CN100507553C - 一种实验室超声波检测装置及数据采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种实验室超声波检测装置，尤其涉及一种在超声波数据采集过程中能够全方位设定采集角度的装置。万向定位装置设置在三维定位仪上；万向定位装置通过通讯端口与主机连接；所述三维定位仪包括万向定位装置和换能器；所述的万向定位装置用于控制换能器旋转，进行连续数据采集。本发明克服了现有实验系统中由于换能器的指向性带来的能量不一致以及排列的限制，提高了地震物理实验系统的模拟程度，扩大了实验研究内容，提高了生产率，确保实验数据的可靠性和实用性，满足油气勘探开发对实验的要求。达到了高效快速、灵活、精确、可靠和实用性强的目的。
Description
技术领域
本发明属于一种实验室超声波检测装置，尤其涉及一种在超声波数据采集过程中能够全方位设定采集角度的装置，其在室内条件下模拟野外地震勘探进行超声地震物理模拟实验的关键设备之一，属于检测领域。
背景技术
地震物理模拟实验是根据模型介质与实际介质在其几何参数和物理参数满足相似比原理和对应原则的基础上展开的一种科学研究方法，它主要用于探索研究新的波动理论和现象。实验地震物理模型的数据采集是按超声地震物理模拟方法，采用与野外震源成适当频率比的超声发射震源发出一定频率的超声波，在具有一定的几何相似比的地震物理模型中传播，然后按野外地震观测系统相同的观测系统，用超声接收换能器在接收点进行观测，从而得到地震物理模型实验数据。
地震物理模型的震源和接收器都为超声换能器，与野外爆炸震源及检波器相比它具有明显的不同之处，即换能器具有较强的方向性。这种方向特性，在某些情况下会给使用带来不利因素。例如，在室外使用方向性强的扬声器时，只有正前方的听众才能听到。而在地震物理模型实验中，为了接收到更多的信息，要求能量辐射角度大，范围广，往往选用方向性较弱的换能器。但是由于换能器制造工艺的限制，目前所使用的换能器的方向特性都是比较强，能量的辐射和接收只能在开角30度左右才能得到较为理想的结果。
然而地震物理模型实验时换能器安放在三坐标的Z轴上，进行数据采集时，三坐标按观测系统设计方案移动，不管排列上是否接收到能量，换能器方向始终固定不变，因此现有技术观测的数据难以正确成像。而随意改变换能器方向，则不能保证定位的精度。随着我国油气勘探工作不断深入，勘探对象和开发环境越来越复杂，实验技术显得越来越重要。在实验过程中，会遇到井间或地面大排列观测方式。原有的实验数据采集方式，严重影响实验的效果和实验方法的有效性。
现有技术中，申请号为00228491，名称为体外震波碎石机B超万向定位装置的实用新型专利和申请号为02288465，名称为万向定位器的实用新型专利中，均与本技术方案存在本质的不同。前者，由电机及其传动机构、反射体、定位架等构成，采用三个电机带动传动机构，该传动机构包括丝杆、滑块、蜗杆、蜗轮。上述构成的定位装置，是通过三个电机分别控制上、下，前、后、左、右定位角度，实现定位。
而本发明利用三维定位仪三个伺服电机(具体指三维仪上X、Y、Z轴三个伺服电机驱动三个方向即上、下，前后，左右移动转动机构同时控制一个定位头，实现在三维空间作任意角度的定位，解决了传统B超定位碎石机只能作上、下垂直移动定位，而不能对斜面、侧面即其它复杂体面定位的不足。两者在结构和应用领域中均不相同。
后者万向定位器的实用新型专利，由定位块、定位棒和定位器本体组成，定位块有1800、3600两种，通过螺栓固定于定位器本体，同时它们只能以1800、3600两种方式转动，且同时是定位棒随之而变换位置和方向，达到定向的功能。本发明采用不同的设计思路和结构，两者在结构上和原理上有本质的区别。
