CN109117683B - 用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统，包括：转盘，其安放射频标签，以可运动的方式置于感应单元内部，其中，射频标签的安放角度能够调节；转盘速度控制单元，其控制转盘的运动速度，模拟射频标签在井下的运动；显示控制单元，其统计出在一个测试周期内当前角度下射频标签与感应单元之间传输数据的成功率，依据各个角度下的成功率来获取射频标签的有效读取角度范围。本发明提供的测试系统能够在试验过程中通过调整标签进入井下天线的不同角度和不同通过速度，模拟标签随不同流速下的钻井液通过井下天线时的各种姿态，记录其读取成功率，从而确定具体的通讯盲区角度范围，为标签封装的优化设计提供实验依据。

Description

用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统和方法

技术领域

本发明涉及油气井井下控制技术领域，具体地说，涉及一种用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统和方法。

背景技术

无线射频是当前非常热门的一种通讯技术，通过一定频率的交变电流产生空间磁场的耦合，从而可以识别特定的目标并进行数据的无线交互。近几年，无线射频技术开始应用于石油勘探开发领域，特别是作为一种井下工具的控制手段，相比于传统的投球式或压差式控制方式有其明显的技术优势。控制过程中不会改变管柱内通径和井底压力，不需要憋压球的磨铣操作，并且可以通过不同编码的标签实现多个无线射频井下工具的复合控制。

目前的井下无线射频控制系统主要包括标签、井下天线和读取控制器。其工作流程如图1所示。在需要读取标签上携带的信息时，将标签投掷在井下天线的范围内，通过井下天线的磁场以及标签携带的磁场耦合来进行信息交互。

由于钻井液在井下的流动状态不稳定导致的标签姿态的随机性使得目前这种系统存在标签读取盲区，但是目前并没有一种测试盲区并且标定有效读取范围的测试系统。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统，包括：

转盘，其用以安放所述射频标签，并以可运动的方式置于感应单元的内部，其中，所述射频标签的安放角度能够调节；

转盘速度控制单元，其与所述转盘连接，用以控制所述转盘的运动速度，来模拟所述射频标签在井下的运动；

显示控制单元，其与所述感应单元进行连接以接收所述射频标签传送的数据，统计出在一个测试周期内当前角度下所述射频标签与所述感应单元之间传输数据的成功率，并依据各个角度下的成功率来获取所述射频标签的有效读取角度范围。

根据本发明的一个实施例，所述显示控制单元还与所述转盘速度控制单元连接，用以调整控制所述射频标签的速度，在所述射频标签处于有效角度范围的情况下，统计出在一个测试周期内当前速度下所述射频标签与所述感应单元之间传输数据的成功率，并依据各个速度下的成功率来获取所述射频标签的有效读取速度范围。

根据本发明的一个实施例，所述显示控制单元综合所述有效读取角度范围和所述有效读取速度范围，获得所述射频标签的有效读取性能。

根据本发明的一个实施例，所述感应单元包括中空金属管，所述中空金属管的外壁上绕有线圈，以在所述线圈的两端接通交变电流时在所述中空金属管内部产生耦合磁场。

根据本发明的一个实施例，所述转盘包括：

定位板，

射频标签容器，其用以容纳所述射频标签，并以可在所述定位板的平面内转动的方式安装在所述定位板上，

定位组件，其包括分布在所述定位板上的多个孔和位于所述射频标签容器上的销，所述销能够插入所述多个孔中的任一个孔中，从而将所述射频标签容器以不同角度固定在所述定位板上。

根据本发明的一个实施例，所述多个孔均匀分布在所述定位板的半圆周上，以使得所述射频标签与所述中空金属管的轴线的夹角能够在0度到180度范围内改变。

根据本发明的一个实施例，所述射频标签容器枢轴式安装在所述定位板上。

根据本发明的一个实施例，所述转盘设置成能够在所述感应单元内沿所述中空金属管的轴线方向往复运动。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于获取射频标签的有效读取性能的方法，所述方法包括以下步骤：

向感应单元发出产生耦合磁场的指令；

向转盘速度控制单元发出指令，以控制所述转盘连同射频标签在所述感应单元内的运动；

从所述感应单元中读取所述射频标签通过与所述感应单元进行耦合传送的数据，统计出在一个测试周期内当前角度下所述射频标签与所述感应单元之间传输数据的的成功率，并依据各个角度下的成功率来获取所述射频标签的有效读取角度范围。

