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STM32与声波测井

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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
    声波测井是各类地球物理测井中发展最快和应用最广泛的技术之一。该技术
利用声波的速度、幅度在不同介质中传播时的全波记录,得出相应的地质特征,
以便于研究和解决地质问题,进而发现油气、煤、金属与非金属、放射性、地下
水等矿产资源。声波测井技术是一种重要的资源勘探手段,并随着科学技术的进
步,逐渐衍生到其他相关领域,如大型结构桥梁、建筑物等的桩基检测及煤矿、
金属物等矿采资源勘探等领域。传统的声波测井需手动测量井下的具体位置,并
采用有线进行数据传输,通过对声波信号的分析,从而得出这些位置的地质结构,
此方法操作不便,特别在岩层较深且测量点位密集的情况下,测得的数据不仅存
在较大的误差,而且需花费大量时间和精力。为解决传统仪器存在的问题,本文
研制了基于ARM Cortex-M3内核的无线智能声波测井系统,主要研究内容和结果
如下:
    (1)研制了无线自动测位装置。以低功耗STC89C52微处理器及E50-TTL-
100无线通信模块为核心对装置进行了硬件设计和软件编程。使声波测井换能器
在井下移动的过程中,自动测位装置采集编码器产生的位移脉冲,通过一定的换
算,把脉冲信号转换为实际的位移信号,并通过无线串口传输进行数据通信,实
现了井下采集点位置信息的精确测量。模块性能测试表明,误差控制在1%以内,
显示出良好的位移测量效果。
    (2)研制了无线声波采集模块。以高速STM32微处理器及nRF24L01无线模
块为核心对模块进行了硬件设计和软件编程。模块通过利用微控制单元(MCU)
自带的两路12位模数转换器,对换能器两接收通道声波信号进行采集,并采用
无线进行数据收发,减少现场布线带来的麻烦,从而实现了无线声波测井系统的
高精度采集过程。模块性能测试表明,最高采样率可达1 MHz o
    (3)开发了基于LabVIEW虚拟仪器的系统配套应用软件。软件包括声波数
据采集模块及声波数据分析处理模块两部分。数据采集部分程序功能:系统根据
无线自动测位装置实时提供的井下位置信息,设置相应的采集参数,实现仪器的
自动采集。数据分析处理部分功能:设计合理的声波分析方法,实现数据分析与
采集过程的一体化过程,从而快速、准确的对被测物体的质量进行分析。


goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:31 | 显示全部楼层
    声波测井技术主要是利用声波在不同介质中传播特性状况的不同,并利用适
当的分析方法,从而检测分析出被测岩层的力学性能和地址特性的一种装置[Ll
具体包括纵波测试分析、横波测试分析和三分量测试分析三种方法,从而对这一
位置的强度、缺陷等进行评估。通过测量声波在岩层中的传播速度,可分析出被
测地层岩石力学参数、孔隙度、地应力和地层压力等的性能指标;通过测量声波
的振幅,可观察井壁情况、裂缝和套损,从而对固井质量进行综合评估;通过测
量声波在岩层中的传播频率,可对油井串槽和井下流体的流动等情况进行测评。
测量数据可用于岩性识别、井眼稳定性预测等,应用十分广泛f}_iol
    声波测井系统主要包括声波换能器和声波数据采集分析系统两个部分。声波
换能器由声波发射传感器和声波接收传感器组成,声波发射传感器通过向被测物
体发射一定频率、幅值的声波,声波在待测物体中传播、反射和衰减后,被声波
接收换能器接收,通过数据采集单元对接受的声波进行精确的采集,并利用适当
的方法对接收到的声波进行分析处理,根据声波声学参数的变化情况,从而对被
测物体的特性进行评估[fill。常用的声波测井方法有单孔测井和跨孔测井两种,具
体的工作原理如图1.1所示,
    图1.1左为一发双收测井系统工作原理图,声波换能器主要包括一个声波发
射传感器和两个声波接收传感器,测井系统控制发射传感器产生一定频率、幅值
的声波,声波通过岩壁传播反射,被两个接收传感器接收,通过声波采集卡采集
两个接收端的声波,计算首波时间差4t,利用式1.1,即可求得声波在B,  C间
的波速;同理,图1.1右为一发一收跨孔测井系统原理图,主要由两个换能器组
成,测井系统控制其中一个换能器发射一个声波,另一个传感器接收经过岩层传
播透射过来的声波,通过采集卡采集声波在T, R间的传播时间4t,利用式1.2
计算波速,从而判断岩层的地质特性。

