引言
在油氣井" style="color: blue; text-decoration: underline" title="油氣井">油氣井出砂檢測(cè)過(guò)程中，采用壓電式振動(dòng)傳感器" style="color: blue; text-decoration: underline" title="傳感器">傳感器檢測(cè)砂粒與管壁碰撞而產(chǎn)生的聲波信號(hào)。由于砂粒撞擊管壁產(chǎn)生的信號(hào)很微弱，并且出砂信號(hào)的頻率較高，一般電荷放大器" style="color: blue; text-decoration: underline" title="電荷放大器">電荷放大器的頻響不滿(mǎn)足對(duì)出砂信號(hào)的測(cè)量。因此針對(duì)這一問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了符合出砂信號(hào)檢測(cè)的前置放大電路，主要介紹了電荷放大器和濾波電路的設(shè)計(jì)。其中包括對(duì)電荷放大器中所采用的集成運(yùn)放、電阻、電容的選取進(jìn)行了分析，以確定合適的參數(shù)。通過(guò)電路仿真軟件分析了這些器件的參數(shù)選取的不同對(duì)電荷放大器測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)對(duì)濾波電路也進(jìn)行了仿真分析，其結(jié)果與設(shè)計(jì)一致。最后設(shè)計(jì)出了滿(mǎn)足出砂信號(hào)檢測(cè)的電荷放大器和濾波電路。經(jīng)過(guò)出砂試驗(yàn)測(cè)試取得了較好的效果。
出砂預(yù)處理電路的總體設(shè)計(jì)
出砂預(yù)處理放大電路的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，整個(gè)預(yù)處理電路主要由電荷放大器、適調(diào)放大電路，濾波電路、輸出放大電路等組成。
各部分的作用如下：
圖1 前置放大電路框圖
電荷放大器的作用是把壓電傳感器高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為傳感器低內(nèi)阻的電壓源，以實(shí)現(xiàn)阻抗變換，并使其輸出電壓與輸入電荷成正比。
適調(diào)放大電路是為了適應(yīng)與不同靈敏度的壓電加速度傳感器配接而使其輸出電壓歸一化的電路，即對(duì)應(yīng)于單位加速度，不同傳感器在電荷放大器輸出端對(duì)應(yīng)輸出相同的電壓。
由于傳感器輸出的出砂信號(hào)在一定的頻率范圍內(nèi)變化，且該信號(hào)中夾雜著其它的干擾信號(hào)，為了滿(mǎn)足檢測(cè)的要求，所以要通過(guò)一個(gè)帶通濾波器濾除高頻和低頻干擾信號(hào)，以此來(lái)獲取較好的出砂信號(hào)。
輸出放大電路是為了使放大器輸出適宜的電流、電壓信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路工作。
電荷放大器的設(shè)計(jì)
電荷放大器的設(shè)計(jì)原理
電荷放大器電路如圖2所示。它由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流。只有這樣傳感器的信號(hào)電荷才不會(huì)通過(guò)輸入電路泄漏造成大的測(cè)量誤差。當(dāng)加到傳感器上的力變化時(shí)，引起傳感器輸出電荷Q的改變。
圖2 電荷放大器原理圖
此電荷放大器輸出電壓為：
電荷放大器的頻率范圍由下面兩式確定：
其中，R1為電纜電阻，C為傳感器等效電容，為反饋電容，R2為反饋電阻用于Cf的放電。(注：電荷放大器的上限截止頻率還與電荷放大器采用的運(yùn)算放大器有關(guān)。)
電荷放大器中集成運(yùn)放的選擇
電荷放大器是用于放大來(lái)自壓電器件的電荷信號(hào)的放大電路。這類(lèi)放大電路的信號(hào)源內(nèi)阻抗極高，同時(shí)其電荷信號(hào)又很微弱，信號(hào)源形成的電流僅為pA級(jí)，因而要求電荷放大器具有極高的輸入電阻和極低的偏置電流，否則當(dāng)放大器的偏置電流與信號(hào)電流相近時(shí)，信號(hào)可能被偏置電流所淹沒(méi)，而不能實(shí)現(xiàn)正常放大。因此對(duì)電荷放大器中采用的運(yùn)算放大器的合理選擇就顯得特別重要。要求運(yùn)算放大器必須是高阻輸入運(yùn)算放大器，且開(kāi)環(huán)增益要高,失調(diào)電壓和電流要小，頻帶要寬。
