閾值迭代超聲波測距系統設計

(中海油田服務股份有限公司1，天津 300451;中國石化石油工程技術研究院2，北京 100101)

0 引言

利用井徑數據可以判斷地層滲透性、井身質量，同時可以估算固井用的水泥量等，因此隨鉆測井中的井徑測量在油田勘探開發中是必測項目之一。在隨鉆條件下即鉆井過程中，整個測量儀器在高速旋轉，接觸式機械多臂井徑測量工具很容易被絞斷，而非接觸式的超聲波測距方式由于其定向發射、指向性好，成為隨鉆測井中井徑測量的首選[1]。井徑尺寸一般在200～400 mm，實際測量的距離為井筒半徑再減去儀器半徑，約為60～160 mm。此外隨鉆井徑測量精度一般要求在毫米量級，而且使用電池供電。因此，與傳統的超聲波測距系統相比,用于隨鉆井徑測量的超聲波測距系統有著特殊的要求：精度高、盲區小、功耗低。近年來,超聲波測距研究一直是熱門研究課題，相關研究文獻很多[2-8]，國際上也在持續研究[9-10]，但是研究滿足上述要求的文獻和產品鮮有報道，國際上主要隨鉆測井設備公司的相關技術信息也很少公開。本文主要圍繞上述要求，設計并實現了超聲波測距系統。

1 基本超聲波測距原理

利用超聲波進行距離測量時，主要使用的方法有：時差法、頻差法、速度差法等，其中以時差法應用最為廣泛和最易實現。超聲波測距系統測量時采用收發一體超聲波換能器，發射電路驅動超聲波換能器向介質發射超聲波，當超聲波傳播到另一種介質時，產生反射波，反射波傳播到超聲波換能器時被接收。設T為發射超聲波到捕獲反射波信號的時間，L為超聲波換能器表面到兩種介質界面的距離，v為超聲波傳播的速度，則可以得出以下公式：

T=2L/v

(1)

對于本系統來說，超聲波在液體中的傳播速度v約為1 450 m/s。該速度受溫度的影響較大，參考文獻[3]研究了溫度對超聲波傳播速度的影響。

2 迭代法捕捉最大反射波原理

為了滿足井下環境和井徑測量對超聲波測距的要求，在超聲波測距系統設計時必須考慮系統的復雜度、功耗、尺寸等。

參考文獻[6]利用高分辨率模數轉換器和數字細分的方法檢測出最大的反射波,可以有效提高測量精度。但是該方法不但需要使用高性能現場可編程門陣列,還需要使用12位32 MHz的模數轉換器和單片機,因此整個系統的硬件電路結構非常復雜。一般的高性能現場可編程門陣列芯片的管腳都在200條以上，12位32 MHz的ADC的管腳也在80條以上。因此，功耗、電路板尺寸等指標就不適合尺寸空間狹小并且主要依靠電池供電的隨鉆儀器。

參考文獻[3]提出的雙比較器整形確定反射波首波的方法也可以有效提高測量精度。但是該方法中兩個重要電壓值的設置要依靠經驗，考慮到實際使用環境的不確定性，設置的兩個比較器閾值可能都太小或者太大，從而導致測量結果存在較大誤差。

本文結合上述參考文獻，采用簡單的單片機加閾值可編程比較器的硬件結構，設計了一種通過多次迭代比較器閾值的方法，以有效捕捉最大反射波，提高測量精度。迭代算法是指在數值分析中通過從一個初始估計出發，尋找一系列近似解來解決問題的過程，為實現這一過程所使用的方法統稱為迭代法。超聲波測距就是通過多次調整比較器閾值的迭代測量方法，檢測反射波信號的最大值，并測量出從發射信號到檢測最大值反射波信號的時間。

根據超聲波換能器接收信號的機理與示波器觀測的波形，可以看出超聲波換能器接收的信號是一個逐步增強到一個最大值再逐步衰減的振蕩波形。由于吸收衰減和擴散損失，聲強隨目標距離變化而變化，當使用一個固定電壓閾值比較器捕捉反射波信號時，不能確定捕捉到的信號是反射波振蕩信號中的第幾個周期，因此測量時間差的偏差可能為幾個超聲波振蕩周期。

本文針對超聲波換能器接收到的第一個反射波，通過迭代算法檢測反射波中的最大值。迭代過程示意圖如圖1所示。

圖1 迭代過程示意圖

具體的迭代過程如下。

第一步，對定時器進行初始化，并設置比較器閾值為1/2U0，發射驅動信號。U0一般可設置為電源電壓。

第二步，如果比較器捕捉到反射波，則讀取定時器的定時數值。重新對定時器進行初始化，并設置比較閾值U1為1/2U0到U0的中間值，即3/4U0；如果比較器沒有捕捉到反射波，重新對定時器進行初始化，并設置比較閾值U1為0到1/2U0的中間值，即1/4U0。

