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华中科技大学硕士学位论文水力深穿透射孔机在线检测的研究姓名：吴云生申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：杨家军20060502 摘要水力深穿透射孔技术以高压流体切割底层对油井径向射孔。由于其具有的鲜明特点和在近井带改造方面的良好前景，该技术在国内各油田的试验、试用越来越广泛。水力深穿透射孔的在线检测，能真实有效反映水力深穿透射孔机的工作状况和性能，对推进国内自主研究水力深穿透射孔技术进步具有深远意义。本文以井下位移检测记录法对水力深穿透射孔机在线测量展开研究。通过概念设计方法对水力深穿透射孔在线检测的总体方案进行了研究,针对检测环境及装置空间需求提出用霍尔磁电传感检测的方案，并对井下电子测量影响密切的高温问题提出解决方案；通过对霍尔传感检测技术的研究，分析比较两种霍尔位移传感检测方案，提出了改进磁路设计的磁标尺霍尔传感检测的方法，为位移传感检测系统的设计奠定了理论基础；对水力深穿透射孔在线检测的误差进行了分解分析，结合机器自学习理论研究，确定具有自学习能力的系统静态误差自修正方案；对在线检测的动态测量误差进行分析，建立基于B-P反向神经网络的动态误差修正方法，保证系统的整体检测精度。本文从硬件设计和软件设计方面阐述了水力深穿透射孔在线检测系统的实现方法。设计了一套以89c51计算机系统为基础，以霍尔传感检测信号处理为中心的在线检测硬件系统。同时在Windows2000软件平台下使用VB6.0编制界面良好的人机接口软件，对检测数据进行处理、分析并提供简洁有效的图文并茂的结果。通过试验与应用初步验证，本文的研究成果应用效果良好，为国产自主研发的水力深穿透射孔设备的工作稳定性分析提供一个真实有效的评价，对设备改进与推广具有深远意义。关键词：水力深穿透霍尔元件位移检测B-P神经网络 Abstractwater-jetdeep-penetratingtechnologyistheuseofhigh-pressurefluidpenetratingtheradialwellsforholes.Becauseofitsdistinctivecharacteristicsandgoodprospectsinthetransformationofrecentwells,Ithasextensivefutureinexperimentationandtestingfieldindomesticoilindustry.Onlinesystemdynamicperformancetestingofwater-jetdeep-penetratingcaneffectivelyreflecttheworkingconditionandperformanceofwater-jetdeep-penetratingmachine.Itwillpromotecapabilitiesofdomesticindependentresearchingofwater-jetdeep-penetratingtechnology.Inthetreatise,theresearchofonlinedetectionsystemofwater-jetdeep-penetratingtechnologywasimplementedindetailsbythemethodofdetectionandsavingofundergrounddisplacement.Throughconceptualdesignmethodology,overallprogrammerofwater-jetdeep-penetrationonlinetestingwasstudied.Inordertomeettestingenvironmentandassemblyspaceneeds,theHallsensortestingprogrammerwasdecidedfinally,andthesolutionsforhigh-temperaturewhichmadetremendousimpactononlinetestingwasstudiedtoo.ThroughresearchingonHallsensordetectiontechnology,comparingandanalysisingoftwoHalldisplacementsensortestingprogrammer,aimprovedmagnetismcircuitdesignforHallsensordetectionmethodswasdecided,itsetthetheoreticalfoundationfordisplacementsensordetectionsystem.Byanalysisingofwater-jetdeeppenetration’sdynamictestingerrors,andcombinedwithmachinelearningresearch,itidentifyaselfadjustmethodforsystemstaticerrorwhichhaslearningability.Throughtheanalysisofdynamicmeasurement’serrorforwater-jetdeep-penetratingonlinetesting,adynamicerroramendmentmethodthatbaseonB-Preverseneuralnetworktheorywassetup,itmeansoverallaccuracyofthesystemdetection.Inthetreatise,hydraulicdeeppenetrationonlinetestingmethodwasrecordedfromhardwaredesignandsoftwaredesign.Onlinetestingsystemwasdesignedbaseon89c51singlechipsystemandHallsensordetectionsignalprocessing.Meanwhile,agoodusedsoftwarewasdesignedbyVB6.0inWindows2000softwareplatform,itcanprocesstestingdata,andprovideconciseandeffectiveresultsforanalysis.Afterinitialapplicationstestingandcertification,theapplicationofthisresearchsoundeffects,itprovideaneffectiveandrealevaluationtoolforanalysisingofworkingstabilityofdomesticdevelopedwater-jetdeep-penetratingequipmentindependently.Ithassignificanceinfluenceinequipment’spromotingandimproving..Keywords：water-jetDeep-penetratingHallElementsDisplacementdetectionB-Pneuralnetwork, 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日 1绪论1.1课题来源本论文研究的课题来源于中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“水力深穿透射孔技术研究”的子项目“水力深穿透射孔机的在线检测”。主要任务是设计专用仪器对水力深穿透射孔井下射孔深度及作业状况进行在线检测及分析。1.2课题研究的目的和意义世界经济的增长导致能源需求逐年剧增，石油作为一种不可再生的能源，主要能源消费国对这种重要战略资源的争夺和控制愈演愈烈，国际局势更加错综复杂，油价不断攀升，已对经济增长产生负面影响。随着我国随着经济增长驶入快车道，至今石油年需求已超过3亿吨，而国内油田大部分进入开发后期，油气储量不足，开发难度加大，成本上升，年总产量只有1.75亿吨，远不能满足需求。巨大的石油进口量导致我国能源对外依赖程度增加。水力深穿透射孔技术是一项旨在提高油气藏采收率的新技术。水力喷射技术于20世纪40年代最早应用于油水井射孔，由于喷嘴不能沿射流方向送进，射流有效切割距离有限，钻孔深度浅。20世纪80年代以后，水力深穿透射孔技术开始发展。美国Penertrators公司开始尝试用液压马达驱动磨铣钻头在套管上钻孔，或者用液压驱动楔形增力机构和冲头实现在套管上开窗，然后用液压驱动喷管及喷嘴，靠高压水射流切割地层射孔，实现地层深穿透。