成 思孟令紅代 輝

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十二研究所 河南新鄉(xiāng)) (2.延長(zhǎng)油田南泥灣采油廠 陜西延安)

基于正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器在井周超聲成像中的應(yīng)用

成 思1孟令紅2代 輝1

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十二研究所 河南新鄉(xiāng)) (2.延長(zhǎng)油田南泥灣采油廠 陜西延安)

利用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器所產(chǎn)生的角度關(guān)系,結(jié)合硬軟件,為井周超聲成像換能器提供精確發(fā)射時(shí)刻和圈同步信號(hào),同時(shí)為電機(jī)提供正確的換相時(shí)刻。文章簡(jiǎn)要描述了正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理,重點(diǎn)介紹了硬件和軟件方法。該方法簡(jiǎn)單可靠,可在測(cè)角系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器;井周超聲成像;發(fā)射

0 引 言

井周超聲成像是利用收發(fā)合一的超聲換能器對(duì)井壁(裸眼井或套管井)進(jìn)行螺旋掃描,然后對(duì)反射回的超聲波信號(hào)進(jìn)行濾波、增益自動(dòng)控制和采集,提取首波到達(dá)時(shí)間和峰值幅度。地面根據(jù)提取的到達(dá)時(shí)間和峰值幅度信息,結(jié)合方位,就可以進(jìn)行幅度成像和時(shí)間成像。結(jié)合換能器所固有的分辨率,為了達(dá)到周向分辨率,要求換能器每旋轉(zhuǎn)一圈就需發(fā)射200次(裸眼井)或100次(套管井),也就是每1.8°或3.6°發(fā)射一次。如果角度太大,根據(jù)采樣定理可知信號(hào)不能完整復(fù)原,從而不能真實(shí)反映地層;如果角度太小,信號(hào)的重復(fù)率就越高,盡管這對(duì)信號(hào)的復(fù)原很有好處,但會(huì)大大影響測(cè)井速度。所以,精確選取兩次發(fā)射的間隔角度就顯得十分重要。

1 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器(resolver)是一種電磁式傳感器,又稱(chēng)同步分解器。它是一種測(cè)量角度用的小型交流電動(dòng)機(jī),用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)軸角位移和角速度,由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的原邊,接受勵(lì)磁電壓,勵(lì)磁頻率通常用400 Hz、3 000 Hz及5 000 Hz等。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊,通過(guò)電磁耦合得到感應(yīng)電壓。旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有輸入或輸出繞組,它只是一個(gè)閉合的線圈。定子上所加的勵(lì)磁信號(hào),感應(yīng)到轉(zhuǎn)子線圈。定子上的相互垂直的繞組感應(yīng)轉(zhuǎn)子線圈磁場(chǎng)的變化,從而輸出正余弦信號(hào)[1]。其原理圖如圖1所示。

圖1 正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖

其中,θ為軸轉(zhuǎn)角,sin(ωt)為勵(lì)磁信號(hào),K為變壓器變比,V為勵(lì)磁信號(hào)幅度。

旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器基本相似,區(qū)別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對(duì)固定的,所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù),而旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對(duì)位置的改變,因而其輸出電壓的大小隨轉(zhuǎn)子角位移而發(fā)生變化,輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦、余弦函數(shù)關(guān)系。旋轉(zhuǎn)變壓器在同步隨動(dòng)系統(tǒng)及數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)中可用于傳遞轉(zhuǎn)角或電信號(hào)。

2 正余弦角度信號(hào)的數(shù)字化

旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是包含著位置信息的模擬信號(hào),單片機(jī)處理的是數(shù)字信號(hào),故需對(duì)其處理并將其轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的包含著位置信息的數(shù)字量,才能與單片機(jī)控制芯片接口。這就需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路或者使用專(zhuān)用的旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器(AD2S80)來(lái)實(shí)現(xiàn),后者由于有功能強(qiáng)、可靠性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用[2]。

AD2S80的優(yōu)點(diǎn):

1)允許用戶(hù)自己選擇適合的的分辨率。AD2S80提供有10位、12位、14位或16位的分辨率,用戶(hù)可根據(jù)需要,通過(guò)外圍器件的不同連接選用不同的分辨率。

2)通過(guò)三態(tài)輸出引腳輸出并行的二進(jìn)制碼來(lái)表征位置信息,因而很容易與單片機(jī)控制芯片接口。

3)采用比率跟蹤轉(zhuǎn)換方式,使之能連續(xù)輸出位置數(shù)據(jù)并具有較強(qiáng)的抗干擾能力和遠(yuǎn)距離傳輸能力。

4)用戶(hù)可通過(guò)外圍阻容元件選擇,改變轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)性能,如帶寬、最大跟蹤速率等。

5)具有很高的最大跟蹤速度,10位分辨率時(shí)的最大跟蹤速度為1 040轉(zhuǎn)/秒。

6)能提供高精度的速度信號(hào)輸出。AD2S80能提供與轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號(hào),其典型的線性度達(dá)到±1%,回差小于±0.3%。

在AD2S80的使用中,其外圍的元器件選擇需要按照AD2S80的資料比較準(zhǔn)確地計(jì)算,否則對(duì)正余弦輸出信號(hào)會(huì)有一定的影響,嚴(yán)重的可能導(dǎo)致AD2S80不能正常工作。

