CN105863621B - 一种声波换能器检测装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种声波换能器检测装置及其工作方法，包括：上位机设定测井仪器或声系控制参数、声波激励和数据采集控制参数，分析声波数据来确定待测换能器的性能；嵌入式前端机用于将测井仪器或声系控制参数下发至同步控制模块，将声波激励和/或数据采集控制参数下发至声波激励及采集模块，将声波数据发送至上位机；耦合控制模块用于对耦合装置的定位、待测换能器和测量换能器的声耦合过程进行控制；耦合装置用于实现测量换能器与待测换能器的声耦合；同步控制模块和声波激励及采集模块实现测量换能器或待测换能器激励和声波数据采集。本发明可以克服半开水槽检测无法实现声波换能器特性定量分析的缺点，还可以实现仪器级和声系级的换能器检测。
Description
技术领域
本发明属于换能器检测技术领域，尤其涉及一种声波换能器检测装置及其工作方法。
背景技术
随着勘探开发的不断深入，非均质、各向异性和裂缝等复杂地质条件的精细勘探开发成为难点。阵列化传感器结构的声波测井仪器，如三维声波测井仪器和远探测声波测井仪器可以为该问题的解决提供良好的前景。与常规声波测井仪器相比，该类仪器中发射声波换能器和接收声波换能器的规模均大幅增加，如基于相控阵技术的三维声波测井仪中声波换能器总数超过100个，为保证仪器的性能和可靠工作，必须在仪器研发、生产及现场应用的过程中对大量的声波换能器进行高效检测。声波换能器工作在液态环境中，只有良好的声耦合才能准确的检测其工作性能。常规声波测井仪器中声波换能器的数量有限，通过半水槽实验就可以检测声波换能器是否正常工作。但水和硅油的声学特性不同，不能实现良好的声耦合，不能定量分析其转换效率和频率响应等性能，因此，现有的半水槽实验无法满足阵列化声波换能器的性能检测要求，也无法实现声系的单独测试。
发明内容
本发明实施例提供了一种声波换能器检测装置，可满足阵列化声波换能器的性能检测要求，也可以实现声系的单独测试。该声波换能器检测装置包括：上位机31、嵌入式前端机32、同步控制模块33、耦合控制模块34、声波激励及采集模块35和耦合装置36；
所述上位机31，用于设定测井仪器控制参数或声系控制参数、声波激励控制参数、数据采集控制参数和运动控制参数；
所述嵌入式前端机32，用于将测井仪器控制参数或声系控制参数下发至同步控制模块33，将运动控制参数下发至耦合控制模块34，将声波激励控制参数和/或数据采集控制参数下发至声波激励及采集模块35；
所述耦合控制模块34，用于根据运动控制参数控制耦合装置36的定位过程，及控制耦合装置36中待测声波换能器和测量声波换能器的声耦合过程；
所述同步控制模块33，用于在待测声波换能器为有源接收声系或测井仪器中的接收声波换能器时，根据测井仪器控制参数或声系控制参数启动声波数据采集，并产生同步触发信号；所述声波激励及采集模块35，用于在待测声波换能器为有源接收声系或测井仪器中的接收声波换能器时，根据声波激励控制参数和同步触发信号启动测量声波换能器激励；
所述同步控制模块33，用于在待测声波换能器为有源发射声系或测井仪器中的发射声波换能器时，根据测井仪器控制参数或声系控制参数启动待测声波换能器激励，并产生同步触发信号；所述声波激励及采集模块35，用于在待测声波换能器为有源发射声系或测井仪器中的发射声波换能器时，根据数据采集控制参数和同步触发信号启动声波数据采集；
所述声波激励及采集模块35，用于在待测声波换能器为无源接收声系中的接收声波换能器时，根据声波激励控制参数启动测量声波换能器激励，和根据数据采集控制参数启动声波数据采集；
所述声波激励及采集模块35，用于在待测声波换能器为无源发射声系中的发射声波换能器时，根据声波激励控制参数启动待测声波换能器激励，和根据数据采集控制参数启动声波数据采集；
所述嵌入式前端机32，用于将同步控制模块33采集的声波数据或声波激励及采集模块35采集的声波数据发送至所述上位机31；
所述上位机31，用于对声波数据进行分析，确定待测声波换能器的性能。
在一个实施例中，所述耦合控制模块34，还用于根据运动控制参数控制耦合装置36中待测声波换能器和测量声波换能器的去声耦合过程。
在一个实施例中，所述耦合装置36包括耦合乳胶膜2、耦合仓5、测量声波换能器6、液压传感器10、双向油泵11、注油步进电机12、电磁阀13、左支撑臂14、右支撑臂15、储油仓16、定位步进电机21、失电制动器22、导轨盘和支撑轮；
所述耦合乳胶膜2盖设在耦合仓5的开口处，所述耦合乳胶膜2用于在测量声波换能器6和待测声波换能器进行声耦合时，与待测声波换能器外侧皮囊贴合；
所述耦合仓5的开口形状与待测声波换能器的声窗外形匹配；
所述测量声波换能器6安装于耦合仓5远离耦合乳胶膜2的一侧，所述测量声波换能器6用于声波信号的产生或声波信号的接收；
所述液压传感器10分别与双向油泵11和耦合仓5连接，所述液压传感器10用于测量耦合仓5中的液压；
所述双向油泵11和注油步进电机12连接，固定安装在左支撑臂14上；
所述注油步进电机12用于带动双向油泵11将硅油从储油仓16注入耦合仓5，或将硅油从耦合仓5注入储油仓16；
所述电磁阀13分别与双向油泵11和储油仓16连接，所述电磁阀13用于连通或关闭耦合仓5和储油仓16之间的油路；
所述左支撑臂14安装于耦合仓5和储油仓16的同一侧；
所述右支撑臂15安装于耦合仓5和储油仓16的另一侧；
所述支撑轮安装于耦合仓5的两侧；
所述储油仓16安装于左支撑臂14和右支撑臂15的顶部之间；