根据本发明的一个实施例，调整控制所述射频标签的速度，在所述射频标签处于有效角度范围的情况下，统计出在一个测试周期内当前速度下所述射频标签与所述感应单元之间传输数据的的成功率，并依据各个速度下的成功率来获取所述射频标签的有效读取速度范围。

根据本发明的一个实施例，综合所述有效读取角度范围和所述有效读取速度范围，获得所述射频标签的有效读取性能。

本发明的有益效果是：结合井下无线射频控制系统的通讯原理，发明了一套井下无线射频标签读取角度性能测试系统，试验过程中通过调整标签进入井下天线的不同角度和调整标签不同通过速度，模拟标签随不同流速下的钻井液通过井下天线时的各种姿态，记录其读取成功率，从而确定具体的通讯盲区角度范围，为标签封装的优化设计提供实验依据。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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的附图做简单的介绍：

图1是一种井下无线射频控制系统的工作流程图；

图2是一种井下无线射频控制系统的井下天线磁场图；

图3是一种井下无线射频控制系统的标签与天线内磁感线夹角图；

图4是根据本发明的一个实施例的用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统的结构框图；

图5是根据本发明一个实施例的用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统的细节结构框图；

图6是根据本发明一个实施例的用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统的示意图；

图7是根据本发明一个实施例的用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统的转盘示意图；

图8是根据本发明一个实施例的用于获取射频标签的有效读取性能的测试方法流程图；以及

图9a以及图9b是根据本发明一个实施例的用于获取射频标签的有效读取性能的测试方法测试后的数据折线图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

图2是一种井下无线射频控制系统的井下天线磁场图。井下无线射频控制系统主要包括标签、井下天线和读取控制器。其中，井下天线从功能上来说可以叫做感应单元，井下天线的工作原理类似于通电螺线管，当其中通以一定频率的交变电流时，井下天线内外会产生交变的磁场。如图2中所示，当井下天线通以由右至左的电流时，根据右手螺旋定则，井下天线会产生磁场，井下天线的左侧为磁场的N极，井下天线的右侧为磁场的S极。磁场方向是由左至右。

当带有控制命令的标签通过井口进行投放，运动到井下天线内部时，标签内部的天线与井下天线内部的磁场发生电磁耦合，进行数据的无线交互。标签与井下天线之间是通过无线射频传输数据的，运用到无线射频技术即RFID(Radio FrequencyIdentification)又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。运用射频技术的话，一般是微波，频率在1-100GHz之间，适用于井下这种短距离识别通信。

当标签与井下天线进行电磁耦合之后，读取控制器对得到的控制命令进行解析并操作执行机构完成相应动作。

图3是一种井下无线射频控制系统的标签与天线内磁感线夹角图。当钻井液携带标签在通过不同管串工具组合时，由于工具内径的差异，造成在泥浆泵排量一定的情况下，钻井液流速不同；同时，随着井深的变化，井下温度，压力等因素也会影响钻井液的流动状态。因此，钻井液在井下的流动状态是不稳定的，这就导致标签姿态的随机性，因此标签与井下天线内部磁感线所成的夹角α可为任意角度，如图3所示。

当夹角α增大到一定角度时，穿过标签内部天线的磁力线数量减少，标签将得不到足够的射频能量，造成数据交互失败，这就是井下无线射频系统的通讯盲区。因此需要建立一套井下无线射频标签读取角度性能测试系统，模拟标签以不同角度通过井下天线的情况，获取标签在不同角度变化范围内的读取成功率，确定通讯盲区的范围，为标签封装的优化设计提供实验依据。

由于井下天线为筒状结构，相对于井下天线中心轴中心对称，标签通过井下天线时的三维空间角度的变化可以等效为一个平面上的二维空间角度变化。因此，测试的标签在一固定平面内做180度调整即可模拟整个三维空间角度变化。

根据以上想法，本发明提供了一种用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统，测试系统可以模拟标签投放至井下的不同角度以及速度，通过调整角度以及速度，测试标签的读取成功率，标定有效读取角度以及速度范围。

图4是根据本发明的一个实施例的用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统的结构框图。如图4所示，测试系统包括转盘101、转盘速度控制单元102以及显示控制单元103。

其中，转盘101用以安放射频标签，并以可运动的方式置于感应单元的内部，其中，被测射频标签的安放角度能够调节，转盘101一般为一半圆平面，上边放置被测射频标签，被测射频标签可以在半圆平面上调节角度，在测试开始之后，被测射频标签会在固定速度的情况下从不同的角度脱离转盘101，与感应单元进行耦合，测试各个角度下耦合的成功率。