1989年Penertrators加拿大公司将完善后的PeneDrill系统进行工业应用，在北美一些油田对数百口井实施水力深穿透作业。1992年美国ICT公司进入我国，与大庆油田合作开发研究水力深穿透系统，1997年进入工业试验，2000年开始在大庆、辽河、江汉、吐哈等油田开展试用与推广。资料表明水力深穿透技术对油水井增产增注效果显著。我国自20世纪90年代开始，一些石油高校和研究院所着手［1］［2］［3］自主研究水力深穿透射孔技术。同常规射孔技术相比，水力深穿透技术具有以下特点：1.射孔深度长，能有效穿透近井带污染层。水力深穿透射孔深度可达2～3m，常规射孔深度不超过1m。2.射孔孔径大，流通能力强，孔道不易堵塞，有效期长。常规射孔最大孔径不超1 过20mm，孔径随孔深增加而减小，孔壁存在烧结和压实，熔化物粒子渗入地层形成新的污染，射孔后一般要进一步采取酸化措施。水力深穿透射孔最小孔径大于20mm，孔径均匀，射流冲刷使孔壁孔隙度提高，清洁无污染。3.射孔无爆炸、孔密小，不会对井身、地层造成伤害。此外，同其他增产技术相比，水力深穿透技术使用小型高压泵组作业，通过调节地面泵压来控制井下动作，操作简单，不动用压裂车等大型设备，作业成本低；定位准确，可在一次下井中在不同深度或同一深度的不同方位完成多次射孔作业，形成多个水平孔。水力深穿透射孔技术以高压流体切割底层对油井径向射孔，实现老井、作业中造成[4][5]严重二次污染的井及稠油油藏等油井的增产和增注效果。由于水力深穿透射孔技术其所具有的鲜明特点和在近井带改造方面的良好前景，国内各油田对该技术表现出极大的兴趣，该技术的试验、试用越来越广泛。目前国内外水力深穿透装置设计的最大射孔深度为2～3m，由于井下情况千变万化，[6]受射孔工具和地层等多方面因素的影响，实际射孔深度具有较大不确定性。随着水力深穿透射孔技术的应用推广，如何检测井下射孔机的实际工作性能，进而评价该技术的作业效果，改进施工工艺措施，成为技术研究者与油田用户共同关注的课题。设计一个安全、稳定、有效并能稳固附接于水力深穿透射孔机的动态性能自动检测仪，能够真实有效评价射孔设备工作性能，对推进国内自主研究水力深穿透射孔技术进步，推进国产水力深穿透射孔机的实用和推广具有深远的意义。本文研究的主要目的是：设计一个结构上能稳固嵌入已研制的水力深穿透射孔机的自动检测仪器，在性能上能适应井下高温度、高压力、振动、复杂介质等环境，能够比较精确的在线自动检测水力深穿透射孔机的工作状况，并能够最终通过计算转化提供一个简易明晰的水力深穿透射孔深度的结果。1．3水力深穿透射孔检测研究现状水力深穿透射孔系统利用高压水射流钻孔的方式完成清洁射孔，通过调节地面泵压控制井下工具动作对喷管、喷嘴的送进实现深穿透。这与一般钻井技术不同，它不能通过地面直接检测井下钻进深度，因此一般采用间接检测的方法。目前，间接检测方法主要有三种：地面模拟检测法、井下液压行程开关检测法和井下电磁检测记录法。1．3．1地面模拟检测法地面模拟检测法通过地面模拟射孔演示，主要通过检测水力深穿透射孔系统的性能参数，评估井下工具的可靠性。这种检测方法由于模拟井和实际井受选井层位、地质条件、2 地层产能、配套作业措施等因素的影响往往导致评价失真，从而影响该技术的正确使用。[6]1．3．2井下液压行程开关检测法利用水力深穿透射孔技术井下工具的各种动作由地面泵压控制的特点，可在井下工具内设计一种装置，当射孔深度到达设计深度时，该装置动作，使系统工作压力发生变化。通过检测地面泵压可获取井下射孔深度达到设计深度的信息。井下液压行程开关检测法采用的是这条思路。为了说明井下液压行程开关检测法原理，参见图1.1所示的将系统简化为喷嘴的模型，其微分方程为：2r(x+1)Qr(x+1)QdP=dQ-dA(1.1)23AA由式1.1可看出系统压力变化量dP与系统流量变化量dQ、系统过流面积变化量dA之间的关系。液压行程开关的基本结构如图1.1所示。液路A无杆腔12有杆腔3456789液路B液路C101、液缸活塞2、活塞密封3、液缸缸套4、滑套5、滑套密封6、泄流孔7、弹簧8、节流阀9、单向阀10、喷管图1.1井下行程开关检测法原理示意图当液路A通压力液时，液缸活塞向下运动，喷管喷射钻孔，液路C封闭。在射孔即将到设计深度（活塞行程将结束）时，活塞推动滑套压缩弹簧一起向下运动，在活塞密封经过缸套泄流小孔后，有杆腔经液路C与射孔工具和套管间的井眼环空相通。系统过流3 面积A增加，地面泵压P下降。在地面通过对泵压信号的检测可获取射孔完成的信息。当液路B通压力液时，活塞向上运动，滑套在弹簧作用下复位，液路C封闭，有杆腔恢复工作状态，喷管回收。液压行程开关检测法通过机械机构和液压原理相结合，实现了实时检测的功能。行程开关作为系统控制的反馈环节，在现场可以了解喷管是否全部伸出，并据此采取下一步措施。但这种方法有以下不足：1)这套装置因活塞密封、滑套密封过泄流小孔，容易导致密封失效，使系统过流面积永久增大，可能导致系统失压，对井下工具性能产生不利影响。2)现场施工过程中喷管由于受地层或已钻成孔的直径、孔形、轨迹等因素的影响，喷管往往不能全部伸出，这时喷射液缸活塞杆也不能走完行程，检测机构就不起作用。3)井下油管柱有数千米，射孔工具也有非常多的密封，液路的泄漏、泵调压系统的漂移等容易产生干涉信号并导致误判断。1．3．3井下位移检测记录法水力深穿透射孔的基本结构如图1.2所示，整个系统动作由地面通过调节泵组压力等级来控制液压管1来进行工作。喷射钻进控制阀2是一个液控二位三通滑阀，根据系统压力等级，控制喷射驱动液压缸3有杆腔液路是否接通系统压力，并和节流器4一起改变喷射液缸5无杆腔的压力，最终控制喷管6的推进与回收。减压器3、节流器4、喷射液缸5、喷管等一起完成在地层喷射钻孔功能。1、液压管2、喷射钻进控制阀3、驱动液压缸4、节流器5、喷射液缸6、喷管7、油井套管8、楔形驱动体图1.2水力深穿透射孔工作结构示意图4 水力深穿透射孔穿透深度可以通过喷管的最大推进深度反映，而穿透过程的稳定性则由喷管推进速度的稳定性来直接反映。应用井下位移检测记录法对水力深穿透射孔工作状况进行在线检测，是通过检测驱动喷管的液压缸行程位移来检测水力深穿透射孔的穿透深度及其穿透过程的稳定性。由图1.2所示喷射液缸5控制喷管6的推进速度、深度，由于这部分部件结构比较复杂在系统连接上也比较紧凑，很难定位一个比较可靠而不影响水力深穿透系统性能的检测点，很难直接进行检测。喷射驱动液压缸3通过节流器4对喷射液缸进行驱动，其行程与喷射液缸行程成线性关系，通过其液压行程检测可以直接计算喷射液缸行程，从而计算出水力深穿透射孔的穿透速度与深度。而且水力身穿透系统在喷射驱动液压缸的活塞杆伸出部位为结构衔接位，结构比较简单，设计空间较大，通过检测活塞的的位移来检测液压缸行程在检测系统设计上也比较简易，同时检测系统的的安装、调校也比较简便。如图1.3所示利用位移检测方法检测喷射管推进液缸位移，并将位移和时间信息存入记录仪，井下工作完毕出井后再由计算机通过分析储存信息运算便可得射孔深度、射孔位移及速度等信息，并由其绘制的图表可分析得井下水力射孔的工作状况。井下位移检测记录法受所在环境及其他因素影响较小，能准确地检测出射孔工艺过程参数；能动态记录射孔深度中间参数，为喷射系统分析、故障诊断提供数据。检测系统是一个独立的系统，不影响水力深穿透射孔机井下工具的性能，井下工具性能是否正常也不影响仪器工作。井下位移检测记录法是目前水力深穿透井下射孔孔深检测方法的发展方向。存储器位移检测编码处理器标尺通信接口PC机图1.3检测记录仪系统框图1.4本文研究的主要内容本文以井下位移检测记录法对水力深穿透射孔在线检测进行研究。由于水力深穿透射孔机检测部位结构复杂空间有限，检测系统在线检测工作环境恶劣，需要适应井下高5 温、高压、振动的工作环境，而且必须提供可靠有效的检测结果，在设计上涉及自动检测、电子电路、机械振动、计算机技术等多个领域。本文重点对水力深穿透射孔在线检测系统设计的可行性、可靠性、有效性进行分析，主要包括以下几方面内容：1.水力深穿透射孔机在线检测的方案设计采用概念设计方法对水力深穿透射孔在线检测系统的必须具备的功能进行分解，提出几种功能实现方案。通过对几种常用位移检测方法的讨论、比较、评价确定采用霍尔磁电传感检测方案，分析评价几种常用得高温解决方案，最后对总体结构功能的实现方法进行了探讨。2.应用霍尔磁电传感检测技术进行在线位移传感检测的研究对霍尔传感检测技术进行分析，根据检测条件，提出两种可行的霍尔传感检测方案，进行分析、评价确定使用检测精度较高的磁标尺传感检测方案。同时对检测节点定位、磁路优化设计提出了可靠的设计方案，为位移检测技术深入研究奠定基础。3.系统在线测量误差分析及其修正对系统在线测量的误差进行分解，把系统在线检测得误差分离为静态误差和动态误差。提出具有自学习能力能，自校正装配误差的静态误差修正方案。通过在线检测的动态测量误差分析，建立B-P反向神经网络对动态测量误差进行修正。5．在线自动检测系统的实现对仪器的硬件系统及软件系统进行简要介绍。