所述定位步进电机21安装于右支撑臂15上，所述定位步进电机21用于带动耦合装置36沿导轨盘运动；
所述失电制动器22与定位步进电机21连接，所述失电制动器22用于对耦合装置36的位置进行锁定或解除锁定；
所述导轨盘通过支撑轮分别安装于耦合仓5两侧。
在一个实施例中，所述耦合装置36还包括橡胶压环1；
所述橡胶压环1安装于耦合仓5的开口端处，所述橡胶压环1内嵌钢圈，用于压紧耦合乳胶膜2，橡胶压环1的形状与待测声波换能器的声窗的形状匹配。
在一个实施例中，所述耦合装置36还包括储油乳胶膜17和储油仓盖18；
所述储油乳胶膜17贴储油仓盖18安装；
所述储油仓盖18安装于储油仓16的开口处。
在一个实施例中，所述耦合装置36还包括声吸收层4；
所述声吸收层4贴敷于耦合仓5的内壁上，用于防止声波在耦合仓5内反射叠加。
在一个实施例中，所述耦合仓5和储油仓16中填充有硅油，所述硅油与待测声波换能器内填充的硅油相同。
本发明实施例提供了一种声波换能器检测装置的工作方法，可满足阵列化声波换能器的性能检测要求，也可以实现声系的单独测试。该工作方法包括：
上位机31设定测井仪器控制参数或声系控制参数、声波激励控制参数、数据采集控制参数和运动控制参数；
嵌入式前端机32将测井仪器控制参数或声系控制参数下发至同步控制模块33，将运动控制参数下发至耦合控制模块34，将声波激励控制参数和/或数据采集控制参数下发至声波激励及采集模块35；
耦合控制模块34根据运动控制参数控制耦合装置36的定位过程，及控制耦合装置36中待测声波换能器和测量声波换能器的声耦合过程；
同步控制模块33在待测声波换能器为有源接收声系或测井仪器中的接收声波换能器时，根据测井仪器控制参数或声系控制参数启动声波数据采集，并产生同步触发信号；声波激励及采集模块35在待测声波换能器为有源接收声系或测井仪器中的接收声波换能器时，根据声波激励控制参数和同步触发信号启动测量声波换能器激励；
同步控制模块33在待测声波换能器为有源发射声系或测井仪器中的发射声波换能器时，根据测井仪器控制参数或声系控制参数启动待测声波换能器激励，并产生同步触发信号；声波激励及采集模块35在待测声波换能器为有源发射声系或测井仪器中的发射声波换能器时，根据数据采集控制参数和同步触发信号启动声波数据采集；
声波激励及采集模块35在待测声波换能器为无源接收声系中的接收声波换能器时，根据声波激励控制参数启动测量声波换能器激励，和根据数据采集控制参数启动声波数据采集；
声波激励及采集模块35在待测声波换能器为无源发射声系中的发射声波换能器时，根据声波激励控制参数启动待测声波换能器激励和根据数据采集控制参数启动声波数据采集；
嵌入式前端机32将同步控制模块33采集的声波数据或声波激励及采集模块35采集的声波数据发送至上位机31；
上位机31对声波数据进行分析，确定待测声波换能器的性能。
在一个实施例中，该工作方法还包括：耦合控制模块34根据运动控制参数控制耦合装置36中待测声波换能器和测量声波换能器的去声耦合过程。
在一个实施例中，所述耦合控制模块34根据运动控制参数控制耦合装置36的定位过程，具体包括：
耦合控制模块34与耦合装置36中的失电制动器22及耦合装置36中的定位步进电机21电气连接；耦合控制模块34给失电制动器22供电，失电制动器22解除耦合装置36的位置锁定；耦合控制模块34设定定位步进电机21的转动方向，并根据运动控制参数产生脉冲序列，驱动定位步进电机21带动耦合装置36沿导轨盘运动，定位到待测声波换能器30的声窗；耦合控制模块34停止对失电制动器22供电，失电制动器22锁定耦合装置36的当前位置，耦合控制模块34停止对定位步进电机21的驱动。
在一个实施例中，所述耦合控制模块34控制耦合装置36中待测声波换能器和测量声波换能器的声耦合过程，具体包括：
其中，所述耦合装置36包括耦合乳胶膜2、耦合仓5、测量声波换能器6、液压传感器10、双向油泵11、注油步进电机12、电磁阀13和储油仓16；
耦合控制模块34与液压传感器10、电磁阀13和注油步进电机12电气连接；耦合控制模块34给电磁阀13供电，电磁阀13打开，储油仓16与耦合仓5之间的油路连通；耦合控制模块34驱动注油步进电机12正向转动，带动双向油泵11将硅油从储油仓16注入耦合仓5中；在向耦合仓5注油的过程中，耦合控制模块34从液压传感器10处连续获取耦合仓5内硅油的液压，当耦合仓5内的液压达到耦合压力后，停止驱动注油步进电机12转动，停止向耦合仓5中注油，同时停止给电磁阀13供电，关闭储油仓16与耦合仓5之间的油路；耦合乳胶膜2在液压作用下与待测声波换能器30的外侧皮囊29紧密贴合，测量声波换能器6和待测声波换能器30之间实现声耦合。
在一个实施例中，所述耦合控制模块34根据运动控制参数控制耦合装置36中待测声波换能器和测量声波换能器的去声耦合过程，具体包括：
耦合控制模块34与液压传感器10、电磁阀13及注油步进电机12电气连接；耦合控制模块34给电磁阀13供电，电磁阀13打开，储油仓16与耦合仓5间的油路连通；耦合控制模块34驱动注油步进电机12反向转动，带动双向油泵11将硅油从耦合仓5注入储油仓16；在从耦合仓5抽油的过程中，耦合控制模块34从液压传感器10处连续获取耦合仓5内硅油的液压，当耦合仓5内的液压到达设定压力后，停止驱动注油步进电机12转动，停止向储油仓16内注油；耦合控制模块34停止给电磁阀13供电，关闭储油仓16与耦合仓5之间的油路；耦合乳胶膜2与待测声波换能器30的外侧皮囊29脱离。
