摘 要: 通过组建检测系统分别测试热电堆和热释电传感器，分别在 ，， 下对其进行试验，试验结果: 平均值 相 对 误 差 分 别 为 和 ，相对标准偏差分别为和 由热电堆传感器组建的系统的精度低于热释电传感器，但温度漂移较小 综合考虑传感器本身的特性和石油现场较大的温度变化，指出热电堆传感器比热释电传感器适合于石油录井 检测
关键词: 石油录井; 红外光谱吸收法; ; 热电堆; 热释电
　　引 言
　　石油钻探过程中，录井发挥着钻探者眼睛的作用，其中检测钻井液中 含量是重要的录井项目之一，对随钻后期油气评价解释有重要意义［，］国内录井气体检测采用红外光谱吸收法有近 年历史，从国外引进到自主研发，在准确度和稳定性方面已经接近国外产品，如英国爱丁堡气体检测公司的红外气体检测模块 一般而言，采用红外光谱吸收法检测选择的传感器有 种: 热电堆传感器和热释电传感器 由于录井现场分布于世界各个油气田，地域跨度大，要求测量仪器能满足大范围温度变化的需要长期以来，选择 红外传感器的原则较为模糊，本文以试验测试数据为依据，论述如何正确选择传感器
　　红外检测原理
　　红外光谱吸收法是利用被测气体对红外光的特征吸收从而实现气体成分的体积分数分析 当对应某一气体具有特征吸收的光波通过这一被测气体时，其强度将明显减弱，强度衰减程度与该气体体积分数有关 根据对出射光强的测试，可确定被测气体的体积分数，对确定波长的红外光波的吸收，其强度和被测气体体积分数间的关系遵守比尔定律［ ］其基本原理结构如图 所示图 红外检测器原理图
　　基本数学模型: 大部分有机和无机多原子分子气体在红外区有特征吸收波长 当红外光通过时，这些气体分子收稿日期:传感器与微系统 第 卷对特定波长的透过光强可由朗伯比尔定律表示， ( )式中 为 人 射 光 强; 为 透 过 光 强; 为气体介质厚度，为体积分数，为吸收系数而吸收光强可表示为( ) ( )
　　吸收系数 是一个非常复杂的量，它不仅与气体种类入射光波长有关，而且还受环境温度环境大气压等因素的影响 因此，对于变温变气压的工作环境，是一个变值，从而直接影响吸收光强
　　热电堆红外传感器及其放大电路
　　热电堆红外传感器的原理是大量的热电偶堆集在底层的硅基上，底层上的高温接点和低温接点通过一层极薄的薄膜隔离它们的热量，高温接点上面的吸收层将入射的放射线转换为热能，由热电效应可知，输出电压与放射线呈比例关系
　　以 公司 的 热 电 堆 红 外 传 感 器 为例，描述 其 放 大 电 路 传 感 器 主 要 由 外 壳 滤 光片热电堆元件组成，有 个滤波窗，分别是参考窗和测量窗 针对参考通道和测量通道，设计了 个对称的放大电路，图 是其中一路放大电路 ，， 构成一级放大，以 ，交流耦合，，，构成二级放大， ， 构成零位提升，便于后续 采集，放大器选用高阻抗输入低噪声芯片图 热电堆传感器放大电路
　　热释电红外传感器的放大电路
　　当一些晶体受热时，在晶体两端产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象称为热释电效应 热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器 热释电效应产生的电荷会与空气中的离子结合而消失，当环境温度不变时，传感器无输出 如果在热释电元件接上适当的电阻器，当元件受热时，电阻器上就有电流流过，在两端得到电压信号以 公司的 热释电红外传感器为例，描述其 放 大 电 路 传感器主要由外壳 滤 光片热释电元件场效应管组成，有 个滤波窗，分别是参考窗和测量窗针对参考通道和测量通道，设计了 个对称的放大电路，图是其中一路放大电路 以 ，交流耦合，，， 构成放大， ， 构成零位 提 升，便 于 后 