感应单元为本发明测试系统的测试对象。感应单元为一中空的金属筒，其上缠绕有天线，可以称为井下天线也可以成为金属天线筒，用来产生耦合磁场，金属天线筒内产生的耦合磁场会与处于运动状态的被测射频标签携带的磁场进行耦合，被测射频标签会将自身携带的信息通过无线交互的方式传送至金属天线筒。需要说明的是，金属天线筒的尺寸需要根据不同情况来进行选择，当需要射频标签在高速的状态下与金属天线筒交互数据，为了保证读取的成功率，一般选取长度或者尺寸比较大的金属天线筒。因此，可以通过测定标签的速度范围，来设计满足需要的金属天线筒。

测试系统还包含转盘速度控制单元102，其与转盘101连接，用以控制转盘101的运动速度，来模拟射频标签在井下的运动，本发明的测试系统主要是为了测试被测射频标签在不同速度以及不同角度下与金属天线筒耦合的成功率。在角度固定的情况下，转盘速度控制单元102用来改变转盘运行的速度，测试在不同速度下被测射频标签与金属天线筒的耦合成功率。

为了显示读取成功率，测试系统还包含显示控制单元103，其与金属天线筒进行连接以接收被测射频标签传送的数据，统计出在一个测试周期内当前角度下被测射频标签与金属天线筒之间传输数据的成功率，并依据各个角度下的成功率来获取被测射频标签的有效读取角度范围。

图5是根据本发明一个实施例的用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统的细节结构框图。如图5所示，测试系统包括转盘101、转盘速度控制单元102以及显示控制单元103。

与图4不同的地方在于，图5中显示控制单元103还可以与转盘速度控制单元102连接，用以调整控制被测射频标签的速度，在被测射频标签处于有效角度范围的情况下，统计出在一个测试周期内当前速度下被测射频标签与金属天线筒之间传输数据的成功率，并依据各个速度下的成功率来获取射频标签的有效读取速度范围。

通过转盘101、转盘速度控制单元102以及显示控制单元103构建的获取射频标签的有效读取性能的测试系统，结合井下无线射频控制系统的通讯原理。本发明可以在试验过程中通过调整标签进入井下天线的不同角度和调整标签不同通过速度，模拟标签随不同流速下的钻井液通过井下天线时的各种姿态，记录其读取成功率，从而确定具体的通讯盲区角度范围，为标签封装的优化设计提供实验依据。

图6是根据本发明一个实施例的用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统的示意图。如图6所示，测试系统包含支撑轴承1、标签转盘3、被试标签4、显示控制终端5、电机6、联轴器7、背靠背轴承8、丝杠9、丝杠螺母10以及导向杆11。

其中，在实际的应用当中，金属天线筒可以为天线筒2，天线筒2的主要作用是在实验测试过程中通以一定频率的交变电流，从而在天线筒2内部产生空间磁场，与被测射频标签磁场进行电磁耦合，完成数据交互。

在测试系统中，转盘速度控制单元102由电机6、联轴器7、背靠背轴承8、丝杠9、丝杠螺母10以及支撑轴承1组成。转盘速度控制单元102与标签转盘3连接，用以控制标签转盘3的运动速度，来模拟射频标签在井下的运动。电机6通电后会带动丝杠9转动，丝杠9会带动标签转盘3运动，通过调整电机6的运行速度即可改变标签转盘3的运动速度。

放置标签的标签转盘3也即转盘101固定在丝杠螺母10上，为防止丝杠螺母10随丝杠转动，在其下端连接一导向杆11，并与天线筒2内部导向槽配合使用。

测试系统通过丝杠9将电机6主轴旋转运动变为标签转盘3直线运动，电机6主轴转速可通过显示控制终端5也即显示控制单元103发送控制指令进行调整，同时，标签读取成功率可通过显示控制终端5获取。

显示控制终端5上有显示屏以及按键，测试人员可以操控显示控制终端5上的按键来发布控制指令，调整标签的运行速度与角度。显示控制终端5还可以通过显示屏显示标签的耦合成功率，以便测试人员查看与记录。显示控制终端5还可以具备统计与归纳的功能，根据测得数据进行归纳与整理，显示出标签耦合有效速度范围以及角度范围。

图7是根据本发明一个实施例的用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统的转盘示意图。如图7所示，测试系统的转盘包含定位板12、射频标签容器15以及定位组件。其中定位组件包含转盘轴13、轴用卡簧14、标签箍环16、定位销17以及箍环螺钉18。