在本发明实施例中，利用上位机设定测井仪器控制参数或声系控制参数、声波激励控制参数、数据采集控制参数和运动控制参数，并利用嵌入式前端机分别将上述参数传给同步控制模块、耦合控制模块和声波激励及采集模块，利用耦合控制模块根据运动控制参数可以控制耦合装置的定位，控制耦合装置中测量声波换能器与待测声波换能器的声耦合过程，利用同步控制模块和声波激励及采集模块之间的配合，或单独利用声波激励及采集模块，可以实现测量声波换能器或待测声波换能器的激励启动和声波数据采集，利用嵌入式前端机将声波数据上传到上位机，再利用上位机实现对声波数据进行分析，确定待测声波换能器的性能，从而实现阵列化声波换能器的自动化检测，本发明可以克服半开水槽检测无法实现声波换能器特性分析的缺点，还可以实现测井仪器级和声系级的声波换能器检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种声波换能器检测装置组成结构示意图；
图2为本发明应用实例中耦合装置正视图的全剖图；
图3为本发明应用实例中去除导轨盘的耦合装置的左视图。
图4为本发明应用实例中声耦合状态下硅油填充区正视全剖图。
标号说明：
1.硬橡胶压环；2.耦合乳胶膜；3.耦合仓前窗；4.声吸收层；5.耦合仓；6.测量声波换能器；7.测量声波换能器密封圈；8.测量声波换能器定位环；9.测量声波换能器定位环压盖；10.液压传感器；11.双向油泵；12.注油步进电机；13.电磁阀；14.左支撑臂；15.右支撑臂；16.储油仓；17.储油乳胶膜；18.储油仓盖；19.注油活接扣；20.定位步进电机齿轮；21.定位步进电机；22.失电制动器；23.带定位齿轮导轨盘；24.导轨盘；25.支撑轮；26.支撑轮；27.支撑轮；28.声系外壳；29.皮囊；30.待测声波换能器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
现有的对声波换能器的检测，采用的是半水槽实验，但由于声波换能器中存在的是硅油，水和硅油的声学特性不同，因此不能实现良好的声耦合，不能定量分析其转换效率和频率响应等性能，更无法满足阵列化声波换能器的性能检测要求，也无法实现声系的单独测试。基于此，本发明提出一种声波换能器检测装置及其工作方法，可以满足阵列化声波换能器的性能检测要求，同样可以实现声系的单独测试。
图1是本发明实施例一种声波换能器检测装置组成结构示意图；如图1所示，该声波换能器检测装置包括：上位机31、嵌入式前端机32、同步控制模块33、耦合控制模块34、声波激励及采集模块35和耦合装置36；其中，耦合装置36为机械部分，其它为电控部分。
具体实施时，上位机31为通用计算机，运行基于Windows操作系统的检测软件，上位机31会根据检测对象类型的不同，在检测时通过运行于其上的测量控制软件设定检测对象类型，再根据相应的检测对象设定相应的检测参数。其中，相应的检测参数可以包括测井仪器控制参数或声系控制参数、声波激励控制参数、数据采集控制参数和运动控制参数等。运动控制参数可以包括转动角度、转速等。
具体实施时，嵌入式前端机32通过USB或以太网与上位机31连接，通过本地并行总线与同步控制模块33、耦合控制模块34和声波激励及采集模块35连接。上位机31设定好上述参数之后会通过USB或以太网将这些参数下发至嵌入式前端机32中。具体的，嵌入式前端机32将上位机31下发的测井仪器控制参数或声系控制参数通过本地并行总线下发至同步控制模块33，将运动控制参数下发至耦合控制模块34，将声波激励控制参数和/或数据采集控制参数通过本地并行总线下发至声波激励及采集模块35。同时，还会通过本地并行总线接收同步控制模块33采集的声波数据或声波激励及采集模块35采集的声波数据，并通过USB或以太网将同步控制模块33采集的声波数据或声波激励及采集模块35采集的声波数据发送至上位机31，实现与上位机31的高速通讯。
具体的，嵌入式前端机32包括嵌入式处理器、随机存储器、程序存储器、数据存储器和并行总线驱动器，其中随机存储器、程序存储器、数据存储器和并行总线驱动器均并行挂接在嵌入式处理器的外部总线上。本实例中嵌入式处理器可选数字信号处理器或嵌入式微控制器，运行uC/OS或uCLInux多任务嵌入式操作系统和系统控制软件。
具体实施时，耦合控制模块34通过本地并行总线与嵌入式前端机32连接，还与耦合模块36连接。耦合控制模块34会根据运动控制参数控制耦合装置36的定位过程，对耦合装置36中待测声波换能器和测量声波换能器的声耦合过程过程进行控制。在完成对待测声波换能器检测之后，耦合控制模块34还会对耦合装置36中待测声波换能器和测量声波换能器的去声耦合过程进行控制。
具体实施时，同步控制模块33和声波激励及采集模块35的功能会根据检测对象类型的不同而有所不同。其中，检测对象的类型包括：有源接收声系中的接收声波换能器、有源发射声系中的发射声波换能器、无源接收声系中的接收声波换能器、无源发射声系中的发射声波换能器、测井仪器中的接收声波换能器、和测井仪器中的发射声波换能器。
因此，同步控制模块33和声波激励及采集模块35的功能为：
在待测声波换能器为有源接收声系或测井仪器中的接收声波换能器时，同步控制模块33，用于根据测井仪器控制参数或声系控制参数启动声波数据采集，并产生同步触发信号；声波激励及采集模块35，用于根据声波激励控制参数和同步触发信号启动测量声波换能器激励；
在待测声波换能器为有源发射声系或测井仪器中的发射声波换能器时，同步控制模块33，用于根据测井仪器控制参数或声系控制参数启动待测声波换能器激励，并产生同步触发信号；声波激励及采集模块35，用于根据数据采集控制参数和同步触发信号启动声波数据采集；
