本實用新型屬于測距裝置技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超聲波測距裝置，具體涉及一種隨鉆測量井徑的超聲波測距裝置。

背景技術(shù)：

裸眼井的井徑是鉆井工程中的一項基本參數(shù)，利用這一參數(shù)可以預(yù)估固井水泥的使用量，井徑參數(shù)的變化可以反映地層的物理特性，可以反映鉆井軌跡的好壞，判斷井隊施工是否合理。目前國內(nèi)裸眼井井徑的測量一般都是鉆完井后利用電纜測井儀器的機(jī)械臂來測量裸眼井井徑的大小，無法做到在鉆進(jìn)過程中測量井徑的大小，即無法做到井徑的隨鉆測量。

另一方面，隨鉆放射性測井儀器如隨鉆中子孔隙度儀器、隨鉆密度儀器等需要在鉆進(jìn)過程中測量儀器探頭到井壁的距離來對測量結(jié)果作校正，否則測量結(jié)果會有多種解釋，無法準(zhǔn)確判斷所測地層的特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本實用新型的目的在于提供一種隨鉆測量井徑的超聲波測距裝置，該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，使用方便，能夠在鉆進(jìn)過程中測量井徑參數(shù)。

本實用新型是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種隨鉆測量井徑的超聲波測距裝置，包括控制和處理單元、超聲波信號發(fā)射單元及超聲波回波信號接收單元；控制和處理單元的輸出端與超聲波信號發(fā)射單元的輸入端相連，超聲波回波信號接收單元的輸出端與控制和處理單元的輸入端相連；還包括一個或多個超聲波換能器，超聲波信號發(fā)射單元與超聲波換能器的輸入端相連，超聲波換能器的輸出端與超聲波回波信號接收單元相連。

還包括能夠與控制和處理單元進(jìn)行信息交換的實時時鐘單元、大容量存儲 器及外部通訊接口；其中：

實時時鐘單元，用于提供時間信息；

大容量存儲器，用于存儲超聲波回波信號接收單元發(fā)出的數(shù)字化回波電壓信號，以及控制和處理單元計算出的井徑結(jié)果；

外部通訊接口，用于實現(xiàn)測距裝置與PC機(jī)及MWD的信息交換。

控制和處理單元設(shè)有PWM模塊、ADC模塊及SPI模塊；PWM模塊與超聲波信號發(fā)射單元的輸入端相連，超聲波回收信號接收單元的輸出端與ADC模塊相連。

超聲波信號發(fā)射單元由發(fā)射電源、極性轉(zhuǎn)換電路及模擬多路開關(guān)組成；其中：發(fā)射電源的供電輸出端與極性轉(zhuǎn)換電路模擬開關(guān)的輸入端相連，控制和處理單元的PWM模塊輸出端與極性轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連。

超聲波回波信號接收單元由模擬多路開關(guān)、AGC信號放大模塊及信號調(diào)理電路組成；其中，模擬多路開關(guān)的輸出端與AGC信號放大模塊的輸入端相連，AGC信號放大模塊的輸出端與信號調(diào)理電路的輸入端相連，信號調(diào)理電路的輸出端與控制和處理單元的ADC模塊相連。

當(dāng)超聲波換能器為多個時，多個超聲波換能器均勻分布在一個圓周上。

超聲波激發(fā)信號頻率是200～300KHz。

超聲波信號發(fā)射單元能夠發(fā)射出高能量激發(fā)信號，該高能量激發(fā)信號是由控制和處理單元的PWM模塊輸出端發(fā)出的一對極性相反且脈沖寬度和脈沖個數(shù)可調(diào)的方波控制的。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益的技術(shù)效果：

本實用新型公開的隨鉆測量井徑的超聲波測距裝置，包括控制和處理單元、超聲波信號發(fā)射單元及超聲波回波信號接收單元；控制和處理單元的輸出端與超聲波信號發(fā)射單元的輸入端相連，超聲波回波信號接收單元的輸出端與控制和處理單元的輸入端相連；還包括一個或多個超聲波換能器，超聲波信號發(fā)射 單元與超聲波換能器的輸入端相連，超聲波換能器的輸出端與超聲波回波信號接收單元相連，該測距裝置可以實現(xiàn)在鉆井作業(yè)中隨鉆測量井徑參數(shù)，隨鉆測量放射性儀器探頭到井壁的距離，以便對隨鉆放射性儀器測量結(jié)果作校正，還可以用于其他隨鉆儀器測量探頭到井壁的距離，以便作井眼校正。主要優(yōu)勢如下：

