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)

0　引言

井径测量在油田勘探开发中是必测项目之一，利用井径曲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泥量等。非接触式的超声波测距方式，由于其定向发射、指向性好，再结合微电子技术实现的距离测量系统具有息处理简单、速度快的优点，成为了随钻测井中井径测量的首选[1-2]。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要求。井眼大小一般在200～500 mm，而且考虑到超声波换能器安装在柱状仪器外表面，实际测距范围一般在30～200 mm，精度要求到mm级，且仪器大多由电池供电。因此，对超声波测距系统的要求是低盲区、低功耗、高精度、小尺寸。

1　超声测距原理

超声波换能器发射面浸入介质A当中(例如：空气、水)，驱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A物理特性差异明显的另一种介质B(例如：金属、罐壁、井壁)将产生较强的反射波，该反射波传回到超声波换能器，驱动换能器产生谐振并输出电能信号，该电能信号通过放大和比较处理被测距电路捕获。通过计量从驱动超声波到捕获反射波信号的时间Δt，可以计算出超声波换能器表面到两种介质界面的距离S：

S=v·Δt/2

(1)

式中v为超声波在介质A中的传播速度。

2　超声波收发电路设计

整个测量过程，由于吸收衰减和扩散损失，超声波能量随目标距离变化。同时超声波能量的衰减随频率增大而成指数增加，但频率越高，指向性越强，这一点有利于短距离的测量。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[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。而参考文献[4]出一种通过数字细分和高分辨率A/D超声波传输时间精密测量方法可以有效提高测量精度，由于采用了12位32 MHz的A/D采样，其系统设计复杂程度非常高，该文献也介绍其硬件系统不但需要单片机，还需要高性能的FPGA才能完成测量，因此功耗、PCB尺寸等指标就不合适尺寸空间狭小并且主要依靠电池供电的随钻仪器。国内外研究机构也一直进行其他超声测距方法的研究[5-7]，但都难以满足井径测量需求。本系统设计了增益可变反射波信号前沿检测方法，通过多次的增益校正，使得第一个反射波信号前沿被比较器扑捉到的方式提高测距精度。

由于前置放大器的输入端与发射线是连接在一个点上，而发射幅度峰值最大值为12 V左右，且没有收发开关，因此要求前置放大器的恢复时间要快，即要求有较宽的频带。为提高信噪比，要求其输出阻抗低。所设计的超声波测距系统主体硬件电路图如图1所示。考虑到篇幅，图中省略了晶振、串口转换、电源接口等基本电路。其中可编程增益放大器选用PGA112，可变增益为1、2、4、8、16、32、64、128。该芯片与单片机的接口非常简单，主要由片选信号、时钟信号和数据信号构成，其通讯方式采用SPI总线方式。

图1　测距系统主体硬件电路图

3　捕捉第一反射波前沿原理

系统通过多次的增益变化，测量和判断出第一个反射波信号前沿返回的时间。图2是实验中示波器观察到的经过滤波放大的反射波信号。从图中明显可以看出接收到的反射信号周期性振荡，其频率为换能器的谐振频率，其振荡幅值开始逐渐增大，当达到发射波周期个数以后(系统发射周期设置为5个)幅值则开始逐渐减少。根据超声波反射信号的上述特点，系统提出判断检测到第一个反射波信号前沿的过程如下：

(1)对检测信号设置1倍增益，检测出发射超声信号到接收反射信号的往返时间t1。对检测信号设置2倍增益，检测出往返时间t2。如此类推，每次增益为上一次的2倍，检测出往返时间t3、t4、t5、t6、t7、t8。

(2)对t1、t2…t8求差，t12=t1-t2，t23=t2-t3…，t78=t7-t8。

(3)判断差值t12，t23，…t78与换能器谐周期的大小关系，确定第一个反射波信号前沿位置。

图2　测量波形

判断的依据：根据反射波形，除了第一个反射波周期的最大幅值远大于噪声幅值以外，后续反射波周期的最大幅值不会远大于前一个周期。此判断依据是经验总结，理论论证尚未成熟。因从t12开始如果连续2个差值小于换能器谐振周期的一半，则这3个相邻往返时间都是检测到1个周期内，因此可以断定已经检测到了了第一个反射波前沿。

