用于井筒中的声学遥测的磁致伸缩换能器预载荷的自动调整的制作方法

本公开涉及用于部署在油气井和其它井中的用于无线声信号传输的设备和系统，所述设备和系统具有与下井仪器串钻井系统或其它此种井系统下井仪器串系统一起使用的磁致伸缩换能器。

发明背景

在一些井系统应用中，跨越下井仪器串的某些区域使用缆线或平直管线通信连接是不理想的或不可行的。在井下传输信号而不使用线路的一个方法是使用声学链路，其中磁致伸缩换能器被用于传输声波到下井仪器串的金属中，所述声波然后沿所述下井仪器串传播并且被位于下井仪器串上别处的传感器接收。然而，在许多钻井应用中，下井仪器串的末端处的钻井设备的振动和运动可能会引起噪声或者会干扰通过下井仪器串物理传输的声学信号。

附图简述

下面参考以下附图详细地描述本公开的说明性方面。

图1-1是根据本公开的一些方面的部署在井筒中的具有磁致伸缩换能器系统的井系统下井仪器串的示意图。

图1-2是根据本公开的一些方面的部署在井筒中的具有磁致伸缩换能器和声学遥测接收器的井系统下井仪器串的示意图。

图2是根据本公开的一些方面的磁致伸缩换能器的示意性图解。

图3是根据本公开的一些方面的磁致伸缩芯对线圈中的输入电流的响应的示意图，其中所述磁致伸缩芯被磁化且经受预载荷力。

图4是根据本公开的一些方面的磁致伸缩芯对线圈中的输入电流的响应的示意图，其中所述磁致伸缩芯是非磁化的且经受预载荷力。

图5是根据本公开的一些方面的有关磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力的应变响应的传递特征的曲线图。

图6是根据本公开的一些方面的磁致伸缩换能器的示意性系统图，所述磁致伸缩换能器具有反馈控制环路以自动地调整磁致伸缩换能器中的预载荷力，其中所述磁致伸缩芯被磁化。

图7-1是根据本公开的一些方面的磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力的应变响应的曲线图，其中无预载荷力作用在磁致伸缩芯上。

图7-2是根据本公开的一些方面的磁化磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力的应变响应的曲线图，其中预载荷力作用在所述磁致伸缩芯上以将所述磁致伸缩芯设定在平衡工作点处。

图7-3是根据本公开的一些方面的磁化磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力的应变响应的曲线图，其中不充分的预载荷力作用在所述磁致伸缩芯上，由此将所述磁致伸缩芯设定在平衡工作点以下。

图7-4是根据本公开的一些方面的磁化磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力的应变响应的曲线图，其中过多的预载荷力作用在所述磁致伸缩芯上，由此将所述磁致伸缩芯设定在平衡工作点以上。

图8是根据本公开的一些方面的磁致伸缩换能器的示意性系统图，所述磁致伸缩换能器具有反馈控制环路以自动地调整磁致伸缩换能器中的预载荷力，其中所述磁致伸缩芯是非磁化的。

图9-1是根据本公开的一些方面的非磁化磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力的应变响应的曲线图，其中预载荷力作用在所述磁致伸缩芯上以将所述磁致伸缩芯设定在基线工作点处。

图9-2是根据本公开的一些方面的非磁化磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力的应变响应的曲线图，其中负磁场已经将磁致伸缩芯从基线工作点移开。

图9-3是根据本公开的一些方面的非磁化磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力的应变响应的曲线图，其中正磁场已经将磁致伸缩芯从基线工作点移开。

图10是描述根据本公开的一些方面的用于具有磁化磁致伸缩芯的磁致伸缩换能器的反馈控制环路过程的流程图。

图11是描述根据本公开的一些方面的用于具有非磁化磁致伸缩芯的磁致伸缩换能器的反馈控制环路过程的流程图。

具体实施方式

本公开的某些方面涉及部署在井筒环境中的用于沿下井仪器串的区域传输信号的设备、系统和方法，其中所述下井仪器串的结构排除使用机械或电气连接来传输信号。当在钻头上或接近钻头的位置测量和收集数据时可能会出现对此种无线信号传输的需要，其中收集的数据需要被传递到井上以进行进一步处理，但是沿下井仪器串的长度的诸如泥浆马达或其它线阻工具元件等其它设备致使缆线或平直管线通信元件的使用具有挑战或不可行。

当下井仪器串的区域排除使用缆线或平直管线通信元件时，可以使用磁致伸缩换能器以将接收的信号作为声波传送到下井仪器串的金属中，尤其是下井仪器串的断续区域中。可以使用定位在磁致伸缩换能器对面的断续区域的对立侧上的诸如加速度计等声学遥测接收器接收声学信号。声学遥测接收器可以将声波转换成电气信号以用于进一步传输。磁致伸缩换能器可以定位于或定位邻近下井仪器串的钻铤，并且可以沿下井仪器串将具有足够的强度或增益以保持信号的实质性数据的声学信号传输给至多约五十英尺(50')远的接收器换能器。然而，在钻井应用中，钻顶部或钻头的振动可能会减弱或干扰沿下井仪器串(替代地称作用于钻井应用的钻柱)传输的声学信号。

磁致伸缩换能器可以由电磁体构成，其中磁芯由诸如terfenol-d等展示出磁致伸缩性质的合金制成。磁芯可以视需要成型，诸如成型为大体圆柱形或棒形形状，并且可以被称作磁致伸缩芯。使电流传递通过围绕磁致伸缩芯的线圈或螺线管引起磁致伸缩芯的长度拉伸，其中磁致伸缩芯的尺寸变化(或“应变”)大体上与电流的磁动势力成正比。磁致伸缩元件的应变可以被理解成由磁诱导应力产生的长度延伸或变化，所述磁诱导应力由磁域响应于施加的矫顽磁力排列其长轴引起。磁致伸缩芯可以延伸的程度将与用于构建磁致伸缩芯的材料的拉伸模量(杨氏模量)有关。每一磁致伸缩芯可能具有传递特征，其中所述延伸具有应变与磁动势力成正比的线性区域和经过所述线性区域的饱和区域，在所述饱和区域中所述延伸与磁动势力不成正比。由电流输送的电力、磁致伸缩芯的线性应变区域的范围和饱和应变区域的范围大体上确定磁致伸缩芯的物理延伸程度。如果磁致伸缩芯已经处于应变状态，那么电流的方向或极性可能会影响磁致伸缩芯的应变是否会引起膨胀或收缩。

用于声学链路的基本信号是正弦波。因为信号功率中的大多数集中在基础频率且正弦波的一些能量处于较高阶谐波频率这一事实，所以未调制的正弦波具有相对较小的带宽。用于未调制的正弦波信号的接收器将对正弦波频率的任一侧的小范围频率敏感，所述小范围频率具有足够宽的带宽以便正确地解释信号。在无如本文所公开的修改的情况下，施加至包含磁致伸缩芯的螺线管的交流电将以两倍的电流频率产生机械振荡和对应的声波。在每一单个电流信号周期上，独立于极性，磁致伸缩芯的机械振荡和所述声波将具有对应于两个振幅峰值的特征。因此，当使用正弦波驱动螺线管时，未修改的磁致伸缩芯的机械输出类似于输入正弦波的全波整流。

在本公开的一些方面中，为了避免全波整流效应，可以施加预载荷力，以使得磁致伸缩芯被置于应力下以延伸至大约在传递特征的线性区域的一半长度处的长度。为了建立预载荷力，首先使磁致伸缩芯磁化至贯穿饱和区域的最大长度，以使得磁致伸缩芯延伸至其最大长度。然后施加压缩载荷即所述预载荷力，以将磁致伸缩芯压缩至位于最大线性区域延伸的约一半长度处的长度。当磁化磁致伸缩芯的延伸经受物理预载荷分量和磁性预载荷分量中的任何一个或二者时，使得磁致伸缩芯被压缩至可以被描述成平衡工作点的作用长度。预载荷力的物理分量可能包括定位在磁致伸缩芯与其中安装有所述磁致伸缩芯的结构之间的弹簧。预载荷力的对立磁场分量可能来自于永磁体，所述永磁体定位在用以在与由磁化磁致伸缩芯生成的磁场对立的方向上延伸磁力的位置处。建立在通电螺线管与磁致伸缩芯之间的磁场和来自永磁体的对立磁场可以被称作永久作用磁场。在任何平衡工作点处，由螺线管产生的磁场可能基于输入电流和信号升高或降低，并且将由此增强或减弱永久作用磁场，从而引起磁致伸缩芯长度在平衡工作点附近的变化或振荡。

在磁致伸缩芯的预载荷定位在平衡工作点处的情况下，磁致伸缩换能器能够将钻井或系统振动纳入考虑，测量到的唯一信号来自从传感器接收的实质性载波信号。磁化磁致伸缩芯系统由此在反馈环路中将钻铤中的实质性信号与钻井振动噪声隔离。