1、本實用新型的超聲波信號發(fā)射單元激勵信號的信號源由控制和處理單元自帶的PWM(脈沖寬度調(diào)制)單元提供，這樣可以方便地設(shè)置脈沖信號的頻率、占空比、脈沖個數(shù)等。

2、本實用新型的超聲波信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換由控制和處理單元自帶的ADC單元完成，這樣可以節(jié)省體積和成本，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3、本實用新型由高度集成化的芯片構(gòu)成，具有設(shè)備低功耗、小體積的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本實用新型的電路原理框圖；

圖2為本實用新型的超聲波信號發(fā)射單元電路原理圖；

圖3為本實用新型的超聲波回波信號接收單元電路原理圖；

圖4為本實用新型的信號調(diào)理電路的電路原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參見圖1，一種隨鉆測量井徑的超聲波測距裝置，包括控制和處理單元、超聲波信號發(fā)射單元及超聲波回波信號接收單元；超聲波信號發(fā)射單元、超聲波回波信號接收單元均分別與控制和處理單元交互；還包括一個或多個分別與超聲波信號發(fā)射單元和超聲波回收信號接收單元交互的超聲波換能器；

其中：控制和處理單元設(shè)有PWM模塊、ADC模塊及SPI模塊；超聲波信號發(fā)射單元由發(fā)射電源、極性轉(zhuǎn)換電路及模擬多路開關(guān)組成；超聲波回波信號接收單元由模擬多路開關(guān)、AGC信號放大模塊及信號調(diào)理單元組成。

超聲波換能器為耐高壓，耐高溫，體積小，轉(zhuǎn)換效率高的超聲波換能器，一方面可以發(fā)射超聲波將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，另一方面可以接收超聲波將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，在本實用新型中超聲波換能器為自發(fā)自收的工作方式。

還包括能夠分別與控制和處理單元進(jìn)行信息交換的實時時鐘單元、大容量存儲器及外部通訊接口；其中：

實時時鐘單元，用于提供時間信息；

大容量存儲器，用于存儲數(shù)字化的回波電壓信號及計算結(jié)果；

外部通訊接口，用于實現(xiàn)測距裝置與PC機(jī)及MWD的信息交換。

參見圖2，超聲波信號發(fā)射單元主要由發(fā)射電源IC1、模擬開關(guān)構(gòu)成的極性轉(zhuǎn)換電路IC2、模擬多路開關(guān)IC3以及超聲波換能器組成，IC4為控制和處理單元。

發(fā)射電源IC1的供電極和IC2模擬開關(guān)輸入端相連。IC4的GPIO2口控制IC2使能端，使IC2開始工作。EPWM1A和EPWM1B是IC4的PWM模塊輸出端，它們的極性是相反的(即EPWM1A為高電平時EPWM1B必定是低電平，EPWM1A為低電平時EPWM1B必定是高電平)。這樣當(dāng)EPWM1A為高電平EPWM1B是低電平時，IC2的D1端和S1A端導(dǎo)通，也即D1端和IC1供電極的正端(V+)導(dǎo)通，同時IC2的D2端和S2A端導(dǎo)通，也即D2端和IC1供電極的負(fù)端(V-)導(dǎo)通。當(dāng)EPWM1A為低電平EPWM1B是高電平時，IC2的D1端和S1B端導(dǎo)通，也即D1端和IC1供電極的負(fù)端(V-)導(dǎo)通，同時IC2的D2端和S2B端導(dǎo)通，也即D2端和IC1供電極的正端(V+)導(dǎo)通。這樣當(dāng)EPWM1A和EPWM1B發(fā)出極性相反的脈沖波時，在IC2的D1端和D2端就會發(fā)射出功率較大的極性相反的脈沖波。脈沖個數(shù)和占空比由IC4的PWM模塊的寄存器決定。IC4的GPIO3、GPIO4、GPIO5口控制模擬多路開關(guān)IC3實現(xiàn)對要激發(fā)的換能器選擇。