发明内容
为了提高实验系统模拟程度，提高实验研究能力，提高生产率，确保实验数据的可靠性和实用性，克服现有实验系统只适用于小排列及发射和接收的能量不一致性，达到地震物理模型实验的要求。满足油气勘探开发对实验的要求。达到了高效快速、灵活、精确、可靠和实用性强的目的。发明人经过长期研究发明了一种设置在三维定位仪上的一种万向定位装置，万向定位装置的机械设计是根据目前三维定位仪的条件设计了二套装置，分别固定在三维定位仪的两个Z轴上。万向定位装置设计要求轻巧美观，结构稳定，在采集中不能有抖动。连接在夹头上的测头可在水平平面上做360度旋转，也可在垂直平面上做180度旋转。同时要确保转动后的发射与接受换能器的中心距位置不变。
具体的发明内容为：
一种实验室超声波检测装置，所述检测装置包括三维定位仪、万向定位装置，换能器、主机和电机控制单元，其中所述万向定位装置设置在三维定位仪上；并且万向定位装置通过通讯端口与主机连接。
具体的万向定位装置包括固定头2、伸缩节3、活动关节4、驱动器5、主驱动轮6和轴转动轮7；
所述三维定位仪的活动轴1的下端通过一个所述固定头2与伸缩节3连接；伸缩节3与活动关节4的一端连接，且所述活动关节4的另一端通过驱动器5、主驱动轮6和轴转动轮7与所述换能器8连接；所述驱动器5与电机控制单元连接，用于控制换能器8的旋转。
所述活动轴1可以沿X、Y、Z轴三个方向移动，以控制整个万向定位装置的测试位置；所述固定头2、伸缩节3和活动关节4根据系统采集的要求调整各自角度或长度并在测试过程中固定调整位置；所述驱动器5与电机控制单元连接，用于控制换能器8的旋转。驱动器5接收到驱动指令后驱动主驱动轮6旋转，进而带动轴转动轮7转动，轴转动轮7的转动使得与其连接的换能器8动作，进行全方位的信号发射和数据采集。
所述主机还包括延迟控制电路，所述延迟控制电路用于获取和传输采集信号和同步定位信号；用于驱动装置动作的电机控制单元分别与主机和万向定位装置连接；
主机发出的动作指令通过通讯端口传输至电机控制单元，电机控制单元将控制指令传输给万向定位装置，由万向定位装置控制换能器动作进行数据采集，所述万向定位装置并将状态信号通过通讯端口传输回主机。
所述的用于数据采集的万向定位装置包括用于定位换能器发射测头和换能器接收测头的两套万向定位装置；所述用于定位换能器发射测头的万向定位装置用于发射超声波，所述用于定位换能器接收测头的万向定位装置用于接收超声波。
在具体的应用中，在所述三维定位仪中包括驱动三维定位仪活动轴的伺服电机、和驱动万向定位装置驱动器的步进电机；
所述电机控制单元接收主机的数据信号并进行数模转换后传输给伺服电机，由伺服电机控制活动轴的运动；所述电机控制单元还接收伺服电机的状态信号并进行模数转换后传输回主机；
所述电机控制单元接收主机的数据信号并进行数模转换后传输给步进电机，由步进电机控制驱动器的运动；所述电机控制单元还接收步进电机的状态信号并进行模数转换后传输回主机。
计算机通过串行口向电机控制单元发出命令，如规定总步长，单位角度等。电机控制单元收到计算机的控制单元命令后，解释命令并转化步进电机驱动脉冲，驱动电机带动测头旋转，同时把步进电机的状态通过并行口报告给计算机，计算机根据电机的状态决定进一步的操作。电机控制单元还要能接受A/D转换的启动脉冲信号，启动测头旋转完成在连续采集中的测头跟踪。
根据万向定位装置采用的超声波数据采集方法包括三维定位仪、万向定位装置、主机和电机控制单元；所述的用于数据采集的万向定位装置包括数据发射的万向定位装置和数据接收的万向定位装置；所述的万向定位装置通过通讯端口与主机连接，所述电机控制单元与万向定位装置连接，用于控制换能器测头动作进行数据采集；
