西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 张文辉 李志强 宋美华中国电子科技集团公司第二十研究所 王 浩



光电耦合器在井下仪器测深电路中的应用

西安石油大学光电油气测井与检测教育部重点实验室 张文辉 李志强 宋美华
中国电子科技集团公司第二十研究所 王 浩

【摘要】本文提出了一种运用光电耦合器的高精度深度测量系统, 通过光电耦合器的使用，有效地解决了测井车多点接地或深度信号输入、输出不共地等问题；通过分析光电编码器抖动干扰信号的特征，设计了高精度抗抖动干扰电路，对以前的测深模块进行了改进；利用计数芯片和PIC单片机之间相互配合的方式进行脉冲计数和深度记录，并运用计算机和LabVIEW软件实现深度信息的实时显示。通过在胜利油田的现场试验，证明该系统切实可行，且具有很高的精确度。

【关键词】光电耦合器；深度测量；光电编码器；脉冲计数

引言

深度是测井资料中一项极为重要的数据，精准的深度测量数据，是准确定位裸眼井的射孔位置、判断油藏储集层，准确定位套管井套管节箍、损伤和腐蚀的重要前提[1]。我们瞬变电磁探测仪的测深模块集成在便携式的地面操作箱中，在测井现场作业过程中，需要测井车对其进行供电。当我们在油田对仪器进行试验时，发现电缆绞车工作是由井上随机提供的市电220V或发电机供电，存在电压功率低、转换效率差、噪声干扰大、交流成分复杂等因素，会使深度脉冲信号引入较大的干扰；而且由于油田测井车种类各异，往往出现多点接地，或光电编码器和便携式地面操作系统不共地等情况，影响深度脉冲信号的正常传输，导致深度计量出现较大误差。

为了解决以上问题，本文提出了一种运用光电耦合器的高精度深度测量系统。光耦隔离是一种信号隔离形式，常由光耦器件及其外围电路组成。光电耦合隔离技术的应用，对不同接地状态的互相影响起到隔离作用，保证深度脉冲信号传输准确无误，使该深度测量系统在抗干扰能力上有很大的改善和提高，也使得便携式地面操作箱在油田现场环境的适应性更强。同时对以前的测深模块进行了相应的改进，使其在鉴相防抖、脉冲计数和深度实时显示方面的性能更加优越，且结构简单、稳定性强，精确度高。

1 光电耦合器的结构及原理

1.1 光电耦合器结构与原理

光电耦合器是一种把发光器件和光敏器件封装在同一壳体内[2]，中间通过电→光→电的转换来传输电信号的半导体光电子器件。

光电耦合器主要由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。

（1）光的发射部分主要由发光器件构成，一般都是发光二极管，能将电能转化为光能而发光，发光二极管可以用直流、交流、脉冲等电源驱动。

（2）光的接收部分主要由光敏器件构成，一般都是光敏晶体管，光敏晶体管是利用对PN 结施加反向电压时，在光线照射下反向电阻由大变小的原理来工作的。

（3）光的信号放大部分主要由电子电路等构成。

发光器件的管脚为输入端，而光敏器件的管脚为输出端。工作时把电信号加到输入端，使发光器件的芯体发光，而光敏器件受光照后产生光电流并经电子电路放大后输出，实现电→光→电的转换，从而实现输入和输出电路的电器隔离。由于光电耦合器输入与输出电路间互相隔离，且电信号在传输时具有单向性等优点，目前已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。其内部结构如图1所示。

图1　光耦内部结构

1.2 光电耦合器件具有以下特点

信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，可有效阻断电路或系统之间的电联系，但并不切断他们之间的信号传递；容易和逻辑电路连接；响应速度快、传输效率高，光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒级；无触点、寿命长、体积小、耐冲击。以上特点完全能够满足我们的使用要求，并达到信号隔离、传输的目的。

