[发明专利]压电换能器动态参数测量仪及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种。特别是涉及一种用于石油工程作业施工中套管井超声波解堵作业和声波测井仪器的压电换能器动态参数测量仪及测量方法。

背景技术

超声波作业和声波测井仪器中，换能器的动态参数是决定超声作业效果和声波发射效率的关键因素，需要对其进行有效的测量。张强、瞿敏、沈建国，压电晶体导纳圆测量仪的设计与实现(压电与声光，2005，27(1)，21～23)中公布了一种基于模拟方法的压电换能器动态参数测量方法和仪器。其信号采集系统原理如图1所示，该仪器用乘法器获得两路测量信号的相位差和2倍频信号，用低通滤波将2倍频信号滤掉，剩下直流信号显示相位差。当工作频率比较低时，2倍频滤波不完整，直流信号中叠加有交流成分，测量的相位差随时间改变，影响测量精度。现有技术还包括使用安捷伦4294A阻抗分析仪，但其并非压电换能器动态参数的专用测量仪，体积大，价格昂贵，传输测量数据不方便。且由于不具备自主知识产权，无法改进或与其他系统整合。张蕊，蔡朝鹏，于瀛蛟，沈建国，正交偶极子探头导纳圆测量系统(石油仪器，2008，22(6)，33～35)中给出了另一种基于采集卡的测量方法和仪器。其原理如图2所示，通过采集卡采集A、B两路信号，使用PCI接口传输至PC机，PC机通过应用程序绘制导纳圆图。该方案需要额外购置采集卡，且由于采集电路与信号生成电路不在一个电路板上，而是通过较长的导线将信号采集至采集卡，再经过采集卡处理后传输至电脑，这样就造成了其精度不高，且采集频率受限制。另外，不同的换能器其动态电阻不一样，测量电阻也应该随着换能器的不同有所改变。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种保证了相位差处理的精度，提高了压电换能器动态参数的测量精度，拓展了其频率测量范围的压电换能器动态参数测量仪及测量方法。

本发明所采用的技术方案是：一种压电换能器动态参数测量仪，是由PC机和与PC机通过USB接口相连的下位机构成，所述的下位机包括有：依次相连的微控制器、正弦信号发生电路和压电换能器，分别与正弦信号发生电路和压电换能器的输出端相连接的模数转换电路，以及连接在压电换能器的输出端与正弦信号发生电路的输入端之间的测量电阻单元，其中，所述的模数转换电路的输出连接微控制器，所述的微控制器通过USB接口与PC机相连。

所述的测量电阻单元是由数字电位器和拨码开关与精密电阻以及用于选择数字电位器或拨码开关与精密电阻的跳线构成。

一种用于压电换能器动态参数测量仪的测量方法，包括有用于PC机的测量方法和用于下位机中微控制器的测量方法，其中，

所述的用于PC机的测量方法具体是依次进行如下步骤：

1)首先进行参数初始化；

2)用户界面初始化；

3)打开文件，写入数据；

4)判断当前频率是否大于截止频率，如果是进入下一步骤，否则进入步骤9)；

5)进行曲线拟合；

6)将电性参数写入文件；

7)写文件尾：

8)保存图像，结束；

9)通过USB接口发送当前频率及阻值；

10)通过USB接口接收采样数据；

11)进行数据处理；

12)绘制图像并将数据写入文件；

13)判断是否有STOP消息，有则进入步骤5)，否则返回步骤4)；

所述的用于下位机中微控制器的测量方法是依次进行如下步骤：

1)通过USB接收上位机发送的采样数据信息；

2)计算当前测量电阻的控制字；

3)更新数字电位器的阻值；

4)计算当前频率的控制字；

5)更新正弦信号发生器与A/D转换器的频率；

6)使能FIQ中断；

7)保存A/D转换数据；

8)判断采集长度是否等于设定长度，如果不是返回第7)步骤，如果是进入下一步骤；

9)禁止FIQ中断；

10)通过USB接口将采样数据传送给上位机，结束。

所述的用于PC机的测量方法中步骤3)所述的写入数据是指用户输入起始测量频率、截止测量频率、频率步长、数据分析方法、测量电阻值。

所述的用于PC机的测量方法中步骤5)所述的进行曲线拟合，是通过最小二乘法拟合圆计算出压电换能器动态参数值，即电性参数：动态电容C₁、动态电阻R₁和动态电感L₁。