为简化计算，设超声波在水中的传播速度v为1 450 m/s．根据超声波的谐振频率1 MHz计算的计时偏差为1 μs，因此等效的距离误差计算如下：

ΔS=v·Δt/2=1450×1×10-6/2 (m)

=0．000725(m)=0．725(mm)

(2)

上式计算并未考虑其他噪声的影响，因此最终计算的距离误差将比0．725 mm高。

4　程序设计

超声测距程序的流程图如图3所示。考虑到测距盲区，流程图中需要加入延时30 μs再检测反射波，否则系统将把发射波的余波误认为反射波信号。此外由于反射面距离太远或角度等情况，无法检测到反射波，当计数器溢出时，程序则跳出等待检测反射波，重新开始测距。

系统利用单片机STM32F103提供的在线编程功能直接通过USB-JTAG转接模块，在PC机上对系统进行编程，写入代码，而不需要从电路板上取下器件，通过专门的编程器下载程序。单片机可以通过PC机直接在现场修改程序，对功能和参数可以现场调整，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方便。

5　实验结果分析

为了验证系统的测量精度，在实验室进行了模拟测量。将超声波换能器安装在可移动的面板上，整个面板浸入装满类似于钻井液的盐水水槽当中，面板与水槽壁的距离变化精度为0．1 mm．

在这个模拟测距环境的试验中，由超声波

图3　主程序流程图

测距系统、盐水、水槽壁构成超声波反射波体系，建立了超声波信号传输环境，超声波测距系统各模块工作良好。经过水槽壁反射的超声波信号经过放大、滤波、比较、时钟计数和计算获得距离信号清晰准确。测量数据如表1所示，表1中实际距离由卡尺测量调整得到。

表1　实验数据及其测量误差　mm

超声测距系统主要技术指标：超声波换能器频率1 MHz、发射功率100 mW，测量精度±1 mm，测量盲区25 mm．

6　结束语

该测距系统应用到基于超声测距的随钻井径测量系统当中，高效高精度的完成了仪器到井壁的距离测量，由此测量数据计算的井径参数完全符合实际需求。在测量超声波传输时间过程中，超声波换能器的谐振频率、比较器的阈值和可编程增益放大器的增益级数及每级之间倍数是测量分辨率的3个重要因素。第一个反射波前沿的确定是经过多次采样，并对采样结果进行特征分析精确确定，具有很好的稳定性。所述设计还有待于进一步改进，例如需要根据钻井液的温度、压力、密度等因素对测量结果进行误差校正。此外还须对系统的可靠性、工作温度、压力范围进行进一步的研究。

参考文献：

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

[2]王天波，史峰．利用声速测井仪同时测量井径和微差井径，江汉石油学院学报，2000，22(2)：95-96．

[3]赵海鸣，卜英勇，王纪婵．一种高精度超声波测距系统的研制．矿业研究与开发，2006，26(6)：62-65．

[4]张兴红，向凤云，张天恒，等．超声波传输时间精密测量方法及应用研究．中国机械工程，2012，23(6)：651-654．

[5]李云龙，卜雄洙，赵文，等．新型嵌入式超声波测距系统．仪表技术与传感器，2012(1)：97-99．

[6]KAZYS R，MAZEIKA L，SLITERIS R，et al.A online profiling of nonplanar objects by high-resolution air-coupled ultrasonic distance measurements．Instrumentation and Measurement，IEEE Transactions，2007，56(5)：1825-1830．

[7]JIANG S B，LIN D Y，LU F M，et al．An innovative ultrasonic Time-of-Flight measurement method using peak time sequences of different frequencies．Instrumentation and Measurement，IEEE Transactions，2011，60(3)：735-744．