本实用新型涉及随钻测井领域，尤其涉及一种随钻测井微小信号调理电路系统。
背景技术：
随钻测井一般是指在钻井的过程中测量地层岩石物理参数，并用数据遥测系统将测量结果实时送到地面进行处理。随钻测井技术是地质导向钻井指导完成的关键技术，对于完成大角度井、现场决策、解释、实时井场数据采集、水平井钻井设计来说十分的关键。
随钻测井是将测井仪器安装在靠近钻头的部位，在底层刚钻开后就测量地层各种信息的一种测井方法。它通过测量地层倾角和方位、钻头方向、钻压、扭矩等进行钻井定向控制，测量地层的电阻率、自然电位、自然伽马、密度/中子、核磁、声波时差等，其测量结果克服了井眼扩径、泥浆入侵等一系列环境条件的影响。随钻测井可实时提供地层和井身信息，对地层作出快速评价，优化井眼轨迹和地质目标，指导钻进，特别在疑难井、大斜度井、水平井中显示出它比电缆测井更为重要。
钻井过程中，近钻头处钻压、扭矩等钻井工程参数的随钻准确测量对安全、高效钻井是十分重要的。通过对近钻头工程参数的实时测量值进行分析处理，可以总结各个测量参数对钻井进程与效率的影响规律，及时发现和控制某些钻井事故、达到安全、高效钻井的目的，真正实现无风险钻井。但是在对井下近钻头钻压、扭矩测量中，由于井下环境复杂，被检测信号微弱并伴有强噪声信号，会造成信号处理困难。
本实用新型提供了一种随钻测井微小信号调理电路系统，能够准确测量钻柱的钻压和扭矩，为安全钻井提供实时依据。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种随钻测井微小信号调理电路系统，可通过测量应变片的阻值变化实时地检测出井下的钻压和扭矩。
本实用新型的具体技术方案如下：
一种随钻测井微小信号调理电路系统，包括：
应变电桥模块，包括由粘贴在钻柱上的电阻应变片组成的应变电桥，所述应变电桥能够将所述电阻应变片阻值的变化转换为电压信号；
放大模块，包括两级放大电路，用于对所述应变电桥模块输出的电压信号进行放大；
滤波模块，用于滤除所述放大模块输出信号中的噪声信号；
A/D转换模块，将经过滤波的电压模拟信号转换为数字信号；
微控制单元MCU，用于对经过所述A/D转换模块处理的数字信号进行数据处理，获取测量的工程参数。
进一步地，所述应变电桥包括钻压测量应变电桥和扭矩测量应变电桥。
优选地，所述钻压测量应变电桥和所述扭矩测量应变电桥分别与所述放大模块、滤波模块、A/D转换模块以及微控制单元MCU组成独立的数据采集通道。
进一步地，所述钻压测量应变电桥的电阻应变片沿与轴线成90度的方向粘贴，所述扭矩测量应变电桥的电阻应变片沿与轴线成45度的方向粘贴。
优选地，所述应变电桥为全等臂电桥。
进一步地，所述两级放大电路包括第一级放大电路和第二级放大电路，所述第一级放大电路的增益为100，所述第二级放大电路的增益为10。
优选地，所述滤波模块包括二阶有源带通滤波电路，用于滤除信号中的高频信号和低频信号。
进一步地，所述电路系统还包括高温电源模块电路，用于为系统各模块供电，所述高温电源模块电路的供电电压为±5V。
进一步地，所述电路系统还包括存储模块，用于存储测量过程中获得的各项工程参数。
优选地，所述电路系统还包括极性调整电路和调平衡加法电路，用于消除交流应变电桥的不平衡量。
实施本实用新型实施例，具有如下有益效果：
本实用新型能够测量出井下真实的钻压和扭矩，为钻井工程师准确快速地调整钻井参数、改变钻井方式、安全钻井提供实时依据。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种应变电桥的电路图；
图2是本实用新型实施例提供的一种随钻测井微小信号调理电路系统的示意图；
