[發明專利]壓電換能器動態參數測量儀及測量方法

有效

• 申請號: 201210029429.4
• 申請日: 2012-02-07
• 公開（公告）號: CN102565531A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 沈建國;聶建華;袁金庫
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01R23/02
• 分類號: G01R23/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 杜文茹

技術領域

本發明涉及一種。特別是涉及一種用于石油工程作業施工中套管井超聲波解堵作業和聲波測井儀器的壓電換能器動態參數測量儀及測量方法。

背景技術

超聲波作業和聲波測井儀器中，換能器的動態參數是決定超聲作業效果和聲波發射效率的關鍵因素，需要對其進行有效的測量。張強、瞿敏、沈建國，壓電晶體導納圓測量儀的設計與實現(壓電與聲光，2005，27(1)，21～23)中公布了一種基于模擬方法的壓電換能器動態參數測量方法和儀器。其信號采集系統原理如圖1所示，該儀器用乘法器獲得兩路測量信號的相位差和2倍頻信號，用低通濾波將2倍頻信號濾掉，剩下直流信號顯示相位差。當工作頻率比較低時，2倍頻濾波不完整，直流信號中疊加有交流成分，測量的相位差隨時間改變，影響測量精度。現有技術還包括使用安捷倫4294A阻抗分析儀，但其并非壓電換能器動態參數的專用測量儀，體積大，價格昂貴，傳輸測量數據不方便。且由于不具備自主知識產權，無法改進或與其他系統整合。張蕊，蔡朝鵬，于瀛蛟，沈建國，正交偶極子探頭導納圓測量系統(石油儀器，2008，22(6)，33～35)中給出了另一種基于采集卡的測量方法和儀器。其原理如圖2所示，通過采集卡采集A、B兩路信號，使用PCI接口傳輸至PC機，PC機通過應用程序繪制導納圓圖。該方案需要額外購置采集卡，且由于采集電路與信號生成電路不在一個電路板上，而是通過較長的導線將信號采集至采集卡，再經過采集卡處理后傳輸至電腦，這樣就造成了其精度不高，且采集頻率受限制。另外，不同的換能器其動態電阻不一樣，測量電阻也應該隨著換能器的不同有所改變。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種保證了相位差處理的精度，提高了壓電換能器動態參數的測量精度，拓展了其頻率測量范圍的壓電換能器動態參數測量儀及測量方法。

本發明所采用的技術方案是：一種壓電換能器動態參數測量儀，是由PC機和與PC機通過USB接口相連的下位機構成，所述的下位機包括有：依次相連的微控制器、正弦信號發生電路和壓電換能器，分別與正弦信號發生電路和壓電換能器的輸出端相連接的模數轉換電路，以及連接在壓電換能器的輸出端與正弦信號發生電路的輸入端之間的測量電阻單元，其中，所述的模數轉換電路的輸出連接微控制器，所述的微控制器通過USB接口與PC機相連。

所述的測量電阻單元是由數字電位器和撥碼開關與精密電阻以及用于選擇數字電位器或撥碼開關與精密電阻的跳線構成。

一種用于壓電換能器動態參數測量儀的測量方法，包括有用于PC機的測量方法和用于下位機中微控制器的測量方法，其中，

所述的用于PC機的測量方法具體是依次進行如下步驟：

1)首先進行參數初始化；

2)用戶界面初始化；

3)打開文件，寫入數據；

4)判斷當前頻率是否大于截止頻率，如果是進入下一步驟，否則進入步驟9)；

5)進行曲線擬合；

6)將電性參數寫入文件；

7)寫文件尾：

8)保存圖像，結束；

9)通過USB接口發送當前頻率及阻值；

10)通過USB接口接收采樣數據；

11)進行數據處理；

12)繪制圖像并將數據寫入文件；

13)判斷是否有STOP消息，有則進入步驟5)，否則返回步驟4)；

所述的用于下位機中微控制器的測量方法是依次進行如下步驟：

1)通過USB接收上位機發送的采樣數據信息；

2)計算當前測量電阻的控制字；

3)更新數字電位器的阻值；

4)計算當前頻率的控制字；

5)更新正弦信號發生器與A/D轉換器的頻率；

6)使能FIQ中斷；

7)保存A/D轉換數據；

8)判斷采集長度是否等于設定長度，如果不是返回第7)步驟，如果是進入下一步驟；

9)禁止FIQ中斷；

10)通過USB接口將采樣數據傳送給上位機，結束。

所述的用于PC機的測量方法中步驟3)所述的寫入數據是指用戶輸入起始測量頻率、截止測量頻率、頻率步長、數據分析方法、測量電阻值。

所述的用于PC機的測量方法中步驟5)所述的進行曲線擬合，是通過最小二乘法擬合圓計算出壓電換能器動態參數值，即電性參數：動態電容C₁、動態電阻R₁和動態電感L₁。