CN115390158B - 一种超声测井仪换能器标定装置及标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及测井仪器标定技术领域,尤其一种超声测井仪换能器标定装置,包括上标定架和下标定架，上标定架和下标定架可拆卸连接，且下标定架设置在上标定架的下方，在上标定架上设置用于调节超声换能器高度的调节机构，在下标定架内设置用于反射超声换能器回波的回波装置，且下标定架为高度可调的下标定架。所述调节机构包括两个带有驱动电机的丝杠，所述丝杠与上标定架固定，两个丝杠之间设置连杆，连杆的两端通过滑动块与丝杠连接，滑动块与丝杠螺纹连接，在连杆上吊装所述的超声换能器。通过多次测量，对测量的数据进行计算和分析，得出超声换能器的固定误差。通过计算和分析测量的实验数据，确定了超声换能器的固定误差，即标定距离。

Description

一种超声测井仪换能器标定装置及标定方法
技术领域
本发明涉及测井仪器标定技术领域，特别在是一种超声测井仪换能器标定装置及标定方法。
背景技术
现阶段，随着煤矿行业在全球范围内的不断发展,大口径高精度测井仪成为煤矿行业需要具备的重要设备之一,与目前超声测井仪相比，标定过换能器的超声测井仪可以减小换能器的误差以及在实际测试环境下的声速误差，可以在不同环境下完成更加精准的井径以及方位测量。目前，大口径超声测井仪已广泛应用于煤矿钻井行业,然而现今在使用中的超声测井设备往往都并未对其换能器物理误差进行标定，即使用的测井设备在测距时默认换能器在其橡胶表面发射超声波以及接收回波，未标定的换能器仅限于测量煤矿井的大体井径以及方位偏差，当对测井精度要求有所提高时，其对换能器标定便尤为重要。目前提出的超声换能器标定方式，需要消耗大量的时间与精力，而且环境改变后需要重新标定。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种超声测井仪换能器标定装置及标定方法，通过多次测量，对测量的数据进行计算和分析，得出超声换能器的固定误差。通过计算和分析测量的实验数据，确定了超声换能器的固定误差，即标定距离。
本发明提供如下技术方案：一种超声测井仪换能器标定装置,包括上标定架和下标定架，上标定架和下标定架可拆卸连接，且下标定架设置在上标定架的下方，在上标定架上设置用于调节超声换能器高度的调节机构，在下标定架内设置用于反射超声换能器回波的回波装置，且下标定架为高度可调的下标定架，通过调整下标定架的高度，改变了上标定架和下标定架的距离，放置更深的筒形装置，方便对不同频率的超声换能器进行标定实验，调节机构用于调整超声换能器的高度，便于对同一超声换能器进行不同高度的测试，回波装置用于模拟超声换能器到井壁的环境。
所述调节机构包括两个带有驱动电机的丝杠，所述丝杠与上标定架固定，两个丝杠之间设置连杆，连杆的两端通过滑动块与丝杠连接，滑动块与丝杠螺纹连接，在连杆上吊装所述的超声换能器，采用丝杠可以准确的调整高度，两个丝杠可以同步运行，进行提升或者下降动作。
所述的上标定架包括边框和设置在边框内的中间固定架，中间固定架为两个，且两个中间固定架相对设置，中间固定架包括竖杆和横杆，竖杆的两端与边框连接固定，横杆的两端分别与两个竖杆连接固定，且横杆的固定高度可调，所述丝杠与横杆固定，在丝杠与横杆固定处设置有与边框连接固定的加固杆，中间固定架设置在边框内，这样避免使用时受到外部的碰撞，影响结果；有加固杆可以起到固定作用。
所述丝杠底部设置对滑动块进行限位的限位开关，限位开关与控制器连接，控制器与两个驱动电机连接，所述控制器与上位计算机连接，这样当限位块到达底部后，控制器控制驱动电机停止工作，驱动电机采用步进电机，防止步进电机带动超声换能器下降至平移轴最底部后依旧工作，降低对步进电机和超声换能器造成的损害。