3 電路設(shè)計(jì)

正余弦變壓器的副邊與電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接在一起,裝有超聲晶體的掃描頭通過(guò)連軸器與電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)正余弦變壓器副邊一起轉(zhuǎn)動(dòng),從而在正余弦變壓器的原邊產(chǎn)生角度相關(guān)的正余弦信號(hào)。以下是電路的結(jié)構(gòu)部分。

電路部分包括:振蕩電路、譯碼電路、電機(jī)控制電路和發(fā)射電路。

振蕩電路為正余弦變壓器提供5 V的激勵(lì)信號(hào),并且為AD2S80處理部分電路提供參考信號(hào)。AD2S80根據(jù)參考信號(hào)和正余弦變壓器產(chǎn)生的正余弦信號(hào),自動(dòng)產(chǎn)生與角度相關(guān)的10位數(shù)字化信號(hào)和轉(zhuǎn)換有效信號(hào)。當(dāng)一次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),AD2S80的BUSY就置低;當(dāng)一圈轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束時(shí),即AD2S80的輸出全部為0時(shí),其RCLK就輸出一個(gè)脈沖。

譯碼電路由鎖存器與EPROM組成。它把AD2S80輸出的10位信號(hào)和200點(diǎn)/100點(diǎn)選擇信號(hào)當(dāng)作地址,把轉(zhuǎn)換有效信號(hào)(BUSY)當(dāng)作觸發(fā)信號(hào),在0000-1023的地址空間輸出此角度需要的控制狀態(tài)。1024個(gè)地址預(yù)先存放相對(duì)應(yīng)的發(fā)射控制信號(hào)和電機(jī)換相控制信號(hào)。當(dāng)選擇200點(diǎn)時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到1.8°、3.6°、5.4°……360°等須發(fā)射的角度時(shí),譯碼電路就根據(jù)此地址選出預(yù)存數(shù)據(jù)來(lái)控制超聲換能器的發(fā)射。當(dāng)選擇100點(diǎn)時(shí),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到3.6°、7.2°……360°時(shí),就控制超聲換能器發(fā)射。同時(shí),它們都在AD2S80輸出為0時(shí),EPROM還要輸出圈同步信號(hào),通知單片機(jī)電機(jī)已轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,準(zhǔn)備處理此圈的數(shù)據(jù)。另外,電機(jī)的換相控制信號(hào)須由電機(jī)的型號(hào)來(lái)具體確定。圖2是系統(tǒng)控制框圖。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

4 軟件設(shè)計(jì)

由于控制發(fā)射信號(hào)和換相信號(hào)在某個(gè)角度是固定的輸出,所以譯碼電路只需鎖存器和EEPROM就能滿(mǎn)足要求。在編程時(shí),把事先設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到EEPROM就能產(chǎn)生所需的控制信號(hào)[3]。

在井周超聲成像中,掃描頭每轉(zhuǎn)一圈需要晶體發(fā)射200次或100次,也就是每1.8°或3.6°發(fā)射一次。對(duì)于AD2S80,選擇10位AD輸出時(shí),也就是每變化一個(gè)AD數(shù),角度就變化360°/1024=0.3515625°。當(dāng)選擇200次/圈時(shí),從上一次正確發(fā)射到本次發(fā)射,AD數(shù)就要變化5,即5×0.3515625°=1.7578125°。如果一直按照每變化5個(gè)AD數(shù)就發(fā)射一次,當(dāng)發(fā)射200次時(shí),其實(shí)際角度為200×0.3515625°=351.5625°,而不是360°。所以,在編程時(shí),就要以實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度為準(zhǔn)。

圈同步信號(hào)的產(chǎn)生不存在以上問(wèn)題。編程時(shí)只需在AD2S80輸出為000H時(shí),把圈同步信號(hào)置高,其余角度輸出全部置低,就能產(chǎn)生圈同步信號(hào)。

根據(jù)準(zhǔn)確的發(fā)射時(shí)刻信號(hào),通過(guò)延時(shí)產(chǎn)生一定寬度的高壓窄脈沖,就能正確地控制超聲晶體的發(fā)射。

向EPROM寫(xiě)入的部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 向EPROM寫(xiě)入數(shù)據(jù)示例

5 結(jié)束語(yǔ)

使用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的霍爾器件來(lái)測(cè)角度,不僅安裝方便且精度較高。通過(guò)對(duì)硬軟件的調(diào)試,能很好地控制超聲晶體發(fā)射和無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。目前此電路已使用在井周超聲成像儀器中。

[1] 王 晨,梁雁冰,殷鳳群.旋轉(zhuǎn)變壓器在動(dòng)量輪測(cè)角系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程2007,15(7)

[2] AD Inc.Analog Device.Resolve-To-Digital Converter AD2S80A[M].2000

[3] 余錫存,曹?chē)?guó)華.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001

P631.8+1

B

1004-9134(2011)01-0091-02

成 思,男,工程師,1998年畢業(yè)于桂林電子工業(yè)學(xué)院,現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十二研究所從事石油儀器研發(fā)工作。郵編:453003

2010-10-09編輯:高紅霞)