高精度微距超聲波測(cè)距系統(tǒng)

倪衛(wèi)寧，朱祖揚(yáng)，張　衛(wèi)，李三國，李　勝

(1．中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京　100101；2．中海油田服務(wù)股份有限公司油技事業(yè)部，天津　300451)

0　引言

井徑測(cè)量在油田勘探開發(fā)中是必測(cè)項(xiàng)目之一，利用井徑曲線可以判斷地層滲透性、井身質(zhì)量，同時(shí)可以估算固井用的水泥量等。非接觸式的超聲波測(cè)距方式，由于其定向發(fā)射、指向性好，再結(jié)合微電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的距離測(cè)量系統(tǒng)具有息處理簡單、速度快的優(yōu)點(diǎn)，成為了隨鉆測(cè)井中井徑測(cè)量的首選[1-2]。而井徑測(cè)量的特殊性又提出了與傳統(tǒng)超聲波測(cè)距不同的性能要求。井眼大小一般在200～500 mm，而且考慮到超聲波換能器安裝在柱狀儀器外表面，實(shí)際測(cè)距范圍一般在30～200 mm，精度要求到mm級(jí)，且儀器大多由電池供電。因此，對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的要求是低盲區(qū)、低功耗、高精度、小尺寸。

1　超聲測(cè)距原理

超聲波換能器發(fā)射面浸入介質(zhì)A當(dāng)中(例如：空氣、水)，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器向介質(zhì)A發(fā)射超聲波，當(dāng)遇到與介質(zhì)A物理特性差異明顯的另一種介質(zhì)B(例如：金屬、罐壁、井壁)將產(chǎn)生較強(qiáng)的反射波，該反射波傳回到超聲波換能器，驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生諧振并輸出電能信號(hào)，該電能信號(hào)通過放大和比較處理被測(cè)距電路捕獲。通過計(jì)量從驅(qū)動(dòng)超聲波到捕獲反射波信號(hào)的時(shí)間Δt，可以計(jì)算出超聲波換能器表面到兩種介質(zhì)界面的距離S：

S=v·Δt/2

(1)

式中v為超聲波在介質(zhì)A中的傳播速度。

2　超聲波收發(fā)電路設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)量過程，由于吸收衰減和擴(kuò)散損失，超聲波能量隨目標(biāo)距離變化。同時(shí)超聲波能量的衰減隨頻率增大而成指數(shù)增加，但頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點(diǎn)有利于短距離的測(cè)量。由于測(cè)量距離變化，介質(zhì)物理特性的不確定，反射波的信號(hào)幅度變化范圍較大，用固定閾值的比較器檢測(cè)反射波，可能導(dǎo)致監(jiān)測(cè)到的越過閾值時(shí)刻前后移動(dòng)，從而影響計(jì)時(shí)的精度，進(jìn)一步影響到測(cè)距的精度。為了提高超聲波測(cè)距的精度，需要準(zhǔn)確地檢測(cè)到第一個(gè)反射波脈沖前沿的到達(dá)時(shí)間，為此，參考文獻(xiàn)[3]提出了雙比較器整形確定反射波前沿的方法。但是考慮到實(shí)際使用環(huán)境的不確定性，設(shè)置的兩個(gè)比較器閾值可能都太小或者太大，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在較大誤差。而參考文獻(xiàn)[4]出一種通過數(shù)字細(xì)分和高分辨率A/D超聲波傳輸時(shí)間精密測(cè)量方法可以有效提高測(cè)量精度，由于采用了12位32 MHz的A/D采樣，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度非常高，該文獻(xiàn)也介紹其硬件系統(tǒng)不但需要單片機(jī)，還需要高性能的FPGA才能完成測(cè)量，因此功耗、PCB尺寸等指標(biāo)就不合適尺寸空間狹小并且主要依靠電池供電的隨鉆儀器。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)也一直進(jìn)行其他超聲測(cè)距方法的研究[5-7]，但都難以滿足井徑測(cè)量需求。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了增益可變反射波信號(hào)前沿檢測(cè)方法，通過多次的增益校正，使得第一個(gè)反射波信號(hào)前沿被比較器撲捉到的方式提高測(cè)距精度。

