據采集；累加平均

0 引言

為實現定向鉆井的軌跡監控和精確導向，操作者必須及時獲取地下鉆井的各項參數及其空間位置，利用基于LaBVIEW的圖形化虛擬平臺與磁通門傳感器構成的捷聯式姿態測量系統對井下弱磁信號檢測、分析，以便實現目標井定位。本文重點利用環境噪聲的規律性，從噪聲干擾背景中檢測和分離出有用的弱磁信號，以實時反映出被測對象的狀態，確定目標井位置。

為了對信號進行實時采集，及時存儲、分析和處理。采用單片機結合磁通門傳感器和LabVIEW虛擬儀器開發平臺對弱磁信號檢測，提供了簡單實用，功能全面的檢測系統。

1 檢測系統概述

弱磁信號探測系統主要是從具有高環境噪聲中檢測微弱的磁場信號。硬件設備包括: 磁通門傳感器、信號調理電路、數據采集卡、PC機等。軟件程序基于虛擬儀器技術，利用 LabVIEW軟件開發平臺對弱磁場信號進行數據采集、數據處理、數據實時顯示、數據存儲回放的功能。檢測系統框圖如圖1所示。

2 檢測系統的硬件設計

本硬件系統主要由激勵源、三軸磁通門傳感器、信號調理電路、數據采集卡、電源和CP機組成。首先通過激勵源向地層注入低頻電流，在目標井上產生電流，三軸磁通門傳感器將采集到此電流產生的二次磁場，測得的磁場信號經信號調理電路 進行簡單的放大、相敏檢波、濾波之后，再傳送到帶有A/D轉換器的數據采集卡上，將輸入的模擬信號轉換為數字信號，然后通過USB接口將數字信號傳至上位機，對信號進行分析處理、顯示和存儲等。

圖1 檢測系統框圖

2.1 傳感器

該系統選用麥格韋爾TF系列三分量磁通門傳感器，該傳感器具有分辨率高、

噪聲低、功耗低、溫度性能好、線性度好、抗干擾強等特點。磁通門傳感器的部分參數技術指標如表1所示。

表1 磁通門傳感器參數指標

三端式磁通門傳感器的主要特點是測量、反饋、激勵三組線圈共用一組線圈。跑道型骨架兩邊的線圈匝數、阻值、電感量、分布電容相等，兩邊的干擾（包括基波分量）可以抵消，從而提高磁傳感器的靈敏度，降低噪聲。三個測量線圈與該磁芯，構成三軸磁通門探頭。

2.2 信號調理電路

由于三軸磁通門傳感器輸出的信號幅度非常微弱，且包含了環境噪聲等干擾信號。因此該部分電路的選頻放大器選用低功耗雙運算放大器LM158夠成的一階帶通放大器。二次諧波信號經選頻放大器放大后，送入帶有公共使能輸入控制位的3路二選一模擬開關的74HC4053構成的相敏檢波器中，經相敏檢波器后其他諧波信號都抑制為零，輸出只有二次諧波信號。將獲得的信號再次作為輸入輸送到由低功耗雙運算放大器LM158構成的積分濾波器中，將二次諧波信號轉換為穩定的直流信號，且電壓的大小與外磁場信號大小成正比[4]，以便作為數據采

集卡的輸入信號和磁通門傳感器的反饋信號。具體信號調理框圖如圖2所示。

圖2 信號調理框圖

2.3 NI數據采集卡

本系統采用的是NI USB-6251數據采集卡，它的主要性能參數有：16路模擬輸入 (16位)，2路模擬輸出 (16位，2.8 MS/s)，24路數字I/O (其中8路時鐘同步)。本系統利用傳感器將被測信號傳送到USB-6251數據采集卡，通過數據采集卡內部的信號處理模塊、AD轉換模塊將所采集模擬信號轉換為計算機能識別的數字信號，上傳至以PC機為硬件平臺，LaBVIEW2012為軟件開發平臺的上位機軟件，對信號進行時域分析、濾波和累加平均等數據處理。

