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1、三维感应测井仪前置放大电路的研究三维感应测井仪前置放大电路的研究一、一、课题的背景及研究目的意义和现状课题的背景及研究目的意义和现状1.课题研究背景及研究目的意义课题研究背景及研究目的意义目前，我国和其他国家的经济发展还无法完全摆脱对自然资源的依赖，石油作为一种重要的自然资源和战略能源，在自然资源日趋缺乏的当代，充当着无可替代的角色，直接影响着一个国家的经济发展速度和人民群众的日常生活水平。石油作为当代最重要的能源和最重要的化工原料之一，是国民经济的重要的生产资料。因此找到更加高效的勘探开发油气资源的方法和仪器具有重要的意义。感应测井仪器是利用地层电阻率测量的原理来有效地解释评价油气储藏。三维
2、感应测井仪采用三维线圈，传统的感应测井仪只能测量水平方向的电阻率，不能准确地描述油气储层的关键参数，不能准确地确定含油气饱和度，从而很容易低估和漏测各向异性储层的地层。三维线圈可以同时反映出水平方向以及垂直方向的电阻率，更加精确地评价岩石特性，极限地挖掘斜井、垂直井和水平井中的电阻率很低、反差低的泥质砂岩地层产油气层的储能，是当代石油测井的先进技术，现代测井界关注的核心技术。三维阵列感应测井仪测井时，接收线圈所接收到的二次感应信号非常微小，是nV量级，所以信噪比非常差，几乎淹没在噪声之中，必需经过前置放大电路放大成大信号，提高信噪比之后才可以通过数字相敏检波电路测量。并且接收线圈有多组，每组有
3、三个分量，同时工作在两个不同的频率上，由于仪器空间有限，前置放大电路的尺寸和功耗都受到限制，所以前置放大电路的设计是否合理直接影响到仪器测量的灵敏度和仪器是否能正常工作。所以前置放大电路的设计是整个仪器设计的一个重要部分。2.微弱信号检测的现状及进展微弱信号检测的现状及进展微弱特征信号检测方法日新月异，从传统的频谱分析、相关检测、取样积分和时域平均方法到新近发展起来的小波分析理论、神经网络、混沌振子、高阶统计量，随机共振等方法，在微弱特征信号检测中均有广泛的应用。这些检测方法大致分为四类：时域检测法，频域检测法，时频分析法，基于非线性理论的检测法。其中微弱特征信号的时域检测方法主要有相关检测、
4、取样积分与数字式平均、时域平均等方法。近年来，随着信号检测与处理中引入基于非线性动力学系统的数学理论，如神经网络、混沌理论、随机共振原理等，在微弱信号检测领域，利用非线性动力学系统特有性质检测微弱信号的方法逐渐显现出优势。随着信号检测与处理中非线性理论与方法的广泛应用，非线性分析法必将成为未来微弱信号检测研究的主要方向之一。由于微弱特征信号、噪声的种类较多，如微弱周期信号、微弱脉冲信号、冲击信号、微弱非周期信号，噪声有如高斯噪声、白噪声、限带噪声、窄带噪声等，不同特性的信号和噪声的混合造成待测信号较为复杂。采用单一的检测方法，检测门限过高，信噪比改善有限。在实际检测中，充分利用各检测方法的特点
5、，结合多种检测方法检测微弱信号已逐渐成为一种趋势。二、二、研究目标及主要研究内容研究目标及主要研究内容1.研究目标研究目标传感器用前置放大器有如下几点基本性能要求：前置放大器内部噪声小且受外来噪声影响小，输入阻抗要比传感器的输出阻抗高得多，增益频率特性能够覆盖必要的带宽，具有必要的增益，具有良好的增益线性且失真小，输出阻抗小且不易受负载影响。所以制作的低噪声前置放大器的设计指标如下：1) 输入阻抗大于50 k2) 输入等效噪声电压以下 (10 kHz200 kHz)HznV /23) 噪声系数NF小于1 dB4) 动态范围70 dB以上5) 电压增益70 dB6) 增益频率特性10 kHz20
6、0 kHz7) 输出阻抗小于10 8) 电源电压V122.主要研究内容主要研究内容1)了解多维感应测井仪器的研究现状；2)基于弱信号检测原理，使用PSPICE或其它电路仿真软件分析并设计一种低噪声的前置放大电路；3)研制一款满足多维感应测井仪需求的低噪声前置放大电路。三、三、研究方法（方案）与技术路线研究方法（方案）与技术路线目前电子电路的低噪声设计还是主要从低噪声半导体器件选择及放大器电路上来考虑。从抗干扰角度，还要注意到前置放大器的结构设计。微弱信号检测仪器的设计不仅要求噪声小，而且还要同时满足通频带、输入阻抗、电路工作点稳定性等多种要求。合理的设计方法应该是：首先，从低噪声要求来选择半导
