基于VMOS管實(shí)現(xiàn)測井儀發(fā)射電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)

聲波測井測井儀需要在深井高溫高壓的環(huán)境下使用，對使用條件及組合功能的要求較高?，F(xiàn)今大多數(shù)油田廣泛采用1609補(bǔ)償聲波測井儀，其發(fā)射電路因?yàn)?609補(bǔ)償聲波測井儀的發(fā)射電路存在缺陷，原電路中的CMOS場效應(yīng)管易于被擊穿而損壞。因此有些儀器改用可控硅代替CMOS場效應(yīng)管作發(fā)射開關(guān)。美國阿拉斯加公司在 1609電子線路設(shè)計(jì)中，最早使用的就是可控硅，經(jīng)過一段時(shí)間的使用，發(fā)現(xiàn)可控硅抗干擾能力較差，比較容易產(chǎn)生誤觸發(fā)，造成儀器工作不正常;聲波觸發(fā)時(shí)間要求準(zhǔn)確，可控硅作發(fā)射開關(guān)時(shí)，觸發(fā)脈沖上升前沿不是非常陡峭，造成發(fā)射誤差;而且由于可控硅關(guān)斷時(shí)間的不確定性，造成儀器工作電流較大，從而影響組合測井時(shí)其他儀器的正常工作。

本研究采用更先進(jìn)的VMOS管作為發(fā)射開關(guān)，通過深入分析測井儀發(fā)射電路的工作原理及其存在的缺陷，嘗試新的可行的電路組合，調(diào)試成功后，用計(jì)算機(jī)軟件制作電路板模型，并制成電路板，然后將其連接至測井儀工作電路中，檢驗(yàn)其效能。設(shè)計(jì)改進(jìn)了原有技術(shù)，提高了儀器可靠性，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

聲波發(fā)射電路的基本原理

該電路是由N溝道增強(qiáng)型CMOS場效應(yīng)管Q1（型號為IRFD9120）和P溝道增強(qiáng)型CMOS場效應(yīng)管Q2（型號為IRFD120），按照互補(bǔ)對稱的形式連接而成，構(gòu)成反相器。場效應(yīng)管Q1與場效應(yīng)管Q2二者的柵極連接在一起引出輸入端，按邏輯解碼器輸出來發(fā)射脈沖。兩管漏極接在一起作輸出，Q1的源極接電源，Q2的源極接地。從邏輯解碼器輸出的負(fù)邏輯脈沖送至該電路X3處，一般情況下，當(dāng)X3觸發(fā)為高電平脈沖時(shí)，Q1截止，Q2導(dǎo)通，Q3的輸入端接地，使Q3截止，D1兩端的電壓為0;當(dāng)輸入X3處為低電平，使得場效應(yīng)管Q1導(dǎo)通，Q2截至，Q3的輸入端接5V電源，因此Q3導(dǎo)通，D1兩端的電壓為高壓信號，導(dǎo)通時(shí)間即為高壓脈沖寬度，從而最終使得圖1中壓電陶瓷換能器將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能而產(chǎn)生聲振動。

該設(shè)計(jì)電路中控制信號X3要求在一般情況下為高電平輸入，即Q3大部分時(shí)間處于截止?fàn)顟B(tài)，否則長時(shí)間的導(dǎo)通很容易引起大電流始終存在而引起管子燒壞及工作不正常。為了提高性能，我們改進(jìn)了電路設(shè)計(jì)，采用連續(xù)觸發(fā)的單穩(wěn)信號作為控制電路，單穩(wěn)信號的穩(wěn)定脈沖可以設(shè)定，大大提高了電路性能，取得了較好效果。

改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法

555電路是常用的一種最簡單的電路，具有定時(shí)精確，電路穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，圖2所示為采用555器件設(shè)計(jì)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路圖和所產(chǎn)生的波形圖。當(dāng)?shù)碗娖降耐庥|發(fā)脈沖到來的時(shí)候，單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生一脈沖寬度為Tw≈1.1（R+RW）C的高電平信號，信號的寬度可以通過調(diào)整RW和C的值得到不同的定時(shí)值。所設(shè)計(jì)的脈沖寬度是由壓電陶瓷的諧振頻率fs確定的，在實(shí)際測井中為fs=20kHz，因此在設(shè)計(jì)中所選取的電阻電容數(shù)值必須確保脈沖寬度等于 Ts/2以滿足諧振頻率的需要。

