基于STM32F401的水井测井探头

基于STM32F401的通用钻孔测井探头

STM32F401搭载于Black Pill开发板，作为水井测井探头的核心。其84 MHz频率和带FPU的Cortex-M4内核支持快速浮点运算以进行滤波。拥有64 KB RAM和256 KB Flash，足以应对任务需求。三个定时器、三个USART、I2C和OneWire是关键接口。该板可装入外径38毫米（内径32毫米）的不锈钢管壳中，适用于套管直径从114毫米起的井孔。

引脚布局：

• PA4：电阻率测量输入
• PB3：伽马计数输入（边沿触发中断）
• PB10：电阻率测量电源
• PB7–PB4：电阻率测井发生器多路复用控制
• PB8 (SCL)、PB9 (SDA)：用于传感器的I2C接口
• PA2/PA3：用于超声波井径仪的UART2
• PA9/PA10：用于井径仪的UART1
• PA8：用于温度计的OneWire接口
• PA11/PA12：USB调试

外壳尺寸限制增加了集成难度。

测井方法及其实现

探头结合了伽马测井（GL）、电阻率测井（RL）、电阻率测量（RM）、温度测量、井径测井和磁力测量。数据根据下放深度记录，并进行噪声滤波，实时传输至PC。

伽马测井采用SiPM（硅光电倍增管）：脉冲通过PB3上的中断处理。SiPM优于光电倍增管——无需高压、体积小巧且可靠。

电阻率测井（RL）：通过多路复用器（PB7–PB4）生成70 Hz信号。测量电流电极（A/B）和测量电极（M/N）上的电压降。基于电流的方法可检测套管泄漏（图表上的峰值）和薄层（如石灰岩中的0.5米粘土层）。响应快速，且不影响水文地质学精度。

电阻率测量（RM）：在RL暂停期间运行（1秒周期中的300毫秒）。输入PA4，电源PB10。识别过滤带（例如Ø219毫米柱中的60–80米）。

温度测量：通过OneWire（PA8）使用DS18B20，以1 Hz频率轮询，分辨率0.01°C。检测活跃过滤带。

同步与数据记录

周期：700毫秒用于RL（生成+测量），300毫秒用于RM。下放深度在所有通道间同步。伽马通过中断处理，温度计定期轮询。带噪声滤波器的数据传输至记录仪和PC。

示例结果：

• RM：从80米起的异常（裸孔），过滤柱60–80米。
• RL（蓝线）：峰值指示套管孔洞或开口。

关键点：

• STM32F401在性能和尺寸间取得平衡，适合紧凑探头。
• 在同一周期内结合RL/RM简化了深度关联。
• SiPM用于GL最小化尺寸和风险。
• 电流电极测量加速了地层和套管缺陷检测。
• 带滤波器的实时记录减少了后处理工作。

未来发展前景

井径仪（UART1）、超声波井径仪（UART2）和视频测井的集成因尺寸限制而延迟。磁力计可检测过滤器和管道。电极车削和传感器校准是关键步骤。外壳误差需多次迭代调整。

— Editorial Team