在待测声波换能器为无源接收声系中的接收声波换能器时，声波激励及采集模块35，用于根据声波激励控制参数启动测量声波换能器激励，和根据数据采集控制参数启动声波数据采集；
在待测声波换能器为无源发射声系中的发射声波换能器时，声波激励及采集模块35，用于根据声波激励控制参数启动待测声波换能器激励，和根据数据采集控制参数启动声波数据采集；
而上位机31的功能是：对声波数据进行分析，从而确定待测声波换能器的性能。
图2为本发明应用实例中耦合装置正视图的全剖图，图3为本发明应用实例中去除导轨盘的耦合装置的左视图。由图2和3可知，耦合装置36包括耦合乳胶膜2、耦合仓5、测量声波换能器6、液压传感器10、双向油泵11、注油步进电机12、电磁阀13、左支撑臂14、右支撑臂15、储油仓16、定位步进电机21、失电制动器22、导轨盘和支撑轮。
其中，耦合乳胶膜2盖设在耦合仓5的开口处，耦合乳胶膜2用于在测量声波换能器6和待测声波换能器30进行声耦合时，与待测声波换能器外侧皮囊29贴合。
耦合仓5的开口形状与待测声波换能器的声窗外形匹配。
测量声波换能器6安装于耦合仓5远离耦合乳胶膜2的一侧，测量声波换能器6用于声波信号的产生或声波信号的接收。
液压传感器10分别与双向油泵11和耦合仓5连接，液压传感器10用于测量耦合仓5中的液压。
双向油泵11和注油步进电机12连接，固定安装在左支撑臂14上；注油步进电机12用于带动双向油泵11将硅油从储油仓16注入耦合仓5，或将硅油从耦合仓5注入储油仓16，其中，耦合仓5和储油仓16中填充有一定量的硅油，该硅油与待测声波换能器内填充的硅油相同，以实现良好的声耦合。
电磁阀13分别与双向油泵11和储油仓16连接，电磁阀13用于连通或关闭耦合仓5和储油仓16之间的油路，电磁阀13为失电时阀门关门，得电时阀门打开。
左支撑臂14安装于耦合仓5和储油仓16的同一侧；右支撑臂15安装于耦合仓5和储油仓16的另一侧；支撑轮安装于耦合仓5的两侧，总共有3个支撑轮：支撑轮25、支撑轮26和支撑轮27。
储油仓16安装于左支撑臂14和右支撑臂15的顶部之间。
定位步进电机21安装于右支撑臂15上，定位步进电机21用于带动耦合装置36沿导轨盘运动。
失电制动器22与定位步进电机21连接，失电制动器22用于对耦合装置36的位置进行锁定或解除锁定。
导轨盘通过支撑轮分别安装于耦合仓5两侧，其中导轨盘包括带定位齿轮导轨盘23和导轨盘24。
具体实施时，由图2所示，耦合装置36还可以包括橡胶压环1、耦合仓前窗3、声吸收层4、测量换能器密封圈7、测量换能器定位环8、测量换能器定位环压盖9、储油乳胶膜17、储油仓盖18、注油活接口19和定位步进电机齿轮20。
其中，橡胶压环1安装于耦合仓5的开口端处，内嵌钢圈，用于压紧耦合乳胶膜2。耦合仓5的开口就是耦合仓前窗3的开口，橡胶压环1和耦合仓前窗3的开口形状与测量对象的声窗外形匹配，因此，检查对象不同，橡胶压环1的形状也不同。
声吸收层4贴敷于耦合仓5的内壁上，用于防止声波在耦合仓5内反射叠加，影响测量精度。
储油乳胶膜17贴储油仓盖18安装，这使储油仓16内硅油处于出油口和储油乳胶膜17间。储油仓盖18安装于储油仓16的开口处，注油活接口19安装于储油仓盖18上。储油仓16底部边角有直径1mm的通气空，因此在大气压力和储油乳胶膜17的弹力下，无论耦合装置36处在任何角度，硅油均向出油口汇集。
定位步进电机齿轮20安装于带定位齿轮导轨盘23的尾端。
下面详细描述一下声波换能器检测装置的工作方法，该工作方法包括：
上位机31设定测井仪器控制参数或声系控制参数、声波激励控制参数、数据采集控制参数和运动控制参数；
嵌入式前端机32将测井仪器控制参数或声系控制参数下发至同步控制模块33，将运动控制参数下发至耦合控制模块34，将声波激励控制参数和/或数据采集控制参数下发至声波激励及采集模块35；
耦合控制模块34根据运动控制参数控制耦合装置36的定位过程，及控制耦合装置36中待测声波换能器和测量声波换能器的声耦合过程；
同步控制模块33在待测声波换能器为有源接收声系或测井仪器中的接收声波换能器时，根据测井仪器控制参数或声系控制参数启动声波数据采集，并产生同步触发信号；声波激励及采集模块35在待测声波换能器为有源接收声系或测井仪器中的接收声波换能器时，根据声波激励控制参数和同步触发信号启动测量声波换能器激励；
同步控制模块33在待测声波换能器为有源发射声系或测井仪器中的发射声波换能器时，根据测井仪器控制参数或声系控制参数启动待测声波换能器激励，并产生同步触发信号；声波激励及采集模块35在待测声波换能器为有源发射声系或测井仪器中的发射声波换能器时，根据数据采集控制参数和同步触发信号启动声波数据采集；
声波激励及采集模块35在待测声波换能器为无源接收声系中的接收声波换能器时，根据声波激励控制参数启动测量声波换能器激励，和根据数据采集控制参数启动声波数据采集；
声波激励及采集模块35在待测声波换能器为无源发射声系中的发射声波换能器时，根据声波激励控制参数启动待测声波换能器激励和根据数据采集控制参数启动声波数据采集；
嵌入式前端机32将同步控制模块33采集的声波数据或声波激励及采集模块35采集的声波数据发送至上位机31；
上位机31对声波数据进行分析，确定待测声波换能器的性能。
具体实施时，该工作方法还可以包括：耦合控制模块34根据运动控制参数控制耦合装置36中待测声波换能器和测量声波换能器的去声耦合过程。
以下举应用实例进行详细说明本发明是如何实现声波换能器的检测。
