阈值迭代超声波测距系统设计

(中海油田服务股份有限公司1，天津 300451;中国石化石油工程技术研究院2，北京 100101)

0 引言

利用井径数据可以判断地层渗透性、井身质量，同时可以估算固井用的水泥量等，因此随钻测井中的井径测量在油田勘探开发中是必测项目之一。在随钻条件下即钻井过程中，整个测量仪器在高速旋转，接触式机械多臂井径测量工具很容易被绞断，而非接触式的超声波测距方式由于其定向发射、指向性好，成为随钻测井中井径测量的首选[1]。井径尺寸一般在200～400 mm，实际测量的距离为井筒半径再减去仪器半径，约为60～160 mm。此外随钻井径测量精度一般要求在毫米量级，而且使用电池供电。因此，与传统的超声波测距系统相比,用于随钻井径测量的超声波测距系统有着特殊的要求：精度高、盲区小、功耗低。近年来,超声波测距研究一直是热门研究课题，相关研究文献很多[2-8]，国际上也在持续研究[9-10]，但是研究满足上述要求的文献和产品鲜有报道，国际上主要随钻测井设备公司的相关技术信息也很少公开。本文主要围绕上述要求，设计并实现了超声波测距系统。

1 基本超声波测距原理

利用超声波进行距离测量时，主要使用的方法有：时差法、频差法、速度差法等，其中以时差法应用最为广泛和最易实现。超声波测距系统测量时采用收发一体超声波换能器，发射电路驱动超声波换能器向介质发射超声波，当超声波传播到另一种介质时，产生反射波，反射波传播到超声波换能器时被接收。设T为发射超声波到捕获反射波信号的时间，L为超声波换能器表面到两种介质界面的距离，v为超声波传播的速度，则可以得出以下公式：

T=2L/v

(1)

对于本系统来说，超声波在液体中的传播速度v约为1 450 m/s。该速度受温度的影响较大，参考文献[3]研究了温度对超声波传播速度的影响。

2 迭代法捕捉最大反射波原理

为了满足井下环境和井径测量对超声波测距的要求，在超声波测距系统设计时必须考虑系统的复杂度、功耗、尺寸等。

参考文献[6]利用高分辨率模数转换器和数字细分的方法检测出最大的反射波,可以有效提高测量精度。但是该方法不但需要使用高性能现场可编程门阵列,还需要使用12位32 MHz的模数转换器和单片机,因此整个系统的硬件电路结构非常复杂。一般的高性能现场可编程门阵列芯片的管脚都在200条以上，12位32 MHz的ADC的管脚也在80条以上。因此，功耗、电路板尺寸等指标就不适合尺寸空间狭小并且主要依靠电池供电的随钻仪器。

参考文献[3]提出的双比较器整形确定反射波首波的方法也可以有效提高测量精度。但是该方法中两个重要电压值的设置要依靠经验，考虑到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或者太大，从而导致测量结果存在较大误差。

本文结合上述参考文献，采用简单的单片机加阈值可编程比较器的硬件结构，设计了一种通过多次迭代比较器阈值的方法，以有效捕捉最大反射波，提高测量精度。迭代算法是指在数值分析中通过从一个初始估计出发，寻找一系列近似解来解决问题的过程，为实现这一过程所使用的方法统称为迭代法。超声波测距就是通过多次调整比较器阈值的迭代测量方法，检测反射波信号的最大值，并测量出从发射信号到检测最大值反射波信号的时间。

根据超声波换能器接收信号的机理与示波器观测的波形，可以看出超声波换能器接收的信号是一个逐步增强到一个最大值再逐步衰减的振荡波形。由于吸收衰减和扩散损失，声强随目标距离变化而变化，当使用一个固定电压阈值比较器捕捉反射波信号时，不能确定捕捉到的信号是反射波振荡信号中的第几个周期，因此测量时间差的偏差可能为几个超声波振荡周期。

本文针对超声波换能器接收到的第一个反射波，通过迭代算法检测反射波中的最大值。迭代过程示意图如图1所示。

图1 迭代过程示意图

具体的迭代过程如下。

第一步，对定时器进行初始化，并设置比较器阈值为1/2U0，发射驱动信号。U0一般可设置为电源电压。

第二步，如果比较器捕捉到反射波，则读取定时器的定时数值。重新对定时器进行初始化，并设置比较阈值U1为1/2U0到U0的中间值，即3/4U0；如果比较器没有捕捉到反射波，重新对定时器进行初始化，并设置比较阈值U1为0到1/2U0的中间值，即1/4U0。