3 上位機程序設計

LabVIEW是一種圖形化編程語言，具有界面友好、操作簡便、開發周期短等特點，廣泛應用于各個行業的仿真、數據采集、儀器控制、測量分析和數據顯示等方面[5]。一個基本的VI包括：前面板和框圖程序兩部分。前面板是需要放置各種控件的。而程序框圖是用來編寫代碼的，每個前面板都有一個與之對應的程序框圖，程序框圖是圖形化的源程序。在框圖程序中通過對VI編程，來控制和操縱在前面板上的控件。其中，框圖程序由節點、端口和數據連線組成[6]。節點是程序的執行元素，LaBVIEW由4種節點類型：函數、結構控制、代碼端口和子VI。端口包括：數據端口和節點端口。數據連線代表程序執行過程中的數據流，定義了框圖程序中的數據流方向[6]。因此，該系統的上位機部分是在PC機Windows操作系統下基于LabVIEW的信息采集處理系統軟件，總設計框圖如圖3所示。

3.1 數據采集模塊

數據采集是將傳感器采集到的模擬信號轉換成數字信號后，再由計算機進行存儲、處理、顯示的過程。本文采用數據采集卡對信號進行采集，首先應確定計算機上已安裝DAQ驅動，然后打開Labview2012在程序面板上，依次選定函數>>測量I/O>>DAQmx>>DAQmx創建>>DAQmx定時>>DAQmx開始>>DAQmx讀取>>DAQmx清除。

3.2 數據存儲回放模塊

數據存儲模塊包括了兩部分，一部分實現將采集到磁信號值作為原始數據以文本文件的形式保存在計算機; 另一部分實現將保存的原始數據提取出來，以便后期處理。

3.3 數據處理模塊

因采集到的有用低頻交變電磁信號十分的微弱，而且接收裝置又是寬帶測量，所以往往二次場的信號被噪聲所淹沒掉。需對數據進行濾波處理，濾波方法可分為硬件濾波和軟件濾波，但硬件濾波電路需要的成本比較高，而且對一些不可預知的干擾難以抑制，靈活性比較差。而利用上位機軟件對有用信號提取，干擾信號剔除成本低，效率高，靈活性強。在基于Labview上位機程序框圖中，通過函數選板>>信號處理>>濾波器，可以選擇切比雪夫、巴特沃斯、貝塞爾、中值等多種濾波器。因采集到的有用信號為低頻正弦信號，所以需要選擇低通性能優良的濾波器。本文選用巴特沃斯濾波器對信號濾除外界干擾。

其次，對濾波后的信號進行累加平均，是提高信噪比常用的處理方法[7]。由于二次場信號是周期性的，把多次周期的信號逐次累加，然后再求平均值。

假設有用信號和噪聲疊加后的混合信號為：

由于二次場信號是周期信號，所以就有：

在對信號固定點經過n次重復采樣后，則它的累加值為：

N次疊加后的噪聲，取其幾何平均值可得：

所以n次疊加后的信噪比為：

經過n次累積之后的信噪比有明顯的改善，其值為：

模擬輸入低頻正弦信號與均勻白噪聲的疊加，選用巴特沃斯濾波器對疊加的信號進行濾波，對各項濾波參數設置，使濾波效果達到最佳。并將濾波后的信號進行100次的采樣累計平均，對比結果如圖4所示。由圖可知對模擬輸入信號處理后，信號受外界干擾明顯減少，數據處理效果明顯。

圖4 結果對比

4 結束語

文中建立了救援井電磁探測模型，分析了井下弱磁信號產生的基本原理，并詳細介紹了基于LaVIEW與傳感器的井下弱磁信號檢測系統的軟硬件模塊。根據磁信號的頻率特點，采用巴特沃斯濾波器對檢測信號濾波，結合信號累加平均的方法，實現對弱磁信號的有效檢測。對弱磁信號的有效檢測是定向井成功實施的關鍵因素與必要條件。實踐證明基于該軟件的探測系統操作簡單方便，界面直觀，程序方便更改、擴展，具有很強的通用性。

參考文獻

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[7]周倩婷,危峻,徐志鵬.噪聲特性對多次采樣累加平均技術的影響[J].紅外與激光工程,2010,39(5):959-962.