在本公开的其它方面中，磁致伸缩换能器的全波整流效应可以并入信号传输过程中，其中接收的载波信号由于全波整流效应的加倍有助于通过磁致伸缩换能器放大信号。施加压缩载荷即所述预载荷力至非磁化磁致伸缩芯，以使得磁致伸缩芯被压缩至最小长度，其中磁致伸缩芯的应变为零。磁致伸缩芯的最小长度可能是非磁化磁致伸缩芯的作用长度，并且所述最小长度可以被描述成基线工作点。预载荷力的物理分量可能包括定位在磁致伸缩芯与其中安装有所述磁致伸缩芯的结构之间的弹簧。预载荷力的对立磁场分量可能来自于永磁体，所述永磁体定位在用以在与磁致伸缩芯延伸的方向相反的方向上延伸磁力的位置处。在基线工作点处，传递通过螺线管的电流不论是何极性，会引起磁致伸缩芯延伸，并且将由此引起磁致伸缩芯长度在基线工作点处和基线工作点以上振荡。

当磁致伸缩换能器被部署在井筒中的井下时，由弹簧提供的预载荷力可能会由于以下而变化：钻铤上的载荷，井筒环境中的温度变化，和附接有磁致伸缩换能器的钻柱的振动。所述振动可能会引起影响被驱动到磁致伸缩换能器中的信号的畸变产物，从而可能将磁致伸缩换能器的磁致伸缩芯压缩至最小长度(替代地称作零点或基线长度)，或者将磁致伸缩换能器的磁致伸缩芯延伸经过线性区域，并且进入磁致伸缩芯传递特征的饱和区域中。在两种情况下，所述畸变产物可能会引起为接收的载波信号的偶阶谐波尤其是产生二阶谐波的信号。所述谐波畸变产物可能会造成传输功率浪费和接收器处的信噪比降低或减弱。

在本公开的各方面中，振荡器被用于基于实质性载波信号选择和提供谐波参考信号。对于具有磁化磁致伸缩芯的磁致伸缩换能器系统，振荡器可以提供二阶谐波信号作为参考信号。对于具有非磁化磁致伸缩芯的磁致伸缩换能器系统，振荡器可以提供次谐波信号作为参考信号。谐波参考信号被驱动至相位检测器，因此使得相位检测器仅对可能是相对较窄的频带的振荡器频率敏感。在相位检测器与积分器或信号滤波器组合的情况下，检测器模块输出与参考谐波成正比的dc信号。所述dc信号可以被称作校正信号，其中向接收的实质性载波信号加入或减去所述校正信号，并且将所述校正信号输送至磁致伸缩换能器。校正信号对载波信号的作用引起磁致伸缩芯延伸或收缩，由此维持磁致伸缩芯的工作长度和工作点，以便保持在由预载荷力设定的位置处。在多个方面中，振荡器可以响应于从传感器接收的实质性载波信号的变化改变操作过程期间其输送参考信号的频率。

本公开的方法和系统可以很好地适合于缆线或平直管线取样操作、永久或半永久生产监控、随钻测井(lwd)应用或随钻测量(mwd)应用。

给出本文所讨论的说明性实例以向读者介绍此处讨论的一般主题，且并非意在限制公开的概念的范围。以下部分参考附图描述各种额外方面和实例，在附图中相同的数字指示相同的要素，并且方向性描述被用于描述说明性方面。以下部分使用诸如“井上”、“向上”、“在...之上”、“井下”、“向下”、“在...下方”、“向内”、“向外”等有关附图中所绘示的说明性方面的方向性描述：井上方向朝向井的表面，井下方向朝向井的趾部，向内方向朝向下井仪器串、套管或心轴的纵向轴线(也可以被称作“主轴线”或“中心线”)，且向外方向远离下井仪器串、套管或心轴的纵向轴线。另外，本文所描述的结构元件的多个部分可以通过其被采用时的一般取向来指代，所述一般取向例如井上端或井下端。类似地，本文所描述的结构元件的多个部分可以通过其内(面向内)表面和外(面向外)表面来指代。与说明性方面一样，包括在以下部分中的数字和方向性描述不应被用于限制本公开。

图1-1是具有部署在井筒102中的下井仪器串106的井系统100的示意图，所述下井仪器串106具有部署在井筒102内的连接至管状构件111的井下工具113。如本文所公开的磁致伸缩换能器系统121可以机械耦接至井下工具113与管状构件111二者。井下工具113可能包括在井筒102应用中使用的工具中的一个或多个，包括但不限于，钻井工具、生产工具、完井工具、缆线和/或平直管线通信工具。磁致伸缩换能器系统121可以经由井下工具113沿管状构件111声学传送接收的信号，并且进一步传送信号至定位在井筒102的表面103处的控制单元126。在所述方面中，磁致伸缩换能器系统121通过利用由管状构件111提供的机械连接在下井仪器串106和/或控制单元126的不同井上区域与井下区域之间提供通信通道。控制单元126可能与磁致伸缩换能器系统121电气通信，并且可能包括部分被配置以从沿下井仪器串106定位的磁致伸缩换能器系统121接收数据的非暂时性计算机可读媒体和微处理器。在一些方面中，磁致伸缩换能器系统121可能是具有反馈功能性的自动调整系统，所述自动调整系统用于至少部分放大来自接收的信号的实质性信号以及至少部分减小来自接收的信号的噪声。与钻井系统100相关联的方法可以合并本公开的原理。

图1-2是具有部署在井筒102中的下井仪器串106的井系统100的替代性配置的示意图，所述下井仪器串106具有磁致伸缩换能器120和声学遥测接收器122。在图示的钻井系统100中，通过旋转位于下井仪器串106的末端上的钻顶部114来钻出形成在地球岩层104中的井筒102。在一些方面中，井筒102可能具有沿井筒102的侧面存在的母体套管(未示出)。另外，在下井仪器串106具有如图所示的钻井设备的情况下，下井仪器串106可以替代地被称作钻柱。钻顶部114可能是钻头或行业中已知的其它此种井筒钻井组件。在替代性方面中，在下井仪器串106具有井下生产工具或完井工具的情况下，下井仪器串106可以被称作生产管柱或完井管柱。

在一些方面中，下井仪器串106可能包括第一下井仪器串区域108、第二下井仪器串区域110和马达区域112，其中马达区域112机械地耦接至第一下井仪器串区域108与第二下井仪器串区域110二者。如图1-2中所示，第一下井仪器串区域108定位在马达区域112的井上，其中所述第一下井仪器串108可能包括在钻井系统中使用的多个区段、传感器、工具、通信设备、仪表和其它下井仪器串设备，所述钻井系统在第一下井仪器串区域108的内部、上方或沿所述第一下井仪器串区域108直到并穿过井表面103。第二下井仪器串区域110定位在马达区域112的井下，其中所述第二下井仪器串110可能类似地包括在钻井系统中使用的多个区段、传感器、工具、通信设备、仪表和其它下井仪器串设备，所述钻井系统在第二下井仪器串区域110的内部、上方或沿所述第二下井仪器串区域110向下并且直到井筒102的底部(或趾部)或下井仪器串106的末端为止。在其它方面中，下井仪器串106可能具有定位在井下的一个或多个马达区域112，其中补充第一下井仪器串区域108和第二下井仪器串区域110的其它下井仪器串区域定位在所述一个或多个马达区域112的井上或井下中的任何一个或二者处。

马达区域112可能包括钻铤116，所述钻铤116可能是包围或安装特定马达设备118的结构。钻铤116可以特别地耦接至第一下井仪器串区域108和第二下井仪器串区域110中的任何一个或二者。马达设备118可能是排除物理线路的使用或穿过马达区域112的泥浆马达或具有移动零件或线阻工具元件的其它此种装置。马达区域112的排除物理线路的使用或穿过马达区域112的结构方面可能包括：马达设备118的旋转，马达设备118排放或排空流体，或由马达区域112的元件施加的将与穿过马达区域112或在马达区域112旁边的缆线或平直管线通信元件相互作用的其它机械应变。

磁致伸缩换能器120可以沿下井仪器串106纵向地布置，平行于下井仪器串106的中心线。在许多方面中，磁致伸缩换能器120位于马达区域112下方的位置中，并且机械地耦接至钻铤116。在其它方面中，磁致伸缩换能器120至少部分机械地耦接至马达区域112。磁致伸缩换能器120可能进一步与井下传感器124电气通信，并且从井下传感器124接收信号以跨越马达区域112传输。在一些方面中，井下传感器124可能是钻顶部传感器，其被配置以测量和检测：钻顶部114的运行，诸如旋转速度、速度变化、脉冲或钻顶部114的旋转中断等计量参数；即mwd或lwd测量结果。在其它方面中，井下传感器124可以测量和检测对应于下井仪器串106的运行的其它参数。在替代性方面中，井下传感器是被配置以检测地球岩层104中的接近地层的特征的密度传感器。在其它方面中，井下传感器124可能是电池供电式传感器。井下传感器124可以发送信号到井上，其中例如正信号可以第一频率(例如，1000hz)发送，且负信号可以与第一频率不同的第二频率(例如，900hz)发送。在一些方面中，井下传感器124通过缆线或平直管线连接发送实质性载波信号到井上至磁致伸缩传感器120。磁致伸缩换能器120将从井下传感器124接收的信号转换成通过钻铤116传输并且由声学遥测接收器122接收的声波。在一些方面中，声学遥测接收器122可能是加速度计。声学遥测接收器122可以与定位在井筒102的表面103处的控制单元126电气通信。控制单元126可能包括部分被配置以从沿下井仪器串106定位的声学遥测接收器122接收数据的非暂时性计算机可读媒体和微处理器。在一些方面中，控制单元126可以进一步控制下井仪器串106和钻顶部114或耦接至下井仪器串106的任何其它设备、工具或仪表的操作。控制单元126可能进一步包括用户接口，以允许操作人员监控下井仪器串106的运行和从声学遥测接收器122或定位在井下的其它传感器设备接收的任何信号测量结果。在其它方面中，控制单元126可能包括用于处理、转换、变换或另外操纵从声学遥测接收器122或定位在井下的其它传感器设备接收的数据的计算机可实施指令或算法。来自沿下井仪器串106定位的声学遥测接收器122的数据可以与其它传感器数据或操作参数组合，以控制下井仪器串106上的钻顶部114的钻井速度。控制单元126可以进一步电子耦接至其它本地或远程非暂时性计算机可读媒体(未示出)，以传输或接收数据或操作指令。在其它方面中，控制单元可以耦接至定位在表面103处的移动运输器(例如，卡车)或固定结构(例如，油井塔上的装置)。