7、体器件及其工作点。其次，再考虑电路组态(如共射、共基或共集)、级联方式及负反馈类型，以满足对放大器的增益、频带、输入阻抗等要求；然后，对已设计好的放大器进行噪声性能指标(如噪声系数 NF、放大器等效输入噪声电压 En 及噪声电流 In)的计算及校核，考察它是否满足预期的要求。接下来，对整体电路进行仿真，进一步考察它的增益，输出信噪比，噪声性能，以及在不同温度下的工作情况。最后，画电路板，采购芯片，制作实物的低噪声前置放大器，考察它是否满足预期的要求。四、四、研究工作计划研究工作计划1. 第一阶段：翻译文档并了解三维感应测井的大概知识。这个阶段只要是了解微信号的处理和三维感应前置放大电路的条件和
8、需求。 （1个月）2. 第二阶段：研究芯片，分析噪声来源和除噪方式，滤波模型的设计，并确定好放大芯片类型，以保证满足需求。画出大致的电路模型。 （1个月）3. 第三阶段:精确仿真，修改。画出板子图，制板。 （半个月）五、五、主要参考文献主要参考文献1 李世琼, 宗伟. 基于PSpice的电路计算机辅助分析. 北京: 中国电力出版社, 2007.2 戴逸松. 微弱信号检测方法及仪器. 北京: 国防工业出版社, 1994.3 (日)远坂俊昭 著, 彭军 译. 测量电子电路设计:模拟篇. 北京: 科学出版社, 2006.4 康华光, 陈大钦, 张林. 电子技术基础模拟部分, 第五版, 北京: 高等教
9、育出版社, 2005.5 方志豪. 晶体管低噪声电路, 北京: 科学出版社, 1984.6 刘俊,张斌珍. 微弱信号检测技术, 北京: 电子工业出版社, 2005.7 赵雅兴. PSpice与电子器件模型. 北京: 北京邮电大学出版社, 20048 李世琼,宗伟. 基于PSpice的电路计算机辅助分析, 北京: 中国电力出版社, 2007. 9 冯垚学. 三维感应测井放大和监控电路模块设计. 电子科技大学硕士学位论文 . 2011.10 倪雪梅. 低噪声高增益CMOS运算放大器设计. 江苏大学硕士学位论文. 201011 张晓飞, 董浩斌, 鲁永康. 一款低噪声前置放大器的设计. 工程地球物理
10、学报, 2009, 6（3）: 3495112 何峥嵘. 运算放大器电路的噪声分析和设计. 微电子学, 2006, 36（2）: 14915313 张石锐, 郑文刚,赵春江. 微弱信号检测的前置放大电路设计. 微计算机信息, 2009, 25 (8-2)14 黄令华, 王新安, 刘伟. 前置运算放大器的噪声分析与设计. 中国集成电路, 2008, 108: 566015 赵晓雷, 李思, 李昆. 过套管电阻率测井中的超低噪声前置放大电路的设计. 石油仪器, 2009, 23（4）:101416 夏均忠, 刘远宏, 冷永刚, 葛纪桃. 微弱信号检测方法的现状分析. 噪声与振动控制, 2011,
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12、 AIP Advances, 2011, 1 (2)19 JianshengXu, Noise Model :Analysis and Measurement of Correlation Coeffieient. IEEE Tran. CircuitsandSyst- I, 2000, 47(3): 42042420 Zhao Xiaolei , Li Si and Li Kun. Ultalow2noise amplifier design in logging technology of formation resistivity through casing. 2009 ,23( 2) :1011 21 Thomas Degen, Simon Torrent, and Heinz Jackel.Low- Noise Two-Wired Buffer Electrodes for Bioelectric Amplifiers,IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, 54(7): 13281332