由于前置放大器的輸入端與發(fā)射線是連接在一個(gè)點(diǎn)上，而發(fā)射幅度峰值最大值為12 V左右，且沒有收發(fā)開關(guān)，因此要求前置放大器的恢復(fù)時(shí)間要快，即要求有較寬的頻帶。為提高信噪比，要求其輸出阻抗低。所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)主體硬件電路圖如圖1所示?？紤]到篇幅，圖中省略了晶振、串口轉(zhuǎn)換、電源接口等基本電路。其中可編程增益放大器選用PGA112，可變?cè)鲆鏋?、2、4、8、16、32、64、128。該芯片與單片機(jī)的接口非常簡單，主要由片選信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)構(gòu)成，其通訊方式采用SPI總線方式。

圖1　測(cè)距系統(tǒng)主體硬件電路圖

3　捕捉第一反射波前沿原理

系統(tǒng)通過多次的增益變化，測(cè)量和判斷出第一個(gè)反射波信號(hào)前沿返回的時(shí)間。圖2是實(shí)驗(yàn)中示波器觀察到的經(jīng)過濾波放大的反射波信號(hào)。從圖中明顯可以看出接收到的反射信號(hào)周期性振蕩，其頻率為換能器的諧振頻率，其振蕩幅值開始逐漸增大，當(dāng)達(dá)到發(fā)射波周期個(gè)數(shù)以后(系統(tǒng)發(fā)射周期設(shè)置為5個(gè))幅值則開始逐漸減少。根據(jù)超聲波反射信號(hào)的上述特點(diǎn)，系統(tǒng)提出判斷檢測(cè)到第一個(gè)反射波信號(hào)前沿的過程如下：

(1)對(duì)檢測(cè)信號(hào)設(shè)置1倍增益，檢測(cè)出發(fā)射超聲信號(hào)到接收反射信號(hào)的往返時(shí)間t1。對(duì)檢測(cè)信號(hào)設(shè)置2倍增益，檢測(cè)出往返時(shí)間t2。如此類推，每次增益為上一次的2倍，檢測(cè)出往返時(shí)間t3、t4、t5、t6、t7、t8。

(2)對(duì)t1、t2…t8求差，t12=t1-t2，t23=t2-t3…，t78=t7-t8。

(3)判斷差值t12，t23，…t78與換能器諧周期的大小關(guān)系，確定第一個(gè)反射波信號(hào)前沿位置。

圖2　測(cè)量波形

判斷的依據(jù)：根據(jù)反射波形，除了第一個(gè)反射波周期的最大幅值遠(yuǎn)大于噪聲幅值以外，后續(xù)反射波周期的最大幅值不會(huì)遠(yuǎn)大于前一個(gè)周期。此判斷依據(jù)是經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，理論論證尚未成熟。因從t12開始如果連續(xù)2個(gè)差值小于換能器諧振周期的一半，則這3個(gè)相鄰?fù)禃r(shí)間都是檢測(cè)到1個(gè)周期內(nèi)，因此可以斷定已經(jīng)檢測(cè)到了了第一個(gè)反射波前沿。

為簡化計(jì)算，設(shè)超聲波在水中的傳播速度v為1 450 m/s．根據(jù)超聲波的諧振頻率1 MHz計(jì)算的計(jì)時(shí)偏差為1 μs，因此等效的距離誤差計(jì)算如下：

ΔS=v·Δt/2=1450×1×10-6/2 (m)

=0．000725(m)=0．725(mm)

(2)

上式計(jì)算并未考慮其他噪聲的影響，因此最終計(jì)算的距離誤差將比0．725 mm高。

4　程序設(shè)計(jì)

超聲測(cè)距程序的流程圖如圖3所示?？紤]到測(cè)距盲區(qū)，流程圖中需要加入延時(shí)30 μs再檢測(cè)反射波，否則系統(tǒng)將把發(fā)射波的余波誤認(rèn)為反射波信號(hào)。此外由于反射面距離太遠(yuǎn)或角度等情況，無法檢測(cè)到反射波，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，程序則跳出等待檢測(cè)反射波，重新開始測(cè)距。

