田小超

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西西安 710077）

透明工作面構(gòu)建的基礎(chǔ)是探明煤層頂?shù)装逦恢?、煤層厚度、煤層中蘊(yùn)含的地質(zhì)異常體等。核測(cè)井技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)可以有效探明鉆遇地層巖性，識(shí)別煤層頂?shù)装?，并結(jié)合軌跡跟蹤技術(shù)推斷出煤層厚度，因此，近幾年在透明工作面構(gòu)建方面也逐漸發(fā)揮積極作用，由于煤礦井下特殊的工況環(huán)境，目前僅以自然伽馬測(cè)井開展技術(shù)應(yīng)用[1-4]。

自然伽馬測(cè)井技術(shù)是以測(cè)量地層中天然放射性核素自然衰變時(shí)發(fā)射出的伽馬射線為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)測(cè)井儀在鉆進(jìn)時(shí)，地層中輻射出的自然伽馬射線主動(dòng)入射進(jìn)儀器，被伽馬探測(cè)器所捕獲。為了對(duì)鉆遇地層巖性進(jìn)行識(shí)別和劃分，需要將捕獲的伽馬射線強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)化為可量化的電信號(hào)，再由信號(hào)采集電路進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)的脈沖數(shù)量，從而獲得鉆遇地層的巖性差異化信息[5-7]。但是，伽馬探測(cè)器輸出的原始信號(hào)為微弱的負(fù)極性尖峰信號(hào)，無法被信號(hào)采集電路直接所接收，需要對(duì)其做相應(yīng)的信號(hào)變換使其符合輸入要求。根據(jù)對(duì)伽馬探測(cè)器信號(hào)特征的分析，信號(hào)調(diào)理電路應(yīng)具備原始信號(hào)的拾取、合理放大以及標(biāo)準(zhǔn)化等功能。但是多種因素制約下，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理的信號(hào)中還會(huì)存在一些噪聲信號(hào)可能會(huì)影響真實(shí)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，所以在對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)還要考慮盡可能消除噪聲信號(hào)對(duì)有效信號(hào)的干擾，提高電路信噪比[8-10]。

該文對(duì)核測(cè)井儀伽馬探測(cè)器組成進(jìn)行介紹，并分析了其輸出信號(hào)的特證，結(jié)合煤礦鉆孔探測(cè)儀器應(yīng)用環(huán)境及其實(shí)際需求，采用小體積、低功耗、高性能運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了核測(cè)井儀專用信號(hào)處理電路，并在實(shí)驗(yàn)室自然放射性和弱放射性條件下對(duì)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，電路運(yùn)行可靠、性能穩(wěn)定，處理效果達(dá)到預(yù)期技術(shù)要求。

1 探測(cè)器信號(hào)特征分析

伽馬探測(cè)器是核測(cè)井儀的重要組成部件，主要由閃爍晶體、光電轉(zhuǎn)換器件——光電倍增管及高壓直流偏置電源等幾部分組成，伽馬探測(cè)器組成及典型的工作原理如圖1 所示。

圖1 伽馬探測(cè)器典型工作原理

圖1 中，K 為光電陰極，F(xiàn) 為聚焦極，D1-D10 為各倍增極，P 為陽極，H0-H12 為各級(jí)直流偏置高壓。

當(dāng)伽馬射線入射進(jìn)閃爍晶體時(shí)，會(huì)立刻與晶體中的分子、原子發(fā)生相互作用產(chǎn)生康普頓散射效應(yīng)、光電效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。在發(fā)生相互作用時(shí)，閃爍晶體吸收伽馬射線的能量被激發(fā)，在退激時(shí)會(huì)產(chǎn)生光子而釋放能量，光子則被光導(dǎo)傳導(dǎo)到光電倍增管的光陰極。不同材質(zhì)的閃爍晶體，其所具有的特性有所不同的，相比較而言，NaI(TI)晶體的能量分辨率、光產(chǎn)額、時(shí)間響應(yīng)特性等均比較好，而且具有透明度好、發(fā)光效率高、對(duì)伽馬射線阻止本領(lǐng)強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但其容易潮解，使用時(shí)需要密封保護(hù)[11-12]。

