基于正余弦旋轉變壓器在井周超聲成像中的應用

成 思孟令紅代 輝

(1.中國電子科技集團第二十二研究所 河南新鄉) (2.延長油田南泥灣采油廠 陜西延安)

基于正余弦旋轉變壓器在井周超聲成像中的應用

成 思1孟令紅2代 輝1

(1.中國電子科技集團第二十二研究所 河南新鄉) (2.延長油田南泥灣采油廠 陜西延安)

利用正余弦旋轉變壓器所產生的角度關系,結合硬軟件,為井周超聲成像換能器提供精確發射時刻和圈同步信號,同時為電機提供正確的換相時刻。文章簡要描述了正余弦旋轉變壓器的工作原理,重點介紹了硬件和軟件方法。該方法簡單可靠,可在測角系統中廣泛應用。

正余弦旋轉變壓器;井周超聲成像;發射

0 引 言

井周超聲成像是利用收發合一的超聲換能器對井壁(裸眼井或套管井)進行螺旋掃描,然后對反射回的超聲波信號進行濾波、增益自動控制和采集,提取首波到達時間和峰值幅度。地面根據提取的到達時間和峰值幅度信息,結合方位,就可以進行幅度成像和時間成像。結合換能器所固有的分辨率,為了達到周向分辨率,要求換能器每旋轉一圈就需發射200次(裸眼井)或100次(套管井),也就是每1.8°或3.6°發射一次。如果角度太大,根據采樣定理可知信號不能完整復原,從而不能真實反映地層;如果角度太小,信號的重復率就越高,盡管這對信號的復原很有好處,但會大大影響測井速度。所以,精確選取兩次發射的間隔角度就顯得十分重要。

1 正余弦旋轉變壓器的工作原理

旋轉變壓器(resolver)是一種電磁式傳感器,又稱同步分解器。它是一種測量角度用的小型交流電動機,用來測量旋轉物體的轉軸角位移和角速度,由定子和轉子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊,接受勵磁電壓,勵磁頻率通常用400 Hz、3 000 Hz及5 000 Hz等。轉子繞組作為變壓器的副邊,通過電磁耦合得到感應電壓。旋轉變壓器的轉子上沒有輸入或輸出繞組,它只是一個閉合的線圈。定子上所加的勵磁信號,感應到轉子線圈。定子上的相互垂直的繞組感應轉子線圈磁場的變化,從而輸出正余弦信號[1]。其原理圖如圖1所示。

圖1 正余弦旋轉變壓器結構圖

其中,θ為軸轉角,sin(ωt)為勵磁信號,K為變壓器變比,V為勵磁信號幅度。

旋轉變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似,區別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對固定的,所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數,而旋轉變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉子的角位移發生相對位置的改變,因而其輸出電壓的大小隨轉子角位移而發生變化,輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數關系。旋轉變壓器在同步隨動系統及數字隨動系統中可用于傳遞轉角或電信號。

2 正余弦角度信號的數字化

旋轉變壓器的輸出是包含著位置信息的模擬信號,單片機處理的是數字信號,故需對其處理并將其轉化成對應的包含著位置信息的數字量,才能與單片機控制芯片接口。這就需要設計相應的信號轉換電路或者使用專用的旋轉變壓器—數字轉換器(AD2S80)來實現,后者由于有功能強、可靠性高、使用方便等優點而被廣泛采用[2]。

AD2S80的優點:

