一种随钻测量井径的超声波测距装置的制作方法

本实用新型属于测距装置技术领域，涉及一种超声波测距装置，具体涉及一种随钻测量井径的超声波测距装置。

背景技术：

裸眼井的井径是钻井工程中的一项基本参数，利用这一参数可以预估固井水泥的使用量，井径参数的变化可以反映地层的物理特性，可以反映钻井轨迹的好坏，判断井队施工是否合理。目前国内裸眼井井径的测量一般都是钻完井后利用电缆测井仪器的机械臂来测量裸眼井井径的大小，无法做到在钻进过程中测量井径的大小，即无法做到井径的随钻测量。

另一方面，随钻放射性测井仪器如随钻中子孔隙度仪器、随钻密度仪器等需要在钻进过程中测量仪器探头到井壁的距离来对测量结果作校正，否则测量结果会有多种解释，无法准确判断所测地层的特性。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种随钻测量井径的超声波测距装置，该装置结构设计合理，使用方便，能够在钻进过程中测量井径参数。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种随钻测量井径的超声波测距装置，包括控制和处理单元、超声波信号发射单元及超声波回波信号接收单元；控制和处理单元的输出端与超声波信号发射单元的输入端相连，超声波回波信号接收单元的输出端与控制和处理单元的输入端相连；还包括一个或多个超声波换能器，超声波信号发射单元与超声波换能器的输入端相连，超声波换能器的输出端与超声波回波信号接收单元相连。

还包括能够与控制和处理单元进行信息交换的实时时钟单元、大容量存储 器及外部通讯接口；其中：

实时时钟单元，用于提供时间信息；

大容量存储器，用于存储超声波回波信号接收单元发出的数字化回波电压信号，以及控制和处理单元计算出的井径结果；

外部通讯接口，用于实现测距装置与PC机及MWD的信息交换。

控制和处理单元设有PWM模块、ADC模块及SPI模块；PWM模块与超声波信号发射单元的输入端相连，超声波回收信号接收单元的输出端与ADC模块相连。

超声波信号发射单元由发射电源、极性转换电路及模拟多路开关组成；其中：发射电源的供电输出端与极性转换电路模拟开关的输入端相连，控制和处理单元的PWM模块输出端与极性转换电路的输入端相连。

超声波回波信号接收单元由模拟多路开关、AGC信号放大模块及信号调理电路组成；其中，模拟多路开关的输出端与AGC信号放大模块的输入端相连，AGC信号放大模块的输出端与信号调理电路的输入端相连，信号调理电路的输出端与控制和处理单元的ADC模块相连。

当超声波换能器为多个时，多个超声波换能器均匀分布在一个圆周上。

超声波激发信号频率是200～300KHz。

超声波信号发射单元能够发射出高能量激发信号，该高能量激发信号是由控制和处理单元的PWM模块输出端发出的一对极性相反且脉冲宽度和脉冲个数可调的方波控制的。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型公开的随钻测量井径的超声波测距装置，包括控制和处理单元、超声波信号发射单元及超声波回波信号接收单元；控制和处理单元的输出端与超声波信号发射单元的输入端相连，超声波回波信号接收单元的输出端与控制和处理单元的输入端相连；还包括一个或多个超声波换能器，超声波信号发射 单元与超声波换能器的输入端相连，超声波换能器的输出端与超声波回波信号接收单元相连，该测距装置可以实现在钻井作业中随钻测量井径参数，随钻测量放射性仪器探头到井壁的距离，以便对随钻放射性仪器测量结果作校正，还可以用于其他随钻仪器测量探头到井壁的距离，以便作井眼校正。主要优势如下：

1、本实用新型的超声波信号发射单元激励信号的信号源由控制和处理单元自带的PWM(脉冲宽度调制)单元提供，这样可以方便地设置脉冲信号的频率、占空比、脉冲个数等。

2、本实用新型的超声波信号的模数转换由控制和处理单元自带的ADC单元完成，这样可以节省体积和成本，提高了系统的可靠性。

3、本实用新型由高度集成化的芯片构成，具有设备低功耗、小体积的优点。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型的超声波信号发射单元电路原理图；

图3为本实用新型的超声波回波信号接收单元电路原理图；

图4为本实用新型的信号调理电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图1，一种随钻测量井径的超声波测距装置，包括控制和处理单元、超声波信号发射单元及超声波回波信号接收单元；超声波信号发射单元、超声波回波信号接收单元均分别与控制和处理单元交互；还包括一个或多个分别与超声波信号发射单元和超声波回收信号接收单元交互的超声波换能器；

其中：控制和处理单元设有PWM模块、ADC模块及SPI模块；超声波信号发射单元由发射电源、极性转换电路及模拟多路开关组成；超声波回波信号接收单元由模拟多路开关、AGC信号放大模块及信号调理单元组成。

超声波换能器为耐高压，耐高温，体积小，转换效率高的超声波换能器，一方面可以发射超声波将电能转换为机械能，另一方面可以接收超声波将机械能转换为电能，在本实用新型中超声波换能器为自发自收的工作方式。