參見圖3，超聲波回波信號接收單元主要由超聲波換能器、模擬多路開關(guān) IC5、AGC信號放大模塊IC6和信號調(diào)理電路等組成。IC4為控制和處理單元。IC4的GPIO6、GPIO7、GPIO8口控制模擬多路開關(guān)IC5實現(xiàn)對換能器通道的選擇?；夭ㄐ盘柦?jīng)模擬多路開關(guān)IC5到達(dá)IC6的模擬信號輸入端VIN+和VIN-，IC4的GPIO9、GPIO10、SPISTEA、SPICLKA、SPSIMOA口分別和AGC集成電路IC6的TXEN、SLEEP、DATEN、CLK、SDATA口相連，實現(xiàn)IC6自動放大倍數(shù)的設(shè)定。信號經(jīng)過AGC放大后，通過IC6模擬信號輸出端OUT+、OUT-輸出到信號調(diào)理電路。

參見圖4，超聲波回波信號接收單元的信號調(diào)理電路主要由IC7組成的差分信號轉(zhuǎn)單端信號電路、由IC8組成的高通濾波器、由IC9組成的低通濾波器等構(gòu)成。

差分運(yùn)放IC7和R1對輸入回波信號有差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號以及放大的作用，其中改變R1阻值的大小可以調(diào)節(jié)信號的放大倍數(shù)。

運(yùn)放IC8和電阻(R2、R3、R4、R5、R6)電容(C1、C2)的組合實現(xiàn)對信號的高通濾波。

運(yùn)放IC9和電阻(R7、R8、R9、R10、R11)電容(C3、C4)的組合實現(xiàn)對信號的低通濾波。

然后信號經(jīng)過C5耦合到R12和R13的連接處。R12和R13的作用是對回波信號提供偏置電壓，使信號在0～VCC范圍內(nèi)，以便同IC4的ADC0端口連接。經(jīng)過放大和濾波后的信號輸入到IC4的ADC0端口，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。IC4內(nèi)部對數(shù)字化回波信號經(jīng)過一系列的運(yùn)算后可以計算出回波信號的到達(dá)時間，從而計算出超聲波換能器到反射面的距離。

本實用新型的具體工作過程是：

控制和處理單元控制超聲波信號發(fā)射單元激發(fā)超聲波換能器1發(fā)射出超聲波，超聲波碰到井壁后反射回來，然后超聲波換能器1將超聲波回波信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。電壓信號經(jīng)AGC信號放大模塊實現(xiàn)回波電壓信號的動態(tài)放大。放 大后的電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理電路實現(xiàn)電壓信號的濾波、實現(xiàn)差分電壓信號轉(zhuǎn)單端電壓信號，然后送給控制和處理單元自帶的ADC模塊。ADC模塊將模擬的電壓信號變?yōu)閿?shù)字信號，控制和處理單元將數(shù)字化的回波電壓信號進(jìn)行數(shù)字信號處理和數(shù)值計算，計算出回波信號到達(dá)的時間，從而計算出超聲波換能器1到反射面的距離。以此類推，控制和處理單元控制超聲波信號發(fā)射單元激發(fā)超聲波換能器2發(fā)射出超聲波，控制和處理單元根據(jù)回波信號，計算出超聲波換能器2到反射面的距離；控制和處理單元控制超聲波信號發(fā)射單元激發(fā)超聲波換能器3發(fā)射出超聲波，控制和處理單元根據(jù)回波信號，計算出超聲波換能器3到反射面的距離。得到各個換能器到反射面的距離后，控制和處理單元可以根據(jù)算法，計算出井徑。

井徑計算結(jié)果可以通過外部通訊接口傳送給井下MWD(一種鉆井用無線通信裝置)，然后通過泥漿信號通道傳送至地面，解碼后就能在地面顯示當(dāng)前井徑的測量結(jié)果。井徑計算結(jié)果也可以在井下按采集時間存儲在大容量存儲器里，待儀器回到地面后將所存儲的數(shù)據(jù)取出，在PC機(jī)上查看計算結(jié)果。