声波换能器的检测以同一深度的以环形分布的声波换能器为单位，耦合装置初始定位在待测环北向方位声波换能器的声窗，完成一个深度所有声波换能器的检测后，通过手动重定位耦合装置到下一深度的北向方位换能器的声窗。一个深度声波换能器的检测包括如下步骤：
(1)检测参数设定：
通过运行上位机31上的测量控制软件，设定检测对象类型、运动控制参数、测井仪器控制参数或声系控制参数、声波激励控制参数和数据采集控制参数等。之后上位机31通过USB或以太网将这些参数下发至嵌入式前端机32。
(2)耦合装置定位：
嵌入式前端机32通过本地并行总线将运动控制参数发送给耦合控制模块34，耦合控制模块34根据运动控制参数控制耦合装置定位。
耦合控制模块34包括耦合控制器、步进电机驱动器、电磁阀驱动器、液压信号采集电路和继电器阵列。其中本实例中耦合控制器由FPGA或CPLD实现，其他部件均在耦合控制器的控制下工作。耦合控制器为步进电机驱动器提供一系列控制脉冲，实现步进电机的正向一定角度的转动或反向一定角度的转动。耦合控制器为电磁阀驱动器和继电器阵列提供控制逻辑信号，实现电磁阀及继电器的闭合和打开。液压信号采集电路在耦合控制的控制下实现耦合仓内液压信号的放大和模数转换。
具体的耦合装置定位过程为：耦合控制模块34中的耦合控制器控制特定继电器闭合，实现失电制动器22与电磁阀驱动器的电器连接及定位步进电机21与步进电机驱动器的电气连接。耦合控制模块34的步进电机驱动器首先驱动定位步进电机21，利用定位步进电机21锁定耦合装置的位置，而后给失电制动器22供电，失电制动器22解除锁定。耦合控制模块34的耦合控制器设定定位步进电机21的转动方向，并根据运动控制参数产生一定数量的脉冲序列，驱动定位步进电机21带动耦合装置沿带定位齿轮导轨盘23和导轨盘24运动，最终定位到待测声波换能器30的声窗。而后，耦合控制模块34首先停止对失电制动器22供电，失电制动器22锁定耦合装置的位置，之后停止对定位步进电机21的驱动。在检测过程中，继电器阵列断开，切断步进电机驱动器与失电制动器22和定位步进电机21的电气连接，这样可以隔离步进电机驱动器的高频干扰，提高测量信号的信噪比，保证检测准确可靠。
(3)声耦合过程：
耦合控制模块34的耦合控制器控制特定继电器闭合，分别实现液压传感器10与液压信号采集电路的电气相连、电磁阀13与电磁阀驱动器的电气相连及注油步进电机12与步进电机驱动驱动器的电气连接。耦合控制模块34的电磁阀驱动器给电磁阀13供电，电磁阀13打开，储油仓16与耦合仓5之间的油路连通。之后驱动注油步进电机12正向转动，带动双向油泵11将硅油从储油仓16注入耦合仓5。在向耦合仓5注油的过程中，液压传感器10连续采集耦合仓5内硅油的液压，耦合控制模块34从液压传感器10处获取液压进行监控，当耦合仓5内的液压达到耦合压力后，停止注油步进电机12的转动，停止注油，同时停止电磁阀13供电，油路关闭。此时，耦合乳胶膜2在液压作用下透过声系外壳28与待测声波换能器30的外侧皮囊29紧密贴合，实现了测量声波换能器6和待测声波换能器30间的声耦合，如图4所示。最后继电器阵列断开，切断液压传感器10与液压信号采集电路的电气相连、电磁阀13与电磁阀驱动器的电气相连及注油步进电机12与步进电机驱动的电气连接，隔离耦合控制模块的噪声对检测电路的影响。
(4)信号获取及处理：
该过程根据检测对象的不同而不同。当待检测声波换能器为发射声波换能器时，信号获取为采集测量声波换能器的信号；当待检测声波换能器为接收声波换能器时，信号获取为采集接收声波换能器信号或读取有源接收声系或测井仪器已数字化的接收信号。
该方法步骤当中涉及到同步控制模块33和声波激励及采集模块35，其中，同步控制模块33包括并行总线驱动器、同步控制器、接口驱动器、仪器及声系供电电路和继电器阵列。其中，本实例中同步控制器利用大规模FPGA实现。并行总线驱动器用于同步控制器与嵌入式前端机间的逻辑信号驱动。接口驱动器为实现控制逻辑信号到仪器或声系控制信号的转换，如将3.3V TTL信号转换为CAN信号或将3.3V TTL信号转换为5V TTL信号或差分信号。仪器及声系供电电路产生多路不同电压的电源。继电器阵列实现不同类型控制信号及仪器和声系供电的选择和通断控制。
声波激励及采集模块35，用于产生声波换能器激励信号及声波信号的处理和采集。声波激励及采集模块35包括激励及数据采集控制器、功率激励电路、宽频激励电路、声波信号放大及采集电路、存储器和继电器阵列。其中，功率激励电路产生大功率激励信号，用于无源发射声系中发射换能器的激励。宽频激励电路用于产生小功率宽频激励信号，该信号是测量接收声波换能器时的标准激励信号。
根据检测对象载体的不同，信号获取及处理过程分为以下六类：
1)有源接收声系中接收声波换能器检测时的信号获取及处理：
嵌入式前端机32通过本地并行总线将有源接收声系控制参数发送给同步控制模块33，将声波激励控制参数发送给声波激励及采集模块35。而后同步控制模块33和声波激励及采集模块35分别控制相关继电器闭合，建立同步控制模块33与有源接收声系的电气连接和声波激励及采集模块35中的宽频激励电路与测量声波换能器的电气连接。而后同步控制模块33的同步控制器接收有源接收声系控制参数，并根据控制协议的不同生成不同的控制逻辑信号，控制有源接收声系启动数据采集，同时产生同步触发信号，声波激励及采集控制器35根据声波激励控制参数和同步触发信号产生激励信号激励测量声波换能器。信号采集完成后，同步控制模块33首先将数字化后的声波信号(声波数据)读取到本地，而后嵌入式前端机32读取这些数据并上传到上位机31。上位机31在时域和频域分析采集到的声波信号，从而确定接收声波换能器的性能。最后，同步控制模块33和声波激励及采集模块35中的相关继电器断开，切断检测系统与检测对象的电气连接。