所述回波装置为中空的圆形筒，圆形筒的筒底为反射面，圆形筒的中轴线与超声换能器在同一直线上，在圆形筒内可以装入水或者泥沙等模拟井壁环境。
所述圆形筒的直径为d，超声换能器的直径为c，d＞10c。这样避免半径较小会导致容器侧壁对超声换能器超声回波，造成干扰。
一种基于上述标定装置的标定方法，包括如下步骤：
S1、将超声换能器通过超声换能器标定架调节至距离反射面的位置，反射面为圆形筒的筒底；
S2、启动超声测井仪和标定装置，读取距离时的渡越时间 />；
S3、调节超声换能器距反射面距离为 的位置，读取渡越时间 />；
S4、通过公式 获得标定距离 />；
S5、设标定后测量实际距离为 ，压电片至反射面的距离为 />，测距更正式为：。
步骤S3中，通过计算机控制驱动电机工作，带动丝杠转动，实现超声换能器的上下移动，调节超声换能器距反射面距离为 的位置，控制器工作在定时模式，检测到超声发射信号开始计时，检测到回波信号后停止计时并读出计数值，该计数值为原始数据，根据计算求得 />，其中 />为井上仪单片机晶振频率，m为原始数据的个数，即超声发射信号开始计时到检测到回波信号期间收到的检测周期的个数；反复进行测量，保存测量实验数据 />与 />。
步骤S4中，
标定距离 的计算是通过 />拟合处理，其中v 0 是超声波在橡胶中的声速，v是超声在介质中的传播速度，t 0 是超声波通过橡胶所需要的时间，上述公式化简最终得到 />，求得标定距离 />为超声换能器内部压电片与其表面的距离， />越小，表示超声换能器做工误差越小； />越大，表示超声换能器做工误差越大。
提前设置好超声换能器到反射面的已知距离D1和渡越时间t1，在后续测量时调整换能器到反射面的距离到Dx，同样读取渡越时间tx到计算机，计算机通过设定的算法计算出换能器压电片到换能器表面的距离D0和声音在此时温度和介质中的传播速度v。若计算出的多组D0和v数值相差小于阈值，则通过拟合算法取最优值。否则，认为标定后的换能器参数尚不准确，无法提高超声测井仪测距精确度，需要进一步对其优化。优化方法为：通过对标定装置采集的数据进行自适应标定，其特性变化是由自适应算法通过调整滤波器系数来实现的，自适应算法是为了使某个预先知道的值达到最小化，而自适应的调节滤波器系数的方法。通过定义最小化算法、目标函数和误差信号的特性来确定算法。
通过上述描述可以看出，本发明优点：1、该发明设计了一种超声换能器标定装置，其在优先提高超声换能器标定效率，节约超声换能器标定成本的前提下对超声换能器进行标定，从而可以普遍应用于各种超声换能器的标定。2、为钻井作业提供了一种标定方法和设备，测量压电换能器与测井设备之间的系统误差，消除了超声换能器的固有误差。3、提高了超声测井仪在测井作业时的测距的精确度。
附图说明
图1为超声换能器标定原理图。
图2为超声换能器自适应滤波器原理。
图3为本发明具体实施方式装置的结构示意图。
图4为电气框图。
图5为本发明具体实施方式的流程图。
图中，1为超声换能器，2为上标定架，3为边框，4为丝杠，5为驱动电机，6为下标定架，7为回波装置，8为滑动块，9为横杆，10为连杆，11为加固杆，12为竖杆，13为限位开关。
具体实施方式
下面将结合本发明具体实施方式中的附图，对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明一种具体实施方式，而不是全部的具体实施方式。基于本发明中的具体实施方式，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具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