续采集，放大器选用高阻抗输入低噪声芯片图 热释电传感器放大电路控制和采集方法为了测试热电堆和热释电红外传感器性能，设计了包括主控制器 和外围电路红外发光管 驱 动 电 路液晶显示通信电路等 系统结构如图 所示图 系统硬件整体结构框图红外发光管选用 公司的 ，是一种白炽灯，采用 低 频 电 调 制，波长从可见光到 ，适 合( ) 和 ( ) ，输出稳定可靠，时间常数短，工作在 电源时，寿命可达 采用了 脉冲调制，主控制器 通过 口发送脉冲信号控制发光管的调制过程 控制时序如图图 时序控制图红外发光管和信号采集时序见图，具体为: ) 采集传感器 个通道的信号 ，; ) 红外发光源发光 ; )采集传 感 器 个 通 道 的 信 号 ，; ) 红 外 发 光 源 熄 灭; ) 计算( ) ( ) 的值，根据这个值计算出检测气体的体积分数，不断循环上述 个步骤［，］，并将内置的 位 采样周期设置为 ，采样精度能达到 位以上根据公式 ，透过光强 与气体体积分数 呈指数递减 关 系 为了得到更加准确的测量值，系 统 采 用三次样条插值方法，并设置为非扭结边界条件，也就是强制第 期 郑奕挺，等: 石油录井中红外 气体传感器的选择方法使第一个点的 次导数和第二点的 次导数一样; 最后一个点的 次导数和倒数第一个点一样 在 中显示的标定曲线见图图 标定曲线试验数据分别对由热电堆传感器和热释电传感器组成的系统的测量结果进行分析，分析的指标是准确度和精密度 准确度以 次测量结果的平均值的相对误差来衡量，精密度以次测量结果的相对标准偏差来衡量在 ，， 温 度 下，分 别 注 入 ， ， ，， 的 气体，等待 后，每 读取仪器液晶屏上测量值，连续读取 次 测量结果见表 表表 在 下热电堆传感器系统的测量值序 号测量值( )均值均值相对误差标准偏差相对标准偏差表 在 下热电堆传感器系统的测量值序 号测量值( )均值均值相对误差标准偏差相对标准偏差表 在 下热电堆传感器系统的测量值序 号测量值( )均值均值相对误差标准偏差相对标准偏差在 ，， 温 度 下，分 别 注 入 ， ， ，， 的 气体，等待 后，每 读取仪器液晶屏上测量值，连续读取 次，结果见表 表表 在 下热释电传感器系统的测量值序 号测量值( )均值均值相对误差标准偏差相对标准偏差表 在 下热释电传感器系统的测量值序 号测量值( )均值均值相对误差标准偏差相对标准偏差传感器与微系统 第 卷表 在 下热释电传感器系统的测量值序 号测量值( )均值均值相对误差标准偏差相对标准偏差从表 表 看出: 在 ，， 温度下:) 由热电堆传感器组成的系统的平均值相对误差为，由热释电传感器组成的系统的平均值相对误差为 ，前者的准确度要好) 由热电堆传感器组成的系统的相对标准偏差为，由热释电传感器组成的系统的相对标准偏差为 ，后者的精密度要好
　　结 论
　　在 ，， 温度下，对热电堆传感器和热释电传感器组成的系统的测量结果的准确度和精密度进行分析 对比 套系统的准确度和精密度，热电堆的系统的精密度较差，但受环境温度影响较小，准确度更优 综合考虑石油录井应用领域的特殊性，即环境温度变化较大，热电堆传感器更适合于石油录井 检测
    参考文献:［］曲希玉，刘 立，杨会东，等油伴生 气的成因及其石油地质意 义［］ 中国石油大学学报: 自 然 科 学 版， ，( ) :［］刘德汉，肖贤明，田 辉，等含油气盆地中流体包裹体类型及其地质意义［］石油与天然气地质， ，( ) :［］施德恒，刘新建，许启富利用红外光谱吸收原理的 浓度测量装置研究［］光学技术， ，( ) :［］何 睿基于红外光谱吸收原理的二氧化碳气体检测系统的设计与实验研究［］长春: 吉林大学，［］王 莹，霍丙新，唐东林，等近红外光谱吸收法检测油气田中 体积分数［］传感器与微系统， ( ) :