6 2水力深穿透射孔在线检测的方案设计本章首先以概念设计为理论基础对测量机构进行了总体方案设计，通过比较几种比较成熟的位移检测方式，在检测质量和检测条件要求上作了评价比较，从中选择出了最优方案，最后分析了系统的总体结构。2.1概念设计产品的设计过程并没有统一而严格的定义，从任务角度来看，产品的设计可分为产品需求、概念设计、详细设计、设计分析、生产这四个阶段。概念设计作为机电产品具体设计过程的开始，在产品的性能方面有很大的影响。2.1概念设计的基本定义自从Palh&Beitz于1984年在《EngineeringDesign》一书中提到概念设计这一名称以来，人们已经对概念设计进行了多年的研究。他们将概念设计定义为：“在明确任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及组合等，确定出基本求[8]解途径，得出求解方案。这一部分设计工作即是概念设计。Frence在其书中也为概念设计下了一个定义：概念设计首先是要弄清设计要求和条件，然后生成框架式的广泛意义上的解。在此阶段中对设计师的要求较高．但却可以广泛地提高产品性能。它需要将工程科学、专业知识、产品加工方法和商业运作知识等[7]各方面知识相互融合在一起，以作出一个产品全生命周期内最为重要的决策。在这里“框架式的解”是指设计问题的一个轮廓，每个主要的功能都可以对应于其上，通过原理部件间的空间或结构上的关系，使它们有机地结合起来。我们从这个框架中得到产品大致的成本、重量或总体尺寸，以及在目前的环境下的可行性等。这个框架只需对一些特征或部件有一个相对明确的描述，但并不要求详细内容。概念设计是产品设计过程中最富有创造性的阶段。它具有创新性、多样性、层次性等特点。它是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计，它是满足功能和结构要求的工作原理求解，进行实现功能结构工作原理载体方案的构思和系统化设计理论。概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的—“系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊7 到清楚、由抽象到具体、不断进化的过程。概念设计的目的就是以科学的现代设计思想，以整体系统的全局观念，从工程实际出发，进行总体方案的决策，它不仅要满足市场需求，达到设计任务中规定的设计目的，还要选择一个整体最优的设计方案，即满足功能[9][10]要求且性能优、成本低、用户满意的总体方案。[11]典型的概念产品的基本结构包含如下五个主要单元：（1)工作单元实现主要功能或效能的单元，是概念产品组成的主要部分。工作单元设计得是否合理，对满足用户需求起关键的作用。(2)辅助单元保证工作单元正常工作所必须的单元，是概念产品不可缺少的组成部分之一。它的存在，可以最大限度地发挥工作单元的功能，满足用户的需要。(3)魅力单元为满足用户感官与精神需要，充分表现产品形象质量，提高附加值，促进市场营销而设计的单元。它是产品竞争力的基本组成都分，它可能是某种实体结构，也可能体现为产品的造型、色彩或人机协调．以及适应流通需要的包装等形式。(4)驱动单元以所期望的方式向本身或其值单元，提供所需能量的单元，包括能量的接收、转换、传通与分配等。(5)控制单元接收和处理有关信息，发出控制指令置上的联接，最后将各单元联接到固定系统上实现其支撑功能。概念产品结构模型如图4—1所示。图2.1概念产品结构模型2.2水力深穿透射孔在线动态检测的功能需求分解在进行概念设计之前首先要明确系统的设计任务，水力深穿透射孔在线检测具体要8 求为：1、测量对象为喷嘴驱动液压缸的工作行程，直线位移范围为800mm。2、检测仪器具有一定的数据处理能力，保证在线检测数据能即时存储，随时读取。3、检测数据提取后需能进行进一步分析，并提供给用户简洁明了的水力深穿透设备射孔装置的井下运行情况分析。4、能适应井下测量的恶劣环境，井下设备深入地底千米，测量仪器所处环境高温高压高渗漏，温度可达120摄氏度以上，考虑空间介质混入油水。5、能符合井下装配要求，仪器在井下设备内直接测量，可占空间狭小，安装不能过于复杂。6、能符合井下连续独立供电要求，须保证150小时以上工作时间。在确定任务之后，通过抽象化，拟定适当的作用及组合功能，可得出产品的功能分解方案。通过以上的功能要求，水力深穿透射孔在线检测系统的功能包括以下几个方面：位移检测、数据处理、高温解决、封装隔离、供电方式等。各个功能模块可以通过多种方案实现，需对各个方案初步选型作出评价，如表2.1所示：表2.1水力深穿透在线检测系统主要功能模块选型12345位移检测数据处理温度解决密封隔离电源1磁电传感检测在线处理主动降温独立封装直接供电2超声波传感检测井下记录被动降温一体封装电池供电3光电编码检测出井处理绝缘隔热表2.1中共有五个主要的功能模块，对于每一种功能模块提出了几种不同的实现方式，经过初步评价，则可得到24种系统功能组合，具体的方案选定还需要进一步作功能系统评价。2.3位移检测方案的概念设计液压缸行程位移检测方案是进行井下位移检测的关键和基础，因此在整个系统设计中，检测方式的选择是至关重要的，依此本文对表2.1初选的三种位移检测方案分别作了介绍，并进行了对比评价。9 [14]2.3.1超声波传感检测超声技术是一门以物理、电子、机械及材科学为基础的、各行各业都可能会遇上的通用技术。超声波束具有聚束、定向及反射、透射等特性，超声技术通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成相应的技术功能。超声捡测技术是利用较弱的超声波来进行各种捡验和测量，必要时进行自动控制的技术。超声测量技术，则是通过超声的方法来测定媒介的某些非超声学特性和状态参量。超声波是一种机械波，是机械振动在媒介中的传播过程。超声波是人耳听觉阈值以上的振动，频率范围在10kHz到lTHz之间，常用频率大约在10kz到10MHz之间。1、超声波发射头2、活动探头3、固定探头超声位移测量的基本方法是：发射换能4、活塞杆5、液压缸6、喷头液压阀器(工程实践中也称为探头)发出的超声波图2.3超声波位移检测示意图在媒介中传播到接受换能器，通过测量超声波从发射到接收所需的时间，根据媒介中的声速，就得到发射器与接收器间距离，从而确定位移。目前的超声波传感器一般是一种集成化的传感器，在一个外壳中封装了超声波发射器和超声波接收器固定在活塞杆头，将一个超声波探头固定在液压杆上，对着收发装置，便能测量液压缸的行程。但由于超声波的传播速度受传播介质的性质、温度、浓度、压力的影响很大，必须加以补偿，但仅仅对温度、压力进行补偿还是不行的，油质随使用或放置时间的长短发生的变化也会对测量精度产生很大的影响。补偿时使用超声波的分立探头，如图2．3所示A为超声波发射头，Bl为固定探头，B2为安装在活塞上的移动探头。设A与B1之间的距离为d1，A与B1之间的时间延迟为t1，A与B2之间的时间延迟为t2，则有A与B2之间的距离为D=t2/t1*d1。这种方式制成的行程传感液压缸成本低，但稳定性和对环境的适应性差．精度较低(尤其是不带补偿的探测方法)；但带补偿的探测方法中的移动探头的对外连线降低了可靠性、增加了安装的复杂性。[15]2．3．2光电编码检测10 光电编码器是通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用较多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90o的两路脉冲信号。光电编码器只能测量角度信号且不耐高压，所以在行程测量时，必须把直线位移信号转化为角度信号。可使用了一种1、弦线固定端2、线位移转角位移转换特殊的结构进行行程测量，如图2.4所示，把3、光电编码器4、活塞杆5、液压缸一端固定在活塞杆上的钢丝绳缠绕在滚筒上，6、喷头液压阀图2.4光电编码位移测量示意图在滚筒的轴上就得到了角度变化量，用卷簧使滚筒复位同时拉紧铜丝绳。把变为角度的直线位移变化量，通过转轴送到另一个腔。在转轴处进行密封，然后用光电编码器进行测量，由于光电编码器与压力腔隔离。解决了耐高压的问题。这种方法的优点是测量精度较高，可达±l毫米．行程长，缺点是检测系统结构复杂，结构尺寸固定，安装、维修困难。[16][17][18][19]2．3．3磁电位移传感测量磁电位移传感测量是利用对磁场敏感的元器件组成传感器，通过随位移变化的磁场时输出不同的信号来进行测量。磁电位移传感测量为非接触测量，在应用上有诸多优点。磁敏传感器属于固态传感器的一种。固态传感器是指以半导体传感器为代表的一类传感器。这类传感器具有以下优点：a)由于传感器原理是基于磁场变化，因而没有相对运动部件，不存在磨损问题，可以作到结构简单，小型轻量；b)感受外界信息灵活，动态响应好，并且输出为电量；c)采用半导体作为敏感材料，容易实现传感器集成化、一体化、多功能化、图象化、智能化；d)功耗低，安全可靠，随着大规模集成电路技术不断发展，固态传感器技术也日臻完善。