所述的超声波数据采集方法具体包括：
(1)换能器测头定位并对初始位置信息采集步骤：换能器发射测头定位到发射点；所述的换能器发射测头和换能器接收测头将两个测头的位置参数、发射测头和接收测头间的相对位置参数和两个测头距反射界面距离参数通过通讯端口传输给主机；
(2)设置排列索引号初值：将表示探测的排列索引号设置初值；
(3)计算换能器测头转动角度和位移步骤：主机根据当前排列索引号所采集到的换能器测头的位置信息计算换能器发射测头和换能器接收测头动作的角度和位移；
(4)传输数据信息步骤：主机将驱动两个换能器测头采集动作的信息通过通讯端口传输给电机控制单元和万向定位装置；
(5)数模转换步骤：所述电机控制单元将主机的控制数字信号转换为模拟脉冲信号；
(6)换能器测头采集数据信号步骤：伺服电机和步进电机根据转换后的脉冲信号控制换能器测头进行数据信号采集，驱动换能器发射测头和换能器接收测头转动进行数据采集和接收；
(7)定位接收换能器测头步骤：将换能器接收测头的位置状态定位；
(8)模数转换步骤：所述电机控制单元中将换能器测头的状态模拟脉冲信号转换为数字信号；
(9)换能器测头状态信号回传步骤：所述电机控制单元和万向定位装置将状态信号通过通讯端口回传给主机；
(10)排列索引号迭加步骤：将所述排列索引号进行迭加操作；
(11)判断步骤：主机排列索引号与排列总长数值进行比较；
(12)重复步骤：若排列索引号小于等于排列总长数值，即当前换能器测头的位置数据与系统设定的换能器测头的位移终点数据不同，则重复上述步骤(3)-(11)；
(13)采集终止：若排列索引号大于排列总长数值，即当前换能器测头的位置数据与系统设定的换能器测头的位移终点数据相同，超声波数据采集过程结束；
(14)输出步骤：输出换能器测头的探测数据。
万向定位装置设备轻巧美观，结构稳定，在采集中不发生任何抖动。装置系统具备功能：1)具有两个活动关节，可以在测量范围内任意定位换能器；2)换能器在同一平面内不改变中心位置可自由旋转角度大于120度；3)满足模拟地震勘探观测方式(井间、VSP和地面观测)，同时满足实验室测试系统的连续测量方式(即在采集过程中随收发距离的改变换能器角度受控而瞬时改变)。
同时，换能器转动要求在采集与移动定位之间完成，移动角度随偏移距离变化而设定。在控制上要求实时获得采集信号和同步定位信号，并以它们为控制换能器转动的信号驱动换能器转动一定的角度。本发明克服了现有实验系统中由于换能器的指向性带来的能量不一致以及排列的限制，提高了地震物理实验系统的模拟程度，扩大了实验研究内容，提高了生产率，确保实验数据的可靠性和实用性，满足油气勘探开发对实验的要求。达到了高效快速、灵活、精确、可靠和实用性强的目的。
附图说明
图1为本发明万向定位装置的装置结构示意图；
图2为本发明万向定位数据采集方法的方法流程示意图；
图3为本发明中换能器测头控制示意图；
图4为本发明中控制延迟电路示意图；
图5为大排列采集接收和发射的相对关系示意图；
图6为井间采集接收和发射的相对关系示意图；
图7为旋转换能器发射或接收角度，拓宽换能器发射或接收的范围的示意图。
附图具体的内容将结合下面的具体实施方式加以说明。
具体实施方式
图1为本发明万向定位装置的装置结构示意图。数据采集万向定位装置设置在三维定位仪上；所述万向定位装置通过通讯端口与主机连接；所述的万向定位装置用于控制换能器旋转，进行连续数据采集。