第三步，記錄上次比較器設置的比較閾值，在此閾值基礎上重復第二步，具體如下。

例如上次記錄的U1為3/4U0，如果比較器捕捉到反射波，讀取定時值，設置定時器和比較閾值U2為3/4U0到U0的中間值，即7/8U0；如果比較器沒有捕捉到反射波，設置定時器和比較閾值U2為1/2U0到3/4U0的中間值，即5/8U0。

圖1顯示了由1/2U0→3/4U0→5/8U0→9/16U0→19/32U0的迭代過程。由于圖片分辨率的關系，只列出了5次即1/32的精度，實際使用中可以迭代8次，即有8位的分辨率，足夠區分出最大反射波信號和其他反射波信號。此時記錄的定時值就是發射信號時刻到檢測到最大反射波的時間差。如果選擇諧振頻率合適的超聲波換能器，則根據該時間差計算的距離精度足以達到毫米量級。

3 超聲波測距系統設計

迭代法超聲波測距系統主要由數據處理與通信模塊、超聲波驅動模塊、超聲波換能器、超聲波接收模塊以及相應的處理程序和算法組成。

3.1 超聲波測距系統硬件設計

為了實現迭代方法，需要采用可編程比較器作為超聲波接收模塊的核心器件。因此，考慮到井徑測量對超聲波測距系統的要求，設計了如圖2所示的超聲波測距硬件結構。

圖2 系統硬件結構框圖

圖2以單片機STM32F103為核心，單片機STM32F103完成上位機測距命令的接收、測量數據的反饋、超聲波換能器驅動信號的生成、反射波定時以及設置閾值可編程比較器。超聲波驅動模塊中主要包括驅動信號放大電路和脈沖變壓器，用于把單片機生成的驅動信號放大以驅動超聲波換能器。為了降低測量盲區，采用單脈沖發射信號降低發射波本身的振蕩時間。超聲波接收模塊主要包括接收信號的放大和濾波電路以及閾值可編程比較器。其中閾值可編程比較器通過8位數字信號與單片機相連，實現比較器電壓閾值的編程。越高頻的超聲波指向性越好，但是衰減得越快，反之亦然。經過綜合分析與試驗測試，最終選擇諧振頻率為500 kHz的超聲波換能器。

3.2 超聲波測距系統程序設計

迭代超聲測距的流程圖如圖3所示。

圖3 迭代程序流程圖

考慮超聲波發射信號振蕩余波導致的測距盲區，程序中需要加入延時30 μs再檢測反射波。此外，需要設置專門的寄存數組用于存儲迭代過程的數據。考慮程序的可讀性和可移植性，兼顧程序的編譯效率，本系統采用單片機高級語言C51編程。系統使用單片機STM32F103提供的在線編程功能，直接通過USB-JTAG轉接模塊，在PC機上仿真調試，調試成功后直接寫入代碼，不需要通過專門的編程器燒錄程序。單片機可以通過PC機直接在現場修改程序，可以現場調整功能和參數，這種方式給工業儀器儀表中參數修正和軟件升級帶來極大便利。

4 試驗結果分析

將超聲波換能器固定在可移動的夾具上，整個夾具浸入類似于鉆井液的鹽水水槽當中。夾具到水槽壁的距離可以調整，調整精度可以達到±0.1 mm。超聲波測量裝置、水槽壁和鹽水組成超聲波發射、傳播、反射和接收系統。測量環境:水溫20 ℃,密度1.05 kg/m3。測量時首先標定當前環境下超聲波的傳播速度v為1 454.3 m/s。直接測量結果是時間差T，通過式(1)變換，可以計算出測量距離L。測量數據如表1所示，表1中實際距離由卡尺測量校準獲得。

表1 試驗數據及其測量誤差

在超聲井徑測量系統中，主要技術參數包括：超聲換能器頻率為500 kHz，發射功率為100 mW。測試結果：測量精度為±1 mm，測量盲區為25 mm。測試結果證明，采用迭代方法的超聲波測距方式可以有效捕捉到反射波的最大值。由于距離越遠反射信號的信噪比越小，因此誤差越大，但是在180 mm的測量范圍內時間差的測量精度可以達到一個諧振周期以內，等效的距離測量精度為一個諧振周期超聲波傳輸距離的一半。因此，測量盲區25 mm、測量精度±1 mm、測量范圍180 mm可以滿足井徑的測量范圍要求。

5 結束語

本文設計的迭代算法超聲波測距系統具有結構簡單、尺寸小、低功耗和盲區小等優點，通過多次迭代，可以把反射波時間檢測精度提高到一個諧振周期以內。在超聲波信號頻率為500 kHz的情況下，反射波時間檢測精度約為0.5 μs，等效的距離測量精度達到±1 mm，且具有良好的線性和重復性。試驗表明，該系統可以滿足井徑測量要求。此外，該設計方法還有進一步改進的空間，例如根據環境的溫度對測量結果進行進一步修正，以提高精度。

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