图2是磁致伸缩换能器200的示意性图解。磁致伸缩芯202由具有磁致伸缩性质的合金制成，并且如图2中所示可以被成型为具有纵向(主)轴线的棒。磁致伸缩换能器200可以类似地被定义成具有纵向轴线，所述纵向轴线可以被耦接成与井下管柱的纵向轴线对准，所述井下管柱例如钻柱、生产柱、套管柱或其它管状构件。由导电金属制成的线圈204(替代地称作螺线管)包裹围绕磁致伸缩芯202，并且传递电流通过线圈204引起磁致伸缩芯202的长度延伸。本文的磁致伸缩芯202和线圈204安装在具有预载荷弹簧206的永磁体框架208内，所述预载荷弹簧206定位在磁致伸缩芯202与永磁体框架208的对立表面之间。磁致伸缩芯202和永磁体框架208相对于彼此定向，以使得每一正极和每一负极正好彼此对立。永磁体框架208和预载荷弹簧206中的任何一个或二者可以施加压缩磁致伸缩芯202的预载荷力，其中当电流传递通过线圈204时，所述预载荷力的方向与磁致伸缩芯202的应变延伸的方向相反。换句话说，来自永磁体框架208的磁通和预载荷弹簧206的物理力的方向可能彼此平行。

在一些方面中，磁致伸缩芯202可以被磁化，以使得磁致伸缩芯202在施加任何预载荷力之前延伸至可能的最大长度。在所述方面中，来自预载荷弹簧206的预载荷力与永磁体框架208的组合压缩磁化的且延伸的磁致伸缩芯202，引起磁致伸缩芯202延伸至平衡长度，所述平衡长度为磁致伸缩芯202可以延伸的可能的总长度的约一半。该半点平衡长度可以被称作磁化磁致伸缩换能器200的工作点。磁致伸缩芯202由于电流传递通过线圈204的进一步伸展或压缩可以半点平衡长度为中心，其中传递通过线圈204的电流的极性确定磁致伸缩芯202是否从半点平衡长度拉伸或压缩。传递通过线圈204的电流的强度确定磁致伸缩芯202从半点平衡长度拉伸或压缩的程度。

在其它方面中，磁致伸缩芯202可以被磁化，以使得磁致伸缩芯202在施加任何预载荷力之前处于基线长度。在所述方面中，来自预载荷弹簧206的预载荷力与永磁体框架208的组合压缩磁化的且延伸的磁致伸缩芯202，引起磁致伸缩芯202压缩至平衡长度，所述平衡长度为磁致伸缩芯202可以压缩的可能的约最小长度。该最小或基线平衡长度可以被称作非磁化磁致伸缩换能器200的工作点。磁致伸缩芯202由于电流传递通过线圈204的进一步延伸可能基于最小平衡长度，其中传递通过线圈204的电流的强度确定磁致伸缩芯202从最小平衡长度拉伸的程度，不论所述电流是何极性。

永磁体框架208进一步机械地耦接至第一钻铤区域210和第二钻铤区域212。在替代性方面中，第一钻铤区域210和第二钻铤区域212可能是钻柱上的相同钻铤的多个部分，或者是下井仪器串上的分开的钻铤的多个部分。当电流传递通过线圈204时引起磁致伸缩芯202延伸，所述磁致伸缩芯202在永磁体框架208上施加纵向压力，由此生成声波。第一钻铤区域210和第二钻铤区域212中的任何一个或二者可以从永磁体框架208接收声波，所述声波可以由此通过钻铤传播至位于钻柱上别处的声学遥测接收器。

图3是磁致伸缩芯302对线圈304中的输入电流的响应300的示意图，其中所述磁致伸缩芯302被磁化且经受预载荷力。响应300的示意图图示隔离开的磁致伸缩芯302和线圈304，以示出当电流传递通过线圈304时磁化磁致伸缩芯302的响应，尽管预载荷力通过弹簧和永磁体(未示出)作用在磁致伸缩芯302上。示出处于三种状态的磁致伸缩芯302：经受通过线圈304的零电流302z的磁致伸缩芯，经受通过线圈304的正向电流302f的磁致伸缩芯，以及经受通过线圈304的反向电流302r的磁致伸缩芯。经受通过线圈304的零电流302z的磁致伸缩芯具有零电流长度306，所述零电流长度306是被磁化以延伸至磁致伸缩芯302的应变饱和点且被预载荷力压缩的磁致伸缩芯302的长度。零电流长度306可能是磁致伸缩芯302在磁致伸缩芯302的完全压缩长度与磁致伸缩芯302的最大线性区域延伸之间的延伸范围的约一半。在零电流长度306处，经受零电流302z的磁致伸缩芯响应于通过线圈304接收的正正弦信号或负正弦信号具有可能的最大运动范围。经受通过线圈304的正向电流302f的磁致伸缩芯具有正向电流长度308，所述正向电流长度308是由预载荷力压缩的并且然后经受通过具有与所述预载荷力在相同方向上的磁通的线圈304的电流的磁致伸缩芯302的最大线性区域延伸(未延伸到磁致伸缩芯302的应变饱和区域中)。正向电流长度308可能是被压缩至约最小长度的磁致伸缩芯302的长度。在正向电流长度308处，经受正向电流302f的磁致伸缩芯响应于通过线圈304接收的正正弦信号具有可能的最大运动范围。在一些方面中，正向电流长度308可能等同于非磁化磁致伸缩芯的长度。经受通过线圈304的反向电流302r的磁致伸缩芯具有反向电流长度310，所述反向电流长度310是被磁化以延伸至磁致伸缩芯302的最大线性区域延伸、由预载荷力压缩并且然后经受通过具有在与所述预载荷力相反的方向上的磁通的线圈304的电流的磁致伸缩芯302的长度。反向电流长度310可能是在延伸至应变饱和区域中之前延伸至磁致伸缩芯302的线性延伸范围内的最大长度的磁致伸缩芯302的长度。在反向电流长度310处，经受反向电流302r的磁致伸缩芯响应于通过线圈304接收的负正弦信号具有可能的最大运动范围。

绘图312图示被磁化且经受预载荷力的磁致伸缩芯302响应于电流传递通过包裹围绕磁致伸缩芯302的线圈304的长度变化。绘图312示出对于被磁化且经受预载荷力的磁致伸缩芯302，输入电流可以引起磁致伸缩芯302与输入电流成正比地膨胀和收缩。确切地说，在电流的时间段或周期过程中，从零电流值开始，经受零电流302z的磁致伸缩芯具有零电流长度306，变成经受传递通过线圈304的反向电流302r以膨胀至反向电流长度310，返回以经受零电流302z并对应地返回至零电流长度306，变成经受正向电流302f并收缩至正向电流长度308，以及循环回头以经受零电流302z并对应地返回零电流长度306。

图4是磁致伸缩芯402对线圈404中的输入电流的响应400的示意图，其中所述磁致伸缩芯402是非磁化的且经受预载荷力。响应400的示意图图示隔离开的磁致伸缩芯402和线圈404，以示出当电流传递通过线圈404时非磁化磁致伸缩芯402的响应，尽管预载荷力通过弹簧和永磁体(未示出)作用在磁致伸缩芯402上。示出处于三种状态的磁致伸缩芯402：经受通过线圈404的零电流402z的磁致伸缩芯，经受通过线圈404的正向电流402f的磁致伸缩芯，以及经受通过线圈404的反向电流402r的磁致伸缩芯。经受通过线圈404的零电流402z的磁致伸缩芯具有零电流长度406，所述零电流长度406可能是未被磁化且被预载荷力压缩时的磁致伸缩芯402的基线长度。零电流长度406可能是磁致伸缩芯402的最小长度。在零电流长度406处，经受零电流402z的磁致伸缩芯通过膨胀响应于通过线圈404接收的正正弦信号与负正弦信号二者，不论所述电流是何极性。经受通过线圈404的正向电流402f的磁致伸缩芯具有正向电流长度408，所述正向电流长度408是由预载荷力压缩的并且然后经受通过具有与所述预载荷力在相同方向上的磁通的线圈404的电流的磁致伸缩芯402的最大线性区域延伸(未延伸到磁致伸缩芯402的应变饱和区域中)。正向电流长度408可能是磁致伸缩芯402的最大线性区域延伸长度。经受通过线圈404的反向电流402r的磁致伸缩芯具有反向电流长度410，所述反向电流长度410是由预载荷力压缩的并且然后经受通过具有在与所述预载荷力相反的方向上的磁通的线圈404的电流的磁致伸缩芯402的最大线性区域延伸(未延伸到磁致伸缩芯402的应变饱和区域中)。反向电流长度410可能是磁致伸缩芯402的最大线性区域延伸长度。在一些方面中，对于非磁化磁致伸缩芯402，正向电流长度408可能等同于反向电流长度410。