主机发出的动作指令通过通讯端口传输至电机控制单元，电机控制单元将控制指令传输给万向定位装置，由万向定位装置控制换能器动作进行数据采集，所述万向定位装置并将状态信号通过通讯端口传输回主机。
万向定位装置包括数据发射的万向定位装置和数据接收的万向定位装置。
具体万向定位装置的结构包括固定头2、伸缩节3、活动关节4、驱动器5、主驱动轮6和轴转动轮7。
所述三维定位仪的活动轴1的下端通过一个所述固定头2与伸缩节3连接；伸缩节3与活动关节4的一端连接，且所述活动关节4的另一端通过驱动器5、主驱动轮6和轴转动轮7与所述换能器8连接。所述驱动器5与电机控制单元连接，用于控制换能器8的旋转。
所述活动轴1可以沿X、Y、Z轴三个方向移动，以控制整个万向定位装置的测试位置；所述固定头2、伸缩节3和活动关节4根据系统采集的要求调整各自角度或长度并在测试过程中固定调整位置；所述驱动器5与电机控制单元连接，用于控制换能器8的旋转。驱动器5接收到驱动指令后驱动主驱动轮6旋转，进而带动轴转动轮7转动，轴转动轮7的转动使得与其连接的换能器8动作，进行全方位的信号发射和数据采集。
伺服电机是由驱动脉冲控制的，伺服电机转动的栅格数确定行进的距离，最小的行进单位是0.01mm，设定确定的行进距离，让伺服电机转动确定的栅格数后给超声波发射装置发一激发脉冲。根据设定的运行速度(伺服电机的驱动脉冲频率)，确保行进0.01mm的时间大于A/D转换的采样时间(一般3ms)。主机根据激发和接收的横向距离与反射层的深度(纵向距离)等输入的参数控制驱动脉冲宽度，确定伺服电机转动的栅格数行进的距离，这样就实现了万向定位角度的转动。
计算机通过串行口向电机控制单元发出命令，如规定总步长，单位角度等。电机控制单元收到计算机的控制单元命令后，解释命令并转化步进电机驱动脉冲，驱动电机带动测头旋转，同时把步进电机的状态通过并行口报告给计算机，计算机根据电机的状态决定进一步的操作。电机控制单元还要能接受A/D转换的启动脉冲信号，启动测头旋转完成在连续采集中的测头跟踪。
图2为本发明万向定位数据采集方法的方法流程示意图；具体的数据采集方法为：
(1)换能器测头定位并对初始位置信息采集步骤：换能器发射测头定位到发射点；所述的换能器发射测头和换能器接收测头将两个测头的位置参数、发射测头和接收测头间的相对位置参数和两个测头距反射界面距离参数通过通讯端口传输给主机；
(2)设置排列索引号初值：将表示探测的排列索引号初值设置初值；
(3)计算换能器测头转动角度和位移步骤：主机根据当前排列索引号所采集到的换能器测头的位置信息计算换能器发射测头和换能器接收测头动作的角度和位移；
(4)传输数据步骤：主机将驱动两个换能器测头采集动作的信息通过通讯端口传输给电机控制单元和万向定位装置；
(5)数模转换步骤：所述电机控制单元将主机的控制数字信号转换为模拟脉冲信号；
(6)换能器测头采集数据信号步骤：伺服电机和步进电机根据转换后的脉冲信号控制换能器测头进行数据信号采集，驱动换能器发射测头和换能器接收测头转动进行数据采集和接收；
(7)定位换能器接收测头步骤：将换能器接收测头的位置状态定位；
(8)模数转换步骤：所述电机控制单元中将换能器测头的状态模拟脉冲信号转换为数字信号；
(9)换能器测头状态信号回传步骤：所述电机控制单元和万向定位装置将状态信号通过通讯端口回传给主机；
(10)排列索引号迭加步骤：将所述排列索引号进行迭加操作；
(11)判断步骤：主机排列索引号与排列总长数值进行比较；
(12)重复步骤：若排列索引号小于等于排列总长数值，即当前换能器测头的位置数据与系统设定的换能器测头的位移终点数据不同，则重复上述步骤(3)-(11)；