还包括能够分别与控制和处理单元进行信息交换的实时时钟单元、大容量存储器及外部通讯接口；其中：

实时时钟单元，用于提供时间信息；

大容量存储器，用于存储数字化的回波电压信号及计算结果；

外部通讯接口，用于实现测距装置与PC机及MWD的信息交换。

参见图2，超声波信号发射单元主要由发射电源IC1、模拟开关构成的极性转换电路IC2、模拟多路开关IC3以及超声波换能器组成，IC4为控制和处理单元。

发射电源IC1的供电极和IC2模拟开关输入端相连。IC4的GPIO2口控制IC2使能端，使IC2开始工作。EPWM1A和EPWM1B是IC4的PWM模块输出端，它们的极性是相反的(即EPWM1A为高电平时EPWM1B必定是低电平，EPWM1A为低电平时EPWM1B必定是高电平)。这样当EPWM1A为高电平EPWM1B是低电平时，IC2的D1端和S1A端导通，也即D1端和IC1供电极的正端(V+)导通，同时IC2的D2端和S2A端导通，也即D2端和IC1供电极的负端(V-)导通。当EPWM1A为低电平EPWM1B是高电平时，IC2的D1端和S1B端导通，也即D1端和IC1供电极的负端(V-)导通，同时IC2的D2端和S2B端导通，也即D2端和IC1供电极的正端(V+)导通。这样当EPWM1A和EPWM1B发出极性相反的脉冲波时，在IC2的D1端和D2端就会发射出功率较大的极性相反的脉冲波。脉冲个数和占空比由IC4的PWM模块的寄存器决定。IC4的GPIO3、GPIO4、GPIO5口控制模拟多路开关IC3实现对要激发的换能器选择。

参见图3，超声波回波信号接收单元主要由超声波换能器、模拟多路开关 IC5、AGC信号放大模块IC6和信号调理电路等组成。IC4为控制和处理单元。IC4的GPIO6、GPIO7、GPIO8口控制模拟多路开关IC5实现对换能器通道的选择。回波信号经模拟多路开关IC5到达IC6的模拟信号输入端VIN+和VIN-，IC4的GPIO9、GPIO10、SPISTEA、SPICLKA、SPSIMOA口分别和AGC集成电路IC6的TXEN、SLEEP、DATEN、CLK、SDATA口相连，实现IC6自动放大倍数的设定。信号经过AGC放大后，通过IC6模拟信号输出端OUT+、OUT-输出到信号调理电路。

参见图4，超声波回波信号接收单元的信号调理电路主要由IC7组成的差分信号转单端信号电路、由IC8组成的高通滤波器、由IC9组成的低通滤波器等构成。

差分运放IC7和R1对输入回波信号有差分信号转换为单端信号以及放大的作用，其中改变R1阻值的大小可以调节信号的放大倍数。

运放IC8和电阻(R2、R3、R4、R5、R6)电容(C1、C2)的组合实现对信号的高通滤波。

运放IC9和电阻(R7、R8、R9、R10、R11)电容(C3、C4)的组合实现对信号的低通滤波。

然后信号经过C5耦合到R12和R13的连接处。R12和R13的作用是对回波信号提供偏置电压，使信号在0～VCC范围内，以便同IC4的ADC0端口连接。经过放大和滤波后的信号输入到IC4的ADC0端口，经过模数转换，转换为数字信号。IC4内部对数字化回波信号经过一系列的运算后可以计算出回波信号的到达时间，从而计算出超声波换能器到反射面的距离。

本实用新型的具体工作过程是：

控制和处理单元控制超声波信号发射单元激发超声波换能器1发射出超声波，超声波碰到井壁后反射回来，然后超声波换能器1将超声波回波信号转换为电压信号。电压信号经AGC信号放大模块实现回波电压信号的动态放大。放 大后的电压信号经过信号调理电路实现电压信号的滤波、实现差分电压信号转单端电压信号，然后送给控制和处理单元自带的ADC模块。ADC模块将模拟的电压信号变为数字信号，控制和处理单元将数字化的回波电压信号进行数字信号处理和数值计算，计算出回波信号到达的时间，从而计算出超声波换能器1到反射面的距离。以此类推，控制和处理单元控制超声波信号发射单元激发超声波换能器2发射出超声波，控制和处理单元根据回波信号，计算出超声波换能器2到反射面的距离；控制和处理单元控制超声波信号发射单元激发超声波换能器3发射出超声波，控制和处理单元根据回波信号，计算出超声波换能器3到反射面的距离。得到各个换能器到反射面的距离后，控制和处理单元可以根据算法，计算出井径。

井径计算结果可以通过外部通讯接口传送给井下MWD(一种钻井用无线通信装置)，然后通过泥浆信号通道传送至地面，解码后就能在地面显示当前井径的测量结果。井径计算结果也可以在井下按采集时间存储在大容量存储器里，待仪器回到地面后将所存储的数据取出，在PC机上查看计算结果。