磁敏传感器主要有霍尔元件、磁阻元件和磁敏晶体管三种，目前多使用集成霍尔传感器和集成磁阻传感器。11 这种检测方法是把磁体按固定距离排列固定成标尺，使标尺的具有交替等节距的磁性体和非磁性体，如图2.5所示这样就不占用额外空间，不受行程长短的限制，测量没有累积误差，标尺基本上不用维护，减少了维护工作量；同时，由于磁性传感器正对标尺置于液压缸活塞杆顶端盖上，传感器独立封装不受压力高低的限制。而且维护、维修方便。这种标尺的间隔较宽，加工成本低。有了标尺以后就可以通过测量标尺附近的磁场变化或电磁感应现象来得到液压缸的行程值。这种形式的行程位移传感测量是目前的一个发展方向，其关键技术有如下几项：1、永磁体2、磁电传感器3、井下处理模块a．传感技术包括传感部分的结构形4、活塞杆5、液压缸6、喷头液压阀式和结构参数：图2.5磁电传感位移测量示意图b．传感器组合方法和行程值计算方法；c．抗干扰措，主要是消除传感器与活塞杆之间间隙变化造成的影响。d．磁性标尺的编码技术，磁性标尺编码的作用有两点：上电时查找初始行程值和运行中对行程值进行校正这种磁路结构的最大优点是结构简单，但由于永磁体正对霍尔元件和磁性标尺，霍尔元件测量到的磁场强度变化很大，需要使用测量范围很大的磁敏元件，从而使传感器输出的有效部分很弱，需要对霍尔元件的输出信号进行截取，以得到有效信号，并进行放大。目前使用磁敏传感器的位移测量方法有两类：一类是将传感器输出的模拟量转化为数字量，通过记数得到行程值，如图2．6所示；另一类是采用复合方法：先将传感器输出的模拟量转化为数字量，通过记数得到粗行程值，然后根据传感器输出的幅值计算出输出波形的相位得到细行程值，两者相加得到最终的行程值。12 磁电传感器永磁体磁感应强度传感器输出图2.6霍尔磁电位移传感测量示意图2．4温度解决方案水力深穿透射孔在线检测需要随水力深穿透机下井进行,井下温度随下井深度的增加而增加。经验测量，正常情况下每下井100米温度增加3度。以地表温度平均为20℃计算，井下2000米温度可达80℃，井下3000米温度可达110℃。加上井下一些不可避免因素，在线测量环境温度最高达120度，基本已达检测系统设计使用芯片包括军品芯片的正常使用温度的临界点。如何保证检测系统的主板芯片在井下高温的正常工作是孔深检测仪设计的一个关键问题。检测系统的芯片的使用温度已经固定，要解决检测系统的高温使用问题，只能在芯片的工作温度尽量降低上来找突破口。可以通过降温及隔离保温两种方法来实现。在降温上又可分为主动降温与被动降温两种方式。2．4．1主动降温主动降温通过外界驱动使降温对象冷却。主动降温技术在工程应用上主要包括：13 [20]风冷、液冷、磁制冷、半导体制冷等。1）风冷是通过空气对流使工作芯片的温度降低，主要应用在芯片工作时自身发热且环境温度低于芯片温度。这种方法不适用于本例。2）液冷是让热的元件加热化学性质不活泼的物质（一般使用氟化物）使之沸腾，液气变化过程吸热使元件温度降低。其冷却过程让热的元件加热氟化物，氟化物沸腾生成的蒸汽进入一个与蒸发器和冷却设备相通的弹性塑料管，通过塑料管，氟化物蒸汽被带到冷凝器中，在冷凝器中，氟化物的蒸汽被冷凝成液体，然后再经过一段塑料管流回蒸发器，如此循环下去，芯片产生的热量就源源不断地被带到外围空间里。液冷氟化物的循环动力需要外界提供，其冷凝器也需要外界环境温度低于氟化物的冷凝温度，故也不适用于本例。3）磁制冷是利用顺磁物质在施加强大外场的作用下，从无序排列的磁矩变为有序排列，在绝热条件下，当去掉外磁场后，磁矩又成为无序状态，同时吸热，造成温度下降。同样磁制冷的外部配件的使用条件要求过高，不适用于本例。4）半导体制冷为温差电制冷，如图2.7所示基本元件是由P型半导体和N型半导体材料连成热电偶图2.7半导体制冷对，在电路中接通直流电后，就能发生能量的转移，电流由n型元件流向P型元件时，接头吸收能量而成为冷端，当电流由P型元件流向N型元件时，接头释放能量成为热端。由于是电子半导体芯片，器件只有在最高工作温度不超过85度时，才有良好的制冷效果。2．3．2被动降温被动降温是通过降温材料吸热使温度降低，主要有物理降温与化学降温两种。1）物理降温通过物理冷却剂降温，是利用冷却剂的升温、熔化和蒸发等吸热过程来降低温度。铁屑、铝屑、硬脂酸、石蜡、水和沙砾等都可以作为物理冷却剂。2）化学降温是利用化学反应过程中分解吸热来降低温度的，作为化学冷却剂的化合物应具备如下特点:①分解温度低，但存放过程中必须稳定；②分解时能吸收大量的热；③分解时释放惰性气体。14 常见的化学冷却剂有Na2C2O4，NaHCO3,KHCO3等，化学制冷的制冷过程可以分为化学冷却剂温升吸热，冷却剂分解吸热及分解物温升吸热三个部分，以单位质量碳酸氢钾KHCO3为例：第一阶段：KHCO3从20℃升高到100℃所吸收的热量1000Q=ncDT=´´-87.6(10020)==70080J70.08kJ1p100第二阶段：KHCO3在100℃时的分解吸热由反应式2KHCO3＝K2CO3+H2O+CO2得1000Q=(-1146--24182393.512+´959)´=683.35kJ21002´第三阶段：KHCO3分解物从100℃升高到150℃所吸收的热量1000Q3=åncpDT=´++´-»(11033.637.1)(150100)45.18kJ1002´三个阶段总吸收热量为798.61kJ而同样温升条件下，铁的吸热仅为58.5kJ化学制冷的吸热效果要大大于物理冷却剂，在工程应用上比较广泛，可以试验使用。2．3．3隔离保温检测仪未入井温度为环境温度0～45度左右，比起井下工作环境120度左右要低很多。通过保温的手段，可以使仪器的使用温度比起外界环境温度大为降低。保温隔热材料(又称绝热材料)是指对热流具有显著阻抗性的材料或材料复合体。绝热材料的品种很多，按材质分类，可分为无机绝热材料、有机绝热材料和金属绝热材料[21]三大类。按形态分类，可分为纤维状、微孔状、气泡状和层状等。其分类见表2.1。15 表2.1主要绝热材料的分类分类品种天然石棉纤维无机质人造矿物纤维(矿渣棉、岩棉、玻璃棉，硅酸铝棉等)纤维状天然棉麻纤维，稻草纤维、草纤维等有机质软质纤维板类(木纤维板，草纤维板、稻壳板、蔗渣板人造等)天然硅藻土无机质微孔状人造硅酸钙、碳酸镁等有机质天然炭化木材膨胀珍珠岩、膨胀蛭石，加气混凝土，泡沫玻璃，泡沫无机质人造硅玻璃，火山灰微珠．泡沫枯土等气泡状天然软木有机质泡沫聚苯乙烯塑料、泡沫聚氨酯塑料，泡沫酚醛树脂．泡人造沫脲醛树脂，泡沫橡胶，钙塑绝热板等层状金属铝箔、锡箔等另外还有一些工业用高温耐热密封剂，如：达维康硅胶耐热密封剂，耐温范围-15℃到260℃，可用于一定温度下的零件的密封，垫片制造隔热、绝缘、覆盖及高温条件下工件的粘连；海泡石保温隔热膏，耐温达－40～800℃，密度低、导热系数低。结合使用隔离保温措施及化学制冷剂降温，可以使检测芯片在井下较长的时间段内工作在有效工作温度内，保证在线检测仪器的可靠性。2．5总体方案的实现经过前述讨论，总体方案设计如下：磁电位移传感检测技术具有结构简单，设计可靠，维护方便，检测有效，非接触测量不影响检测对象等诸多优点，成为液压缸行程位移检测方式的主要方案。检测获得得数据需要进行处理才能提供有用信息，由于整个水利深穿透射孔机得结构复杂，下井深度不确定，在线进行直接检测在技术上实施有很大的难度。使用井下测量初步数据处理并存储，井下工作完毕后再通过数据传送到pc机进行进一步处理的数据处理方案，在设计上更为可靠有效，确定使用井下数据存储，井上二次处理的数据处理方案。井下高温问题通过隔离保温措施及化学制冷剂降温两个方式结合使用，可以在一定程度上改善检测处理芯片的工况。检测仪器电源问题同数据处理方案一样，使用电池独立供电的方案在设计上更为有效。16 在线检测系统的仪器封装一方面对在线检测系统直接保护，另一方面隔离井下介质影响。系统的封装同系统结构设计及水力深穿透机检测部位空间冗余密切相关，同时还要考虑高温隔离保温材料及制冷剂填充的结构设计。在设计上需在其余几个部分基本实现后再综合考虑设计。2.6小结本章讲述了机电产品概念设计的定义，详细介绍了将概念设计运用于水力深穿透射孔在线检测系统设计过程中的方法，并着重对位移检测方案及温度解决方案进行讨论和评价，结合实际情况作了分析。最后对总体结构进行了设计和介绍。17 3基于霍尔传感检测技术的位移传感检测磁电位移传感测量为非接触测量，在应用上有诸多优点。应用霍尔传感检测技术进行测量，在磁路设计上结构较为简单，在系统设计及优化上也较为简易。位移检测结果的可靠性在井下介质成分复杂、温度条件恶劣的环境下也不受影响。本章应用霍尔传感技术对在线位移检测方案进行分析。3．1霍尔传感检测的基本原理霍尔器件具有很多优点，结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHZ)，耐震动，不怕灰尘、油污，水汽及盐雾等的污染或腐蚀，非常适合[22][23]井下测量环境。