高精度微距超声波测距系统.pdf

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1、2014正仪表技术与传感器2013第1期InstrumentTechniqueandSensorNo．1高精度微距超声波测距系统倪卫宁，朱祖扬，张卫，李三国，李胜(1．中国石化石油工程技术研究院，北京100101；2．中海油田服务股份有限公司油技事业部，天津300451)摘要：根据超声波测距原理和井径测量对测距的要求，在基本超声波测距原理基础上，设计实现了一种低盲区、低功耗、高精度、小尺寸的超声测距系统。通过采用增益可编程的反射波信号检测方法，进行多次的增益校正，使得首个反射波信号前沿被比较器扑捉到。通过计量发射波时刻到首个反射波信号前沿的时间可以计算出

2、高精度的距离值。实验结果表明，采用1MHz谐振频率的超声波换能器，发射功率100mw，距离测量精度为±1mm，测量盲区为25mm．关键词：井径；超声波测距；增益控制中图分类号：TH816文献标识码：A文章编号：1002—1841(2014)01—0075—02High-precisionUltrasonicMeasurementSystemforMicro-DistanceNIWei—ning，ZHUZu—yang，ZHANGWei，LISan-guo，LISheng(1ResearchInstituteofPetroleumEngineeringTec

3、hnology，SINOPEC，Beijing100101，China；2Divi~onofOilTechnologyChinaOilfieldServicesLimited，Tianjin300451，China)Abstract：Inthispaper，theprincipleofultrasonicdistancemeasurementisdescribedandthespecialrequirementsofcalipermeasurementareanalyzedalso．Alow·blind，low—power，high—precision，

4、smallsizeultrasonicdistancemeasurementsystemisde—signedandimplemented．Becausethevariablegaindetectioncircuitandtheseveralgaincalibrationsareutilized，thefirstechosig—nalfrontieriscapturedbythecomparatorandtheprecisionofmeasurementiseffectivelyimproved．Theexperimentalresultsshowtha

5、tthemeasuringprecisionis±1mm，theblinddistanceis25mm，when1MHzultrasonictransducersand100mWtransmitpow—erarechosen．Keywords：calipermeasurement；uhrasonicdistancemeasurement；gaincontrol0引言式中为超声波在介质A中的传播速度。井径测量在油田勘探开发中是必测项目之一，利用井径曲2超声波收发电路设计线可以判断地层渗透性、井身质量，同时可以估算固井用的水整个测量过程，由于吸收衰减和扩散损

6、失，超声波能量随泥量等。非接触式的超声波测距方式，由于其定向发射、指向目标距离变化。同时超声波能量的衰减随频率增大而成指数性好，再结合微电子技术实现的距离测量系统具有息处理简增加，但频率越高，指向性越强，这一点有利于短距离的测量。单、速度快的优点，成为了随钻测井中井径测量的首选I2。由于测量距离变化，介质物理特性的不确定，反射波的信号幅而井径测量的特殊性又提出了与传统超声波测距不同的性能度变化范围较大，用固定阈值的比较器检测反射波，可能导致要求。井眼大小一般在200—500mm，而且考虑到超声波换能监测到的越过阈值时刻前后移动，从而影响计时的精度，进一器

7、安装在柱状仪器外表面，实际测距范围一般在30—200mm，步影响到测距的精度。为了提高超声波测距的精度，需要准确精度要求到mm级，且仪器大多由电池供电。因此，对超声波地检测到第一个反射波脉冲前沿的到达时间，为此，参考文献测距系统的要求是低盲区、低功耗、高精度、小尺寸。[3]提出了双比较器整形确定反射波前沿的方法。但是考虑到1超声测距原理实际使用环境的不确定性，设置的两个比较器阈值可能都太小超声波换能器发射面浸入介质A当中(例如：空气、水)，驱或者太大，从而导致测量结果存在较大误差。而参考文献[4]动电路驱动超声波换能器向介质A发射超声波，当遇到与介质出一

8、种通过数字细分和高分辨率A／D超声波传输时间精密测A物理特性差异明显的另一种介质