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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:31 | 显示全部楼层
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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:31 | 显示全部楼层
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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:32 | 显示全部楼层
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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:32 | 显示全部楼层
    国内声波测井在工程物探检测中的应用起步较晚,技术基础相对较薄弱,但
经过近几年的发展,出现了一批工程物探与工程检测的研发团队及专家,并取得
了一定的研究成果[}m-2}}。由湖南天功测控科技有限公司研制的TH3 O 1型声波测
井仪如图1.3所示,仪器采用高性能A/D转换器,最高采样率可达到20MHz,
最高可支持16个通道的同步采集。整个仪器的集成度高,小巧轻便,仪器的采
集系统与上位机控制系统集成在工程仪器箱,并合理的进行了一体化设计,以便
于适应各种复杂多变的矿井测试环境。仪器具有友好的人机交互界面,操作简便,
界面的显示直观易懂,仪器应用软件是在基于Windows的操作系统中开发,并
按照标准的测试流程对整个系统的测试界面进行设计,采用触屏方式对仪器进行
操作,以便适合复杂多变的矿井测试要求。

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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:32 | 显示全部楼层
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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:33 | 显示全部楼层
    无线通信技术(Wireless communication)是利用电磁波作为传播介质,从而在
空气中进行通信的一种无线数据传输方式[f2}1。利用移动终端进行数据传输即我们
熟悉的移动通信,当把移动终端与无线通信二者合二为一,就是人们常说的无线
移动通信。无线通信技术使人们的生活更加丰富多彩,改变了人们的通信方式,
拉近了人们的距离,使人们相互之间的联系不在受距离的限制。现如今,每一天
约有几十万人即将成为新的无线通信客户,而全世界范围内的无线通信用户,目
前的总量已经超过50亿人次。小到个人业务、大到国防军事领域,无线通信都
扮演着重要的角色,他们使自身的工作方式和无线技术的发展方式都在不断地向
前发展进步,并随着科学技术的进步不断造福社会。特别是最近几年,无线通信
技术飞速发展,技术不断创新,在各行各业都有着广泛的应用。图1.4为无线通
信技术在军事领域的应用。
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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:33 | 显示全部楼层
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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:34 | 显示全部楼层
      设计研制具有自动测位功能的智能无线声波测井系统,使系统在使用的过
程中,自动测量井下位置信息,并通过软件设计,高效、快捷的对井下地质情况
进行自动检测分析,并使用无线进行数据传输,减少现场布线带来的困扰,节约
人力物力,实现仪器的自动智能化。根据设计要求,本智能系统的主要功能如下
所示:
    (1>测井系统具有自动测量井下位置信息的功能;
    (2)测井系统具有高采样率、高精度采集的功能;
    (3)测井系统具有自动控制采集检测的功能;
    (4)测井系统具有高速无线数据传输的功能;
    }s)测井系统具有数据采集、数据分析、底层控制功能的人机交互界面;
    除包含以上提出的系统的基本功能外,所研制的无线智能声波测井系统还需
满足如下技术指标:
    (1>无线测位装置误差要求在o. l%以内;
    (2>控制井下声波换能器工作的压电模块功率可控;
    (3)无线数据传输距离要求最远达到2千米以上;
    (#)采样率最高需达到1M、采样字节最高可达1 OK且能自由选择;
    (s)整个系统要求抗干扰能力强,能适应各种极端复杂的测量环境;
    (6)要求是手持便携式检测系统,由一人既能实现完整的检测过程。