霍尔器件分为霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路利用微电子技术集成在同一个芯片上。它分为霍尔线性集成电路和霍尔开关集成电路。霍尔传感器组件是将霍尔元件或霍尔集成电路与磁场产生器组合在一起的部件。[20][21]3．1．1霍尔效应的基本原理1879年霍尔(Hall)在研究电流通过有磁场垂直其平面的长方形金属片所发生的现象时，发现子金属片侧面产生微弱电位差的现象，这一现象称为霍尔效应。完整的定义：当电流垂直于外磁场方向通过导电体时，在垂直于电流和磁场的方向，物体两侧产生电势差的现象称为霍尔效应。霍尔效应原来是在金属中发现的，但在半导体中这个效应更为显著，而且能对于半导体的分析提供特别重要的依据。因此，结合半导体的研究，霍尔效应的研究有了很大的发展。半导体材料制造工艺和半导体应用技术的迅速发展，推动研究人员找到了霍尔效应比较显著的半导体材料锗。因此，利用霍尔效应制备出的第一个磁电传感器半导体锗霍尔元件直到上世纪四十年代末由于半导体锗产品的出现才得以成功。随着硅、砷化镓及其化合物半导体材料器件与电路以及纳米技术的迅速发展，霍尔传感器研究、开发和应用也得到高速发展。18 图3．1霍尔效应原理图．霍尔元件是一长为l，宽为w，厚度为t的半导体薄片，当在矩形霍尔元件中通以如图中所示的电流I并外加磁场B，磁场方向垂直于霍尔元件所在平面时，霍尔元件中载流子在洛仑磁力的作用下运动将发生偏转。在霍尔元件上下边缘出现电荷积聚，产生一电场EH。该电场EH称为霍尔电场，稳态时EH和磁场对载流子的作用互相抵消，载流子恢复初始的运动方向，它使霍尔元件上下边缘产生电压差，称为霍尔电压VH。近似有rHVH=I×B(3.1)qnt其中rH称为散射因子，主要由半导体材料结构和载流子散射机制决定。q为载流子电荷．n为载流子浓度。定义此时霍尔元件中任意一处的电流和电场的夹角角β霍尔角．其大小为：tanb=mB(3.2)H其中m为载流子的霍尔迁移率：m＝rHm，μ为迁移率。图3．1中的所标VH方向在HH载流子为电子时正号，当载流子是空穴时要反号。如果样品长度非常短(l<DH+DS才能避免检测节点干涉。另外永磁体的体积与霍尔传感器检测有效距离密切相关。设计采用标准磁体进行磁阵列标尺设计，采用的磁体型号对霍尔元件与磁体间的有效间距影响极大。通过试验，28 使用F6X10平均间距为7.6mm，F8X10平均间距为9.4mm,F10X10平均间距为11.8mm,F12X10平均间距为14.5mm。由于检测对象活塞杆在井下工作时会产生受迫振动，最大振幅为10mm左右，加上装配尺寸需求，霍尔传感器与磁铁间的有效间距需大于12mm才能保证检测的可靠性。故设计过程选用较大迟寸的磁体来设计磁阵列标尺，适当降低标[24]尺节点尺寸，以保证检测的可靠性。永磁体图3.11磁阵列标尺3．5磁路改进设计选定霍尔传感检测方案后，如何增加磁电传感检测的可靠性，是增加系统检测结果的有效性，是系统设计的一个重点。选定磁体型号及霍尔集成传感器建立磁电传感检测系统后，还可以通过改善磁路性能来增加有效检测范围来增加系统检测的可靠性。3.5.1单极模式平移(slide-by)测量模式磁钢平行于芯片水平移动。如图3.12所示，当Dh保持不变假。如永磁体向左移动，到达D2时芯片开始工作，到达D1时释放。磁钢向右移动，到达D1时芯片开始工作，到D2时释放。29 磁场强度B位移S永磁体霍尔传感器图3.12霍尔传感器单极测量模式3．5．2带有极靴的系统这种方法是在单极模式下再加一个极靴，从而改变了磁场密度，如图3.13，可清楚看到加如极靴后曲线的变化。在D1和D2点，有极靴时D1、D2的间距大于无极靴的D1’、D2’的间距，霍尔元件在原作用点的B大于无极靴模式。同时在加极靴后也可使芯片工作的距离增大。极靴磁场强度B加极靴模式单极模式位移S图3.13加极靴的霍尔测量模式3．5．3带偏磁的系统如在单极模式下再加一磁钢，如图3.14所示。可得，加的偏磁与原磁场同向，增大了磁场。加的偏磁与原磁场反向，则减弱了磁场。30 偏磁磁场强度B加偏磁模式单极模式位移S图3.14加偏磁的霍尔测量模式3．5．4加偏磁的系统效果由上述可得通过增加极靴及偏磁可以使霍尔有效感应磁场强度得以增强，其中偏磁增加的效果要大于极靴。通过增加极靴和偏磁可以使霍尔传感检测有效工作距离增加。如表3.1所示表3.1加偏磁的霍尔传感检测系统性能比较F6X10F8X10F10X10F12X10普通7.69.411.814.5加偏磁8.710.513.316.13．6小结霍尔集成传感器通过磁电霍尔效应进行传感检测，在应用上有诸多优点。本章着重对应用霍尔传感检测基本原理设计在线位移传感检测方案进行分析，提出应用磁阵列标尺的检测方案并对位移检测节点、磁路设计进行分析，提出磁路改进方案。31 4系统在线检测误差分析及其修正行程测量的最终目的是精确地测量出行程值，要达到这目的，如何去除干扰与误差是最重要的。检测系统与水力深穿透射孔机封装筒、驱动液压缸组合成一个整体的位移检测系统，它是由液压机械、电子和计算机有机结合组成的一个整体，其测量结果中的误差是由多种误差因素引起的。实际在线测量时，测量误差中的主要误差项是由下列主要误差因素引起的：（1）机构安装误差，包括液压缸安装误差，活塞杆初始位误差，霍尔元件检测探头安装误差，检测磁阵列标准基准位安装误差等（2）结构偏差，包括活塞杆与液压缸配合间隙引起的误差，磁阵列标尺磁头刻度定位偏差及磁体磁场强度偏差引起的检测点偏差。（3）井下在线工作过程的液压缸液压冲击引起的检测探头振动造成的检测误差（4）水力深穿透设备井下空间位置变化引起的活塞杆重力变化弹性变形引起的误差（5）仪器在工作过程中环境因素变动造成的误差，如温度的变化造成的变形误差等（6）检测系统电路信号干扰、外部随机磁信号干扰等引起的误差其中（1）、（2）、（5）项属于系统误差，（3）、（4）项属于随机误差，（6）属于白噪声。对系统误差进行分解，便于系统误差分析及误差修正。在本系统中，这些影响可以概括为以下两个方面：1）不同的安装过程使得活塞杆的空间位置发生变化2)活塞杆受迫震动时检测点的位置振动变化其中第一种为静态检测误差，第二种为动态检测误差。考虑到传感器的输出是一种准正弦曲线经过施密特电路转换的开关信号。第一种情况使得正弦信号的平衡线发生变化；第二种情况只引起幅值变化。平衡线是系统检测的基准，很难在测量过程中获得，需要在测量之前获得。所以，在信号处理过程中引入自学习过程，在自适应过程中确定基准值。32 4．1系统静态误差分析机构安装误差及结构偏差属于静态误差，系统检测静态误差为各部分误差的累积：k△Ys＝åDYi(4.1)i0＝系统静态误差如图4.1所示，其中△Ys1为液压缸的安装误差，△Ys3为活塞杆起始点误差，△Ys4为检测探头轴线安装，△Ys2为标尺安装0位误差，另外△Yi为各刻度线磁头的有效触发点误差。各触发点误差为：△Ysi＝△Ys1＋△Ys2＋△Ys3+△Ys4+△Yi（4.2）图4.1测量系统的静态误差示意图系统静态误差影响系统的检测的基准，必须在系统下井前无外界其他动态干扰的情况下进行修正。检测系统应用机器自学习技术进行自适应误差修正，重新定位检测标尺点节点位。4．2机器自学习误差修正的应用研究学习能力是具有智能行为的最基本属性。机器学习作为提高机器智能的重要手段成为人工智能领域的研究技心。4．2．1机器自学习策略学习策略分类标准是根据学习者实现信息转换所需的推理多少和难易程度来分类的。在这种分类中，学习方法按推理从简单到复杂，从少到多的次序，可以分为机械学习、示教学习、演绎推理、类比学习、基于解释学习以及归纳学习6种基本类型。33 其中示教学习是学习者从环境(示教者)或其他信息源，如教科书等获取信息，把知识转换成内部可以使用的表达式，并将新的知识和原有的知识有机的结合自一体所以要求学生有定的推理，但示教者(环境)仍要作大量的工作。示教者某种形式提出和组织知识，以使学习者已有知识可以不断地增加，这种学习方法还和大多数的正规教育方法相似。因此这种学目的任务就是建立一个系统它能接受教导和建议，并有效地存贮和应用这些学习的知识。本文所用的学习方法是示教学习。本文在知识获取过程中，首先获得代数表达式参数，然后进行分类，并生成产生式规则。4．2．2检测系统自学习策略机器学习过程直接决定了系统测量时的数据处理过程，也决定了系统的测量精度。机器学习过程中，液压缸的运行既是教师又是样本。在系统中设置一个机器学习行程记数值，记录机器学习的次序，要求机器学习进行四个完整行程。每个机器学习行程这样操作，先使液压缸复位(液压缸活塞杆全部缩回)，然后按一下学习按钮，再使液压缸杆开始运动，液压缸达到最大行程以后，再按一下学习按钮。在机器学习过程中，要保持速度的平稳性。速度不平稳，会造成系统对行程的错误判断，从而影响系统准确性。为了对实验过程的实验误差有个总的评价。需要把各水平的误差汇总起来考虑。汇总时简单地把各偏差值加起来是不行的，因为这些偏差有正有负，相加过程中会在数值上互相抵消。为了避免这种抵消，应将偏差平方后再相加，再取平均值。