1)允許用戶自己選擇適合的的分辨率。AD2S80提供有10位、12位、14位或16位的分辨率,用戶可根據需要,通過外圍器件的不同連接選用不同的分辨率。

2)通過三態輸出引腳輸出并行的二進制碼來表征位置信息,因而很容易與單片機控制芯片接口。

3)采用比率跟蹤轉換方式,使之能連續輸出位置數據并具有較強的抗干擾能力和遠距離傳輸能力。

4)用戶可通過外圍阻容元件選擇,改變轉換的動態性能,如帶寬、最大跟蹤速率等。

5)具有很高的最大跟蹤速度,10位分辨率時的最大跟蹤速度為1 040轉/秒。

6)能提供高精度的速度信號輸出。AD2S80能提供與轉速成正比的模擬信號,其典型的線性度達到±1%,回差小于±0.3%。

在AD2S80的使用中,其外圍的元器件選擇需要按照AD2S80的資料比較準確地計算,否則對正余弦輸出信號會有一定的影響,嚴重的可能導致AD2S80不能正常工作。

3 電路設計

正余弦變壓器的副邊與電機的轉子連接在一起,裝有超聲晶體的掃描頭通過連軸器與電機的轉子連接。當電機轉動時,帶動正余弦變壓器副邊一起轉動,從而在正余弦變壓器的原邊產生角度相關的正余弦信號。以下是電路的結構部分。

電路部分包括:振蕩電路、譯碼電路、電機控制電路和發射電路。

振蕩電路為正余弦變壓器提供5 V的激勵信號,并且為AD2S80處理部分電路提供參考信號。AD2S80根據參考信號和正余弦變壓器產生的正余弦信號,自動產生與角度相關的10位數字化信號和轉換有效信號。當一次轉換結束時,AD2S80的BUSY就置低;當一圈轉動結束時,即AD2S80的輸出全部為0時,其RCLK就輸出一個脈沖。

譯碼電路由鎖存器與EPROM組成。它把AD2S80輸出的10位信號和200點/100點選擇信號當作地址,把轉換有效信號(BUSY)當作觸發信號,在0000-1023的地址空間輸出此角度需要的控制狀態。1024個地址預先存放相對應的發射控制信號和電機換相控制信號。當選擇200點時,轉子轉到1.8°、3.6°、5.4°……360°等須發射的角度時,譯碼電路就根據此地址選出預存數據來控制超聲換能器的發射。當選擇100點時,轉子轉到3.6°、7.2°……360°時,就控制超聲換能器發射。同時,它們都在AD2S80輸出為0時,EPROM還要輸出圈同步信號,通知單片機電機已轉動一圈,準備處理此圈的數據。另外,電機的換相控制信號須由電機的型號來具體確定。圖2是系統控制框圖。

圖2 系統控制框圖

4 軟件設計

由于控制發射信號和換相信號在某個角度是固定的輸出,所以譯碼電路只需鎖存器和EEPROM就能滿足要求。在編程時,把事先設計好的數據寫入到EEPROM就能產生所需的控制信號[3]。

在井周超聲成像中,掃描頭每轉一圈需要晶體發射200次或100次,也就是每1.8°或3.6°發射一次。對于AD2S80,選擇10位AD輸出時,也就是每變化一個AD數,角度就變化360°/1024=0.3515625°。當選擇200次/圈時,從上一次正確發射到本次發射,AD數就要變化5,即5×0.3515625°=1.7578125°。如果一直按照每變化5個AD數就發射一次,當發射200次時,其實際角度為200×0.3515625°=351.5625°,而不是360°。所以,在編程時,就要以實際轉過的角度為準。

圈同步信號的產生不存在以上問題。編程時只需在AD2S80輸出為000H時,把圈同步信號置高,其余角度輸出全部置低,就能產生圈同步信號。

根據準確的發射時刻信號,通過延時產生一定寬度的高壓窄脈沖,就能正確地控制超聲晶體的發射。

向EPROM寫入的部分數據見表1。

表1 向EPROM寫入數據示例

5 結束語

使用正余弦旋轉變壓器代替傳統的霍爾器件來測角度,不僅安裝方便且精度較高。通過對硬軟件的調試,能很好地控制超聲晶體發射和無刷直流電機轉動。目前此電路已使用在井周超聲成像儀器中。

[1] 王 晨,梁雁冰,殷鳳群.旋轉變壓器在動量輪測角系統中的應用[J].科學技術與工程2007,15(7)

[2] AD Inc.Analog Device.Resolve-To-Digital Converter AD2S80A[M].2000

[3] 余錫存,曹國華.單片機原理及接口技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2001

P631.8+1

B

1004-9134(2011)01-0091-02

成 思,男,工程師,1998年畢業于桂林電子工業學院,現在中國電子科技集團第二十二研究所從事石油儀器研發工作。郵編:453003

2010-10-09編輯:高紅霞)