2)无源接收声系中接收声波换能器检测时的信号获取及处理：
嵌入式前端机32通过本地并行总线将数据采集控制参数和声波激励控制参数发送给声波激励及采集模块35。而后声波激励及采集模块35控制相关继电器闭合，建立声波激励及采集模块35中的声波信号放大及采集电路与无源接收声系和声波激励及采集模块35中的宽频激励电路与测量声波换能器的电气连接。而后声波激励及采集模块35同步启动声波激励和声波数据采集。信号采集完成后，嵌入式前端机32读取这些数据并上传到上位机31。上位机31在时域和频域分析采集到的信号，从而确定接收声波换能器的性能。最后，相关继电器断开，切断检测系统与检测对象的电气连接。
3)有源发射声系中发射声波换能器检测时的信号获取及处理：
嵌入式前端机32通过本地并行总线将有源发射声系控制参数发送给同步控制模块33，将数据采集控制参数发送给声波激励及采集模块35。而后同步控制模块33和声波激励及采集模块35分别控制相关继电器闭合，建立同步控制模块33与有源发射声系的电气连接，声波激励及采集模块35中的声波信号放大及采集电路与测量声波换能器的电气连接。而后同步控制模块33控制有源发射声系激励待测发射声波换能器，同时产生同步触发信号，声波激励及采集控制器35根据同步触发信号和数据采集控制参数启动数据采集。数据采集完成后，嵌入式前端机32读取这些数据并上传到上位机31。上位机31在时域和频域分析采集到的信号，从而确定发射声波换能器的性能。最后，相关继电器断开，切断检测系统与检测对象的电气连接。
4)无源发射声系中发射声波换能器检测时的信号获取及处理：
嵌入式前端机32通过本地并行总线将数据采集控制参数和声波激励控制参数发送给声波激励及采集模块35。而后声波激励及采集模块35控制相关继电器闭合，建立声波激励及采集模块35中的功率激励电路与无源发射声系的电气连接、声波信号放大及采集电路与测量声波换能器的电气连接。而后声波激励及采集模块35同步启动声波激励和声波数据采集。信号采集完成后，嵌入式前端机32读取这些数据并上传到上位机31。上位机31在时域和频域分析采集到的信号，从而确定发射声波换能器的性能。最后，相关继电器断开，切断检测系统与检测对象的电气连接。
5)测井仪器中接收声波换能器检测时的信号获取及处理：
嵌入式前端机32通过本地并行总线将测井仪器控制参数发送给同步控制模块33，将声波激励控制参数发送给声波激励及采集模块35。而后同步控制模块33和声波激励及采集模块35分别控制相关继电器闭合，建立同步控制模块33与测井仪器的电气连接和声波激励及采集模块35中的宽频激励电路与测量声波换能器的电气连接。而后同步控制模块33控制测井仪器启动数据采集，同时产生同步触发信号，声波激励及采集控制器35根据同步触发信号和声波激励控制参数产生激励信号激励测量声波换能器。测井仪器完成数据采集完成后，同步控制模块33首先将数字化后的声波信号数据读取到本地，而后嵌入式前端机32读取这些数据并上传到上位机31。上位机31在时域和频域分析采集到的信号，从而确定接收声波换能器的性能。最后，相关继电器断开，切断检测系统与检测对象的电气连接。
6)测井仪器中发射声波换能器检测时的信号获取及处理：
嵌入式前端机32通过本地并行总线将测井仪器控制参数发送给同步控制模块33，将声波数据采集控制参数发送给声波激励及采集模块35。而后同步控制模块33和声波激励及采集模块35分别控制相关继电器闭合，建立同步控制模块33与测井仪器的电气连接及声波激励及采集模块35中的声波信号放大及采集电路与测量声波换能器的电气连接。而后同步控制模块33控制测井仪器启动待测换能器激励，同时产生同步触发信号，声波激励及采集控制器35根据同步触发信号和声波数据采集控制参数采集测量声波换能器输出信号。数据采集完成后，嵌入式前端机32读取这些数据并上传到上位机31。上位机31在时域和频域分析采集到的信号，从而确定发射声波换能器的性能。最后，相关继电器断开，切断检测系统与检测对象的电气连接。
(5)去声耦合过程：
耦合控制模块34中的耦合控制器控制相关继电器闭合，分别实现液压传感器10与液压信号采集电路的电气连接、电磁阀13与电磁阀驱动器的电器连接及注油步进电机12与步进电机驱动器的电气连接。耦合控制模块34的电磁阀驱动器给电磁阀13供电，电磁阀13打开，储油仓16与耦合仓5间的油路连通。之后驱动注油步进电机12反向转动，带动双向油泵11将硅油从耦合仓5注入储油仓16。在从耦合仓5抽油的过程中，液压传感器10连续采集耦合仓5内硅油的液压，耦合控制模块34从液压传感器10处获取液压进行监控，当耦合仓5内的液压低到设定压力后，停止注油步进电机12的转动，停止注油，同时停止电磁阀13供电，油路关闭。此时，耦合乳胶膜2在大气压力作用下向内凹陷，脱离与声窗接触。
重复以上(2)-(5)步即可完成声系级或仪器级的声波换能器的检测。