2 光电耦合器在测深系统中的应用

2.1 测深系统组成原理框图

本系统主要由光电编码器[3]、光耦隔离电路、鉴相防抖电路、脉冲计数电路、接口电路、以及计算机和上位机软件等部分组成，系统框图（系统组成原理框图）如图2所示。

图2　测深系统组成原理框图

2.2 测深系统工作原理

光电编码器安装于测井车上，随着电缆的运动带动编码轮转动，光电编码器产生A、B相信号，将其直接输入到放置于测井车上的瞬变电磁探伤仪便携式地面控制箱里。光耦隔离电路使得信号只能单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，解决了输入信号和地面控制箱不共地的问题。鉴相防抖电路判断A、B信号的相位，同时通过电路的逻辑运算实现防抖目的。脉冲计数电路可以准确记录脉冲数目，并且通过方向控制信号，确定对脉冲数应该采取加计数或减计数操作，产生深度数据信号。深度数据通过接口电路的驱动，上传到计算机利用上位机软件实现深度实时显示的功能。

2.3 光耦隔离电路

由于在测井车上进行现场试验时，发现有时候光电编码器的输出地和便携式地面操作箱里的地信号不共地，影响光电编码器A、B信号的正常传输，为此要设计一个光耦隔离电路，以实现A、B信号的顺利采集。光耦具有对输入、输出电信号起隔离的作用，实现信号单向传输、输入端与输出端完全实现了电气隔离、输出信号对输入端无影响，而且具有抗干扰能力强、工作稳定、无触点、使用寿命长、传输效率高等特点。具体电路如图3所示。

4N35是一款通用光电耦合器，包含一个砷化镓红外发光二极管，并用该二极管驱动硅光电晶体管。4N35的封装类型是6脚双列直插封装。输出A、B信号通过上拉电阻R3、R4连接到仪器地面控制箱+5v上，输出地连接到便携式地面控制箱的地。

图3　光耦隔离电路

2.4 鉴相和防抖电路

光电编码器的基本计量方法是使用一种可逆计数器，根据A(B)相脉冲信号上升沿或下降沿时刻所对应的B(A)相脉冲信号的逻辑电平值进行计数操作，并由此判断出光电编码器的运动方向[4]。若为高电平，则认为光电编码器正转，计数器加1，若为低电平，则认为光电编码器逆转，计数器减1。理论上可以采用一个D触发器，以其中一相脉冲为时钟信号，另一相脉冲为数据信号，在时钟上升沿对数据采样，根据触发器的输出判断此时编码器的旋转方向。但在实际应用中，光电编码器由于各种外界因素的影响可能会发生抖动，使得光栅在两个光电传感器之间来回摆动，造成输出信号的脉宽和周期产生随机变化，A，B两相脉冲信号的相位差也不再是固定的±90°，因此有必要做硬件上的防抖处理。

根据文献[5]中对A，B两相信号逻辑和时序的分析，可以得到这样的结论：若A相（或B相）脉冲信号的相邻跳变沿上，另一相脉冲信号的电平不同，则可视为有效的深度计量信号，如图4所示。否则应作为干扰信号不予计数。因此可以设计鉴相和防抖电路方案如图5所示。

图5中B相脉冲信号直接和经过反相器输入到两个D触发器D1和D2，作为其时钟信号，A相脉冲信号输入到两个触发器的数据输入端口；此时当B相信号的上升沿到来时，D1对A相信号进行采样并保持，当与B相信号相邻的一个下降沿到来时D2采样到A相信号延迟T/2时的信号，将这两个信号进行异或，则就可以利用该异或门G2的输出信号判断输入脉冲信号是否有效，其是否为1即表示深度脉冲信号是否有效，实现了防抖动的目的。同时，以B相信号上升沿采样得到的A相信号作为方向控制信号，并将B相信号和脉冲有效判别信号相与，令与门的输出信号作为计数电路的时钟输入信号。