根據(jù)上述集成運(yùn)放的選擇要求，設(shè)計(jì)時(shí)選用了美國(guó)ADI公司的AD823" style="color: blue; text-decoration: underline" title="AD823">AD823芯片和Intersil公司的CA3140芯片進(jìn)行了參數(shù)對(duì)比，并進(jìn)行了相關(guān)的仿真，驗(yàn)證了選用AD823是比較合適的。運(yùn)放AD823和CA3140的主要參數(shù)如表1所示。
表1運(yùn)放參數(shù)列表
反饋電容Cf的選取
電荷放大器輸出靈敏度的調(diào)節(jié)通常通過(guò)改變電荷轉(zhuǎn)換電路的反饋電容Cf實(shí)現(xiàn)，反饋電容的值不能選得太小，否則測(cè)試系統(tǒng)中使用的低噪聲同軸電纜的寄生電容將影響輸出靈敏度，且有積分漂移和泄露現(xiàn)象；反饋電容的值也不能選的太大，否則容易引起自激現(xiàn)象。而且Cf的精度直接影響測(cè)量的精度，所以反饋電容精度要高。一般要求精度在0.5% ~1% ,我們選擇的是聚苯乙烯電容。為了保證一定的增益，Cf 一般取100pF-10000pF。考慮以上因素及實(shí)際情況選取Cf為100PF。
電阻R1與R2的選擇
由于電荷放大器的頻率上限主要決定于運(yùn)算放大器頻響和和輸入電纜的影響，若電纜太長(zhǎng)，雜散電容增加，同時(shí)導(dǎo)線(xiàn)的自身電阻也會(huì)增加，這些參數(shù)都影響放大器的高頻特性。本項(xiàng)目中選用的傳感器本身的等效電容為10PF,振動(dòng)頻率為100kHz-1MHz,可計(jì)算出R1約為16KΩ。
電荷放大器的頻率下限由反饋電容Cf和Rf反饋電阻決定。由于在電荷放大器中采用電容負(fù)反饋，對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開(kāi)路，對(duì)電纜噪聲比較敏感,故放大器零漂較大而產(chǎn)生誤差，為減小零漂，使放大器工作穩(wěn)定， 選阻值非常高的電阻，以提供直流反饋。如果要制作頻帶響應(yīng)非常好的電荷放大器，則反饋電阻必須在1GΩ以上。考慮到以上因素及實(shí)際情況選取R2為1GΩ。
濾波電路的設(shè)計(jì)
帶通濾波器如圖3所示，它由二階低通濾波電路和二階高通濾波電路組成，其頻帶范圍為100kHz-1MHz。根據(jù)有源濾波電路的快速設(shè)計(jì)理論，很容易得到高低通濾波器的各個(gè)參數(shù)。
圖3 帶通濾波電路
低通濾波器的帶內(nèi)增益為1，截止頻率為1MHz，低通濾波器的各個(gè)參數(shù)為：
C10=10pF，R8=14.5K ，R9=50K ，C11=3.3PF
高通濾波器的帶內(nèi)增益為1，截止頻率為100kHz，高通濾波器的各個(gè)參數(shù)為：
C13=100PF，C14=100PF，R10=11.3K ，R11=22.5K
該電路中的C4、C5、C12、C15、C20、C21、C23、C24是為減小正負(fù)電源對(duì)運(yùn)放的影響，減小引入運(yùn)放的高、低頻干擾。
測(cè)試仿真
電荷放大器的仿真測(cè)試
采用Mutilsim10電子電路仿真軟件對(duì)電荷放大器電路進(jìn)行仿真測(cè)試。而在Multisim10仿真軟件中，沒(méi)有直接的電荷源信號(hào)，而考慮到壓電傳感器輸出的電荷信號(hào)，在形式上是以電流的形式輸出的。在電路分析時(shí)可以把傳感器看作一個(gè)電流源，其輸出電流在其電荷收集時(shí)間較短時(shí)可以看做是一種持續(xù)時(shí)間極短的電流沖擊脈沖。所以在仿真中使用脈沖電流源來(lái)近似代替電荷源信號(hào)。電荷放大器仿真電路如圖4所示。
圖4 電荷放大器的仿真測(cè)試圖
為了驗(yàn)證運(yùn)放的參數(shù)、反饋電阻、反饋電容對(duì)電荷放大器輸出的影響，分別做了電路仿真測(cè)試試驗(yàn)。
在電路其它測(cè)試參數(shù)不變的條件下，對(duì) 進(jìn)行參數(shù)掃描，讓 從100pF到1000pF以步長(zhǎng)100pF進(jìn)行參數(shù)，從圖5掃描的結(jié)果可以看出，反饋電容越小，其輸出電壓越大。與理論分析一致。