光電倍增管是一種將弱小光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的真空器件，由光電陰極、電子倍增極、聚焦極和陽極四部分組成。光子通過光電倍增管端窗照射到光電陰極，在真空環(huán)境下，光電陰極被激發(fā)出光電子，經(jīng)外電場(chǎng)加速后的光電子聚焦于第一倍增極，并依次逐級(jí)倍增，被多級(jí)放大的電子流由陽極電極收集并輸出光電流，而其大小與入射的光子數(shù)成正比，即與所處環(huán)境的放射性強(qiáng)度成正比[13-15]。

伽馬探測(cè)器輸出的電信號(hào)一般是微弱的、電流型、負(fù)極性窄脈沖信號(hào)，而脈沖信號(hào)統(tǒng)計(jì)電路所能接收的是一定幅度的正極性電壓信號(hào)，因此需要對(duì)原始輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大和整形處理。另外，輸出信號(hào)中還常?；祀s著由宇宙射線、光電倍增管自身暗電流或強(qiáng)電磁干擾等因素引起的噪聲干擾，所以為了得到真實(shí)的地層放射性差異信息，在信號(hào)調(diào)理過程中還需要考慮這些無效信號(hào)對(duì)真實(shí)信號(hào)的影響。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)伽馬探測(cè)器輸出的非標(biāo)原始信號(hào)的有效采集，需設(shè)計(jì)專門的信號(hào)處理電路對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行信號(hào)拾取、放大、鑒別以及脈沖成型等處理，以滿足后端信號(hào)采集電路的輸入要求[16]。

2 信號(hào)調(diào)理電路組成

伽馬探測(cè)器將地層中輻射的自然伽馬射線變換成電信號(hào)，起到了至關(guān)重要的紐帶作用，基于以上對(duì)核測(cè)井儀中伽馬探測(cè)器輸出信號(hào)特征的分析，以及對(duì)非標(biāo)原始信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的處理需求，設(shè)計(jì)了如下專門的信號(hào)處理電路，其主要由信號(hào)拾取電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)鑒別電路、脈沖成型電路、電源電路等五部分組成，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)框圖

信號(hào)拾取電路的功能是把伽馬探測(cè)器輸出的微弱的、快速變化的電流信號(hào)進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換，使其可以被后級(jí)電路所接收并做進(jìn)一步的處理；信號(hào)放大電路是對(duì)伽馬探測(cè)器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行合理化放大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)極性信號(hào)到正極性信號(hào)的變換，滿足采集電路正極性信號(hào)輸入的要求；依據(jù)信號(hào)特征分析可知，前一級(jí)處理電路的輸出信號(hào)常包含噪聲信號(hào)，可能會(huì)影響有效信號(hào)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，需經(jīng)由信號(hào)鑒別電路進(jìn)行純凈化處理，即將噪聲信號(hào)剔除，僅保留有效信號(hào)；經(jīng)過信號(hào)鑒別電路過濾后的有效信號(hào)因輻射強(qiáng)度原因，脈沖有高有低，且波形形態(tài)也不規(guī)整，設(shè)計(jì)了脈沖成形電路將所述信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；信號(hào)調(diào)理電路的各功能模塊屬于模擬電路部分，要與后端信號(hào)采集電路的數(shù)字電路分開供電，且信號(hào)調(diào)理電路中包含正負(fù)極性信號(hào)，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)包含正負(fù)電壓的電源電路，另外伽馬探測(cè)器的輸出信號(hào)較為微弱，供電電源應(yīng)具有低紋波特性。

3 電路實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

3.1 信號(hào)拾取電路

核測(cè)井儀中伽馬探測(cè)器的輸出是微小電流（電荷）信號(hào)，而常規(guī)的后端信號(hào)處理電路都是基于電壓信號(hào)為處理對(duì)象的，所以有必要用某種手段，將該電流量轉(zhuǎn)換成電壓量。