综上所述，本发明利用上位机设定测井仪器控制参数或声系控制参数、声波激励控制参数、数据采集控制参数和运动控制参数，并利用嵌入式前端机分别将上述参数传给同步控制模块、耦合控制模块和声波激励及采集模块，利用耦合控制模块根据运动控制参数可以控制耦合装置的定位，控制耦合装置中测量声波换能器与待测声波换能器的声耦合过程，利用同步控制模块和声波激励及采集模块之间的配合，或单独利用声波激励及采集模块，可以实现测量声波换能器或待测声波换能器的激励启动和声波数据采集，利用嵌入式前端机将声波数据上传到上位机，再利用上位机实现对声波数据进行分析，确定待测声波换能器的性能，从而实现阵列化声波换能器的自动化检测，本发明可以克服半开水槽检测无法实现声波换能器特性分析的缺点，还可以实现测井仪器级和声系级的声波换能器检测。通过定期检测声波换能器而获取的声波换能器测试数据，可以建立声波换能器的老化规律，为测井仪器的维护和新型声波测井仪器声波换能器的研制提供参考。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种声波换能器检测装置，其特征在于，包括：上位机(31)、嵌入式前端机(32)、同步控制模块(33)、耦合控制模块(34)、声波激励及采集模块(35)和耦合装置(36)；
所述上位机(31)，用于设定测井仪器控制参数或声系控制参数、声波激励控制参数、数据采集控制参数和运动控制参数；
所述嵌入式前端机(32)，用于将测井仪器控制参数或声系控制参数下发至同步控制模块(33)，将运动控制参数下发至耦合控制模块(34)，将声波激励控制参数和/或数据采集控制参数下发至声波激励及采集模块(35)；
所述耦合控制模块(34)，用于根据运动控制参数控制耦合装置(36)的定位过程，及控制耦合装置(36)中待测声波换能器和测量声波换能器的声耦合过程；
所述同步控制模块(33)，用于在待测声波换能器为有源接收声系或测井仪器中的接收声波换能器时，根据测井仪器控制参数或声系控制参数启动声波数据采集，并产生同步触发信号；所述声波激励及采集模块(35)，用于在待测声波换能器为有源接收声系或测井仪器中的接收声波换能器时，根据声波激励控制参数和同步触发信号启动测量声波换能器激励；
所述同步控制模块(33)，用于在待测声波换能器为有源发射声系或测井仪器中的发射声波换能器时，根据测井仪器控制参数或声系控制参数启动待测声波换能器激励，并产生同步触发信号；所述声波激励及采集模块(35)，用于在待测声波换能器为有源发射声系或测井仪器中的发射声波换能器时，根据数据采集控制参数和同步触发信号启动声波数据采集；
所述声波激励及采集模块(35)，用于在待测声波换能器为无源接收声系中的接收声波换能器时，根据声波激励控制参数启动测量声波换能器激励，和根据数据采集控制参数启动声波数据采集；
所述声波激励及采集模块(35)，用于在待测声波换能器为无源发射声系中的发射声波换能器时，根据声波激励控制参数启动待测声波换能器激励，和根据数据采集控制参数启动声波数据采集；
所述嵌入式前端机(32)，用于将同步控制模块(33)采集的声波数据或声波激励及采集模块(35)采集的声波数据发送至上位机(31)；
所述上位机(31)，用于对声波数据进行分析，确定待测声波换能器的性能。
2.如权利要求1所述的声波换能器检测装置，其特征在于，所述耦合控制模块(34)，还用于根据运动控制参数控制耦合装置(36)中待测声波换能器和测量声波换能器的去声耦合过程。
3.如权利要求1所述的声波换能器检测装置，其特征在于，所述耦合装置(36)包括耦合乳胶膜(2)、耦合仓(5)、测量声波换能器(6)、液压传感器(10)、双向油泵(11)、注油步进电机(12)、电磁阀(13)、左支撑臂(14)、右支撑臂(15)、储油仓(16)、定位步进电机(21)、失电制动器(22)、导轨盘和支撑轮；
所述耦合乳胶膜(2)盖设在耦合仓(5)的开口处，所述耦合乳胶膜(2)用于在测量声波换能器(6)和待测声波换能器进行声耦合时，与待测声波换能器外侧皮囊贴合；
所述耦合仓(5)的开口形状与待测声波换能器的声窗外形匹配；
所述测量声波换能器(6)安装于耦合仓(5)远离耦合乳胶膜(2)的一侧，所述测量声波换能器(6)用于声波信号的产生或声波信号的接收；
所述液压传感器(10)分别与双向油泵(11)和耦合仓(5)连接，所述液压传感器(10)用于测量耦合仓(5)中的液压；
所述双向油泵(11)和注油步进电机(12)连接，固定安装在左支撑臂(14)上；
所述注油步进电机(12)用于带动双向油泵(11)将硅油从储油仓(16)注入耦合仓(5)，或将硅油从耦合仓(5)注入储油仓(16)；
所述电磁阀(13)分别与双向油泵(11)和储油仓(16)连接，所述电磁阀(13)用于连通或关闭耦合仓(5)和储油仓(16)之间的油路；
所述左支撑臂(14)安装于耦合仓(5)和储油仓(16)的同一侧；
所述右支撑臂(15)安装于耦合仓(5)和储油仓(16)的另一侧；
所述支撑轮安装于耦合仓(5)的两侧；
所述储油仓(16)安装于左支撑臂(14)和右支撑臂(15)的顶部之间；
所述定位步进电机(21)安装于右支撑臂(15)上，所述定位步进电机(21)用于带动耦合装置(36)沿导轨盘运动；
所述失电制动器(22)与定位步进电机(21)连接，所述失电制动器(22)用于对耦合装置(36)的位置进行锁定或解除锁定；
所述导轨盘通过支撑轮分别安装于耦合仓(5)两侧。
4.如权利要求3所述的声波换能器检测装置，其特征在于，所述耦合装置(36)还包括橡胶压环(1)；
所述橡胶压环(1)安装于耦合仓(5)的开口端处，所述橡胶压环(1)内嵌钢圈，用于压紧耦合乳胶膜(2)，橡胶压环(1)的形状与待测声波换能器的声窗的形状匹配。
5.如权利要求3所述的声波换能器检测装置，其特征在于，所述耦合装置(36)还包括储油乳胶膜(17)和储油仓盖(18)；
所述储油乳胶膜(17)贴储油仓盖(18)安装；
所述储油仓盖(18)安装于储油仓(16)的开口处。
6.如权利要求3所述的声波换能器检测装置，其特征在于，所述耦合装置(36)还包括声吸收层(4)；
所述声吸收层(4)贴敷于耦合仓(5)的内壁上，用于防止声波在耦合仓(5)内反射叠加。