圖5 反饋電容的掃描波形
圖6 反饋電阻的掃描波形
同理讓Rf從1G到10G以步長(zhǎng)1G進(jìn)行參數(shù)掃描，從圖6掃描結(jié)果可以看出反饋電阻越大，其輸出電壓越大，與理論分析反饋電阻越大，反饋電容放電越慢，輸出電壓越大相一致。
為了驗(yàn)證所選集成運(yùn)放參數(shù)對(duì)電荷放大器測(cè)量結(jié)果的影響，分別對(duì)由集成運(yùn)放AD823和CA3140組成的電荷放大器在輸入電荷變換的情況下進(jìn)行了測(cè)試。其測(cè)試結(jié)果如表2、3所示。
表2 CA3140電荷放大電路測(cè)試結(jié)果
表3 AD823電荷放大電路測(cè)試結(jié)果
從表2可以看出該電荷放大器的輸入信號(hào)電流大于30PA時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)正常的放大。當(dāng)偏置電流與輸入信號(hào)電流相近時(shí)，輸入信號(hào)被偏置電流所淹沒(méi)不能實(shí)現(xiàn)正常的放大，因此測(cè)量誤差較大。從表3可以看出：在輸入信號(hào)電流為5pA時(shí)，該電荷放大器仍然能實(shí)現(xiàn)正常的放大，所以測(cè)量誤差很小。同時(shí)從表2、3中還可以看出：在相同電荷源的作用下，AD823輸出的電壓大，具有較強(qiáng)的電荷轉(zhuǎn)換能力。因此，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，選擇運(yùn)放AD823作為電荷轉(zhuǎn)換級(jí)的運(yùn)放是比較合適的。
通過(guò)仿真輸出波形，可以形象的看出不同電路參數(shù)對(duì)輸出電壓幅度的影響，因此適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)元件參數(shù)可以使電荷靈敏度更佳。
濾波電路的仿真
對(duì)圖3所示的濾波器電路利用Multisim10軟件進(jìn)行了仿真，采用軟件中的信號(hào)電壓源作為該電路的測(cè)試信號(hào)源。為了驗(yàn)證該濾波電路的濾波特性，對(duì)其在輸入信號(hào)幅值相同,頻率不同的情況進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表3所示。
從表4可以看出：當(dāng)輸入信號(hào)頻率在100kHz-1MHz范圍內(nèi)，輸出信號(hào)的幅度較大，當(dāng)輸入信號(hào)頻率在100kHz-1MHz之外，輸出信號(hào)衰減的較大，從而能很好的抑制掉帶外的干擾信號(hào)。因此該電路滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
試驗(yàn)結(jié)果
圖7所示為濾波電路輸出的出砂信號(hào)，該信號(hào)是由砂粒撞擊出油管線(xiàn)所產(chǎn)生的沖擊或瞬態(tài)振動(dòng)信號(hào)。由于出砂檢測(cè)裝備的機(jī)械傳動(dòng)引起的振動(dòng)和大量的其它隨機(jī)信號(hào)的存在，使得出砂信號(hào)被嚴(yán)重“污染”。因此為了提高該信號(hào)的信噪比，提取信號(hào)的有效特征信息，該信號(hào)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字濾波處理。
圖7 濾波后的出砂信號(hào)波形
結(jié)論
文中給出了適合砂信號(hào)預(yù)處理的電路。提出采用集成芯片AD823實(shí)現(xiàn)電荷放大器電路，解決了常用電荷放大器測(cè)量帶寬低的問(wèn)題。給出了運(yùn)放選取的原則，以及確定了電路中的主要器件和參數(shù)，通過(guò)電路的測(cè)試與仿真，表明測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)一致。而在出砂信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，表明了電路性能良好，但是該電路輸出信號(hào)還存在一定的不足，噪聲信號(hào)還是比較大。后續(xù)工作要做的是對(duì)適調(diào)濾波電路再進(jìn)行處理，進(jìn)一步降低噪聲信號(hào)，以便更好的滿(mǎn)足對(duì)出砂信號(hào)檢測(cè)要求。