在核測(cè)井脈沖計(jì)數(shù)領(lǐng)域，常用的電流量至電壓量轉(zhuǎn)換電路形式有兩種：一種是負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換方式；另一種是基于運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換方式。因?yàn)楣怆姳对龉艿男‰娏鬏敵龊透邇?nèi)阻特性，通常理想認(rèn)為它相當(dāng)于一個(gè)恒流源，通過外接負(fù)載電阻將電流脈沖信號(hào)變換成電壓信號(hào)，該方式稱之為負(fù)載電阻變換方式。在負(fù)載電阻變換方式下，為了保證伽馬探測(cè)器有良好的線性和頻響特性，負(fù)載電阻取值不能太大，但是這樣會(huì)帶來輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換效率偏低的問題，而采用運(yùn)算放大器代替負(fù)載電阻來實(shí)現(xiàn)上述電路，就能解決負(fù)載電阻變換方式存在的問題，這就是運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換方式，其具體實(shí)施電路如圖3 所示。

圖3 信號(hào)拾取電路原理圖

信號(hào)拾取電路采用AD8065 型高性能運(yùn)算放大器構(gòu)成，伽馬探測(cè)器輸出的電流信號(hào)經(jīng)隔直兼耦合電容C后，輸入到運(yùn)算放大器A1 的反相輸入端（-），運(yùn)算放大器A1 同相輸入端（+）接地電位。AD8065型運(yùn)算放大器具有高輸入阻抗，伽馬探測(cè)器輸出的電流IP不能流入運(yùn)算放大器A1 的反相輸入端（-），而是大部分流經(jīng)反饋電阻Rf，在其兩端產(chǎn)生電壓如式（1）所示。由于運(yùn)算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)比較高，按照虛地的理論，其同相輸入端（+）與反相輸入端（-）的電位相同，均為地電位，因此，信號(hào)拾取電路的輸出電壓Vout1就與反饋電阻Rf其兩端產(chǎn)生電壓值相同，由此就實(shí)現(xiàn)了電流-電壓的變換。

式（1）中，Vout1是信號(hào)拾取電路輸出電壓，單位為V；Ip是伽馬探測(cè)器輸出的光電流，單位為A；Rf為反饋電阻，單位為Ω。

實(shí)際電路中的輸出光電流信號(hào)常受到放大器偏置電流、溫度漂移、Rf反饋電阻的質(zhì)量和電路板基板絕緣性能等多種因素的制約。因此，首先需要選用極低偏置電流、溫度漂移性能優(yōu)異的運(yùn)算放大器，AD8065 型運(yùn)算放大器的典型偏置電流僅有1 pA，還擁有絕佳的溫度漂移性能，另外它采用FET 輸入，具有低噪聲、高共模抑制比和低失調(diào)電壓等優(yōu)點(diǎn)。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，為了不使直流高壓成分影響后端信號(hào)調(diào)理電路，在伽馬探測(cè)器與信號(hào)調(diào)理電路中間串入隔直兼耦合電容C，該電容應(yīng)選用漏電流小、頻率特性好的瓷介質(zhì)電容，其耐壓值不低于1 500 V。為克服輸入電路存在對(duì)地輸入電容、負(fù)載端存在耦合電容以及旁路電容導(dǎo)而致的信號(hào)波形相位偏移與振蕩問題，在反饋電阻Rf兩端并入電容Cf，以達(dá)到補(bǔ)償相位、消除振蕩的作用，與此同時(shí)，反饋電容Cf還可以起到抑制信號(hào)噪聲的作用。

3.2 信號(hào)放大電路

信號(hào)拾取電路的輸出信號(hào)Vout1相對(duì)較大，且已經(jīng)將負(fù)極性信號(hào)變換為正極性信號(hào)，因此，根據(jù)實(shí)際的信號(hào)幅度大小設(shè)計(jì)一級(jí)放大電路即可，具體放大倍數(shù)以實(shí)際電路信號(hào)輸入情況做適當(dāng)調(diào)整。