7.如权利要求3所述的声波换能器检测装置，其特征在于，所述耦合仓(5)和储油仓(16)中填充有硅油，所述硅油与待测声波换能器内填充的硅油相同。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的声波换能器检测装置的工作方法，其特征在于，包括：
上位机(31)设定测井仪器控制参数或声系控制参数、声波激励控制参数、数据采集控制参数和运动控制参数；
嵌入式前端机(32)将测井仪器控制参数或声系控制参数下发至同步控制模块(33)，将运动控制参数下发至耦合控制模块(34)，将声波激励控制参数和/或数据采集控制参数下发至声波激励及采集模块(35)；
耦合控制模块(34)根据运动控制参数控制耦合装置(36)的定位过程，及控制耦合装置(36)中待测声波换能器和测量声波换能器的声耦合过程；
同步控制模块(33)在待测声波换能器为有源接收声系或测井仪器中的接收声波换能器时，根据测井仪器控制参数或声系控制参数启动声波数据采集，并产生同步触发信号；声波激励及采集模块(35)在待测声波换能器为有源接收声系或测井仪器中的接收声波换能器时，根据声波激励控制参数和同步触发信号启动测量声波换能器激励；
同步控制模块(33)在待测声波换能器为有源发射声系或测井仪器中的发射声波换能器时，根据测井仪器控制参数或声系控制参数启动待测声波换能器激励，并产生同步触发信号；声波激励及采集模块(35)在待测声波换能器为有源发射声系或测井仪器中的发射声波换能器时，根据数据采集控制参数和同步触发信号启动声波数据采集；
声波激励及采集模块(35)在待测声波换能器为无源接收声系中的接收声波换能器时，根据声波激励控制参数启动测量声波换能器激励，和根据数据采集控制参数启动声波数据采集；
声波激励及采集模块(35)在待测声波换能器为无源发射声系中的发射声波换能器时，根据声波激励控制参数启动待测声波换能器激励，和根据数据采集控制参数启动声波数据采集；
嵌入式前端机(32)将同步控制模块(33)采集的声波数据或声波激励及采集模块(35)采集的声波数据发送至上位机(31)；
上位机(31)对声波数据进行分析，确定待测声波换能器的性能。
9.如权利要求8所述的声波换能器检测装置的工作方法，其特征在于，还包括：耦合控制模块(34)根据运动控制参数控制耦合装置(36)中待测声波换能器和测量声波换能器的去声耦合过程。
10.如权利要求9所述的声波换能器检测装置的工作方法，其特征在于，所述耦合控制模块(34)根据运动控制参数控制耦合装置(36)的定位过程，具体包括：
耦合控制模块(34)与耦合装置(36)中的失电制动器(22)及耦合装置(36)中的定位步进电机(21)电气连接；耦合控制模块(34)给失电制动器(22)供电，失电制动器(22)解除耦合装置(36)的位置锁定；耦合控制模块(34)设定定位步进电机(21)的转动方向，并根据运动控制参数产生脉冲序列，驱动定位步进电机(21)带动耦合装置(36)沿导轨盘运动，定位到待测声波换能器(30)的声窗；耦合控制模块(34)停止对失电制动器(22)供电，失电制动器(22)锁定耦合装置(36)的当前位置，耦合控制模块(34)停止对定位步进电机(21)的驱动。
11.如权利要求10所述的声波换能器检测装置的工作方法，其特征在于，所述耦合控制模块(34)控制耦合装置(36)中待测声波换能器和测量声波换能器的声耦合过程，具体包括：
其中，所述耦合装置(36)包括耦合乳胶膜(2)、耦合仓(5)、测量声波换能器(6)、液压传感器(10)、双向油泵(11)、注油步进电机(12)、电磁阀(13)和储油仓(16)；
耦合控制模块(34)与液压传感器(10)、电磁阀(13)和注油步进电机(12)电气连接；耦合控制模块(34)给电磁阀(13)供电，电磁阀(13)打开，储油仓(16)与耦合仓(5)之间的油路连通；耦合控制模块(34)驱动注油步进电机(12)正向转动，带动双向油泵(11)将硅油从储油仓(16)注入耦合仓(5)中；在向耦合仓(5)注油的过程中，耦合控制模块(34)从液压传感器(10)处连续获取耦合仓(5)内硅油的液压，当耦合仓(5)内的液压达到耦合压力后，停止驱动注油步进电机(12)转动，停止向耦合仓(5)中注油，同时停止给电磁阀(13)供电，关闭储油仓(16)与耦合仓(5)之间的油路；耦合乳胶膜(2)在液压作用下与待测声波换能器(30)的外侧皮囊(29)紧密贴合，测量声波换能器(6)和待测声波换能器(30)之间实现声耦合。
12.如权利要求11所述的声波换能器检测装置的工作方法，其特征在于，所述耦合控制模块(34)根据运动控制参数控制耦合装置(36)中待测声波换能器和测量声波换能器的去声耦合过程，具体包括：
耦合控制模块(34)与液压传感器(10)、电磁阀(13)及注油步进电机(12)电气连接；耦合控制模块(34)给电磁阀(13)供电，电磁阀(13)打开，储油仓(16)与耦合仓(5)间的油路连通；耦合控制模块(34)驱动注油步进电机(12)反向转动，带动双向油泵(11)将硅油从耦合仓(5)注入储油仓(16)；在从耦合仓(5)抽油的过程中，耦合控制模块(34)从液压传感器(10)处连续获取耦合仓(5)内硅油的液压，当耦合仓(5)内的液压到达设定压力后，停止驱动注油步进电机(12)转动，停止向储油仓(16)内注油；耦合控制模块(34)停止给电磁阀(13)供电，关闭储油仓(16)与耦合仓(5)之间的油路；耦合乳胶膜(2)与待测声波换能器(30)的外侧皮囊(29)脱离。
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