绘图412图示非磁化的且经受预载荷力的磁致伸缩芯402响应于电流传递通过包裹围绕磁致伸缩芯402的线圈404的长度变化。绘图412示出对于非磁化的且经受预载荷力的磁致伸缩芯402，输入电流可以引起磁致伸缩芯404与输入电流成正比地膨胀。确切地说，在电流的时间段或周期过程中，从零电流值开始，经受零电流402z的磁致伸缩芯具有零电流长度406，变成经受传递通过线圈404的反向电流402r以膨胀至反向电流长度410，返回以经受零电流402z并对应地返回至零电流长度406，变成经受正向电流402f并膨胀至正向电流长度408，以及循环回头以经受零电流402z并对应地返回零电流长度406。在输入信号的周期过程中，在输入电流的幅值是恒定的情况下，反向电流长度410和正向电流长度408可能相等。

图5是有关磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力的应变响应的示例性传递特征的曲线图。对于磁致伸缩换能器，当输入信号引起磁场极性或强度升高或降低时，磁致伸缩芯的长度将沿所述传递特征与所述磁动势力成正比地变化。传递特征可能具有线性区域和饱和区域。对于具有如图图5中所示的示例性传递特征的磁致伸缩芯，传递特征的线性区域与从零奥斯特至五百奥斯特(0oe至500oe)的磁场相关。在传递特征的线性区域的最大值处，当经受具有约500oe的强度的磁场(正极性或负极性)时，磁致伸缩芯的长度具有约0.12％的应变。传递特征的饱和区域与大于约500oe的磁场(正极性或负极性)相关。虽然磁致伸缩芯的长度将响应于磁场的增强的强度继续变化，但是变化率比磁致伸缩芯传递特征的线性区域内的变化率小。任何给定的磁致伸缩芯的传递特征可能取决于用于形成磁芯的磁致伸缩合金、磁致伸缩芯的密度或磁致伸缩芯的其它特征。传递特征的变化可以提供具有线性区域的磁致伸缩芯，所述线性区域具有以下磁场强度：从零至约五百五十奥斯特(0oe至550oe)，从零至约六百奥斯特(0oe至600oe)，从零至约七百五十奥斯特(0oe至750oe)，从零至约一千奥斯特(0oe至1000oe)，或在这些范围内的磁场强度的增量或渐变。

图6是磁致伸缩换能器608的示意性系统图600，所述磁致伸缩换能器608具有反馈控制环路以自动地调整磁致伸缩换能器608中的预载荷力，其中所述换能器的磁致伸缩芯被磁化。根据本公开的磁致伸缩换能器608可以安装在下井仪器串的管状构件上，以提供沿管状构件的长度的声学通信通道。在一个示例性应用中，安装有磁致伸缩换能器608的下井仪器串可能是钻柱，所述钻柱部分包括钻柱马达。钻柱马达区域602是整体钻柱的一个区段，其中钻柱马达区域602的诸如马达等功能部件排除使用通过诸如缆线或平直管线连接等元件的信号通信。钻铤604安装在钻柱马达区域602上方，或者被构建作为钻柱马达区域602的套管的一部分。钻铤604被进一步构建成具有可以包纳、容纳或支撑磁致伸缩换能器608的容器或空腔。用于磁致伸缩换能器608的钻铤604空腔可以定向在钻铤604的外侧或内侧上。预载荷弹簧610定位在钻铤空腔604内，从而在磁致伸缩换能器608上施加至少一部分预载荷力。当磁致伸缩换能器608的长度延伸时，磁致伸缩换能器608在钻铤604上施加纵向压力，从而引起沿钻铤604的长度传播的声波606(替代地称作纵向压缩波)。

磁致伸缩换能器608将电气信号转换成声学信号，并且从滤波传感器信号输入与控制环路反馈信号二者接收电气信号。最初，振荡器612从定位在钻柱上别处的传感器接收载波信号(替代地称作传感器信号)。在各种方面中，振荡器612可以提供正弦波信号、方形波信号或具有其它形式、形状或频率的信号或以上的组合。振荡器612可以使从传感器接收的载波信号的频率加倍。因此，例如，振荡器612将1000hz的载波信号频率加倍至2000hz。加倍的载波信号因此是接收的载波信号频率的二阶谐波。振荡器612输送加倍的载波信号至滤波器模块614与检测器模块630二者。一般而言，由振荡器612产生的信号被称作参考信号。在一些方面中，振荡器612可以用于允许磁致伸缩换能器608系统用于供应信号与接收信号二者的双向应用。

在滤波器模块614中，加倍的载波信号输入除法函数616，所述除法函数616可以被设定成除以2函数，由此返回加倍的载波信号回到原始载波频率。在其它方面中，振荡器612可以使接收的载波信号增加以下系数：1.5、3、4等。在任何此种方面中，滤波器模块614的除法函数616会将从振荡器614接收的参考信号转换回到与由振荡器612接收的载波信号相同的频率。在一些方面中，振荡器612可以将载波信号转换成具有方形波形；对应的除法函数616可能是触发电路。传递通过滤波器模块614内的除法函数616的信号被输送至低通滤波器618。低通滤波器618可以从除法函数616接收任何信号或波形，并且产生正弦波输出信号而不会引入相移。在一些方面中，低通滤波器618可能是贝塞尔滤波器。由滤波器模块614输出的正弦信号可以被称作滤波载波信号。滤波载波信号被输送至加法函数620，其中滤波载波信号被加入校正信号。加法函数620跨越调制开关622输送组合的滤波载波信号和校正信号至功率放大器624。调制开关622可以在打开位置与闭合位置之间致动，从而允许信号至功率放大器624的连续、脉冲式或间歇式输送。

功率放大器624产生放大的载波信号，即驱动信号，所述驱动信号被输送至磁致伸缩换能器608并对其进行驱动。在一些方面中，功率放大器624可能是线性放大器。磁致伸缩换能器608包括包裹围绕磁化磁致伸缩芯的线圈，其中放大的输入信号进入线圈并由此引起磁致伸缩芯且因此磁致伸缩换能器608膨胀或收缩。当放大的输入信号进入线圈时，磁致伸缩换能器608基于以下膨胀或收缩：磁致伸缩换能器608的工作点长度，以及放大的输入信号的极性是否在与作用在磁致伸缩换能器608上的磁预载荷力相同或相反的方向上。在磁致伸缩换能器608膨胀并且在钻铤604上施加压力的各方面中，声波606沿钻铤604的长度传播并且由声学遥测接收器626接收。在一些方面中，声学遥测接收器626可能是加速度计。声学遥测接收器626通过生成模拟电信号来基于声波606转换信号。由声学遥测接收器626产生的电信号被输送至电荷放大器628。电荷放大器628产生对应的输出信号，所述对应的输出信号被输送至检测器模块630与处理接收器636二者。声学遥测接收器626和电荷放大器628的组合可能具有足够的动态范围以将钻井振动、声学遥测接收器626和电荷放大器628的内部部件的运动范围纳入考虑，以使得所述组合不会仅基于振动提供输出信号。输出信号应对应于最初由振荡器612接收的载波信号，并且由此将对应于来自传感器的载波信号的数据提供给处理接收器636。

检测器模块630可能包括相位检测器632和积分器634，其中所述检测器模块630接收两个信号输入，即来自振荡器612的参考信号和来自电荷放大器628的输出信号。在一些应用中，检测器模块630可以被称作锁定检测器。相位检测器632接收来自振荡器612的参考信号和来自电荷放大器628的输出信号二者，并且可以使用这些信号以确定和产生所述信号之间的电压差。换句话说，相位检测器632可以将输出信号的二阶谐波与来自振荡器612的参考信号相关联。在参考信号是来自振荡器612的加倍载波信号的情况下，所述参考信号表示载波信号的二阶谐波。来自电荷放大器628的输出信号将包括相同的噪声，所述噪声中的大部分将在基于实质性载波信号的二阶谐波范围中。由相位检测器632确定的参考信号与输出信号之间的差因此表示输出信号中的系统噪声，所述系统噪声源于诸如整体钻柱中的振动等源头。由相位检测器632产生的信号是具有dc分量的一系列脉冲，所述dc分量与输出信号中的二阶谐波的水平成正比，并且还与输出信号的相位成正比。在一些方面中，相位检测器632可能是数字信号处理(“dsp”)芯片内的模拟乘法器或乘法运算。