信號(hào)放大電路由AD8011 型運(yùn)算放大器構(gòu)成,具體實(shí)現(xiàn)電路如圖4 所示。AD8011 是一款極低功耗、高運(yùn)行速率的電流反饋型運(yùn)算放大器，可采用正負(fù)電源供電。另外，其具有高壓擺率、低失真等特性[17]。因此，該運(yùn)算放大器很適合用作上升沿變化很快的核脈沖信號(hào)的放大。放大倍數(shù)調(diào)節(jié)電阻中R30一般可選取10 kΩ電阻，而R31需根據(jù)前端輸入信號(hào)強(qiáng)度來決定，一般選取20 kΩ左右。電路中，R28與C31、R29與C32組成RC 濾波器，確保信號(hào)放大電路正負(fù)電源穩(wěn)定性。

圖4 信號(hào)放大電路原理圖

3.3 信號(hào)鑒別與脈沖成型電路

上級(jí)電路輸出信號(hào)除包含地層放射性強(qiáng)度的信息外，往往還會(huì)包含一些噪聲信號(hào)，如光電倍增管自身暗電流引起的噪聲信號(hào)、宇宙射線引起的噪聲信號(hào)以及電路中電子元器件熱噪聲引起的噪聲信號(hào)等。在信號(hào)拾取、放大過程中電路無法自動(dòng)識(shí)別有效信號(hào)，也會(huì)將這些無效信號(hào)捕獲并放大，如不將其剔除的話會(huì)對(duì)核測(cè)井儀最終的脈沖統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)結(jié)果產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響測(cè)量結(jié)果的真實(shí)性，因此，基于實(shí)際需求設(shè)計(jì)了如圖5 所示的信號(hào)鑒別電路。

圖5 信號(hào)鑒別電路原理圖

在圖5 所示信號(hào)鑒別電路中，Vout2是信號(hào)放大電路的處理結(jié)果，輸入至LT1720IS8 比較器的同向輸入端，比較器的反向輸入端接由電阻分壓電路構(gòu)成簡(jiǎn)易又可靠的參考電壓電路，電路由精密電阻R32和RJ構(gòu)成，其電壓源由模擬+5 V 電源提供，因此，參考電壓精度值得信賴。參考電壓電路中的電阻RJ需根據(jù)參考電壓范圍進(jìn)行設(shè)置，首次電路調(diào)試時(shí)調(diào)節(jié)一次即可。參考電壓取值受限于上所述噪聲信號(hào)幅度的最大值，核測(cè)井儀在煤礦井下鉆孔中應(yīng)用，因儀器有金屬防護(hù)外殼保護(hù)，可以不予考慮宇宙射線脈沖的影響。在進(jìn)行鑒別電路參考電壓設(shè)置時(shí)，可采用一種較為簡(jiǎn)便的方法，即在用示波器觀察伽馬探測(cè)器輸出波形Vout2的同時(shí)觀察噪聲信號(hào)情況，目測(cè)低端噪聲的幅度水平，參考電壓一般設(shè)置為略高于該幅度值即可。

鑒別電路工作過程：當(dāng)鑒別電路沒有輸入信號(hào)時(shí)，鑒別電路比較器同相輸入端輸入電壓比參考電壓低，則鑒別電路輸出低電平；當(dāng)鑒別電路輸入的脈沖信號(hào)為有效探測(cè)信號(hào)時(shí)，鑒別電路比較器的同相輸入端輸入電壓比參考電壓高，則鑒別電路輸出高電平，電平電壓幅度比所加電源正電壓略低。因此，經(jīng)過鑒別電路甄選后，就得到攜帶地層放射性強(qiáng)度信息的有效脈沖信號(hào)。

為了提高脈沖計(jì)數(shù)精度、增強(qiáng)電路抗干擾能力，在鑒別電路后級(jí)增加了脈沖成形電路。該電路采用雙非門芯片組成，其外圍電路簡(jiǎn)單，僅需幾個(gè)旁路電容即可；芯片體積小、功耗低，符合核測(cè)井儀對(duì)電路小體積、低功耗、高可靠性的要求；電路輸出信號(hào)為脈寬約5 μs、幅度5 V 的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)。信號(hào)采集電路控制核心采用STM32 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，其部分I/O 口可兼容5 V 輸入，因此，脈沖成型電路輸出信號(hào)可無差別輸入至信號(hào)采集端口。