通过附图可以看出，本发明的超声测井仪换能器标定装置,包括上标定架2和下标定架6，上标定架2和下标定架6可拆卸连接，且下标定架6设置在上标定架2的下方，在上标定架2上设置用于调节超声换能器1高度的调节机构，在下标定架6内设置用于反射超声换能器回波的回波装置7，所述回波装置7为中空的圆形筒，圆形筒的筒底为反射面，圆形筒的中轴线与超声换能器1在同一直线上，所述圆形筒的直径为d，超声换能器的直径为c，d＞10c。下标定架为高度可调的下标定架。
所述调节机构包括两个带有驱动电机5的丝杠4，所述丝杠4与上标定架2固定，两个丝杠4之间设置连杆10，连杆10的两端通过滑动块8与丝杠4连接，滑动块8与丝杠4螺纹连接，在连杆10上吊装所述的超声换能器1。
上标定架2包括边框3和设置在边框3内的中间固定架，中间固定架为两个，且两个中间固定架相对设置，中间固定架包括竖杆12和横杆9，竖杆12的两端与边框3连接固定，横杆9的两端分别与两个竖杆12连接固定，且横杆9的固定高度可调，所述丝杠4与横杆9固定，在丝杠4与横杆9固定处设置有与边框3连接固定的加固杆11。所述丝杠4底部设置对滑动块8进行限位的限位开关13，限位开关13与控制器连接，控制器与两个驱动电机连接，所述控制器与上位计算机连接。
如图1所示超声换能器工作原理图，图中矩形物体所示为超声换能器，由电缆1-1连接至超声测井仪，超声换能器由内部压电片1-2震动产生超声波，压电片到超声换能器表面为标定装置需要测出的误差距离D，即图中中的1-3，设定超声换能器到反射面的已知距离D x ，即图中的1-4，超声换能器收到回波所需的时间1-5。这种标定方式需要在半径足够大的测量容器中，半径较小会导致容器侧壁对超声换能器超声回波，造成干扰。
将图1所示当前超声换能器距离反射面的距离1-4标记为D1，超声换能器反馈给计算机的接收到回波的时间1-5记为，随后通过标定装置上位机软件调节超声换能器至反射面的距离，并记为D2，超声换能器反馈给计算机的接收到回波的时间1-5记为t2。期望通过标定得到的超声换能器自身固有误差1-3记为D0，最终计算机计算得出的实时声速记为v。实验过程中，防止温度变化引起超声换能器传输特性变化，影响超声换能器的测量精度，引入自适应温度补偿算法对超声换能器的传输特性进行补偿。
温度介质都会影响到超声换能器的传输特性，实验过程中介质是不变的，为了防止温度变化引起超声换能器传输特性变化，影响超声换能器的测量精度，引入自适应温度补偿算法对超声换能器的传输特性进行补偿，最终计算出D0，将超声换能器固定在超声测井仪换能器标定装置上，通过自适应温度补偿算法对超声换能器传输特性进行补偿,方法如下所示：
滤波信号 由输入信号 />通过自适应滤波后得到, />表示误差信号，由参考信号 />与滤波信号 />之差，误差信号 />能够控制调节自适应滤波器的参数，自适应滤波器根据 />的值进行自动调整，使其能够适应下一次的输入信号，使滤波信号能够更加接近所期望的参考信号，如图2所示。
(a)权向量 与 />相乘得到输出 />;
(b) ) (1)
(c) (2)
(d)抽头向量更新： (3)
其中公式(3)中的 不断做出自适应更新。应用算法时 />为超声换能器的发射信号， />为超声换能器的接收信号，通过自适应数字滤波器不断更新，使输出滤波信号不断接近期望信号 />。
本方案的标定方法，具体包括如下步骤：
S1、将超声换能器通过超声换能器标定架调节至距离反射面 的位置；
S2、启动超声测井仪和标定装置，读取距离 时的渡越时间 />；
S3、调节超声换能器距反射面距离为 的位置，读取渡越时间 />；
S4、通过公式 获得标定距离 />；
S5、设标定后测量实际距离为 ，压电片至反射面的距离为 />，测距更正式为：。
步骤S3中，通过计算机控制驱动电机工作，带动丝杠转动，实现超声换能器的上下移动，调节超声换能器距反射面距离为 的位置，控制器工作在定时模式，检测到超声发射信号开始计时，检测到回波信号后停止计时并读出计数值，该计数值为原始数据，根据计算求得 />，其中 />为井上仪单片机晶振频率，m为原始数据的个数；反复进行测量，保存测量实验数据 />与 />。