其中，定位板12一般为一个半圆形状的平面板，上边有36个孔，36个孔均分布在半圆周上，每个孔之间的角度差距都为5度。因此，射频标签的角度范围为0-180度。

另外，射频标签容器15用以容纳射频标签，并以可在定位板12面内转动的方式安装在定位板上。

定位组件包括分布在定位板12上的多个孔和位于射频标签容器15上的销，销能够插入多个孔中的任一个孔中，从而将射频标签容器以不同角度固定在定位板12上。

转盘上的转盘轴13下端螺纹与丝杠螺母10螺纹孔连接，从而将定位板12固定在丝杠螺母10上，射频标签容器15转轴孔套在转盘轴上端，并通过轴用卡簧14限位，定位销17插入射频标签容器15销孔中，通过转动下放，可插入定位板12销孔中完成定位，定位板12销孔共计36个，相互间隔为5度，可实现标签在180度范围内定位。

当需要调整标签角度时，将定位销17转动提拉，并带动射频标签容器15转动，到达指定角度后，下放定位销17，完成标签角度的转变。其中，定位销17侧面有一根档杆，分别与射频标签容器15定位销孔T型槽和半圆槽配合使用，防止定位销17轴向窜动和周向转动。标签箍环16和箍环螺钉18配合使用，可固定标签。

通过将定位销17插入定位板12上不同的孔，就可以模拟射频标签以不同角度投入井下的情形，这样就可以测试固定速度下不同角度的耦合读取成功率。

根据本发明的另一个方面，图8是根据本发明一个实施例的用于获取射频标签的有效读取性能的测试方法流程图。

在测试准备阶段，首先需要检查测试系统中的转盘、转盘速度控制单元以及显示控制单元是否存在故障，在确保系统各个部分均无故障的情况下，给测试系统通电，此时金属天线筒的内外产生交变的磁场。

在步骤S801中，首先向金属天线筒发出产生耦合磁场的指令。金属天线筒在通电以后会产生交变磁场，此时如果将射频标签投入金属天线筒中，金属天线筒产生的磁场会与射频标签携带的磁场进行耦合。在角度以及速度均适合的情况下，射频标签会将自身携带的信息传递至金属天线筒，完成读取。

接下来，在步骤S802中，用户向转盘速度控制单元发出指令，以控制转盘连同射频标签在金属天线筒内的运动，此时用户可以通过转盘速度控制单元控制射频标签在金属天线筒中运动的速度，以便模拟被测射频标签在井下的不同运行速度。

当金属天线筒与射频标签进行数据交互时，在步骤S803中，测试系统从金属天线筒中读取射频标签通过与金属天线筒进行耦合传送的数据，统计出在一个测试周期内当前角度下射频标签与金属天线筒之间传输数据的的成功率，并依据各个角度下的成功率来获取射频标签的有效读取角度范围。

然后，在步骤S804中，用户调整控制射频标签的速度。在射频标签处于有效角度范围的情况下，统计出在一个测试周期内当前速度下射频标签与金属天线筒之间传输数据的的成功率，并依据各个速度下的成功率来获取射频标签的有效读取速度范围。

最后，在步骤S805中，测试系统会综合有效读取角度范围和有效读取速度范围，获得射频标签的有效读取性能。由于上边两个步骤分别获取了射频标签的有效读取角度范围以及射频标签的有效读取速度范围。因此，可以根据以上两个有效范围确定射频标签的有效速度以及角度读取范围。

图9a以及图9b是根据本发明一个实施例的用于获取射频标签的有效读取性能的测试方法测试后的数据折线图。其中，图9a为运用本发明的测试方法测试后的不同速度下的读取成功率的数据折线图；图9b为运用本发明的测试方法测试后的不同角度下的读取成功率的数据折线图。

实施例所测试标签为圆柱形，长20mm，直径8mm，标签有效控制命令存储空间4字节，在125khz的电磁耦合频率下，传输时间为15ms；测试天线(金属套筒)有效长度为300mm。

图9a为运用本发明的测试方法测试后的不同速度下的读取成功率的数据折线图。如图9a所示，在速度为0m/s-5m/s的时候，读取成功率为95％。随着速度的增大，读取的成功率逐渐降低，当速度超过20m/s的时候，读取的成功率下降为0％。

一般来说，有效读取范围为60％至100％，在图9a的折线图中，符合读取成功率为60％至100％的速度范围为0至20m/s，由此可以判断有效速度范围为0至20m/s。