(13)采集终止：若排列索引号大于排列总长数值，即当前换能器测头的位置数据与系统设定的换能器测头的位移终点数据相同，超声波数据采集过程结束；
(14)输出步骤：输出换能器测头的探测数据。
图3为本发明中换能器测头控制示意图。
万向定位控制器通过串行口和并行口与计算机相连，换能器转动要求在采集与移动定位之间完成，移动角度随偏移距离变化而设定。在控制上要求实时获得采集信号和同步定位信号，并以它们作为控制换能器转动的信号，驱动换能器转动一定的角度。
计算机将万向定位装置换能器接收测头和发射测头的运动指令通过串并接口传输给步进电机控制器，步进电机控制器通过数模转换电路将数字信号转换为模拟信号。步进电机控制器将转换后的信号传递给步进电机，由步进电机控制万向定位装置中换能器发射测头和接收测头运动。
步进电机将换能器测头的状态模拟信号传递给步进电机控制器，并经过模数转换电路，将状态信号再经过串并接口传回计算机。
计算机通过串行口向电机控制器发出命令，如规定总步长，单位角度等。步进电机控制器收到计算机的指令后，解释命令并转化步进电机驱动脉冲，驱动电机带动测头旋转，同时把步进电机的状态通过并行口报告给计算机，计算机根据电机的状态决定进一步的操作。
图4为本发明中控制延迟电路示意图。
图中，当输入负脉冲其负脉冲的上升沿到来时，输出一个展宽的负脉冲，以满足A/D触发端的需要，而延时的宽度由CR控制。
当控制信号来临通过光电耦合进行隔离有效隔离来之前端的干扰，光电耦合后信号输入到脉冲延迟电路，经过CR控制使之展宽为满足A/D触发端的需要宽度。
图5为大排列采集接收和发射的相对关系示意图，图6为井间采集接收和发射的相对关系示意图。图7为旋转换能器发射或接收角度，拓宽换能器发射或接收的范围的示意图。
如图，地面观测，若发射与接收测头(换能器)与水平面垂直时，由于测头的(发射或接收)开角限制大排列是接收不到某一目的层的反射信号。
图中说明，由于换能器受方向性限制其发射或接收都受到一定的限制(图7示意)，然而在不改变换能器发射或接收位置，旋转换能器发射或接收角度可以拓宽换能器发射或接收的范围。
图7左图为没有采用旋转换能器发射和接收的范围。A为地层最大反射区，B在地面最大的接收排列长度。
右图采用换能器跟踪旋转发射和接收范围示意图。地层最大反射在A区的基础上增加了C色区域；接收范围从绿区加大了D区的范围。
Claims (4)
1、一种实验室超声波检测装置，所述检测装置包括三维定位仪、万向定位装置，换能器、主机和电机控制单元，其中所述万向定位装置设置在三维定位仪上；并且万向定位装置通过通讯端口与主机连接；
其特征在于：所述万向定位装置包括固定头(2)、伸缩节(3)、活动关节(4)、驱动器(5)、主驱动轮(6)和轴转动轮(7)；
所述三维定位仪的活动轴(1)的下端通过一个所述固定头(2)与伸缩节(3)连接；伸缩节(3)与活动关节(4)的一端连接，且所述活动关节(4)的另一端通过驱动器(5)、主驱动轮(6)和轴转动轮(7)与所述换能器(8)连接；所述驱动器(5)与电机控制单元连接，用于控制换能器(8)的旋转；
所述主机还包括延迟控制电路，所述延迟控制电路用于获取和传输采集信号和同步定位信号；用于驱动装置动作的电机控制单元分别与主机和万向定位装置连接；
主机发出的动作指令通过通讯端口传输至电机控制单元，电机控制单元将控制指令传输给万向定位装置，由万向定位装置控制换能器动作进行数据采集，所述万向定位装置并将状态信号通过通讯端口传输回主机。
2、如权利要求1所述的一种实验室超声波检测装置，其特征在于：所述的检测装置包括用于定位换能器发射测头和换能器接收测头的两套万向定位装置；所述用于定位换能器发射测头的万向定位装置用于发射超声波，所述用于定位换能器接收测头的万向定位装置用于接收超声波。
