成 思孟令紅代 輝

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

基于正余弦旋轉變壓器在井周超聲成像中的應用

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

利用正余弦旋轉變壓器所產(chǎn)生的角度關系,結合硬軟件,為井周超聲成像換能器提供精確發(fā)射時刻和圈同步信號,同時為電機提供正確的換相時刻。文章簡要描述了正余弦旋轉變壓器的工作原理,重點介紹了硬件和軟件方法。該方法簡單可靠,可在測角系統(tǒng)中廣泛應用。

正余弦旋轉變壓器;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井壁(裸眼井或套管井)進行螺旋掃描,然后對反射回的超聲波信號進行濾波、增益自動控制和采集,提取首波到達時間和峰值幅度。地面根據(jù)提取的到達時間和峰值幅度信息,結合方位,就可以進行幅度成像和時間成像。結合換能器所固有的分辨率,為了達到周向分辨率,要求換能器每旋轉一圈就需發(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)采樣定理可知信號不能完整復原,從而不能真實反映地層;如果角度太小,信號的重復率就越高,盡管這對信號的復原很有好處,但會大大影響測井速度。所以,精確選取兩次發(fā)射的間隔角度就顯得十分重要。

1 正余弦旋轉變壓器的工作原理

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

圖1 正余弦旋轉變壓器結構圖

其中,θ為軸轉角,sin(ωt)為勵磁信號,K為變壓器變比,V為勵磁信號幅度。

旋轉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、副邊繞組是相對固定的,所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù),而旋轉變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉子的角位移發(fā)生相對位置的改變,因而其輸出電壓的大小隨轉子角位移而發(fā)生變化,輸出繞組的電壓幅值與轉子轉角成正弦、余弦函數(shù)關系。旋轉變壓器在同步隨動系統(tǒng)及數(shù)字隨動系統(tǒng)中可用于傳遞轉角或電信號。

2 正余弦角度信號的數(shù)字化

旋轉變壓器的輸出是包含著位置信息的模擬信號,單片機處理的是數(shù)字信號,故需對其處理并將其轉化成對應的包含著位置信息的數(shù)字量,才能與單片機控制芯片接口。這就需要設計相應的信號轉換電路或者使用專用的旋轉變壓器—數(shù)字轉換器(AD2S80)來實現(xiàn),后者由于有功能強、可靠性高、使用方便等優(yōu)點而被廣泛采用[2]。

AD2S80的優(yōu)點:

1)允許用戶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,用戶可根據(jù)需要,通過外圍器件的不同連接選用不同的分辨率。

2)通過三態(tài)輸出引腳輸出并行的二進制碼來表征位置信息,因而很容易與單片機控制芯片接口。

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

4)用戶可通過外圍阻容元件選擇,改變轉換的動態(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位分辨率時的最大跟蹤速度為1 040轉/秒。

6)能提供高精度的速度信號輸出。AD2S80能提供與轉速成正比的模擬信號,其典型的線性度達到±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的資料比較準確地計算,否則對正余弦輸出信號會有一定的影響,嚴重的可能導致AD2S80不能正常工作。

3 電路設計

正余弦變壓器的副邊與電機的轉子連接在一起,裝有超聲晶體的掃描頭通過連軸器與電機的轉子連接。當電機轉動時,帶動正余弦變壓器副邊一起轉動,從而在正余弦變壓器的原邊產(chǎn)生角度相關的正余弦信號。以下是電路的結構部分。

電路部分包括:振蕩電路、譯碼電路、電機控制電路和發(fā)射電路。

振蕩電路為正余弦變壓器提供5 V的激勵信號,并且為AD2S80處理部分電路提供參考信號。AD2S80根據(jù)參考信號和正余弦變壓器產(chǎn)生的正余弦信號,自動產(chǎn)生與角度相關的10位數(shù)字化信號和轉換有效信號。當一次轉換結束時,AD2S80的BUSY就置低;當一圈轉動結束時,即AD2S80的輸出全部為0時,其RCLK就輸出一個脈沖。

譯碼電路由鎖存器與EPROM組成。它把AD2S80輸出的10位信號和200點/100點選擇信號當作地址,把轉換有效信號(BUSY)當作觸發(fā)信號,在0000-1023的地址空間輸出此角度需要的控制狀態(tài)。1024個地址預先存放相對應的發(fā)射控制信號和電機換相控制信號。當選擇200點時,轉子轉到1.8°、3.6°、5.4°……360°等須發(fā)射的角度時,譯碼電路就根據(jù)此地址選出預存數(shù)據(jù)來控制超聲換能器的發(fā)射。當選擇100點時,轉子轉到3.6°、7.2°……360°時,就控制超聲換能器發(fā)射。同時,它們都在AD2S80輸出為0時,EPROM還要輸出圈同步信號,通知單片機電機已轉動一圈,準備處理此圈的數(shù)據(jù)。另外,電機的換相控制信號須由電機的型號來具體確定。圖2是系統(tǒng)控制框圖。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

4 軟件設計

由于控制發(fā)射信號和換相信號在某個角度是固定的輸出,所以譯碼電路只需鎖存器和EEPROM就能滿足要求。在編程時,把事先設計好的數(shù)據(jù)寫入到EEPROM就能產(chǎn)生所需的控制信號[3]。

在井周超聲成像中,掃描頭每轉一圈需要晶體發(fā)射200次或100次,也就是每1.8°或3.6°發(fā)射一次。對于AD2S80,選擇10位AD輸出時,也就是每變化一個AD數(shù),角度就變化360°/1024=0.3515625°。當選擇200次/圈時,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AD數(shù)就發(fā)射一次,當發(fā)射200次時,其實際角度為200×0.3515625°=351.5625°,而不是360°。所以,在編程時,就要以實際轉過的角度為準。

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

根據(jù)準確的發(fā)射時刻信號,通過延時產(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寫入的部分數(shù)據(jù)見表1。

表1 向EPROM寫入數(shù)據(jù)示例

5 結束語

使用正余弦旋轉變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的霍爾器件來測角度,不僅安裝方便且精度較高。通過對硬軟件的調(diào)試,能很好地控制超聲晶體發(fā)射和無刷直流電機轉動。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.旋轉變壓器在動量輪測角系統(tǒng)中的應用[J].科學技術與工程2007,15(7)

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

[3] 余錫存,曹國華.單片機原理及接口技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,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)學院,現(xiàn)在中國電子科技集團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)