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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:34 | 显示全部楼层
    无线智能声部测井系统能够便捷的通过无线测位装置测量位移信息,并通过
无线数据传输方式把位移信息准确无误的传输给上位机,上位机通过软件控制,
设置采样间隔,控制井下换能器自动采集岩层声波,并通过高效、高精度的数据
采集单元对信号进行处理,无线传输给上位机,上位机应用软件再对接收到的声
波数据进行还原解析处理,通过有效的方法对采集到的声波进行分析处理,从而
达到岩层自动检测评估的目的。整个测量过程无需手动控制采集,仅需一个拉动
换能器在井下移动,既能自动检测采集,实现了系统的自动智能化。与传统仪器
系统相比,具有自动测量功能,无线传输减少现场布线带来的困扰,节省了人力、
物力,采样率高,仪器轻巧便于携带,能在各种复杂环境下完整测量过程[[42]
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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:34 | 显示全部楼层
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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:35 | 显示全部楼层
    编码器无线测位装置实时测量声波测井换能器的位移值,并通过无线传输,
准确的发送给工控计算机;工控计算机根据实时接收到的位移值,设置采样位移
间隔,将采样位移间隔发送给声波数据采集卡;声波数据采集卡通过无线通信控
制声波测井换能器发送采样命令;声波测井换能器在在岩层中移动,并根据设定
好的采样位移间隔自动采集声波数据,把数据发送给工控计算机;工控计算机根
据采集到的声波数据,分析岩层的强度和缺陷[[42]
    自动测井采集方法流程示意图如图2.4所示,给仪器正常供电后,拉动线缆,
使声波测井换能器在岩层中向下缓慢移动,通过线缆的牵引,使固定在三脚架上
的滑轮随之转动,而滑轮与编码器无线测位系统紧密相接,实时的测量出声波测
井换能器的位移值,并把编码器无线测位装置所测得的位移值通过无线串口传给
工控计算机,工控计算机依据实时位移值,设置采样位移间隔,传送命令给声波
数据采集卡,使声波数据采集卡控制声波测井换能器按设定的采样位移间隔自动
采样,并把采集到的声波数据及时传回工控计算机进行处理,通过声波参数测试
分析,从而对岩层的强度、缺陷等进行检测评估。评估检测结果将实时在人机交
互界面进行显示,并可通过软件进行保存处理,以便后期的进一步分析处理。整
个测量操作仅需一人拉动线缆即可完成,操作简单方便。从而实现的一起的自动
智能化采集过程。

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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:35 | 显示全部楼层
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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:36 | 显示全部楼层
    (1>编码器无线测位模块
    模块能实现对井下被测物体具体位置信息进行准确实时的测量[[43]。模块主控
制芯片采用的是STC89C52微处理器,它包含3个定时计数器。位移传感器选用
的是绝对式光电编码器。工作过程是编码器转动,产生方波脉冲信号,利用微处
理器的其中两个定时计数器对脉冲的个数进行计数,通过一定的处理转换为位
移,并利用另外一个定时计数器作为波特率发生器,通过无线串口模块
E50-TTL-100,把位移数据实时传输给上位机。
    (2)无线声波数据采集单元
    模块主要实现对声波信号的高效率准确测量。主控制芯片采用的是
S TM32F 103嵌入式微处理器,及相应的外围电路组成。工作过程主要是微处理
器通过对压电模块产生一个持续高电平脉冲,从而控制压电模块产生瞬间高电
平,激励换能器发送端发送一个一定频率、幅度的声波信号,声波经被测物体传
播、反射,被换能器两个接收通道接收,经过放大电路、滤波电路及信号调理电
路传输给微处理器,微处理器利用芯片自带的两路12位A/D转换器对这两路声
波进行采集转换,并对声波数据进行一定的处理,然后通过nRF24L01无线模块
传输给上位机。

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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:36 | 显示全部楼层
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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:36 | 显示全部楼层
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goodluck09876|  楼主 | 2018-12-17 15:37 | 显示全部楼层
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