图4　光电编码器正反转动信号

图5　鉴相和防抖电路

图6　脉冲计数电路

2.5 脉冲计数电路

脉冲计数电路由CD4040和PIC单片机组成，如图6所示。CD4040是12位二进制串行计数器，在时钟下降沿进行计数。由于在时钟输入端使用施密特触发器，对脉冲上升和下降时间无限制。CD4040负责脉冲计数，并把数据传送给PIC单片机。而PIC单片机负责按一定的时间间隔读取计数器的信号，计算脉冲的个数；同时依据RB0端口的方向控制信号，判断仪器当前是处于上提或下放状态，并相应的执行脉冲加、减操作生成深度数据；而且PIC单片机还利用RB1引脚输出的复位信号控制计数器的复位，同时将当前深度数据及时上传给上位机进行实时显示[6]。

因为计数芯片只能加计数，因此PIC单片机可以设置合适的读取间隔Td，使得CD4040在Td间隔内至多发生一次溢出，这样若后一次脉冲数的值count2小于前一次脉冲数的值count1，则可以判定计数器CD4040发生了一次进位，Td间隔内读入的脉冲数为count2+212-count1，反之脉冲数为count2-count1。

图7　程序设计流程框图

3 测深系统整体软件编程部分

本系统的软件部分主要包括两方面，一是PIC单片机对深度数据的计算、储存及发送。PIC单片机既要进行深度数据的更新，又要进行方向判断，因此采用中断机制进行程序设计。程序在主循环中反复根据当前方向更新并记录深度值H，当中断产生时，表示光电编码器的转动方向发生改变，随即进入中断服务程序，首先保存深度值h，并复位CD4040，重新开始计数，直到下一次中断产生，并判断方向控制信号的值，若其值为0，则表示之前是正转，现在是反转，用H加上h则表示当前深度值。若方向控制信号的值为1，则用H减去h则表示当前深度值。程序设计流程图如图7所示。

二是上位机软件设计。上位机软件使用LabVIEW进行编写，LabVIEW主要实现的是串口数据的接收、校验、处理以及实时显示等，使得仪器操作人员能够比较简单、直观、准确的获取井下仪器的深度信息。本系统采用RS-232串口通信协议实现了脉冲计数电路与上位机的数据通信。在LabVIEW中首先对串口的基本属性进行配置，如波特率、数据比特以及奇偶校验位等；其次，对I/O缓冲区进行设定；最后，再读取缓冲区的数据，数据经过校验，将错误的数据直接丢弃，正确的数据进行保留做后续处理。

4 结论

本设计通过运用光电耦合器,使瞬变电磁探测仪深度测量系统，能有效消除不同接地状态所带来的干扰和光电编码器的抖动干扰，精确测量井下仪器的深度信息，并通过计算机进行深度信息的实时显示。该系统，在胜利油田进行了多次的现场试验，均取得了很好的测量效果，表明该系统是切实可行的测深方案。

参考文献

[1]仵杰,刘珍,张辉辉等.测井数据深度校正方法综述[J].国外测井技术,2011.

[2]侯谭刚.光电耦合器在汽车上的应用[J].湖南农机,2012.

[3]郑建生,罗军,黄建忠等.石油测井光电编码器深度测量系统[J].武汉测绘科技大学学报,1998,23(1).

[4]高国旺,党瑞荣,高国友,王洪彬.测井电缆绞车深度校正系统的设计与实现[J].石油仪器,2008,22(2).

[5]朱灿焰.抗光电编码器抖动技术[J].华东交通大学学报,1995(12).

[6]李学海.PIC单片机原理[M].北京航空航天大学出版社,2004.

张文辉 (1990—），男，陕西汉中人，西安石油大学电子工程学院在读硕士，主要研究方向：油气井井下信息探测。

通信作者：

基金项目：国家自然基金 “基于线源的井间剩余油探测理论和方法”(41174160)资助。