3.4 電源電路

信號(hào)調(diào)理電路所需要的電源主要是模擬電源±5 V，其中，信號(hào)拾取與放大電路需要正負(fù)電源，而信號(hào)鑒別電路與脈沖成型電路主要需要正電源。

+5 V 電源采用LT1963CS8-5 線性電源芯片，該芯片具有低壓差、低噪聲及低功耗的特性，通過添加容值為0.01 μF的旁路電容C8，輸出噪聲僅有20 μVRMS（在10 Hz 至100 kHz 帶寬條件下）。另外該芯片外部電路簡(jiǎn)單，不需要其他的電阻器件，拉高引腳5 即可使能電源輸出。ICL7660A 是電源反向芯片，該電路采用其轉(zhuǎn)換器工作模式，可實(shí)現(xiàn)從+5 V 模擬電源至-5 V 模擬電源的轉(zhuǎn)換，該芯片具有極低的靜態(tài)電流，只需外接容值為10 μF 的小體積電容C14，可使芯片輸出效率高達(dá)98%以上。

雖然LT1963CS8-5 電源芯片和ICL7660A 負(fù)電源芯片都具有低紋波輸出，但是考慮到信號(hào)調(diào)理電路對(duì)電源純潔度的要求，在兩路電源輸出端還設(shè)計(jì)了LCπ型濾波器，用以濾除電源芯片產(chǎn)生的高頻干擾。

3.5 電路效果測(cè)試

在完成信號(hào)調(diào)理電路的制板、焊接與調(diào)試后，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下開展性能測(cè)試，測(cè)試過程中輸入信號(hào)為伽馬探測(cè)器輸出的原始信號(hào)。對(duì)核測(cè)井儀采用的伽馬探測(cè)器進(jìn)行坪特性曲線測(cè)定，以掌握其坪特性，并根據(jù)實(shí)測(cè)的坪特性曲線選取最佳直流偏置高壓，一般選取在坪區(qū)范圍中部偏前。電路上電運(yùn)行，用示波器觀察信號(hào)拾取電路輸出電壓Vout1的波形，應(yīng)為幅度約在1 V 左右的正極性信號(hào)，且波形無畸變；觀察信號(hào)放大電路的輸出電壓Vout2，并合理調(diào)整放大倍數(shù)調(diào)節(jié)電阻R31的大小，使最大輸出電壓Vout2波形無消頂，輸出信號(hào)波形如圖6 所示，同時(shí)觀察噪聲信號(hào)幅度，據(jù)此選取參考電壓調(diào)節(jié)電阻RJ的阻值，使有效信號(hào)可以通過鑒別電路，而噪聲脈沖信號(hào)不能通過，直至到達(dá)預(yù)期要求，最終經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)如圖7 所示。

圖6 Vout2輸出信號(hào)波形

圖7 Vout3輸出信號(hào)波形

4 結(jié)論

通過對(duì)核測(cè)井儀伽馬探測(cè)器輸出信號(hào)特征的分析，以及現(xiàn)有電流-電壓變換工作方式各自優(yōu)缺點(diǎn)的總結(jié)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并測(cè)試驗(yàn)證了應(yīng)用于核測(cè)井儀的伽馬探測(cè)器輸出信號(hào)調(diào)理電路，得到如下結(jié)論：

1）在實(shí)驗(yàn)室自然放射性及弱放射性源（三級(jí)刻度器）條件下實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明：該信號(hào)調(diào)理電路能有效拾取、放大伽馬探測(cè)器輸出的微弱電流負(fù)脈沖信號(hào)，并能將其變換成可被脈沖統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)電路識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)；

2）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的核測(cè)井儀信號(hào)調(diào)理電路工作原理簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，同時(shí)滿足煤礦鉆孔用探測(cè)儀器對(duì)小體積、低功耗的應(yīng)用需求；

3）針對(duì)核測(cè)井儀設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理電路，目前測(cè)試來看能夠滿足儀器的使用需求，但是還有很大的優(yōu)化空間，也需要在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步的優(yōu)化與升級(jí)。