图3是本实用新型实施例提供的受压时应变片的粘贴位置示意图；
图4是本实用新型实施例提供的受扭时应变片的粘贴位置示意图；
图5是本实用新型实施例提供的一种高温电源模块电路图；
图6是本实用新型实施例提供的一种信号放大电路的电路图；
图7是本实用新型实施例提供的一种极性调整电路的电路图；
图8是本实用新型实施例提供的一种调平衡加法电路的电路图；
图9是本实用新型实施例提供的一种滤波电路的电路图；
图10是本实用新型实施例提供的带通滤波器交流仿真波形图；
图11是本实用新型实施例提供的带通滤波器瞬态仿真波形图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据再适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应变电桥能把应变片阻值的微小变化转换成输出电压的变化。其优点是能够测量出井底真实的钻压和扭矩，为钻井工程师准确快速地调整钻井参数、改变钻井方式、安全钻井提供实时依据。钻井过程中，钻柱的钻压、扭矩等钻井工程参数的随钻准确测量对安全、高效钻井是十分重要的。
测量钻压、扭矩的方法就是把电阻应变片按一定的方式布局组成桥路，粘贴在测量对象上，利用测量对象在受力过程中的形变产生电阻应变片桥路的变化，输出对应钻压、扭矩的电压信号，检测此信号，则能准确测量井下动态变化的扭矩及钻压。
电阻应变片因随构建变形而发生的电阻变化ΔR，通常用四臂电桥(惠斯顿电桥)来测量，如图1所示，图中四个桥臂AB、BC、CD和DA的电阻分别为R1、R2、R3和R4。若它们均为电阻应变片，则称为全桥接法。电桥为全桥接法时，根据电学原理电桥输出的电压为：
如果R1R3＝R2R4，则U＝0，电桥处于平衡状态。在应变测量前，应先将电桥预调平衡，使电桥没有输出。因此，当试件受力变形时，贴在其上的应变片R1、R2、R3和R4感受到的应变是ε1、ε2、ε3和ε4，各片的电阻值相应发生变化，其变化量分别为ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4，由式(1)可求得此时电桥的输出电压为：
对于电阻应变片Ri(i＝1,2,3,4)有
其中，Ki为应变片的灵敏系数，εi为应变片纵向、轴向的应变值。若组成统一电桥的应变片的灵敏系数均为K，则可将式(2)改写成：
由式(4)表明，由应变片感受到的(ε1-ε2+ε3-ε4)，通过电桥可以线性地转变为电压的变化UBD。
实施例1
本实施例提供了一种随钻测井微小信号调理电路系统，如图2所示，包括应变电桥模块、放大模块、滤波模块、A/D转换模块和微控制单元MCU。
所述应变电桥模块包括由粘贴在钻柱上的电阻应变片组成的应变电桥，所述应变电桥包括钻压测量应变电桥和扭矩测量应变电桥。所述钻压测量应变电桥和所述扭矩测量应变电桥分别与所述放大模块、滤波模块、A/D转换模块以及微控制单元MCU组成独立的数据采集通道。
本实施例中，所述应变电桥采用全等臂电桥。
钻铤在钻进、下钻、起钻等不同的钻井过程中，钻铤/钻柱不同部位的受力情况与运动形式差别很大。主要包括：轴向拉力和压力、扭矩、弯曲力矩、离心力、钻铤内外挤压、纵向振动、扭转振动、横向摆振等。由于钻柱和钻铤的复杂运动形式，钻头在井底有涡动现象、井底钻压波动很大，甚至出现钻头离开井底的跳钻现象。
理论上，钻铤所受的力与力矩可以简化为：对钻头施加的钻压、传递钻柱的扭矩、有钻柱运动和井底反作用力产生的弯曲力矩以及钻进过程中的钻头振动。从测量技术的角度，可以将钻铤受力简化为厚壁圆管受到轴向的拉压与振动、围绕轴向的一对扭矩和钻铤径向受到的弯矩作用。
