一种超声波测量系统及其测量方法与流程

本发明涉及一种测量系统及测量方法，尤其涉及一种超声波测量系统及其测量方法。

背景技术：

超声波是一种弹性波，由于在介质中传播的声波频率大于20khz而得名，超声波依据在介质中振动的方向可以分为纵波和横波，这两种波在岩石声学测量方面发挥了重要作用。纵波和横波速度与岩石介质的弹性模量存在对应的数学关系，其速度之比可以揭示岩石的发育程度，即计算得到岩石的泊松比，因此超声波测量是研究岩石物理性质的一种重要手段。

在岩石声学测量方面有两种测量方法，即声波测井方法和超声波测量方法。声波测井方法是直接在井眼里测量岩石的声波速度和幅度，在不破坏岩石物理形状和围压环境的情况下直接给出测量结果，这种方法属于原位测量方法，因此能准确的反映井下岩石力学状况，但是该方法测量的参数有限，并且测量成本较高。超声波测量方法是在地面进行岩样的声波速度、幅度、频谱和衰减的测量，所测岩样是从井下通过井壁取芯收集起来的，这些岩样物理性质会发生一些变化，和井下的岩石会存在一定的差异，这种方法属于取样测量方法，但是这种方法可以批量测量岩样，测量效率高，测量参数多，能够较全面反映岩石的内部结构和岩石力学性质。

目前超声波测量采用一个发射探头和一个接收探头来测量岩样的声波速度和衰减，如果要测量多个频率的声波数据，并且有大批量的岩样需要测量，则需要更换许多的发射探头和接收探头，每测一个岩样又要重复这些操作，造成测量效率低下，并且对待测岩样会有较大的损坏，不利于准确获取岩石的内部结构和岩石力学参数。

技术实现要素：

本发明为了提高岩石试样超声波测量效率，提供了一种超声波测量系统，该系统可以方便简洁的切换不同超声波发射探头，实现多种超声波声波频率的测量。

本发明为了实现上述目的，所采取的技术方案为：一种超声波测量系统，包括脉冲发生器和示波器，还包括底座、设置在底座上的超声波发射装置和超声波接收探头，所述超声波发射装置转动连接在所述底座上，所述超声波发射装置上设有若干超声波发射探头，转动所述超声波发射装置实现不同超声波发射探头之间的切换，待测样品置于所述超声波发射探头和所述超声波接收探头之间，所述超声波发射探头在所述脉冲发生器发出的电平信号激励下发出声波波形，所述超声波接收探头接收所述声波波形并将声波波形送入所述脉冲发生器，所述示波器对所述脉冲发生器数据进行采集和存储。

进一步的，所述底座上设置有导轨，所述超声波发射装置和超声波接收探头沿导轨设置，所述超声波发射装置沿所述导轨一维移动调整与超声波接收探头之间的距离，所述超声波发射装置和超声波接收探头之间设有用于显示两者距离的标尺。

进一步的，所述导轨为齿状轨道，所述齿状轨道上设有齿轮，所述齿轮与齿状轨道齿合，所述齿轮与所述超声波发射装置固定连接，所述齿轮连接有马达，所述马达驱动所述齿轮在所述齿状导轨上移动。

进一步的，所述超声波发射装置连接有用于控制超声波发射装置转动角度的转盘控制盒，所述转盘控制盒连接有多通道接线盒，所述转盘控制盒将所述超声波发射装置的转动角度信息发送至所述多通道接线盒，所述多通道接线盒根据接收信息将对应的超声波发射探头与所述脉冲发生器连通。

进一步的，所述超声波发射装置为圆盘状，所述圆盘状超声波发射装置上绕圆周均匀设置有若干超声波发射探头。

进一步的，所述超声波发射装置的圆盘面上设有指针，所述指针所指超声波发射探头发射面和超声波接收探头的接收面平行并且中心线重合。

本发明基于上述超声波测量系统提供了一种超声波测量方法，包括以下步骤

(1)将待测试样放置到超声波发射装置和超声波接收探头之间，设计需要测量的声波频率f1、f2…fn；

(2)旋转转盘，使得某一个频率的超声波探头转到与超声波接收探头正对的位置，同时移动超声波发射装置，使得超声波发射探头、岩样和超声波接收探头紧密接触；

(4)脉冲发生器启动并通过超声波发射探头发射声波波形，超声波接收探头接收声波波形，并将声波波形送入脉冲发生器、示波器进行数据采集和存储。

进一步，更详细的，所述超声波发射装置连接有用于控制超声波发射装置转动角度的转盘控制盒，所述转盘控制盒连接有多通道接线盒，多通道接线盒接通相应频率的超声波发射探头，脉冲发生器启动并激励相应频率的脉宽信号。