為了連續(xù)激發(fā)，本設(shè)計(jì)采用圖所示為自激多諧振蕩器電路產(chǎn)生的方波信號作為單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)信號，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動連續(xù)激發(fā)如圖3所示。

電路采用電阻、電容組成RC定時(shí)電路，用于設(shè)定脈沖的周期和寬度。調(diào)節(jié)R或電容C，可得到不同的時(shí)間常數(shù);還可產(chǎn)生周期和脈寬可變的方波輸出。振蕩周期決定了發(fā)射電路的重復(fù)頻率。此處重復(fù)發(fā)射頻率是指兩次發(fā)射的時(shí)間間隔大小，在實(shí)際工作中，發(fā)射頻率的大小決定著測井的速度，同時(shí)也受限于儀器的采樣時(shí)間，在測井工程和實(shí)驗(yàn)室中，重復(fù)頻率為20Hz。振蕩周期計(jì)算公式：T≈0.7 （R1+2R2） C。因此選取合適的電阻電容數(shù)值，就可以確定重復(fù)發(fā)射頻率的大小。

如前所述，可知原電路中信號經(jīng)過各器件，各電路部分調(diào)理后進(jìn)入VMOS管（此為RFP460）的輸入端，VMOS功率管的作用相當(dāng)于一開關(guān)，即在高電平或低電平時(shí)選擇性地導(dǎo)通電路，從而控制電路。最終影響聲波發(fā)射的是電路中R7兩端的電壓脈沖——經(jīng)變壓器后形成高壓脈沖激勵(lì)發(fā)射器，產(chǎn)生聲波。

發(fā)射電路總體設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)效果分析

聲波發(fā)射電路分為三大模塊：整流電路、控制電路及發(fā)射激勵(lì)電路，所設(shè)計(jì)電路的控制及發(fā)射激勵(lì)信號如前所述，整理電路采用橋式整流電路。220V交流電壓經(jīng)整流后將電容器C充電到300V，該電容器與R7的一端連接R7的另一端與發(fā)射激勵(lì)板的V4（IRFP460）的漏極相連。當(dāng)V4導(dǎo)通，R7兩端產(chǎn)生一個(gè)脈寬約為28ms的300V的高壓脈沖，該脈沖激勵(lì)壓電陶瓷換能器，使其產(chǎn)生聲振動。

對于此電路，為了驗(yàn)證其與原電路功能的一致性，采用Multisim仿真軟件測試信號與用示波器測試實(shí)際連接電路各段信號相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)電路的可用性，并將其連接到聲波發(fā)射換能器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較于原電路輸出波形基本一致，聲波發(fā)射效果良好。圖5為設(shè)計(jì)電路所測試的電路各段信號圖。

測試結(jié)果表明，由第一級555構(gòu)成的多諧振蕩器輸出的信號經(jīng)過由第二級555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器后，發(fā)生了“倒轉(zhuǎn)”：由瞬時(shí)低電平信號變?yōu)樗矔r(shí)高電平信號，實(shí)現(xiàn)了反相器的設(shè)計(jì)功能。同時(shí)V4輸如端為高電平的時(shí)候V4截止，R7兩端的電壓為0，當(dāng)V4輸如端為低電平的時(shí)候說明V4電路導(dǎo)通，則R7 兩端的電壓為外接高壓電源電壓值的大小，從而帶動壓電陶瓷換能器工作（注：實(shí)驗(yàn)中為保護(hù)示波器，采用調(diào)壓器確保低壓測量）。

結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)通過分析研究發(fā)射電路原理及其相關(guān)的功能，在成功連接電路并不斷調(diào)試的基礎(chǔ)上，對原聲波發(fā)射電路做了技術(shù)性的改進(jìn)，提出了合理的改進(jìn)方案，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。實(shí)驗(yàn)的研究成果已經(jīng)成功用于本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中，并在實(shí)驗(yàn)室中井筒模擬測量中得到應(yīng)用。相信本實(shí)驗(yàn)成果能夠應(yīng)用于油田實(shí)際生產(chǎn)過程中，體現(xiàn)使用價(jià)值與社會效益，具有一定的市場前景。

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