材料力学中拉压与扭转应力的测量都是基于受力物体的应变效应，利用应变原理来实现的。沿钻铤圆柱体轴向0度、90度粘贴应变片，通过测量应变片的电阻变化获得钻铤受到拉压作用力的大小；沿钻铤圆柱体轴向±45度粘贴应变片，通过测量应变片的电阻变化获得钻铤受到扭转力矩的大小。
正确粘贴应变片是保证准确测量的关键步骤，不合适的粘贴将引起零漂，蠕变等问题。本实施例中，当受压力作用时，如图3所示，测量时应变片沿与轴线成90度的方向粘贴，则总的指示应变为ε'＝2(1+ν)ε＝2.56ε。当受扭矩作用时，如图4所示，测量时应变片沿与轴线成45度的方向粘贴，则总的指示应变为ε'＝4ε。
如图3和图4所示，本实施例中，所述钻压测量应变电桥的电阻应变片沿与轴线成90度的方向粘贴，所述扭矩测量应变电桥的电阻应变片沿与轴线成45度的方向粘贴。
所述放大模块包括两级放大电路，用于对所述应变电桥模块输出的微弱电压信号进行放大。所述微弱电压信号是所述电阻应变片在受力过程中的形变引起所述电阻应变片阻值的变化，由所述应变电桥输出的电压信号。所述两级放大电路包括第一级放大电路和第二级放大电路，所述第一级放大电路的增益为100，所述第二级放大电路的增益为10。
所述滤波模块用于滤除所述放大模块输出信号中的噪声信号。所述滤波模块包括二阶有源带通滤波电路，用于滤除信号中的高频信号和低频信号。
所述A/D转换模块将经过滤波的电压模拟信号转换为数字信号。
所述微控制单元MCU用于对经过所述A/D转换模块处理的数字信号进行数据处理，获取测量的工程参数。
所述随钻测井微小信号调理电路系统还包括高温电源模块电路、存储模块以及调平衡电路。
所述高温电源模块电路，用于为系统各模块供电；所述存储模块，用于存储测量过程中获得的各项参数；所述调平衡电路包括极性调整电路和调平衡加法电路，用于消除初始状态下的零点偏移。
实施例2
本实施例提供了一种高温电源模块电路，可针对井下仪器进行供电，如图5所示，测量电路的电源是将P5V和N5V高温电源模块转换为给信号通道以及给参考通道供电的电源。
高温电源模块电路包括输入模块、转换模块和输出模块，所述输入模块包括电压输入端，用于输入待转换的电压；所述转换模块与所述输入模块相连，所述转换模块包括正电压转换模块和负电压转换模块，所述负电压转换模块以所述正电压转换模块的输出电压作为输入电压；所述输出模块与所述转换模块相连，所述输出模块包括电压输出端，用于输出转换后的正、负电压。其中，所述输入模块的输入电压是12V～46V，所述输出模块的输出电压是+5V和-5V，给信号通道和参考通道供电。
所述正电压转换模块包括转换器U1，所述转换器U1包括VIN引脚、RUN引脚、ISET引脚、SW引脚、VFB引脚、VPRG1引脚、VPRG2引脚和SS引脚。所述转换器U1为同步降压型DC/DC转换器，型号为LTC3630A。
所述负电压转换模块包括负输出稳压器U2，所述负输出稳压器U2包括SW引脚、Vin引脚、D引脚、FB引脚和SDREF引脚。
所述正电压转换模块的转换器U1的工作温度为-40℃～150℃，所述负电压转换模块的负输出稳压器U2的工作温度为-40℃～85℃。所述高温电源模块电路的电路板尺寸为：33mm×22mm，并采用密封金属灌封。
本实施例提供的高温模块电源电路耐高温、耐冲压、耐潮湿，特别适合用它来参与组建石油勘测井下仪器、地球物理探测仪器、车辆和运输工具、电信和网络基础设施、企业和高性能计算等等的供电电源系统。
该高温电源模块电路的最高工作温度不低于160℃，设计的输出电压有3.3V，5V，7V，9V，12V，15V，18V，24V，36V，48V，即可以输出其中的任意一路，也可以是他们之中的任意两路、三路组合，使用时可以按照需要把它们连接起来组成各种形式的输出组合以方便使用。