由相位检测器632产生的信号传递通过可能是低通滤波器的积分器634。由积分器634和检测器模块630产生的信号是被称作校正信号的dc信号，并且设定反馈环路信号的带宽。积分器634可以被设定成具有可以设定环路带宽的长时间常量，并且可以被设定成具有足够窄的范围以拒绝由钻井或振动噪声产生的信号。校正信号被提供给加法函数620，并且与滤波载波信号组合。因为放大的输入信号的驱动磁致伸缩换能器608的校正信号分量是dc信号，所以只要提供校正信号即可维持磁致伸缩换能器608的产生的应变(膨胀或收缩)。此外，由积分器634输出的信号的极性具有可能会减少而不是增加二阶谐波畸变产物的产生的方向或磁通。磁致伸缩换能器608的产生的应变因此改变磁致伸缩换能器608的工作长度和平衡工作点，从而将磁致伸缩换能器608平衡工作点移至使来自二阶谐波的噪声最小化的位置和长度。同时地，来自滤波器模块614的放大的输入信号的ac分量继续引起磁致伸缩换能器608在调整的平衡工作点处应变。在多个方面中，滤波载波信号可以被称作驱动信号的第一分量，且校正dc信号可以被称作驱动信号的第二分量。

使用如图所示的单个相位检测器632，将传递通过反馈控制环路的信号的任何相移最小化是可取的。为了减小潜在的相移，声学遥测接收器626可以安装成邻近磁致伸缩换能器608，以最小化任何机械相移。为了进一步减小潜在的相移，低通滤波器618可能是具有恒定群延迟的滤波器类型。在一些方面中，声学遥测接收器626可能包括移位感测换能器，诸如压电换能器或mems换能器。移位感测换能器可以检查导入钻铤中的纵向压力波，并且转移接收的波的相位，以维持反馈控制环路的操作频率。移位感测换能器具有足够的带宽，以在保持小相移的过程中通过传输频率的二阶谐波。在其它方面中，如果相延迟无法被充分最小化，那么可以在振荡器612与检测器模块630之间放置相移629来改变参考频率，以便补偿输出信号中的相移。可以控制相移629，并且使用反馈控制环路的dsp实现方式调整参考频率。

可以通过打开和闭合调制开关622对来自电荷放大器628的输出信号进行脉冲调制。脉冲调制可以允许自动反馈控制环路维持在平衡工作点处，其中在环路达到稳定状态后，脉冲之间的工作点中几乎不存在任何变化或扰动，因为脉冲之间的二阶谐波将基于调制开关622的致动而消失。

在理想的平衡工作点处，由相位检测器632产生的信号为零，积分器634输出稳定，并且来自检测器模块630的校正信号也变成零，以使得放大的输入信号不具有dc分量。由于钻井和系统噪声，相位检测器632将仍然产生信号，但是积分器634可以过滤从相位检测器632接收的信号，以通过与载波信号的二阶谐波频率有关的信号。因此，在理想的平衡工作点处，来自检测器模块630的dc校正信号将归零，因为信号由于系统和钻井噪声的差将不会与载波信号的二阶谐波频率具有关联性。

处理接收器636可能是非暂时性计算机可读媒体，具有编程指令以评估、处理、转播、传输或另外修改或操纵通过磁致伸缩换能器608接收的信号数据。处理接收器636可以沿钻柱定位在井下，或者耦接至钻柱定位在井系统的表面处。在一些方面中，处理接收器636可以进一步耦接至具有接口的控制单元，以允许操作人员监控接收的输出信号并基于所述接收的输出信号改变钻柱的操作。在其它方面中，处理接收器636可以进一步耦接至具有一组自动处理指令的控制单元，以基于所述接收的输出信号改变钻柱的操作。

图7-1是磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力702的应变响应712的曲线图700-1，其中磁致伸缩芯尚未被磁化，并且其中无预载荷力作用在磁致伸缩芯上。曲线图700-1绘制磁场的对抗磁致伸缩芯的应变延伸704的矫顽磁力702，并且进一步绘制磁致伸缩芯在应变下的传递特征706(如图5中所描述)。曲线图700-1示出不具有预载荷力的磁致伸缩芯具有不存在矫顽磁力的工作点，并且磁致伸缩芯的长度具有零应变延伸，所述零应变延伸被称作零工作点708。在如曲线图700-1中所图示的条件下，在具有输入正弦电驱动信号710(通过包裹围绕磁致伸缩芯的线圈输送)的情况下，磁致伸缩芯的应变响应712与驱动信号710的幅值成正比地延伸，不论驱动信号710是何极性。应变响应712由此类似于驱动信号710的全波整流。换句话说，磁致伸缩芯膨胀和收缩的机械频率变成电驱动信号710的频率的两倍。该输出可以被视为全二阶谐波畸变。

图7-2是磁化磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力702的应变响应716的曲线图700-2，其中预载荷力作用在所述磁致伸缩芯上以将所述磁致伸缩芯设定在平衡工作点714处。曲线图700-2示出经受包括矫顽磁力702分量的预载荷力的磁化磁致伸缩芯可能具有设定在传递特征706的线性范围的一半长度处的平衡工作点714。施加至磁致伸缩芯的预载荷力可能具有诸如来自弹簧的物理分量和诸如来自永磁体的磁分量，所述永磁体具有与磁致伸缩芯延伸的方向相反的磁通方向。在平衡工作点714设定在传递特征706的线性范围的一半长度处的情况下，磁致伸缩芯的机械振荡输出是电驱动信号710的成正比再现，所述成正比再现准确地反映正弦电驱动信号710的幅值与极性二者。

图7-3是磁化磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力702的应变响应720的曲线图700-3，其中不充分的预载荷力作用在所述磁致伸缩芯上，由此将所述磁致伸缩芯设定在高应变工作点718处，在平衡工作点以上。在预载荷力由于弹簧压力太小与在来自永磁体的应变的相反的方向上的磁通太少中的任何一个或二者而不充分的情况下，磁致伸缩芯将维持在高应变工作点718处，所述高应变工作点718超出传递特征706上的一半长度。在高应变工作点718处，磁致伸缩芯响应于电驱动信号710的机械振荡将引起应变响应720的正峰值由于磁致伸缩芯膨胀到传递特征706的饱和区域中而被限幅、限制或抑制。产生的非对称波形不是电驱动信号710的准确反映，并且包括大量的二阶谐波畸变。

图7-4是磁化磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力702的应变响应724的曲线图700-4，其中过多的预载荷力作用在所述磁致伸缩芯上，由此将所述磁致伸缩芯设定在低应变工作点722处，在平衡工作点以下。在预载荷力由于弹簧压力太大与在来自永磁体的应变的相反的方向上的磁通太多中的任何一个或二者而过多的情况下，磁致伸缩芯将维持在低应变工作点722处，所述低应变工作点722小于传递特征706上的一半长度。在低应变工作点722处，磁致伸缩芯响应于电驱动信号710的机械振荡将引起应变响应720的负峰值由于磁致伸缩芯被压缩至最小长度而经受相位逆向，因此迫使磁致伸缩芯在电驱动信号710的频率周期的负部分期间部分沿传递特征706向上膨胀。产生的非对称波形不是电驱动信号710的准确反映，并且包括大量的二阶谐波畸变。

如图7-1至图7-4中所示，具有磁化磁致伸缩芯的磁致伸缩换能器在平衡工作点714以外的工作点处的操作可能会引起磁致伸缩芯(且因此磁致伸缩换能器)的不准确地反映输入电驱动信号710的幅值、频率或相位的应变响应。如图6中示出的磁化磁致伸缩换能器的自动预载荷调整维持磁致伸缩换能器系统，以使得应变芯的工作点在图7-2中所示的平衡工作点714处。

图8是磁致伸缩换能器808的示意性系统图800，所述磁致伸缩换能器808具有反馈控制环路以自动地调整磁致伸缩换能器808中的预载荷力，其中所述磁致伸缩芯是非磁化的。如上所述使用磁化磁致伸缩芯，根据本公开的具有非磁化磁致伸缩芯的磁致伸缩换能器808可以安装在下井仪器串的管状构件上，以提供沿管状构件的长度的声学通信通道。在一个示例性应用中，安装有磁致伸缩换能器808的下井仪器串可能是钻柱，所述钻柱部分包括钻柱马达。钻柱马达区域802是整体钻柱的一个区段，其中钻柱马达区域802的功能部件排除使用通过诸如缆线或平直管线连接等元件的信号通信。钻铤804安装在钻柱马达区域802上方，或者被构建作为钻柱马达区域802的套管的一部分。钻铤804被进一步构建成具有可以包纳、容纳或支撑磁致伸缩换能器808的容器或空腔。用于磁致伸缩换能器808的钻铤804空腔可以定向在钻铤804的外侧或内侧上。预载荷弹簧810定位在钻铤空腔804内，从而在磁致伸缩换能器808上施加至少一部分预载荷力。当磁致伸缩换能器808的长度延伸时，磁致伸缩换能器808在钻铤804上施加纵向压力，从而引起沿钻铤的长度传播的声波806。钻铤804可能进一步包括位于钻铤804的上端与下端二者处的共振声学空腔805。共振声学空腔805可能具有与钻铤804不同的密度或弹性模量，并且可以提供钻铤804中可以集中声波806的基础频率的功率的声学不连续性。