如果实际的技术指标也是0-20m/s，那么说明现在这样设计的有效长度为300mm的测试天线(金属套筒)符合要求，可以投入使用，而如果技术指标超过了20m/s的范围，则需要重新设计金属套筒上的天线缠绕长度。

当然，由于测试过程可能存在误差，所以，此次数据并不能完全正确的反应有效速度范围，还需要进行多次的严密实验，通过实验结果归纳分析出有效速度范围。

图9b为运用本发明的测试方法测试后的不同角度下的读取成功率的数据折线图。如图9b所示，测试结果数据折线图呈现出对称抛物线的形状。在角度从0度逐渐增加到90度时，读取成功率从95％到0％逐渐降低；在角度从90度增加到180度的过程中，读取成功率从0％逐渐增加95％。

一般来说，有效读取范围为60％至100％，在图9b的折线图中，符合读取成功率为60％至100％的角度范围为0度至45度和135到180度，所以，由此可以判断有效角度范围为0度至45度和135到180度。

此次测量的柱状封装标签有效读取范围占比为50％，如果不满足设计要求，则需要重新改进标签封装形状。

当然，图9b的数据折线图并不能完全正确的反应有效角度范围，若要得到有效角度范围，还需要多次的严谨实验，通过多次实验的数据归纳总结出比较精确的有效角度范围。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种用于获取射频标签的有效读取性能的测试系统，其特征在于，所述系统包括：

转盘，其用以安放所述射频标签，并以可运动的方式置于感应单元的内部，其中，所述射频标签的安放角度能够调节；

转盘速度控制单元，其与所述转盘连接，用以控制所述转盘的运动速度，来模拟所述射频标签在井下的运动；

显示控制单元，其与所述感应单元进行连接以接收所述射频标签传送的数据，统计出在一个测试周期内当前角度下所述射频标签与所述感应单元之间传输数据的成功率，并依据各个角度下的成功率来获取所述射频标签的有效读取角度范围，所述感应单元包括中空金属管，所述中空金属管的外壁上绕有线圈，以在所述线圈的两端接通交变电流时在所述中空金属管内部产生耦合磁场。

2.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述显示控制单元还与所述转盘速度控制单元连接，用以调整控制所述射频标签的速度，在所述射频标签处于有效角度范围的情况下，统计出在一个测试周期内当前速度下所述射频标签与所述感应单元之间传输数据的成功率，并依据各个速度下的成功率来获取所述射频标签的有效读取速度范围。

3.如权利要求2所述的测试系统，其特征在于，所述显示控制单元综合所述有效读取角度范围和所述有效读取速度范围，获得所述射频标签的有效读取性能。

4.如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述转盘包括：

定位板，

射频标签容器，其用以容纳所述射频标签，并以可在所述定位板的平面内转动的方式安装在所述定位板上，

定位组件，其包括分布在所述定位板上的多个孔和位于所述射频标签容器上的销，所述销能够插入所述多个孔中的任一个孔中，从而将所述射频标签容器以不同角度固定在所述定位板上。

5.如权利要求4所述的测试系统，其特征在于，所述多个孔均匀分布在所述定位板的半圆周上，以使得所述射频标签与所述中空金属管的轴线的夹角能够在0度到180度范围内改变。

6.如权利要求4所述的测试系统，其特征在于，所述射频标签容器枢轴式安装在所述定位板上。

7.如权利要求4所述的测试系统，其特征在于，所述转盘设置成能够在所述感应单元内沿所述中空金属管的轴线方向往复运动。

8.一种利用如权利要求1-7中任一项所述的测试系统进行测试以获取射频标签的有效读取性能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

向感应单元发出产生耦合磁场的指令；

向转盘速度控制单元发出指令，以控制所述转盘连同射频标签在所述感应单元内的运动；

从所述感应单元中读取所述射频标签通过与所述感应单元进行耦合传送的数据，统计出在一个测试周期内当前角度下所述射频标签与所述感应单元之间传输数据的的成功率，并依据各个角度下的成功率来获取所述射频标签的有效读取角度范围。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，调整控制所述射频标签的速度，在所述射频标签处于有效角度范围的情况下，统计出在一个测试周期内当前速度下所述射频标签与所述感应单元之间传输数据的的成功率，并依据各个速度下的成功率来获取所述射频标签的有效读取速度范围。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，综合所述有效读取角度范围和所述有效读取速度范围，获得所述射频标签的有效读取性能。

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