本发明所产生的有益效果包括：1、本发明不需要频繁更换超声波探头，只需转动转盘就可以快速测量多个频率的声波数据，测量结果准确，测量步骤简单，适合批量岩样的超声波测量；2、本发明中设有转盘控制盒和多通道接线盒，转盘控制盒精准控制超声波发射装置的旋转角度，多通道接线盒根据旋转控制盒内的旋转角度信息接通相应频率的超声波发射探头，实现智能精准控制；3、本发明中的标尺直观的显示超声波发射探头和超声波接收探头之间的距离信息；4、本发明通过电动马达移动超声波发射装置，实现自动调整超声波发射探头和超声波接收探头之间的距离。

附图说明

图1本发明中超声波测量系统结构示意图；

图2本发明中超声波发射装置的结构示意图；

图3本发明中超声波测量系统操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

图1为超声波测量系统示意图。超声波发射装置101立在底座108的一端，超声波接收探头102通过夹持器103固定在底座108的另一端，超声波发射装置101为一设有若干超声波发射探头203的转盘，该转盘可以绕轴旋转实现不同超声波发射探头的切换，以使所需频率的超声波发射探头与超声波接收探头相对。

底座上设有齿状导轨105，导轨105上放置有与导轨齿合的齿轮104，齿轮104与超声波发射装置101固定连接，齿轮104连接有用于驱动齿轮在导轨上运动的电动马达106，超声波发射装置101在电动马达106的控制下，沿着导轨105一维移动实现远离或接近超声波接收探头102。在超声波发射装置101和超声波接收探头102之间设有标尺，该标尺为数显卡尺107，数显卡尺107和导轨105并行排列，实时测量出超声波发射装置101和超声波接收探头103之间的距离。

超声波发射装置101连接有转盘控制盒110，转盘控制盒110控制超声波发射装置101的转动，并记录超声波发射装置101转动的角度。多通道接线盒111连接转盘控制盒110和脉冲发生器112，多通道接线盒111根据转盘控制盒110的输出的控制信号，接通某一频率的超声波发射探头203，并控制脉冲发生器112发射的脉宽信号的宽度，从而使脉宽信号和相应超声波发射探头203的频率相匹配。脉冲发生器112和超声波接收探头102、示波器113相连，把激发信号的同步时间和接收到的声波波形输出到示波器113上显示和保存。示波器113和电脑114相连，对声波数据进行后续处理。上述所有部件的电气连接都通过线缆115完成。

图2为超声波发射装置结构示意图，超声波发射装置101由转子201和定子202组成的，转子上开有8个圆形孔，每一个圆形孔安装有一个超声波发射探头203，在超声波发射装置101的中心位置有一个转盘指针，该转盘指针的箭头指向下面。转盘指针下面的超声波发射探头203发射面和超声波接收探头102的接收面平行并且中心线重合。

图3为超声波岩样测量方法：(1)获取待测试样109的基本的信息，包括长度、宽度和高度，将待测岩样放置在超声波发射装置101和超声波接收探头102之间，待测试样109的声波测量频率为100khz～800khz；(2)将100khz的超声波发射探头203旋转到表盘指针的下面，移动超声波发射装置101，使得100khz的超声波发射探头203的发射面、岩样110和超声波接收探头102紧密接触，并从数显卡尺107上读出两个探头之间的距离。(3)多通道接线盒111的一、二、…八号通道分别和100khz、200khz、…800khz的超声波发射探头203一一连接，将通道选择打到一号通道，因此100khz的超声波发射探头203和脉冲发生器112连接；(4)启动脉冲发生器112，设置脉冲宽度，激发电平信号，驱动超声波发射探头203工作；(5)超声波接收探头102接收声波波形，并将声波波形送入脉冲发生器112，由脉冲发生器112同时将同步信号和声波波形送入示波器113，示波器113采集声波波形和存储数据；(6)在电脑114上对声波数据进行处理，提取声波速度、幅度、频谱和衰减等信息；(7)待声波测量频率设置为200khz、300khz…800khz，重复(2)～(6)，获取岩样109的内部结构和力学参数，测量结束。

该发明不需要频繁更换超声波探头，只需转动转盘就可以快速测量多个频率的声波数据，测量结果准确，测量步骤简单，适合批量岩样的超声波测量。该发明为井眼周围地层评价和页岩气开发提供了强大的技术支撑。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。