3、如权利要求1所述的一种实验室超声波检测装置，其特征在于：
所述三维定位仪包括驱动三维定位仪活动轴的伺服电机、和驱动万向定位装置驱动器的步进电机；
所述电机控制单元接收主机的数据信号并进行数模转换后传输给伺服电机，由伺服电机控制活动轴的运动；所述电机控制单元还接收伺服电机的状态信号并进行模数转换后传输回主机；
所述电机控制单元接收主机的数据信号并进行数模转换后传输给步进电机，由步进电机控制驱动器的运动；所述电机控制单元还接收步进电机的状态信号并进行模数转换后传输回主机。
4、一种采用上述权利要求1-3之一的超声波数据检测装置进行数据采集的方法，其特征在于：所述的超声波数据采集方法具体包括：
A、换能器测头定位并对初始位置信息采集步骤：换能器发射测头定位到发射点；所述的换能器发射测头和换能器接收测头将两个测头的位置参数、发射测头和接收测头间的相对位置参数和两个测头距反射界面距离参数通过通讯端口传输给主机；
B、设置排列索引号初值：将表示探测的排列索引号设置初值；
C、计算换能器测头转动角度和位移步骤：主机根据当前排列索引号所采集到的换能器测头的位置信息计算换能器发射测头和换能器接收测头动作的角度和位移；
D、传输数据信息步骤：主机将驱动两个换能器测头采集动作的信息通过通讯端口传输给电机控制单元和万向定位装置；
E、数模转换步骤：所述电机控制单元将主机的控制数字信号转换为模拟脉冲信号；
F、换能器测头采集数据信号步骤：伺服电机和步进电机根据转换后的脉冲信号控制换能器测头进行数据信号采集，驱动换能器发射测头和换能器接收测头转动进行数据采集和接收；
G、定位接收换能器测头步骤：将换能器接收测头的位置状态定位；
H、模数转换步骤：所述电机控制单元中将换能器测头的状态模拟脉冲信号转换为数字信号；
I、换能器测头状态信号回传步骤：所述电机控制单元和万向定位装置将状态信号通过通讯端口回传给主机；
J、排列索引号迭加步骤：将所述排列索引号进行迭加操作；
K、判断步骤：主机排列索引号与排列总长数值进行比较；
L、重复步骤：若排列索引号小于等于排列总长数值，即当前换能器测头的位置数据与系统设定的换能器测头的位移终点数据不同，则重复上述步骤C-K；
M、采集终止：若排列索引号大于排列总长数值，即当前换能器测头的位置数据与系统设定的换能器测头的位移终点数据相同，超声波数据采集过程结束；
N、输出步骤：输出换能器测头的探测数据。
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| 超声无损检测及实验教学系统的研究与开发. 周晓林等.盐城工学院学报（自然科学版），第17卷第1期. 2004 |
| 超声无损检测及实验教学系统的研究与开发. 周晓林等.盐城工学院学报（自然科学版），第17卷第1期. 2004 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102053254A (zh) * | 2009-10-30 | 2011-05-11 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种激光超声波检测系统及其检测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1885028A (zh) | 2006-12-27 |
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