实施例3
本实施例提供了一种信号放大电路，如图6所示，由于应变电桥的输出电压是一个非常微弱的信号，为了检测这个信号，通过信号放大电路进行放大。由于输出的信号伴有强噪声，需要提高整个电路的共模抑制比，并且放大电路的增益不能过大，否则会导致饱和现象。为此，采用两级放大电路的方法，包括第一级放大电路和第二级放大电路。
第一级放大电路包括第一放大器，所述第一放大器为通用仪表放大器，能够获得足够高的共模抑制比，增益由第一放大器的引脚1和引脚8之间的等效电阻Rg决定，本实施例中的Rg即为第二十二电阻R22，增益计算公式如下：
G＝1+49.4K/Rg＝100 (5)
等式(5)中49.4KΩ是两个内部反馈电阻的和，这些片内金属薄膜电阻是用激光进行微调至绝对精度值。这些内部电阻的精度和温度系数包含在放大器增益精度和温度漂移规格说明中。需要注意的是，第一放大器的精度较高，为了能够保证精度，尽量减少差模信号转换为共模信号，电阻必须达到百分之一的精度。第一放大器具有非常低的偏置电压、温度漂移和高共模抑制，其电源电压低至±2.25V且静态电流只有700uA，是电池供电系统的理想选择。内部输入保护能经受±40V电压而无损坏。
经第一级放大电路的输出电压为
Uo1＝(Vb-Vd)*G (6)
第二级放大电路包括第二放大器，对信号进行10倍的放大。所述第二放大器为单电源、4MHz带宽放大器，具有轨到轨输入与输出特性。该放大器适合要求交流性能与精密直流性能的单电源应用。带宽、低噪声与精密特性组合，使其适合滤波器和仪器仪表等各种应用。
实施例4
本实施例提供了一种调平衡电路，如图7和图8所示，包括极性调整电路和调平衡加法电路，所述极性调整电路的输出端与所述加法电路的输入端相连。
图7中，将R10断开、R4接通，则为同相比例放大器，将R10接通、R4断开，则为反相比例放大器。调节R9和R16的值，改变参考信号的大小，输出信号为Uo3。
如图8所示的信号通道与参考通道的加法电路，这是一个两输入的正相加法运算电路，其中输入信号为Uo2和Uo3，分别通过第十二电阻R12和第十五电阻R15连接至运算放大器的同相输入端。反向输入端经平衡电阻R8接地。加法运算电路的输出电压等于各支输入电压之和，可实现多个输入信号的加法运算。
在具体实施过程中，参考信号从调平衡电路的输入端输入，即从极性调整电路的输入端输入，根据信号的极性选择放大器，当第十电阻R10断开，第四电阻R4接通，此时极性调整电路为同相比例放大器；当第十电阻R10接通，第四电阻R4断开，反相比例放大器，经处理后的信号Uo3从极性调整电路的输出端输出。其中，可通过调节第九电阻R9和第十六电阻R16的阻值，来改变参考信号的大小。
所述加法电路包括两个输入端，分别用来输入桥路信号和参考信号，其中一个输入端与所述极性调整电路的输出端相连，另一个输入端与放大电路的输出端相连，所述放大电路用来对采集的应变电桥的输出信号进行放大。经极性调整电路调整的参考信号和经放大电路放大的桥路信号进行相反，经过加法电路后，便可以消除桥路中的不平衡量。
实施例5
本实施例提供了一种二阶Butterworth带通滤波器，其电路图如图9所示，本实施例中，其中心频率为100Hz，带宽10Hz，品质因数Q＝10。
给带通滤波器加一交流信号，幅值为1V，进行交流分析，仿真波形如图10所示。
给带通滤波器加一正弦波信号，幅值为1V，频率为100Hz，偏移量为0V，进行瞬态分析，仿真波形如图11所示。
以上所揭露的仅为本实用新型的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。