步骤S4中，
标定距离 的计算是通过 />，其中v 0 是超声波在橡胶中的声速，v是超声在介质中的传播速度，t 0 是超声波通过橡胶所需要的时间，化简最终得到 />，求得标定距离 />为超声换能器内部压电片与其表面的距离和v， />越小，表示超声换能器做工误差越小； />越大，表示超声换能器做工误差越大。
尽管已经示出和描述了本发明的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离发明的原理和精神的情况下可以对这些具体实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种超声测井仪换能器标定装置,其特征在于，
包括上标定架（2）和下标定架（6），上标定架（2）和下标定架（6）可拆卸连接，且下标定架（6）设置在上标定架（2）的下方，在上标定架（2）上设置用于调节超声换能器（1）高度的调节机构，在下标定架（6）内设置用于反射超声换能器回波的回波装置（7），且下标定架（6）为高度可调的下标定架；
所述调节机构包括两个带有驱动电机（5）的丝杠（4），所述丝杠（4）与上标定架（2）固定，两个丝杠（4）之间设置连杆（10），连杆（10）的两端通过滑动块（8）与丝杠（4）连接，滑动块（8）与丝杠（4）螺纹连接，在连杆（10）上吊装所述的超声换能器（1）；
所述回波装置（7）为中空的圆形筒，圆形筒的筒底为反射面，圆形筒的中轴线与超声换能器（1）在同一直线上；
所述圆形筒的直径为d，超声换能器的直径为c，d＞10c。
2.根据权利要求1所述的超声测井仪换能器标定装置，其特征在于,
所述的上标定架（2）包括边框（3）和设置在边框（3）内的中间固定架，中间固定架为两个，且两个中间固定架相对设置，中间固定架包括竖杆（12）和横杆（9），竖杆（12）的两端与边框（3）连接固定，横杆（9）的两端分别与两个竖杆（12）连接固定，且横杆（9）的固定高度可调，所述丝杠（4）与横杆（9）固定，在丝杠（4）与横杆（9）固定处设置有与边框（3）连接固定的加固杆（11）。
3.根据权利要求2所述的超声测井仪换能器标定装置，其特征在于,
丝杠（4）底部设置对滑动块（8）进行限位的限位开关（13），限位开关与控制器连接，控制器与两个驱动电机连接，所述控制器与上位计算机连接。
4.一种基于权利要求1或2或3所述标定装置的标定方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、将超声换能器通过超声换能器标定架调节至距离反射面 的位置；
S2、启动超声测井仪和标定装置，读取距离时的渡越时间/>；
S3、调节超声换能器距反射面距离为的位置，读取渡越时间/>；
S4、通过公式获得标定距离/>；
S5、设标定后测量实际距离为，压电片至反射面的距离为/>，测距更正式为：；
步骤S3中，通过计算机控制驱动电机工作，带动丝杠转动，实现超声换能器的上下移动，调节超声换能器距反射面距离为的位置，控制器工作在定时模式，检测到超声发射信号开始计时，检测到回波信号后停止计时并读出计数值，该计数值为原始数据，根据计算求得/>，其中/>为井上仪单片机晶振频率，m为原始数据的个数；反复进行测量，保存测量实验数据/>与/>。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于,
步骤S4中，
标定距离的计算是通过/>，其中v 0 是超声波在橡胶中的声速，v是超声波在介质中的传播速度，t 0 是超声波通过橡胶所需要的时间，化简最终得到/>，求得标定距离/>为超声换能器内部压电片与其表面的距离和v，/>越小，表示超声换能器做工误差越小；/>越大，表示超声换能器做工误差越大。
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