浅谈新型超声成像测井仪的设计与研究.doc

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1、浅谈新型超声成像测井仪的设计与研究浅谈新型超声成像测井仪的设计与研究摘耍：本文介绍了可以同时用于超声成像测井和第一胶结面固井质量检测测井的小井眼井下超声测井仪。为了提高电路系统的设计集成度，降低电路功耗，选用了C8051F060芯片设计仪器电路，使井下仪器电路板宽度达到28mm,仪器外径缩小到C40inm；在地面仪器中采用了目前最新的调制解调载码通讯技术。在固井质量检测屮，对波形的量化采用了16位的A/D芯片，提高了超声成像的精度。仪器在实际应用中取得了较好的效果。主题词：小型；测井仪；固井质量；检测；超声成像测井中图分类号：TM937文献标识码：A一、概述早期的超声波成像测井仪由于数据

2、采集技术的限制，数据量太大,缺乏高性能计算机系统的支持等原因，难以推广使用。直到20世纪90年代，随着电子技术、数字记录技术和计算机技术以及单片机的发展，超声波成像测井技术才逐步完善成熟，成为地球物理测井的一个有效方法，而我国在煤、煤层气等资源的成像测井和地质应用方面几乎为空白。近期北京屮地英捷物探仪器研究所通过消化、吸收国内外先进的小井径超声成像测井仪基础上，研制出新型全数控超声成像测井仪，为煤炭地质系统首台，属国内领先水平。二、仪器概述这种超声成像测井仪采用了旋转式园片状压电陶瓷聚焦超声换能探头，每秒钟向井壁发射2560次的声波脉冲信号（10圈/秒），其返回的声幅信号经回波预处理电路

3、、程控增益放大电路、程控门坎电路、峰值保持电路、回波时间检测电路、行同步信号提取电路、命令接收电路等进入单片机C8051F060o各单元电路在单片机的控制下协调地工作，完成声波发射、接收、处理和上传功能。（一）超声成像测井地面系统由于超声成像测井仪的数据量很大，这套仪器中采用了2路16位的A/D釆样，其数据量可达到近100Kbit/s,因此原有的电缆模拟传输系统和数字编码传输系统已不能满足超声成像测井的要求。为此新研发了专门用于成像测井系统的高速电缆通讯系统，即高速电缆遥测短节。这种电缆遥测系统使用了目前最新的调制解调载码通讯技术,该系统采用标准的网络通讯协议，在3000米@4.75mm

4、的四芯电缆上以全双工方式传输数据，波特率为1MB/S的情况下，4个小吋无任何误码现象发工，从而克服了测井电缆不能传输高速数据的瓶颈现象，同时也为各种新老井下仪器的配套和任意组合打下基础。(%1)C8051F060的功能特点C8051F060E1］内核采用流水线结构，速度可达25MIPS(25MHz晶振)；其指令与标准系列51单片机兼容，因而掌握开发过程非常容易，该芯片的JTAG调试方式支持在线系统，全速，非插入调试和编程，且不占用片内资源。特点如下：(1)8个I/O端口，其中包括4个低部端口P0-卩3(可位寻址)和4个高部端口P4〜P7(不可位寻址)。可通过交叉开关实现I/O端口的灵活配

5、置；(2)5个16bit计数/定时器T0〜T4o具有自动装载、捕获、输出占空比为50%方波等功能；(3)2通道16bit的1MSPSA/D转换器ADCO和ADC1,8通道10bit200KSPS的A/D转换器ADC2；(4)2通道12bitD/A转换器DACO和DAC1；(5)可编程的16bit的PCA计数器阵列，PCA有6个，可作为时基的捕捉/比较模块，每个模块有6种工作方式；(6)3路模拟比较器，可以通过CPTnCN和CPTpMD这两个寄存器进行设置，同时还可以设置上升沿或下降沿的比较器输出中断；(7)通过C8051F060的SPI可访问4线全双工串行总线，C8051F060工作于全

6、双工模式的主方式时，可以通过向数据寄存器SPIODAT写入1B来启动1次数据传送；(8)C8051F060集成了CAN总线控制器，CAN总线可组成多节点的测控系统。综上所述，C8051F060是一种集成度高、功能强大的单片机芯片，非常适合于要求速度快、可靠性高、扩展功能强和节电的应用系统。（三）探管硬件结构以C8051F060单片机为主控芯片，设计了新型井壁超声成像测井仪的电路，单片机外围扩展了声波发射电路、声波发射幅度控制电路、回波预处理电路、程控放大电路、峰值保持器电路、回波吋间检测电路、行同步信号提取电路、命令接收电路和PCM码合成驱动电路等，各电路单元在单片机的控制下协调地T作，

7、完成声波发射、接收、处理和上传等功能。发射电路是在C8051F060-单片机的I/OII输出一定频率脉冲的控制下，重复地产生1MHz频率的超声波，由换能器发射出去，通过1路DAC可以控制声波发射幅度。回波预处理电路和程控放大器电路对回波信号进行滤波和放大后分成2路，一路送给峰值保持器后进入单片机的ADC通道；另一路送冋波时间检测器后进入单片机记录冋波时间。行同步信号提取电路对来自动滑环的行同步信号进行处理后进入单片机的外部中断口，作