磁致伸缩换能器808将电气信号转换成声学信号，并且从滤波传感器信号输入与控制环路反馈信号二者接收电气信号。最初，振荡器812从定位在钻柱上别处的传感器接收载波信号(替代地称作传感器信号)。在各种方面中，振荡器812可以提供正弦波信号、方形波信号或具有其它形式、形状或频率的信号或以上的组合。振荡器812可以使用从传感器接收载波信号的频率传递载波信号。因此，例如，500hz的载波信号频率由振荡器812以500hz传递。振荡器812输送载波信号至低通滤波器818与检测器模块830二者。一般而言，由振荡器812产生的信号被称作参考信号。在一些方面中，振荡器812可以用于允许磁致伸缩换能器808系统用于供应信号与接收信号二者的双向应用。

对于非磁化磁致伸缩换能器808系统，声波806是整流的正弦波。整流的正弦波的使用为连接的传感器的功率消耗提供益处。在许多应用中，输送实质性载波信号至磁致伸缩换能器808的传感器是电池供电式传感器。接收的信号的整流使传递通过磁致伸缩换能器808的接收的载波信号的功率加倍。因此，传感器可以被配置以使用传输信号通过磁致伸缩换能器808系统将另外所必需的功率级的一半功率级发射信号。可以由此延长电池供电式传感器的操作寿命。另外，载波信号的整流可以移除由磁致伸缩换能器808生成的声波806中的载波频率的分量，以使得声波806准确地使原始载波信号的频率加倍。

振荡器812传递载波信号给低通滤波器818，其中低通滤波器818可以使用与载波信号的频率相同的频率产生正弦波输出信号，从而移除滤波器范围以外的信号方面且不会引入相移。在一些方面中，低通滤波器818可能是贝塞尔滤波器。由低通滤波器818输出的正弦信号可以被称作滤波载波信号。滤波载波信号被输送至加法函数820，其中滤波载波信号被加入校正信号。加法函数820跨越调制开关822输送组合的滤波载波信号和校正信号至功率放大器824。调制开关822可以在打开位置与闭合位置之间致动，从而允许信号至功率放大器824的连续、脉冲式或间歇式输送。

功率放大器824产生放大的载波信号，即驱动信号，所述驱动信号被输送至磁致伸缩换能器808并对其进行驱动。在一些方面中，功率放大器824可能是线性放大器。磁致伸缩换能器808包括包裹围绕磁化磁致伸缩芯的线圈，其中放大的输入信号进入线圈并由此引起磁致伸缩芯且因此磁致伸缩换能器808膨胀或收缩。由于磁致伸缩换能器808的磁致伸缩芯是非磁化的这一事实，通过功率放大器824从低通滤波器818接收的ac信号将引起磁致伸缩换能器808的机械振荡成为载波信号的全波正路，由此使由磁致伸缩换能器808输出的信号的频率加倍。换句话说，磁致伸缩换能器808不经受引发磁化或预载荷力，以将工作点移动到磁致伸缩芯的传递特征上。事实上，磁致伸缩芯从基线工作点与通过功率放大器824接收的信号的功率成正比地膨胀，从而拉伸而不考虑该信号的极性。用于非磁化磁致伸缩换能器808的控制环路操作，以维持具有零矫顽磁力的基线工作点，从而允许磁致伸缩换能器808以接收的载波信号频率的两倍频率产生纵向压力和声波806。

在多个方面中，可以构建钻铤804以最小化相移的量，并且集中声波806的传递通过钻铤804的基础频率的功率。确切地说，钻铤804的上端和下端上的共振声学空腔805可以在钻铤804中提供反映声波806的声学不连续性，以集中基础声波806的功率。共振声学空腔805应具有为声波806的波长的约一半的长度，以使得来自传入共振声学空腔805并且从共振声学空腔805返回的声波806的任何能量是对声波806的相长干扰并且与声波806同相。声音在任何介质中的速度通过以下给出：c＝√(e/σ)，其中c是速度(m/s)，e是给定的材料的体积模量(帕斯卡)，且σ是给定的材料的密度(kg/米3)。例如，在由钢构成的钻铤804中，钢中的声速为大约5000m/s，因此具有对应半波长长度的共振声学空腔805将为2.5米长。

当磁致伸缩换能器808膨胀并且在钻铤804上施加压力时，声波806沿钻铤804的长度传播并且由声学遥测接收器826接收。在一些方面中，声学遥测接收器826可能是加速度计。声学遥测接收器826通过生成模拟电信号来基于声波806转换信号。由声学遥测接收器826产生的电信号被输送至电荷放大器828。电荷放大器828产生对应的输出信号，所述对应的输出信号被输送至检测器模块830与处理接收器836二者。声学遥测接收器826和电荷放大器828的组合可能具有足够的动态范围以将钻井振动、声学遥测接收器826和电荷放大器828的内部部件的运动范围纳入考虑，以使得所述组合不会仅基于振动提供输出信号。输出信号应对应于最初由振荡器812接收的载波信号，并且由此将对应于来自传感器的载波信号的数据提供给处理接收器836。

检测器模块830可能包括相位检测器832和积分器834，其中所述检测器模块830接收两个信号输入，即来自振荡器812的参考信号和来自电荷放大器828的输出信号。相位检测器832接收来自振荡器812的参考信号和来自电荷放大器828的输出信号二者，并且可以使用这些信号以确定和产生所述信号之间的电压差。换句话说，相位检测器832可以将输出信号的二阶谐波与来自振荡器812的参考信号相关联。在来自振荡器812的参考信号是载波信号的情况下，所述参考信号表示输出信号的次谐波。由相位检测器832确定的次谐波参考信号与输出信号之间的差因此表示输出信号中的干扰。由相位检测器832产生的信号是具有dc分量的一系列脉冲，所述dc分量与输出信号中的二阶谐波的水平成正比，并且还与输出信号的相位成正比。在一些方面中，相位检测器832可能是dsp芯片内的模拟乘法器或乘法运算。

由相位检测器832产生的信号传递通过可能是低通滤波器的积分器834。由积分器834和检测器模块830产生的信号是被称作校正信号的dc信号，并且设定反馈环路信号的带宽。积分器834可以被设定成具有可以设定环路带宽的长时间常量，并且可以被设定成具有足够窄的范围以拒绝除载波信号干扰以外的信号，诸如来自钻井或振动噪声的信号。校正信号被提供给加法函数820，并且与滤波载波信号组合。如果磁致伸缩换能器808的工作点由于磁致伸缩换能器上不断变化的应力而移位，那么声波806周期上的波形的两半将不再相等。因此，该不相等重新引入载波频率的分量。载波频率的分量作为反馈环路信号的一部分传递通过检测器模块830，并且被提供作为dc校正信号。使校正信号通过线圈磁致伸缩换能器808，以使磁致伸缩芯的工作点返回至基线工作点(即，零应变)。因为放大的输入信号的驱动磁致伸缩换能器808的校正信号分量是dc信号，所以只要提供校正信号即可维持磁致伸缩换能器808的产生的应变(膨胀或收缩)。同时地，来自低通滤波器818的放大的输入信号的ac分量继续引起磁致伸缩换能器808在基线工作点处应变。在多个方面中，滤波载波信号可以被称作驱动信号的第一分量，且校正dc信号可以被称作驱动信号的第二分量。

使用如图所示的单个相位检测器832，将传递通过反馈控制环路的信号的任何相移最小化是可取的。为了减小潜在的相移，声学遥测接收器826可以安装成邻近磁致伸缩换能器808，以最小化任何机械相移。为了进一步减小潜在的相移，低通滤波器818可能是具有恒定群延迟的滤波器类型。在一些方面中，声学遥测接收器826可能包括移位感测换能器，诸如压电换能器或mems换能器。移位感测换能器可以检查导入钻铤中的纵向压力波，并且转移接收的波的相位，以维持反馈控制环路的操作频率。移位感测换能器具有足够的带宽，以在保持小相移的过程中通过传输频率的二阶谐波。在其它方面中，如果相延迟无法被充分最小化，那么可以在振荡器812与检测器模块830之间放置相移829来改变参考频率，以便补偿输出信号中的相移。可以控制相移829，并且使用反馈控制环路的dsp实现方式调整参考频率。

可以通过打开和闭合调制开关822对来自电荷放大器828的输出信号进行脉冲调制。脉冲调制可以允许自动反馈控制环路维持在基线工作点处，其中在环路达到稳定状态后，脉冲之间的工作点中几乎不存在任何变化或扰动，因为脉冲之间的次谐波信号将基于调制开关822的致动而消失。在基线工作点处，由相位检测器832产生的信号为零，积分器834输出稳定，并且来自检测器模块830的校正信号也变成零，以使得放大的输入信号不具有dc分量。

可以对应力传感器831进行定位，以测量由积分器834输出的dc校正信号。用于非磁化磁致伸缩换能器808的dc校正信号输出是指示钻铤804上的重量的有用诊断测量。当钻铤804上的重量增加时，钻铤804的长度被压缩，并由此引起声波806的变化。因此，dc校正信号输出部分反映钻铤804的长度变化，可以根据所述长度变化对钻铤上的重量进行计算。

