基于电磁感应的多层管柱电磁探伤测井系统

信号的衰减特性

由公式（7）可以看出，接收到的感生电动势近似于指数衰减曲线。且根据电磁理论，钢管的厚度越大，感应电动势的衰减就缓慢，反之，感应电动势的衰减就较快。在感应电动势的衰减过程中，较小的时问段主要表示内管的变化，较大的时间段主要表示外管的变化，采用这种方法可以把内外管的影响区别开，这一点已从理论和实验两个方面给出了证明和验证。

在瞬变电磁法检测时，管柱上利用接收线圈观测到的感应电压的异常幅度衰减速度很大程度上决定于管柱的时间常数值。在值较大的情况下，尽管初始响应的幅值并不是很大，但信号的衰减相当缓慢，典型的衰减时间范围从100us至20ms，跨越近二个级次。在这么宽的时间范围内，信号衰减的规律如图 3所示，在早期，信号幅值高而且衰减速度很快；在晚期的信号很弱，衰减速度却慢的多。对于同一个观测信号而言，从早期到晚期的信号幅值从几伏变到几十微伏，此大的动态范围内的信号一般都要求准确测定。

图 3 瞬变电磁信号采样示意图

如此看来，瞬变信号在早、中、晚期的衰减速度差别相当大。为了在很宽的时间范围内不失真地准确确定瞬变衰减特性，除了在足够宽的时间范围内必须有足够的采样点外，各采样点之间的间隔及采样门宽应随观测点不同而有所改变。如图1.3所示，在早期，信号幅值高而且衰减速度快，因此采样时间间隔及门宽都必须相当窄才能保证足以精确地分辨信号的衰减特性；在晚期，采样间隔及门宽应增大，以适应弱信号衰变慢的特性。

此外，为了保证采样的精确性，必须对早、中、晚期进行不同倍数的放大，以适应衰减曲线动态范围差异大的特点。

系统方案

系统架构图

图 4 系统框图

系统主要包括Microchip公司的微控制器PIC32MX7F512L ，MOSFET驱动模块IR2110，多路模拟开关HI-201，CAN收发器芯片CTM8251A，以及双极性模数转换器AD7894。

系统实现功能

位于井下的PIC32单片机通过MOSFET驱动模块在发射线圈中产生双极性方波，使得接收线圈由于电磁感应产生衰减感应电动势，单片机控制多路开关和可变增益放大电路，对不同时期的衰减曲线选择不同放大倍数和采样频率进行采样，将采样数据和温度等辅助信息封装成帧，通过CAN总线与PC终端通信，并最终在PC的用户界面上绘制测井曲线和井壁厚度谱。

以上述理论为基础，在实际应用中通过测得感生曲线，曲线衰减越快且划分为早期中期和晚期等三段曲线，用迭代的算法绘制早期和晚期的测井曲线，即可将不同层管柱的损伤分离出来。这就是运用电磁法对多层管柱探伤的原理。

硬件电路的设计

电源设计

电源系统包括井上和井下两部分。井下仪器需要的电源包括PIC32单片机工作需要的+3.3V电源，运放OP07、驱动芯片IRS2110等需要的±15V电源，驱动IGBT的+12V驱动电源，以及双极性模数转换器AD7894需要的工作电压5V和高精度基准电压2.5V。

电源系统结构

电磁探伤测井仪的电源系统结构如图 9。该电源系统由地面变压器、直流稳压电路以及多个DC/DC电压转换电路组成。其中地面变压器的作用是将220V交流电转换为15V交流电，然后再经过直流稳压电路转换为直流电。通过电缆将直流电送至井下，在井下通过DC/DC变压转换电路输出井下仪器需要的12V、3.3V、±15V、5V、2.5V等电压。

图 5 电源系统结构框图

直流稳压电路

本电源系统的直流稳压电路如图 6所示，T1为15V双向变压器，输出有效值为正负15V的交流电，经过整流桥2W10整流后，再由π型网络滤波，输出20V左右的直流电。其中在整流桥的每个二极管两端都并联了一个0.1u的电容，能够很好地吸收二极管的开关噪声，减少后级电路对前级电路的干扰，注意电容的耐压值需大于变压器输出的电压峰值的2倍以上，且必须为瓷片电容。在π型滤波电路中，电容的耐压值也为输入电压的2倍，且电容值较大，交流成分能够较好地被滤掉，输出电压比较平滑。

图 6 变压器和直流稳压电路

正负15V电压转换电路

运放OP07、IRS2110等芯片的工作电压为±15V，利用7815和7915三端稳压芯片可以实现，如图 7所示。其中二极管1N4001起到保护电路的作用。

图 7 正负15V电压转换电路

12V、3.3V电压转换电路

12V为MOSFET管IRF630N的开启工作电压。如图 8所示。

图 8 12V、3.3V电压转换电路

5V、2.5V精密基准电压转换电路

AD7894是ADI公司的14Bits双极性模数转换器，采样时需要一个高精度的2.5V基准电压，而一般的稳压芯片未能提供如此高精度的输出。我们选择的是摩托罗拉公司的低电压基准MC1403芯片