但这样随着数据点的增多，计算误差也越大。为了避免免这种现象，也就是使用下列公式评价误差：N11122W==-ååW()yy（4.3）iii0NNii==11式中Wi——第i点的误差；yi——第i点的测量值；yi0——第i点的曲线拟和值。设误差设定值为W，机器学习策略使用表4.1算法。数据采样使用中断形式。每次采样都检查数据是否在变化之中。如果采样数据连续无变化，则认为液压缸的一个行程已运行完。将所有有变化趋势的数据拟和完后，结束此次机器学习行程。34 开始数据采样否数据变化是数据采样返回到100个曲线拟和去最后一数据否误差then<计算时应使用此段的参数>每一个产生式规则由一组机器学习数据构成．2．控制规则控制规则如下：(1)设测量时传感器l的输出值是h1。传感器2的输出值是h2，搜索的目标是：a．此组传感器输出所在的周期；b．此组传感器输出所在的区域；c．此组传感器输出所在的拟和段。36 (2)为达到(1)中的搜索目标，首先在上次搜索成功的规则中搜索。如不能成功，由两个传感器输出的变化趋势，决定搜索方向。按方向顺序搜索下面的规则；(3)如果搜索不成功．则认为此次传感器输出数据无效，等待下次传感器输出数据；4．3系统动态测量误差及其评定水力深穿透射孔深度检测仪在井下在线工作时，由于井下工况复杂，受外界干扰，仪器检测对象是随时间动态变化的。4．3．1测量对象活塞杆的动态特性分析测量活塞杆在工作时，受到周期液压冲击，活塞杆在空间作准周期震动。以下对活[37]塞杆受迫震动进行简易分析。图4.2活塞杆振动分析如图4.2所示，其中fx(t)是液压缸加压减压时准周期液压冲击激励，Fg（t）是重力径向分量，L（t）是活塞杆伸出长度，Xs（t）是活塞杆顶端静态偏移，取X(t)为活塞杆受迫震动幅值。活塞杆的径向冲击激励为Fx(t)＝Fg（t）＋fx（t）×Xs（t）/L（t）(4.4)由图4.2，这是一个单自由读震动系统，其运动微分方程为：mX&&(t)+cX&(t)+kX(t)=Fx(t)(4.5)或X&&(t)+2xwX&(t)+wX(t)=wFx(t)（4.6）nnn其中c为系统阻尼系数，k为系统即元件刚度，x为阻尼系数，w为系统自然n37 频率。伸出活塞杆可视为简单悬臂梁，其元件刚度为3EIk=(4.7)3L其中E为材料弹性模量，I为抗弯截面惯性矩，L＝l（t）。这里响应为一系列谐波响应得叠加：¥i(pwt-jp)X(t)=å|Xp|e0（4.8）p=1其中|Xp|＝为幅值。T/22ipw0Xp=|H(pw)|Fx(t)edt(p=1,2,3⋯⋯)(4.9)0òT-T/2悬臂梁的自然频率为k12EIwn==(4.10)24mrpdL液压冲击频率为驱动液压的液压泵输出频率wááwn，由谐波响应的相频特性：wj（w）＝wnj（w）接近于零，响应频率接近于激励平率。系统震动引起磁探头感应强度变化如如图所示：图4.3振动引起的检测磁感应强度变化示意图38 由于X(t)引起的磁感应变化与Y向位移变化产生的磁感应强度相近，故外驱动引起的误差：△Yq（t）≈X（t）4．3．2检测探头的动态特性分析霍尔元件检测探头置于活塞杆的顶部，在活塞杆动态变形的时候，探头也在径向动态变化。这个变化受多方面的影响，其中活塞振动的影响最大，是一个随机振动过程。OX(t)图4.4探头振动分析示意图探头的径向周转引起磁感应角的变化，由B’(t)=B(t)×ctgθ感应磁场B’要响应变小。VEo图4.5探头径向周转引起的磁感应强度变化示意图同样探头周转引起的误差△Yt(t)≈(1-ctgθ（t）)Ys(t)(4.11)系统的动态误差由上可得39 △Y(t)＝△Yt(t)＋△Yq(t)＋△Yb(t)＋△Yh(t)（4.12）其中Yb(t)为白噪声干扰，Yh（t）为环境（温度、设备系统渗漏液等）引起的干扰。4．4基于神经网络系统的动态误差修正若要求实现误差修正精度较高，必须有—个前提，即要求误差随机性成分的变化应具有线性，这样建立的随机性成分时序模型才能较好地迫近随机性成分的变化规律。而非线性系统的建模，需要建立一种新的模型。随着神经网络的出现和发展，以及它表现出来的许多优点，如它是一个多输入单输出或多输出的非线性模型，并且具有大规模的井行处理，分布式的信息存贮，良好的自适应性，自组织性，以及很强的学习功能、联[39][40][41]想功能和容错功能。目前，常用的神经网络有几种，但每一种神经网络都有各自的用途和应用场合，其中监督式学习中的BP反向传输神经网络适用于动态测量误差的建模和误差曲线的拟合。实践表明，这种神经网络是网络学习中最具代表性，应用最普遍的模式。因此，下面介绍这种模式在非稳定动态测量实时误差修正中的应用。4．4.1BP反向传输神经网络BP反向传输神经网络算法是经过网络学习，把网络内部权值和阀值作为知识记忆下来，构成拟合的映射函数关系。在确定了BP网络结构后，利用输入输出样本集对其进行训练，也即对网络的权值和阀值进行学习和调整，使网络实现给定的输入输出映射关系。经过训练的BP网络，对于不是样本集中的输入也能给出合适的输出，这种性质即是BP网络的范化功能。从函数拟合的角度看，这说明BP网络具有插值功能，正是这个原因，BP网络在很多方面都得到了广泛的应用。误差反传（学习算法）输隐输期望输出向量入层出－＋（导师信息）层层图4.6BP反向传输神经网络结构图40 反向传输神经网络的框架结构如图4.6所示，主要有三个层次组成，即输入层、隐含层和输出层三部分，其中隐含层又可以由多层组成。每个处理层中有若干个处理单元，每个处理单元实际上就是一个人工神经细胞，其输入与输出的关系为：ìx=f()netjjïíj(4.13)ïnet=-wxqjåjijjîi=1式中，wji是神经元j与神经元i的连接强度．即连接加权值，xi是神经元i传来的输入信号，θj是神经元j的阈值，f为转换函数，常取线性函数和非线性转换函数，如双弯曲函数：1f()net=(4.14)-net1+e在非稳定性动态测量系统的测量过程中．利用标准量插入法分离出来的动态测量误差离散序列，可以看成是一个由非线性机制确定的输入输出系统，因此该定理从理论上保证了神经网络建模能准确地拟合各种态测量误差曲线．能够反映出动态测量误差的变化规律，并能用于误差的预测修正。又由于在预测中，所有的误差序列均来自单一的序列，所以在应用中一般使用反向传播方向进行有记忆地训练的预测。jiijykyk+1yk-1yk+2yk-N+1yk+N图4.5实时误差预测修正神经网络结构图如图4.7所示，设在k时刻取k后面n个误差序列，即△yk-n+1,△yk-n⋯⋯,△yk作为反向传输神经网络的输人端的输入信号，k前面的△yk＋1，△yk＋2，⋯,△yk+n作为神经网络的输出信号.。取若干个中间层(图中只画出了一个中间层，通常取一到二层中间层效果较好)，每层处理单元的数日应根据具体的情况而定。输入层和中间层的处理单元数目根据预测精度选定，输出层的数目根据误差修正预测步数的多少选定(通常做一步预测，这时只有一个处理单元)。因此，可以写出图5。7网络的前向过程：41 mìxf=()wyD-qïjåjik-+ij1ïi=1í(4.15)nïDyˆ=-f()åwxqk+lijjiïîi=1式中，wji和wij分别表示输入层和中间层以及中间层与输出层之间的连接权值，因为误差有正有负，则f常取双曲线正切函数。误差建模和预测过程如下：(1)训练：如图4.8所示，在测量开始时，选择合适的训练区长度和窗口的尺寸，即神经网络输入端的处取单元数目，把窗中的动态测量误差数据顺序送人输入层，通过前向过程的学习，即根据式(4.13)~(4.15)得出动态测量误差的预测值，将该结果与目标模型中的n个动态测量误差的实际值进行比较，如果存在误差，立即进入反向传播过程．通过反向传播的算法，修正网络中的各个权值，以减小该误差，正向输出计算与反向权值修改交替进行，直到误差达到允许的范围。(2)预测：一旦网络训练结束，滑动窗口到时间序列的最后n个动态测量误差数值，把窗口内的n个数值输入到神经网络中，此时的输出就是该序列第一次未来的一步到n步的预测仪。(3)再次训练与预测：到下一时刻标推点动态测量误差实际值获得后，以相同的训练区长度，把训练区向后移动一步，并按过程(1)进行训练进一步修改网络权值，再按过程(2)进行预测，以便适应动态测量误差的时变性，如此反复进行下去。窗口预测区训练区图4.8网络建模和预测过程应该说明，窗口有时应该随机地提供给网络，顺序地输入有可能在训练时造成网络的振荡和不可控。42 4．4．2系统误差修正的神经网络模型的建立如式5.13所示，系统的动态误差主要由驱动液压冲击引起的误差△Yq(t)，探头周转引起的误差△Yt(t)，环境温度及空间介质引起的误差△Yh(t)及白噪声误差△Yb(t)。这些误差除了液压冲击引起的振动误差其振动频率可以在井上即使监测外，都不能即时修正。而环境温度、介质、检测对象即时空间状态引起的误差，这些因素很难即使检测，其的影响程度很难用数学表达式准确表达。