第三步，记录上次比较器设置的比较阈值，在此阈值基础上重复第二步，具体如下。

例如上次记录的U1为3/4U0，如果比较器捕捉到反射波，读取定时值，设置定时器和比较阈值U2为3/4U0到U0的中间值，即7/8U0；如果比较器没有捕捉到反射波，设置定时器和比较阈值U2为1/2U0到3/4U0的中间值，即5/8U0。

图1显示了由1/2U0→3/4U0→5/8U0→9/16U0→19/32U0的迭代过程。由于图片分辨率的关系，只列出了5次即1/32的精度，实际使用中可以迭代8次，即有8位的分辨率，足够区分出最大反射波信号和其他反射波信号。此时记录的定时值就是发射信号时刻到检测到最大反射波的时间差。如果选择谐振频率合适的超声波换能器，则根据该时间差计算的距离精度足以达到毫米量级。

3 超声波测距系统设计

迭代法超声波测距系统主要由数据处理与通信模块、超声波驱动模块、超声波换能器、超声波接收模块以及相应的处理程序和算法组成。

3.1 超声波测距系统硬件设计

为了实现迭代方法，需要采用可编程比较器作为超声波接收模块的核心器件。因此，考虑到井径测量对超声波测距系统的要求，设计了如图2所示的超声波测距硬件结构。

图2 系统硬件结构框图

图2以单片机STM32F103为核心，单片机STM32F103完成上位机测距命令的接收、测量数据的反馈、超声波换能器驱动信号的生成、反射波定时以及设置阈值可编程比较器。超声波驱动模块中主要包括驱动信号放大电路和脉冲变压器，用于把单片机生成的驱动信号放大以驱动超声波换能器。为了降低测量盲区，采用单脉冲发射信号降低发射波本身的振荡时间。超声波接收模块主要包括接收信号的放大和滤波电路以及阈值可编程比较器。其中阈值可编程比较器通过8位数字信号与单片机相连，实现比较器电压阈值的编程。越高频的超声波指向性越好，但是衰减得越快，反之亦然。经过综合分析与试验测试，最终选择谐振频率为500 kHz的超声波换能器。

3.2 超声波测距系统程序设计

迭代超声测距的流程图如图3所示。

图3 迭代程序流程图

考虑超声波发射信号振荡余波导致的测距盲区，程序中需要加入延时30 μs再检测反射波。此外，需要设置专门的寄存数组用于存储迭代过程的数据。考虑程序的可读性和可移植性，兼顾程序的编译效率，本系统采用单片机高级语言C51编程。系统使用单片机STM32F103提供的在线编程功能，直接通过USB-JTAG转接模块，在PC机上仿真调试，调试成功后直接写入代码，不需要通过专门的编程器烧录程序。单片机可以通过PC机直接在现场修改程序，可以现场调整功能和参数，这种方式给工业仪器仪表中参数修正和软件升级带来极大便利。

4 试验结果分析

将超声波换能器固定在可移动的夹具上，整个夹具浸入类似于钻井液的盐水水槽当中。夹具到水槽壁的距离可以调整，调整精度可以达到±0.1 mm。超声波测量装置、水槽壁和盐水组成超声波发射、传播、反射和接收系统。测量环境:水温20 ℃,密度1.05 kg/m3。测量时首先标定当前环境下超声波的传播速度v为1 454.3 m/s。直接测量结果是时间差T，通过式(1)变换，可以计算出测量距离L。测量数据如表1所示，表1中实际距离由卡尺测量校准获得。

表1 试验数据及其测量误差

在超声井径测量系统中，主要技术参数包括：超声换能器频率为500 kHz，发射功率为100 mW。测试结果：测量精度为±1 mm，测量盲区为25 mm。测试结果证明，采用迭代方法的超声波测距方式可以有效捕捉到反射波的最大值。由于距离越远反射信号的信噪比越小，因此误差越大，但是在180 mm的测量范围内时间差的测量精度可以达到一个谐振周期以内，等效的距离测量精度为一个谐振周期超声波传输距离的一半。因此，测量盲区25 mm、测量精度±1 mm、测量范围180 mm可以满足井径的测量范围要求。

5 结束语

本文设计的迭代算法超声波测距系统具有结构简单、尺寸小、低功耗和盲区小等优点，通过多次迭代，可以把反射波时间检测精度提高到一个谐振周期以内。在超声波信号频率为500 kHz的情况下，反射波时间检测精度约为0.5 μs，等效的距离测量精度达到±1 mm，且具有良好的线性和重复性。试验表明，该系统可以满足井径测量要求。此外，该设计方法还有进一步改进的空间，例如根据环境的温度对测量结果进行进一步修正，以提高精度。

[1] 阮玉柱，陈凡，胥召，等.超声波测径在钻井过程中的应用[J].内蒙古石油化工，2010，20(23)：130-132.

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