西安石油大學(xué) 賀正澤 何長明

?

基于LabVIEW的井下弱磁信號檢測系統(tǒng)

西安石油大學(xué) 賀正澤 何長明

【摘要】本文介紹了井下弱磁信號產(chǎn)生的模型與原理。為了對井下弱磁信號實(shí)現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計(jì)。采用軟硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，以Labview為虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，結(jié)合磁通門傳感器、信號調(diào)理電路以及數(shù)據(jù)采集卡組成弱磁信號檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、處理分析和保存回放的功能。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)對弱磁信號檢測具有性能穩(wěn)定，分辨率高，界面友好，操作簡單的特點(diǎn)，在石油工業(yè)及其他各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】LabVIEW；磁通門傳感器；弱磁信號；數(shù)據(jù)采集；累加平均

0 引言

為實(shí)現(xiàn)定向鉆井的軌跡監(jiān)控和精確導(dǎo)向，操作者必須及時(shí)獲取地下鉆井的各項(xiàng)參數(shù)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(gòu)成的捷聯(lián)式姿態(tài)測量系統(tǒng)對井下弱磁信號檢測、分析，以便實(shí)現(xiàn)目標(biāo)井定位。本文重點(diǎn)利用環(huán)境噪聲的規(guī)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(shí)時(shí)反映出被測對象的狀態(tài)，確定目標(biāo)井位置。

為了對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，及時(shí)存儲、分析和處理。采用單片機(jī)結(jié)合磁通門傳感器和LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺對弱磁信號檢測，提供了簡單實(shí)用，功能全面的檢測系統(tǒng)。

1 檢測系統(tǒng)概述

弱磁信號探測系統(tǒng)主要是從具有高環(huán)境噪聲中檢測微弱的磁場信號。硬件設(shè)備包括: 磁通門傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、PC機(jī)等。軟件程序基于虛擬儀器技術(shù)，利用 LabVIEW軟件開發(fā)平臺對弱磁場信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲回放的功能。檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本硬件系統(tǒng)主要由激勵(lì)源、三軸磁通門傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、電源和CP機(jī)組成。首先通過激勵(lì)源向地層注入低頻電流，在目標(biāo)井上產(chǎn)生電流，三軸磁通門傳感器將采集到此電流產(chǎn)生的二次磁場，測得的磁場信號經(jīng)信號調(diào)理電路 進(jìn)行簡單的放大、相敏檢波、濾波之后，再傳送到帶有A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集卡上，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過USB接口將數(shù)字信號傳至上位機(jī)，對信號進(jìn)行分析處理、顯示和存儲等。

圖1 檢測系統(tǒng)框圖

2.1 傳感器

該系統(tǒng)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(qiáng)等特點(diǎn)。磁通門傳感器的部分參數(shù)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 磁通門傳感器參數(shù)指標(biāo)

三端式磁通門傳感器的主要特點(diǎn)是測量、反饋、激勵(lì)三組線圈共用一組線圈。跑道型骨架兩邊的線圈匝數(shù)、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(gè)測量線圈與該磁芯，構(gòu)成三軸磁通門探頭。

2.2 信號調(diào)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(huán)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(yùn)算放大器LM158夠成的一階帶通放大器。二次諧波信號經(jīng)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(guān)的74HC4053構(gòu)成的相敏檢波器中，經(jīng)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(yùn)算放大器LM158構(gòu)成的積分濾波器中，將二次諧波信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)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(shù)據(jù)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(diào)理框圖如圖2所示。

圖2 信號調(diào)理框圖

2.3 NI數(shù)據(jù)采集卡

本系統(tǒng)采用的是NI USB-6251數(shù)據(jù)采集卡，它的主要性能參數(shù)有：16路模擬輸入 (16位)，2路模擬輸出 (16位，2.8 MS/s)，24路數(shù)字I/O (其中8路時(shí)鐘同步)。本系統(tǒng)利用傳感器將被測信號傳送到USB-6251數(shù)據(jù)采集卡，通過數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部的信號處理模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊將所采集模擬信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識別的數(shù)字信號，上傳至以PC機(jī)為硬件平臺，LaBVIEW2012為軟件開發(fā)平臺的上位機(jī)軟件，對信號進(jìn)行時(shí)域分析、濾波和累加平均等數(shù)據(jù)處理。