为提高误差修正质量可采取如下方法:通过井上实验,得到一定数量的样本以建立水力深穿透动态测量误差神经网络模型,对动态测量误差进行即时修正。在建立模型的过程中，如果外界干扰和条件不一致，误差的指标也不尽相同。但本质上都是训练一个神经元网络使之逼近一个多输入、多输出的非线性函数模型。建立一个网络首先应收集和确立误差修正数据库，即学习样本。模拟井下现场实验提供的样本建立水力深穿透射孔动态检测误差的理论模型。这里可把驱动液压振动频率、环境温度、环境压力、环境介质作为初始训练样本输入，把检测节点、环境及空间位置影响系数作为权值样本输出，建立基础修正数据库。再模拟在线检测情况，把驱动液压振动频率、上两个节点的误差、本节点的井上修正偏差作为再训练样本，把两个节点的误差用于修正权值对检测点进行修正。建立神经网络就是用最简单的拓扑结构，最短的学习训练时间使网络误差达到最小。在确定网络的拓扑结构时，网络的隐含层的确定并没有精确的理论指导，需要根据学习样本的复杂性以及所希望神经网络达到的学习能力和范化能力确定。通过神经网络的学习与检验调整确定，具体的问题可用试错法来确定隐含层的节点数。隐含层的确定一般要根据具体应用环境而定，针对系统误差特点，本文中的网络采用三层结构：输入层、隐含层和输出层。输入层节点为检测节点相关检测误差，驱动液压的震动频率，前面两个检测节点检测误差，对应检测的井上对应检测偏差等。这些输入信号由输入层节点传送到隐含节点，最后传到输出层节点。输出节点提供了修正后的误差。43 wjiwij驱动液压振动频率上二检测点误差yk－2yk上一检测点误差yk－1对应检测点偏差ysk图4.9系统误差修正的神经网络模型初始权值的确定是网络能否训练出来和网络收敛性能的最大影响因素之一。理论已经证明初始值的设定不能全取一样的值，以防止每一步权值的同向性（即权值同时增加或同时减小）。网络训练时，初始权值取随机值，或取随机进行网络训练后取得的权值为初始值。网络工作时，应取训练好的权值和阀值为初始值，以使神经网络参数选择实时性好。测量误差修正残差图4．10B-P神经网络实时误差修正结果4．5小结动态测量误差修正是进一步提高测量精度的保证，本章对水力深穿透射孔设备系统动态误差进行分解，分别对系统的静态误差和动态误差进行详细分析。提出了机器学习44 策略的自学习静态误差自校正的方法，通过机器学习，将学习结果使用顺序表的数据结构存储。在此基础上，建立了产生式系统，描述了其实现方法和控制搜索策略。根据神经网络的理论知识，建立了基于B－P网络的动态检测误差修正方法，为动态误差修正理论建模奠定了基础。45 5井下位移检测系统的的实现井下位移传感检测方案确定后，要保证井下位移检测系统最终能给用户提供可靠、充分、有效的信息，设计一个合理、可靠性强的硬件系统、一个良好的人机接口软件是很关键的。检测系统由位移传感器、记录仪和控制及数据处理软件三部分组成。本章分别从硬件设计、软件设计和系统抗干扰措施等方面作了论述。5．1系统工作原理分析利用电磁检测法设计的电子检测系统的工作原理如图5.1所示，主要由检测标尺、井下信号和数据处理及存储模块、通信接口模块三部分组成，在数据处理上还包括PC机上的后期数据处理软件模块。其中检测标尺和井下信号和数据处理存储模块在井下即时检测记录，由检测标尺对控制喷嘴送进距离的液缸行程进行检测，检测信号送进信号及数据处理模块进行初期处理并存储到数据存储器中，通信接口模块用于井下工具工作完毕后后数据处理存储模块里的数据传送到PC里，PC机上的数据处理软件模块通过设计良好的人机接口及数据处理显示设计，把井下检测的数据进行后期处理整理，以图文方式显示便于进行工况分析，并把每期检测数据进行整理以数据库存储，以保证长期的工具工作稳定性分析。存储器控制系统电源模块单片机霍尔传感工作模式检测模块处理器切换模块霍尔元件串口通信PC机电源模块接口模块图5.1孔深检测记录仪的系统框图46 整个系统从结构上分为井上工作模式控制及数据通信模块及井下传感检测、数据处理存储模块。从设计上又可以分为硬件设计模块和软件设计模块，硬件设计模块以单片机处理器为中心分为工作模式控制、传感检测、数据存储机串口通信。软件设计模块包括单片机系统控制及数据处理设计、PC机高级数据处理分析及人机界面设计，单片机系统软件内部设计与硬件相关，一起并入硬件设计部分。5．2检测系统的硬件设计位移检测系统硬件系统的设计是整个控制系统设计的核心，硬件设计模块以单片机处理器为中心分为工作模式控制、传感检测、数据存储机串口通信。对于硬件系统来说，电路的各部分都是紧密相关、相互协调的，任何一部分电路的考虑不充分都会给其它部分带来难以预料的后果。所以合理的硬件设计不仅可以使控制系统更稳定可靠，还能节约系统总体资源。5．2．1检测系统的工作模式控制水力深穿透位移检测系统由于其工作特性，工作过程就要具体分为以下几个阶段：1、准备阶段准备阶段为井下在线检测作好充分准备，包括系统检验及系统自学习。系统检验需在检测系统装入水力深穿透设备前，对检测系统进行电路检查检查、工作芯片有效性校验、存储器清零及工作模式确定，保证系统工作的有效性；系统自学习为检测系统装入水力深穿透设备后，在下井前井下井上系统自学习，保证系统的检测精度。2、井下工作阶段井下工作阶段包括在线传感检测、数据初步处理及数据存储为检测系统的主要工作阶段。3、数据提取阶段数据提取包括数据传输及数据软件分析处理，把井下检测内容传送到pc中进行进一步分析，最后以图文行式提供给用户一个直观的井下水力深穿透设备的井下模拟工作情况分析。这几个阶段决定了系统在硬件电路设计上要进行细致的工作模式分析及切换处理设计。如图5.2所示，在井下开关控制模块需要对各个工作模式进行设置及控制。为了尽量节省CPU的输入输出端口资源，还需要对工作模式进行编码以简化工作模式判断处理。47 开始工作模式判断清零复自学习数据传井下检位模式模式送模式测模式图5.2系统工作的模式切换5.2．2传感检测系统的检测、数据初步处理及储存模块在结构上属于井下模块。水力深穿透射工具本身的设计及其工作特性使得检测记录仪的测量设计尺寸空间，供电模式及工作时间提出了很高的要求。在孔深检测记录仪检测模式、芯片设计、功耗设计、模块结构等方面都必须进行了优化设计。孔深检测记录仪井下部分装在深穿透射孔井下工具内，射孔作业时随工具一起下井。传感检测模块包括探头、标尺、控制电路等。测量探头为一对霍尔元件，固定在控制喷管进退的液缸活塞杆端，标尺是以一定间距布置一排磁铁，相对液缸缸套固定。探头和标尺保持一定间距，确保磁场能对霍尔元件起作用。探头开始运动磁场经过第一个（标识）磁体时，该霍尔元件产生电压信号，激发数据处理模块块开始工作。探头运动至磁阵列标尺作用位置，该霍尔元件在磁场作用下产生电压信号，经编码器编码后到处理器，通过存储器记录霍尔元件编码及时间信息。控制及数据处理软件包含读标尺、计时、数据存储、串口通信、去抖动滤波、节电、清零重置、PC机数据处理等模块。其具体过程如图5.3所示48 传感检测模式开始定时器开始读标尺状态值读取标尺数据是状态值为0否否数据有效否否过滤信号干扰是暂存数据是干扰信号否数据拟和否判断标尺方向记录数据结束图5.3系统传感检测流程图5．2．3数据存储串行存储器引脚少，占用印刷电路的面积小，而且可以节省宝贵的I／O口线，串2行存储器有l～256KB不同容量，根据接口标准有二线IC标准的串行存储器(如24XXXX或85XXXX)及三线SPI标准的串行存储器(如93LCXX、X25XXXX等)。本系统采用24C128系列芯片连接电路如图5.4所示49 图5.4存储部分电路图224CXXX存储芯片采用IC规程，运用主／从双向通信。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件(通常为微控制器)和从器件可工作于接收器和发送器状态。总线必须由主器件控制，主器件产生串行时钟(SCL)，控制总线的传送方向，并产生开始和停止条件。串行EEPROM为从器件。无论主控器件，还是从控器件，接收一个字节后必须发出一个确认信号ACK。开始和停止位控制总线有效。操作在开始位控制下开始，在停止位控制下结束。开始位为SCL为低，SDA由高到低变化。停止位为SCL为高，SDA由低到高的变化。当SCL为高时，数据稳定有效。在SCL脉冲的低电平期间数据SDA改变，变为所传输的数据位。对每—个SCL脉冲，只能传送一位数据。在每一个字节接收后，接收器件必须产生一个确认信号位ACK。主器件必须产生一个与此确认位相应的额外时钟脉冲。在此时钟脉冲的高电乎期间拉SDA线为稳定的低电平，为确认信号(ACK)。若不在从器件输出的最后一个字节中产生确认位，主器件必须发一个数据结束信号给从器件。在这种情况下，从器件必须保持数据线为高电平(用ACK表示)，使得主器件能产生停止条件。225l系列单片机大多无IC总线接口功能，这就要靠软件来模拟了。IC总线在标准2方式下的最高时钟频率为100kHz，用普通I/O线模拟IC总线数据传送时，必须遵从定时规范。在数据传输过程必须通过NOP指令调整，以满足时序要求。