处理接收器836可能是非暂时性计算机可读媒体，具有编程指令以评估、处理、转播、传输或另外修改或操纵通过磁致伸缩换能器808接收的信号数据。处理接收器836可以沿钻柱定位在井下，或者耦接至钻柱定位在井系统的表面处。在一些方面中，处理接收器836可以进一步耦接至具有接口的控制单元，以允许操作人员监控接收的输出信号并基于所述接收的输出信号改变钻柱的操作。在其它方面中，处理接收器836可以进一步耦接至具有一组自动处理指令的控制单元，以基于所述接收的输出信号改变钻柱的操作。

图9-1是非磁化磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力的应变响应的曲线图900-1，其中预载荷力作用在所述磁致伸缩芯上以将所述磁致伸缩芯设定在基线工作点处。曲线图900-1绘制磁场的对抗磁致伸缩芯的应变延伸904的矫顽磁力902，并且进一步绘制磁致伸缩芯在应变下的传递特征906(如图5中所描述)。曲线图900-1示出不具有预载荷力的磁致伸缩芯具有不存在矫顽磁力的工作点，并且磁致伸缩芯的长度具有零应变延伸，所述零应变延伸被称作基线工作点908。在如曲线图900-1中所图示的条件下，在具有输入正弦电驱动信号910(通过包裹围绕磁致伸缩芯的线圈输送)的情况下，磁致伸缩芯的应变响应912与驱动信号910的幅值成正比地延伸，不论驱动信号910是何极性。应变响应912由此类似于驱动信号910的全波整流。换句话说，磁致伸缩芯膨胀和收缩的机械频率变成电驱动信号910的频率的两倍。对于具有非磁化磁致伸缩芯的本公开的各方面，由于由加倍的频率产生的增加的换能器输出信号强度，增加的频率允许磁致伸缩换能器发送更强的信号。

图9-2是非磁化磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力的应变响应的曲线图900-2，其中工作点已经在负磁场轴线的方向上移位，以使得磁致伸缩芯沿传递特征从基线工作点偏离。在工作点已经移至负偏置工作点914的情况下，负偏置应变响应916波形的两半将不相等。确切地说，当磁致伸缩芯延伸到传递特征的饱和区域中或收缩至磁致伸缩芯的最小长度时，负偏置应变响应916波形将被限幅、限制、抑制或方向相反。在产生的非对称波形不相等的情况下，未整流的驱动信号910的一部分可以被重新引入负偏置应变响应916中。

图9-3是非磁化磁致伸缩芯响应于来自磁场的矫顽磁力的应变响应的曲线图900-3，其中工作点已经在正磁场轴线的方向上移位，以使得磁致伸缩芯沿传递特征从基线工作点偏离。在工作点已经移至正偏置工作点918的情况下，正偏置应变响应920波形的两半将不相等。确切地说，当磁致伸缩芯延伸到传递特征的饱和区域中或收缩至磁致伸缩芯的最小长度时，正偏置应变响应920波形将被限幅、限制、抑制或方向相反。在产生的非对称波形不相等的情况下，未整流的驱动信号910的一部分可以被重新引入正偏置应变响应920中。

如图9-1至图9-3中所示，具有非磁化磁致伸缩芯的磁致伸缩换能器在基线工作点908以外的工作点处的操作可能会引起磁致伸缩芯(且因此磁致伸缩换能器)的不准确地反映整流的输入电驱动信号910的幅值、频率或相位的应变响应。如图8中所示的反馈控制环路提供用于检测工作点的任何所述负偏置或正偏置偏移的系统，从而施加dc校正至驱动信号910，以将工作点移位回到基线工作点908。

图10是描述用于具有磁化磁致伸缩芯的磁致伸缩换能器系统的反馈控制环路过程的流程图1000。在步骤1002中，磁致伸缩换能器的磁致伸缩芯被设定在平衡工作点。在步骤1004中，磁致伸缩芯被磁化以进行长度延伸，其中磁致伸缩芯的应变可能在磁致伸缩芯的线性应变区域内或饱和应变区域内。在步骤1006中，施加压缩预载荷力至磁化磁致伸缩芯，以使得磁化磁致伸缩芯的长度位于磁致伸缩芯的线性应变区域内的平衡工作点处。在许多方面中，磁致伸缩芯的平衡工作点位于磁致伸缩芯的线性应变区域的半点处。压缩预载荷力可能是来自弹簧的物理预载荷力与来自永磁体的磁预载荷力中的任何一个或二者，所述永磁体被定向以具有在与磁致伸缩芯的应变延伸的方向相反的方向上的磁通。同时地或随后，在步骤1008中，从电子耦接至磁致伸缩换能器的传感器获取载波信号数据。在步骤1010中，磁致伸缩换能器系统的振荡器接收载波信号数据并基于所述载波信号生成参考信号，并且提供载波信号给滤波器模块与检测器模块二者。在许多方面中，参考信号具有为载波信号的频率的两倍的频率。在步骤1012中，滤波器模块接收参考信号，并且将所述参考信号转换成滤波载波信号。滤波器模块可能包括除法函数，以逆转振荡器对载波信号的频率执行的任何函数。滤波器模块可能进一步包括低通滤波器，以隔离所需的频率范围或带宽以传递出滤波器模块。在许多方面中，滤波载波信号是正弦ac信号。在步骤1014中，将滤波载波信号和校正dc信号组合，并且然后通过信号放大器进行放大，所述信号放大器提供放大的组合信号即驱动信号给磁致伸缩换能器。

在步骤1016中，磁化磁致伸缩芯接收所述驱动信号，并响应于所述驱动信号膨胀或收缩。在应变膨胀引起磁化磁致伸缩芯挤压抵靠钻铤(其中安装有磁化磁致伸缩芯)的各方面中，磁致伸缩换能器在钻铤中生成与驱动信号成正比的声波(即，纵向压力波)。在步骤1018中，声学遥测接收器接收传递通过钻铤的声波，所述声学遥测接收器将物理波转换回电信号，并且将产生的信号传递给电荷放大器。在步骤1020中，电荷放大器放大从声学遥测接收器接收的信号，并且提供输出信号给处理接收器与检测器模块二者。在步骤1022中，检测器模块确定从振荡器接收的参考信号与从电荷放大器接收的输出信号之间的差，从而产生指示为载波信号的谐波的输出信号中的偏移的dc信号。在一些方面中，检测器模块可能包括相位检测器和低通滤波器。在步骤1024中，将由检测器确定的dc信号作为校正dc信号与来自滤波器模块的滤波载波信号组合提供给信号放大器。当校正dc信号被提供给磁致伸缩换能器时可能引起磁致伸缩芯的工作点的应变和移位，与由ac滤波载波信号引起的任何应变振荡分开。在校正dc信号指示输出信号中的谐波偏移的情况下，由校正dc信号引起的应变可能会将磁致伸缩芯返回至平衡工作点。校正dc信号由此自动地调整磁化磁致伸缩芯上的预载荷力。在步骤1026中，处理接收器从电荷放大器接收输出信号，并且可以进一步处理、传输、转播或另外操纵输出信号以进行评估和分析。

图11是描述用于具有非磁化磁致伸缩芯的磁致伸缩换能器系统的反馈控制环路过程的流程图1100。在步骤1102中，磁致伸缩换能器的磁致伸缩芯被设定成基线工作点，在一些方面中，当不经受任何应变时，所述基线工作点可能是磁致伸缩芯的最小长度。在一些方面中，设定基线工作点可能从来自弹簧的物理预载荷力与来自永磁体的磁预载荷力中的任何一个或二者施加物理压缩预载荷力，所述永磁体被定向以具有在与磁致伸缩芯的应变延伸的方向相反的方向上的磁通。同时地或随后，在步骤1108中，从电子耦接至磁致伸缩换能器的传感器获取载波信号数据。在步骤1110中，磁致伸缩换能器系统的振荡器接收载波信号数据并基于所述载波信号生成参考信号，并且提供载波信号给低通滤波器与检测器模块二者。在许多方面中，参考信号具有与载波信号的频率相等的频率。在步骤1112中，低通滤波器接收参考信号并且将所述参考信号转换成滤波载波信号，这可以隔离所需的频率范围或带宽以作为正弦ac信号传递。在步骤1114中，将滤波载波信号和校正dc信号组合，并且然后通过信号放大器进行放大，所述信号放大器提供放大的组合信号即驱动信号给磁致伸缩换能器。