3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

LabVIEW是一種圖形化編程語言，具有界面友好、操作簡便、開發(fā)周期短等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的仿真、數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析和數(shù)據(jù)顯示等方面[5]。一個(gè)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(gè)前面板都有一個(gè)與之對應(yīng)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(jié)點(diǎn)、端口和數(shù)據(jù)連線組成[6]。節(jié)點(diǎn)是程序的執(zhí)行元素，LaBVIEW由4種節(jié)點(diǎn)類型：函數(shù)、結(jié)構(gòu)控制、代碼端口和子VI。端口包括：數(shù)據(jù)端口和節(jié)點(diǎn)端口。數(shù)據(jù)連線代表程序執(zhí)行過程中的數(shù)據(jù)流，定義了框圖程序中的數(shù)據(jù)流方向[6]。因此，該系統(tǒng)的上位機(jī)部分是在PC機(jī)Windows操作系統(tǒng)下基于LabVIEW的信息采集處理系統(tǒng)軟件，總設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集是將傳感器采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、顯示的過程。本文采用數(shù)據(jù)采集卡對信號進(jìn)行采集，首先應(yīng)確定計(jì)算機(jī)上已安裝DAQ驅(qū)動，然后打開Labview2012在程序面板上，依次選定函數(shù)>>測量I/O>>DAQmx>>DAQmx創(chuàng)建>>DAQmx定時(shí)>>DAQmx開始>>DAQmx讀取>>DAQmx清除。

3.2 數(shù)據(jù)存儲回放模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊包括了兩部分，一部分實(shí)現(xiàn)將采集到磁信號值作為原始數(shù)據(jù)以文本文件的形式保存在計(jì)算機(jī); 另一部分實(shí)現(xiàn)將保存的原始數(shù)據(jù)提取出來，以便后期處理。

3.3 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)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(yù)知的干擾難以抑制，靈活性比較差。而利用上位機(jī)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(qiáng)。在基于Labview上位機(jī)程序框圖中，通過函數(shù)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(yōu)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(jìn)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(shè)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(diǎn)經(jīng)過n次重復(fù)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(jīng)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(jìn)行濾波，對各項(xiàng)濾波參數(shù)設(shè)置，使濾波效果達(dá)到最佳。并將濾波后的信號進(jìn)行100次的采樣累計(jì)平均，對比結(jié)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(shù)據(jù)處理效果明顯。

圖4 結(jié)果對比

4 結(jié)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(chǎn)生的基本原理，并詳細(xì)介紹了基于LaVIEW與傳感器的井下弱磁信號檢測系統(tǒng)的軟硬件模塊。根據(jù)磁信號的頻率特點(diǎn)，采用巴特沃斯濾波器對檢測信號濾波，結(jié)合信號累加平均的方法，實(shí)現(xiàn)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(shí)施的關(guān)鍵因素與必要條件。實(shí)踐證明基于該軟件的探測系統(tǒng)操作簡單方便，界面直觀，程序方便更改、擴(kuò)展，具有很強(qiáng)的通用性。

參考文獻(xiàn)

[1]任美鵬,李相方,尹邦堂等.基于模糊數(shù)學(xué)鉆井井噴概率計(jì)算模型研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2012,8(1):81-86.

[2]邱奎,龐曉虹,劉定東.高含硫天然氣井噴的擴(kuò)散范圍估計(jì)與防范對策[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2008,30(2):114-118.

[3]McElhinney G,Sognnes R,Smith B.Case histories demonstrate a new method for well avoidance and relief well drilling[R].SPE 37667,1997:807-814.

[4]楊鵬飛,張樸,成鵬,等.基于三端式磁通門傳感器的弱磁測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2014,42(5):887-890.

[5]李婷婷,陳健.基于labview的船用氣囊群安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(11):100-102.

[6]詹惠琴,古軍,袁亮.虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2008.

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