如：50 2停止条件1发送起始条件STOP:START:CLRSDASETBSDANOPNOPNOPSETBSCLSETBSCLNOPNOPNOPNOPCLRSDASETBSDANOPNOPNOPNOPCLRSCLRETRET5．2．4数据通信井下检测完毕后，需要通过数据通信模块把井下检测存储数据传送到PC机进行进一步分析。系统通过串行通信方式实现与PC机的通信连接。PC机与单片机之间可以由RS-232C、RS-422或RS-423等接口相连。本系统采用RS-232C接口标准.RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的电气性能。在PC机系统内都装有异步通信适配器，利用它可以实现异步串行通信。而MCS-51单片机本身具有一个全双工的串行口，因此只要配以电平转换的驱动电路、隔离电路就可组成一个简单可行的通信接口。同样，PC机和单片机之间的通信也分为双机通信和多机通信。PC机和单片机最简单的连接是零调制三线经济型。这是进行全双工通信所必须的最少线路。因为MCS-51单片机输入、输出电平为TTL电平，而PC机配置的是RS-232C标准接口，二者的电气规范不同，所以要加电平转换电路。常用的有MC1488、MC1489和MAX232，图6.5给出了采用MAX232芯片的PC机和单片机串行通信接口电路,与PC机相连采用9芯标准插座。125C1+Vs+8051369C1-Vs-4164C2+VCC515811C2-GND11143TXDT1INT1OUT107710T2INT2OUTRXD12R1OUTR1IN132986R2OUTR2IN1MAX232图5.5PC机和单片机串行通信接口51 在串行通信中数据是在两个站之间进行传送的，按照数据传送方向，串行通信可分为单工（simplex）、半双工（halfduplex）和全双工（fullduplex）三种制式。图5.6为三种制式的示意图。AÕ¾µ¥¹¤Í¨ÐÅBÕ¾·¢ËÍÆ÷½ÓÊÕÆ÷(a)µ¥¹¤·¢·¢·¢ÊÕÊÕÊÕÊÕ·¢AÕ¾BÕ¾AÕ¾BÕ¾(b)°ëË«¹¤(c)È«Ë«¹¤图5.6单工、半双工和全双工三种制式示意图在半双工制式下，系统的每个通信设备都由一个发送器和一个接收器组成，如图5.6b所示。在这种制式下，数据能从A站传送到B站，也可以从B站传送到A站，但是不能同时在两个方向上传送，即只能一端发送,一端接收。其收发开关一般是由软件控制的电子开关。半双工制式下一般采用异步通信，在异步通信中，数据通常是以字符为单位组成字符帧传送的。异步通信的优点是不需要传送同步时钟，字符帧长度不受限制，故设备简单。缺点是字符帧中因包含起始位和停止位而降低了有效数据的传输速率。图5.7为系统设计采用半双工的数据通信方式52 通信模式开始指示灯指示数据量数据传送检测数据传送否传送完否是完成指示图5.7数据传送流程图5．3人机接口软件设计控制系统的硬件和软件两者只有和谐统一地工作，才能使整个系统达到设计时提出的性能指标。井下位移检测系统的人机交互界面是在PC机上用VisualBasic在Windows2000平台下设计的图形交互界面。VisualBasic环境配备了功能强大、内容丰富的Windows驱动程序、DLL函数库，内部具备MSCOMM串行通信接口，提供简便的人机接口[52][53]界面设计。使用VB6.0编制人机接口界面,对测量数据进行的调试与整理。软件主要包括以下几个部分：1、软件管理部分软件管理包括提取数据备份，备份数据提取等数据软件的文件存储功能2、数据提取数据提取主要在PC机与检测系统在串行通信过程中提取检测数据53 3、图形管理图形管理包括图形绘制及分析，其子功能包括图形的放大与缩小4、数据库管理数据库管理对各次检测数据进行数据库管理以备长期的工况分析，其子功能包括数据插入、查询、剪切和更新5、功能切换实现主工作区内文本、图形及数据的切换另外在工作区增加一个分析模板开关，可以提供给用户一个提取数据的简要分析归纳，结合绘制图形，对检测结果分析更为简易。其中数据提取、图形绘制及数据库管理操作按钮增加智能按钮，其实现相关作用有效对应触发。图5.8主工作界面图5.9通信接收界面54 图5.10绘图界面图5.11数据库管理界面5．4系统的实现与应用由于耐高温电池价格较贵，对系统整体性能影响较小，现场实验通过外接变压器提供电池供电电压进行模拟实验。55 图5.12现场实验实验验证：探头工作时震幅10mm左右，在周围有易磁化的钢铁零件和活塞杆有缓慢旋转的条件下，导向机构能保持磁极正对霍尔传感器的状态，探头活塞杆随同步运动不受干涉，磁力信号明显。标尺、主板在正常情况下稳定工作。经过两个单向行程检验，现场检测数据输出如下：56 57 与现场标尺及位移速度直接测量比较，其值有效，能够正确反映水力深穿透射孔机的工作状况。5．5小结本章主要对检测系统的硬件、软件设计进行介绍，对系统硬件几个关键模块：传感检测、数据存储、数据通信等进行详细分析，并对系统的软件设计人机接口节目进行简要介绍。58 6结论与展望6.1结论本课题是紧密结合中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“水力深穿透射孔深度检测的研究”，课题在理论结合工程实际的基础上作了研究和实施。论文对应用霍尔传感检测技术进行水力深穿透射孔在线检测的技术进行深入理论分析和研究。对提高我国在该领域的技术装备水平和应用水平具有理论指导意义和实用价值。本文主要的研究工作及结论如下:（1）通过对水力深穿透射孔技术国内外现状和发展趋势分析，针对目前国内水力深穿透射孔技术在射孔深度及工作状况评价上的不足，结合现有水力深穿透射孔在线动态检测技术的研究现状，提出了应用磁电传感检测技术的井下位移传感检测方法进行水力深穿透射孔检测的方案。（2）通过对霍尔传感检测技术的详细分析，对应用磁电传感检测技术进行位移传感检测展开研究，提出了使用磁标尺的较为精确可靠的检测方案，并对磁标尺检测方法的检测节点定位、磁路优化设计提出可行方案，为在线动态检测系统位移检测方法的设计奠定了基础。（3）通过对在线检测的静态误差分析，提出具有自学习能力的位移磁电传感检测静态误差自修正方案，为在线位移检测的有效性奠定理论基础。（4）通过对在线检测的动态误差分析，提出利用B-P反向神经网络技术对动态误差进行修正，为在线位移检测的动态检测误差分析奠定了理论基础。（5）对在线检测的耐高温方法进行分析，提出井下电子检测的耐高温解决方案（6）运用所研究的理论，对系统进行硬件及软件设计，并进行了在线模拟检测。本课题设计开发完成后，经过实践检验，各项技术指标和性能指标都已达到预期的目标。目前该产品已交付用户使用，在实际应用中产生了巨大的经济效益和经济效益，用户反映良好。6.2展望水力深穿透射孔在线检测系统的研究在很大程度上提高了我国水力深穿透射孔设59 备的在线工况检测分析能力，但从研究的角度来说在以下几个方面还可以作进一步的改善：1）本文仅以中国石油天然气集团公司研究的水力深穿透射孔机的在线检测为中心进行研究，在结构与性能上应用范围比较有限，需加入模块化设计对检测系统进行分析，对应不同的检测对象进行通用性分析。2）论文中的硬件电路设计在电路性能优化上没有进行细致分析，还需要在电路使用效能、电路抗干扰、电路I/O集成简化设计上进行进一步分析。3）检测系统在井下进行在线作业，需要对井下部分进行封装及磁电隔离，特别是在霍尔检测探头与井下处理系统电路部分的隔离、连接、固定关系上还须进行更优化设计。4）水力深穿透设备在实际工作中，其封装预备完毕与实际下井工作间的时间受到各种工作环境条件的影响差别很大，如何优化检测系统的供电开关设计，保证独立电池的有效工作时间，也需要进行更进一步探讨。60 致谢本文是在导师杨家军教授精心指导下完成的。在攻读硕士学位的学习过程中，导师渊博的学识、开阔的视野、敏锐的洞察力，严谨求实的治学态度，积极进取的工作作风，引导和激励着我去探求现代科学技术的未知领域。学生所取得的每一点进步无不倾注了导师大量的心血。在此成文之际，我谨向我敬爱的导师致以真诚的敬意和诚挚的感谢。感谢已工作的硕士研究生师兄张友军、余建军对我学习设计上的指导，感谢博士研究生陈志敏在整个系统设计上的技术指导与帮助，感谢实验室硕士研究生雷雄韬、王润卿、李白娜、黎明、饶齐齐、王友宝对我工作的支持，我们一起学习生活的日子给作者留下了美好的回忆；感谢机硕0304班的同学们，我们一起度过了一段精彩而难忘的研究生生活。在水力深穿透射孔动态性能自动检测仪的研制、试验过程中，得到了中国石油天然气集团公司领导和工程技术人员的热情帮助和大力支持，在此表示由衷的感谢。多年来，作者的父母坚定地支持作者的求学理想，他们为作者的求学付出了艰辛的劳动与伟大的爱，正是他们的关心和支持才使我在求学路上有了更大的动力，感谢他们一直以来对我的支持。最后，谨向所有关心、帮助过我的师长、同学表示感谢！吴云生二○○六年五月于瑜园61 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