在步骤1116中，非磁化磁致伸缩芯接收所述驱动信号，并响应于所述驱动信号膨胀。在应变膨胀引起非磁化磁致伸缩芯挤压抵靠钻铤(其中安装有磁致伸缩芯)的各方面中，磁致伸缩换能器在钻铤中生成与驱动信号的频率的两倍成正比的声波，即载波信号的全波整流。在步骤1118中，声学遥测接收器接收传递通过钻铤的声波，所述声学遥测接收器将物理波转换回电信号，并且将产生的信号传递给电荷放大器。在步骤1120中，电荷放大器放大从声学遥测接收器接收的信号，并且提供输出信号给处理接收器与检测器模块二者。在步骤1122中，检测器模块确定从振荡器接收的参考信号与从电荷放大器接收的输出信号之间的差，从而产生指示输出信号中的偏移的dc信号，所述dc信号代表与载波信号的全波整流相反的原始载波信号。在一些方面中，检测器模块可能包括相位检测器和低通滤波器。在步骤1124中，将由检测器确定的dc信号作为校正dc信号与来自滤波器模块的滤波载波信号组合提供给信号放大器。当校正dc信号被提供给磁致伸缩换能器时可能引起磁致伸缩芯的工作点的应变和移位，与由ac滤波载波信号引起的任何应变振荡分开。在校正dc信号指示输出信号中的偏移的情况下，由校正dc信号引起的应变可能会将磁致伸缩芯返回至基线工作点。校正dc信号由此自动地调整非磁化磁致伸缩芯上的预载荷力。在步骤1126中，处理接收器从电荷放大器接收输出信号，并且可以进一步处理、传输、转播或另外操纵输出信号以进行评估和分析。

在一些方面中，本公开涉及磁致伸缩换能器系统，其具有：机械地耦接至管状构件的磁化磁致伸缩换能器，所述磁化磁致伸缩换能器被布置以响应于驱动信号应变并且由此在管状构件中产生对应的声波；预载荷弹簧，其定位在管状构件与磁化磁致伸缩换能器之间并与所述二者接触，从而在所述磁化磁致伸缩换能器上施加预载荷力；振荡器，其接收载波信号并且驱动与接收的载波信号成正比的参考信号；滤波器模块，其接收参考信号、过滤载波信号并且提供滤波载波信号给磁化磁致伸缩换能器，其中所述滤波载波信号是驱动信号的第一分量；检测器模块，其接收参考信号和输出信号，并且将校正dc信号作为反馈提供给磁化磁致伸缩换能器，其中所述校正dc信号是驱动信号的第二分量，并且其中所述校正dc信号自动地调整磁化磁致伸缩换能器的应变；以及机械地耦接至管状构件的声学遥测接收器，所述声学遥测接收器感测管状构件中的声波，并且转换对应电气信号以提供输出信号给检测器模块。在特定方面中，所述管状构件构造一部分包括钻铤。在一些所述方面中，磁致伸缩换能器的滤波器模块可能包括除以2函数和低通滤波器，其中所述滤波载波信号可能是正弦信号。在其它方面中，磁致伸缩换能器的检测器模块可能包括相位检测器和积分器。在其它方面中，磁致伸缩换能器系统可能进一步包括信号放大器，所述信号放大器接收滤波载波信号和校正dc信号，并且提供放大的滤波载波信号和校正dc信号的组合作为驱动信号。在一些方面中，磁致伸缩换能器可能进一步包括耦接至声学遥测接收器的电荷放大器，所述电荷放大器放大由声学遥测接收器提供的电气信号并且提供输出信号。在其它方面中，磁致伸缩换能器系统可能进一步包括接收输出信号的处理接收器。在其它方面中，磁致伸缩换能器可能进一步包括永磁体，所述永磁体具有在平行于由预载荷弹簧施加的预载荷力的方向上的磁通。在磁致伸缩换能器系统的一些方面中，参考信号可能是载波信号的二阶谐波。在磁致伸缩换能器系统的其它方面中，校正dc信号可能指示载波信号的二阶谐波。在磁致伸缩换能器系统的其它方面中，输出信号可能是载波信号的模拟。

在其它方面中，本公开涉及磁致伸缩换能器系统，其具有：机械地耦接至管状构件的非磁化磁致伸缩换能器，所述非磁化磁致伸缩换能器被布置以响应于驱动信号应变并且由此在管状构件中产生声波，其中所述声波是驱动信号的全波整流；预载荷弹簧，其定位在管状构件与非磁化磁致伸缩换能器之间并与所述二者接触，从而在所述非磁化磁致伸缩换能器上施加预载荷力；振荡器，其接收载波信号并且驱动与接收的载波信号成正比的参考信号；低通滤波器，其接收参考信号、过滤载波信号并且提供滤波载波信号给非磁化磁致伸缩换能器，其中所述滤波载波信号是驱动信号的第一分量；检测器模块，其接收参考信号和输出信号，并且将校正dc信号作为反馈提供给非磁化磁致伸缩换能器，其中所述校正dc信号是驱动信号的第二分量，并且其中所述校正dc信号自动地调整非磁化磁致伸缩换能器的应变；以及机械地耦接至管状构件的声学遥测接收器，所述声学遥测接收器感测管状构件中的声波，并且转换对应电气信号以提供输出信号给检测器模块。在特定方面中，管状构件构造部分包括钻铤。在一些所述方面中，磁致伸缩换能器系统的滤波载波信号可能是正弦信号。在其它方面中，磁致伸缩换能器系统的检测器模块可能包括相位检测器和积分器。在其它方面中，磁致伸缩换能器系统可能进一步包括信号放大器，所述信号放大器接收滤波载波信号和校正dc信号，并且可以提供放大的滤波载波信号和校正dc信号的组合作为驱动信号。在一些方面中，磁致伸缩换能器系统可能进一步包括耦接至声学遥测接收器的电荷放大器，所述电荷放大器放大由声学遥测接收器提供的电气信号并且提供输出信号。在其它方面中，磁致伸缩换能器的处理接收器可以接收输出信号。在其它方面中，磁致伸缩换能器可能进一步包括永磁体，所述永磁体具有在平行于由预载荷弹簧施加的预载荷力的方向上的磁通。在一些方面中，磁致伸缩换能器的参考信号可能是载波信号的次谐波。在其它方面中，磁致伸缩换能器系统的校正dc信号可能指示载波信号频率。在其它方面中，磁致伸缩换能器系统的输出信号可能是载波信号的频率的两倍的模拟。

本公开的其它方面涉及通过管状构件转换信号的方法，所述方法可能包括以下步骤：为机械地耦接至管状构件的磁致伸缩芯设定工作点；收集并过滤载波信号以生成滤波载波信号；将滤波载波信号与校正信号组合以生成驱动信号；输送驱动信号给磁致伸缩芯，从而引起磁致伸缩芯的长度变化并且在管状构件中生成声学信号；以及使用遥测接收器接收声学信号，所述遥测接收器提供输出信号和反馈以自动地调整校正信号。在一些实现方式中，所述方法可能包括提供载波信号给生成参考信号的振荡器，其中所述参考信号然后被过滤以生成滤波载波信号。在其它实现方式中，可以根据输出信号与参考信号之间的差确定校正信号。在其它实现方式中，所述方法可能包括在将驱动信号输送给磁致伸缩芯之前放大所述驱动信号。在具有磁化磁致伸缩芯的实现方式中，将磁致伸缩芯磁化以及施加预载荷力给磁致伸缩芯可以设定磁致伸缩芯的工作点。在具有非磁化磁致伸缩芯的实现方式中，所述方法可能包括所述磁致伸缩芯在管状构件中生成整流的声学信号。

此处详细地描述了本专利的各方面和实例的主题以满足法定要求，但是本说明书不一定意在限制权利要求的范围。要求保护的主题可以其它方式体现，可能包括不同的要素或步骤，并且可以与其它现有技术或未来技术结合使用。在整个说明书中，出于解释的目的，阐述了众多具体细节以便提供对本文所公开的主题的实例和方面的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些的情况下实践许多实例或方面。在一些情况下，结构和装置以图解或示意性形式示出，以避免模糊所描述的实例或方面的基本原理。本说明书不应理解成暗示各种步骤或要素之中或之间的任何特定次序或布置，除非明确地描述了个别步骤的次序或要素的布置。

考虑到这些方面，根据本说明书将显而易见的是，所描述的技术的多个方面可以至少部分体现为软件、硬件、固件或以上的任何组合。还应理解，多个方面可以采用涉及存储在数据处理系统中的数据的各种计算机实现功能。也就是说，可以响应于存储在存储器中的指令的实施顺序在计算机或其它数据处理系统中执行所述技术。在各种方面中，可以独立地使用或与软件指令组合使用硬接线电路以实现这些技术。举例来说，所描述的功能性可以通过诸如控制单元等特定硬件部件执行，所述控制单元用于：致动磁致伸缩换能器系统的调制开关，驱动振荡器以产生特定参考信号，或者使磁致伸缩元件磁化。此种控制单元可能包含用于执行操作的硬接线逻辑或定制硬件组合和编程计算机部件的任何组合。本文所描述的技术并不限于硬件电路和软件的任何特定组合。

已经呈现的对包括图示的各方面和实例的前述描述仅用于说明和描述的目的，且并非意在是无遗漏的或者将本公开限制为所公开的精确形式。对附图中绘示的或上面描述的部件以及未示出或描述的部件和步骤的众多不同修改、变更和布置是可能的。类似地，一些特征和子组合是有用的，并且可以采用所述特征和子组合而不用参考其它特征和子组合。已经出于说明性和非限制性目的描述了本主题的各实例和方面，并且在不脱离本公开的范围的情况下，替代性实例或方面对于本领域技术人员将显而易见。因此，本主题并不限于上面所描述的或附图中绘示的各实例或方面，并且可以在不脱离所附权利要求书的范围的情况下做出各种实施方案、实例、方面和修改。