系統(tǒng)利用單片機(jī)STM32F103提供的在線編程功能直接通過USB-JTAG轉(zhuǎn)接模塊，在PC機(jī)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程，寫入代碼，而不需要從電路板上取下器件，通過專門的編程器下載程序。單片機(jī)可以通過PC機(jī)直接在現(xiàn)場(chǎng)修改程序，對(duì)功能和參數(shù)可以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，這種方式給工業(yè)儀器儀表中參數(shù)修正和軟件升級(jí)帶來極大方便。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬測(cè)量。將超聲波換能器安裝在可移動(dòng)的面板上，整個(gè)面板浸入裝滿類似于鉆井液的鹽水水槽當(dāng)中，面板與水槽壁的距離變化精度為0．1 mm．

在這個(gè)模擬測(cè)距環(huán)境的試驗(yàn)中，由超聲波

圖3　主程序流程圖

測(cè)距系統(tǒng)、鹽水、水槽壁構(gòu)成超聲波反射波體系，建立了超聲波信號(hào)傳輸環(huán)境，超聲波測(cè)距系統(tǒng)各模塊工作良好。經(jīng)過水槽壁反射的超聲波信號(hào)經(jīng)過放大、濾波、比較、時(shí)鐘計(jì)數(shù)和計(jì)算獲得距離信號(hào)清晰準(zhǔn)確。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，表1中實(shí)際距離由卡尺測(cè)量調(diào)整得到。

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其測(cè)量誤差　mm

超聲測(cè)距系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)：超聲波換能器頻率1 MHz、發(fā)射功率100 mW，測(cè)量精度±1 mm，測(cè)量盲區(qū)25 mm．

6　結(jié)束語

該測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用到基于超聲測(cè)距的隨鉆井徑測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)中，高效高精度的完成了儀器到井壁的距離測(cè)量，由此測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算的井徑參數(shù)完全符合實(shí)際需求。在測(cè)量超聲波傳輸時(shí)間過程中，超聲波換能器的諧振頻率、比較器的閾值和可編程增益放大器的增益級(jí)數(shù)及每級(jí)之間倍數(shù)是測(cè)量分辨率的3個(gè)重要因素。第一個(gè)反射波前沿的確定是經(jīng)過多次采樣，并對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行特征分析精確確定，具有很好的穩(wěn)定性。所述設(shè)計(jì)還有待于進(jìn)一步改進(jìn)，例如需要根據(jù)鉆井液的溫度、壓力、密度等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差校正。此外還須對(duì)系統(tǒng)的可靠性、工作溫度、壓力范圍進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]阮玉柱，陳凡，胥召，等．超聲波測(cè)徑在鉆井過程中的應(yīng)用．內(nèi)蒙古石油化工，2010(23)：130-132．

[2]王天波，史峰．利用聲速測(cè)井儀同時(shí)測(cè)量井徑和微差井徑，江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，22(2)：95-96．

[3]趙海鳴，卜英勇，王紀(jì)嬋．一種高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研制．礦業(yè)研究與開發(fā)，2006，26(6)：62-65．

[4]張興紅，向鳳云，張?zhí)旌?，等．超聲波傳輸時(shí)間精密測(cè)量方法及應(yīng)用研究．中國機(jī)械工程，2012，23(6)：651-654．

[5]李云龍，卜雄洙，趙文，等．新型嵌入式超聲波測(cè)距系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2012(1)：97-99．

[6]KAZYS R，MAZEIKA L，SLITERIS R，et al.A online profiling of nonplanar objects by high-resolution air-coupled ultrasonic distance measurements．Instrumentation and Measurement，IEEE Transactions，2007，56(5)：1825-1830．

[7]JIANG S B，LIN D Y，LU F M，et al．An innovative ultrasonic Time-of-Flight measurement method using peak time sequences of different frequencies．Instrumentation and Measurement，IEEE Transactions，2011，60(3)：735-744．