专利名称：压电换能器动态参数测量仪及测量方法
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 ^3)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L-^ ο所述的用于PC机的测量方法中步骤11)所述的进行数据处理是通过USB接收的采样数据计算出当前频率下的电导G，电纳B，电阻R，电抗X值，计算公式为
R = K&^oose-l),X = -Rm ^sin θ,G =,B =，其中 Rm 为测量电阻
u BnUBmR2+X2R2 +X2
值，UAm、UBm、θ分别为模数转换电路采集到的两路正弦信号，通过使用相关系数法、快速傅里叶法和过零点法中的一种方法求出两路正弦信号的幅值及它们之间的相位差。所述的用于下位机中微控制器的测量方法中步骤2、所述的计算当前测量电阻的
控制字是，选择数字电位器，微控制器将用户输入的电阻值通过公式Ara = ^ X Aa4，
5计算出相应的控制字，传输给数字电位器，使数字电位器更新相应的阻值，公式中Dx为8位电阻值控制字，Rwb为接入电路的端点B、W之间的电阻值，Rba为数字电位器的总阻值，Rff为数字电位器接触电阻。所述的用于下位机中微控制器的测量方法中步骤4)所述的计算当前频率的控制
ηΝ
字是，微控制器根据公式M =计算得到用户输入的起始和截止测量频率对应的
^ IN
控制字，其中M为频率控制字，N = 32，Fin为正弦信号发生芯片的时钟频率，Fott为正弦信号发生芯片的输出频率。所述的用于下位机中微控制器的测量方法中步骤5)所述的更新正弦信号发生器与A/D转换器的频率是根据奈奎斯特采样定律，采样频率为信号最大频率2倍以上即可还原原始信号，若取采样频率为信号频率20倍，即一个周期采集20个点，则根据公式Fs =2(FX计算采样频率，控制器将该计算出的采样频率数值发送给模数转换器，即可更新采样频率，其中Fs为采样频率，Fx为信号频率。所述的用于下位机中微控制器的测量方法中步骤6)所述的使能FIQ中断是在模数转换器采集完设定的周期信号后，即产生中断请求。本发明的压电换能器动态参数测量仪及测量方法，将原始的电压和电流信号通过AD采集芯片采集到计算机中，用FFT和相关系数法等信号处理方法处理相位差和幅度，通过设置数字电位器或者拨码开关调整测量电阻。这样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。本发明充分利用了 USB端口供电及信号传输的双重功能，简化了电路设计。电路中设置了五档拨码开关连接的测量电阻，这样如果数字电位器不能正常工作时，可以通过跳线设置使用测量电阻，通过拨码开关切换电阻值。
图1是现有技术的信号采集系统原理；图2是另一现有技术的信号采集系统原理；图3是本发明的压电换能器动态参数测量仪及测量方法的结构框图；图4是本发明测量仪的PC机应用程序绘图界面；图5是本发明测量仪的下位机微处理器的软件流程图；图6是本发明测量仪的上位机(PC)应用程序流程图；图7a 图7j是本发明的压电换能器动态参数测量仪及测量方法的电路原理图；其中图7a是USB接口电路；图7b是控制芯片接口电路；图7c是正弦信号生成器及信号调制电路；图7d是信号放大及正弦信号输出电路；图7e是模数转换信号调制电路；图7f是模数转换电路；图7g是数字电位器电路；
图是拨码开关与精密电阻电路；图71是跳线电路；图7i是供电电压转换电路；图7j是复位及电源监控电路。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明的压电换能器动态参数测量仪及测量方法做出详细说明。本发明的压电换能器动态参数测量仪及测量方法，将原始的电压和电流信号通过AD采集芯片采集到计算机中，用FFT和相关系数法等信号处理方法处理相位差和幅度，通过设置数字电位器或者拨码开关调整测量电阻。这样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。如图3所示，本发明的压电换能器动态参数测量仪，是由型号为Dimension 5150的PC机1和与PC机1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型号为LPC2146的微控制器2、具有型号为AD9850的芯片的正弦信号发生电路3和压电换能器4，分别与正弦信号发生电路3和压电换能器4的输出端相连接的具有型号为ADS2806的芯片的模数转换电路5，以及连接在压电换能器4的输出端与正弦信号发生电路3的输入端之间的测量电阻单元6，所述的电阻单元6是由型号为AD8400的数字电位器61和拨码开关与精密电阻62以及用于选择数字电位器61或拨码开关与精密电阻62的跳线构成。其中，所述的模数转换电路5的输出连接微控制器2，所述的微控制器2通过USB接口与PC机1相连。本发明的压电换能器动态参数测量仪的电路原理图如图7所示所述的USB接口电路如图7a所示。所述的微控制器2是通过图7b所示的控制芯片接口电路连接在整体电路中。所述的正弦信号发生电路3是由如图7c所示的正弦信号生成器及信号调制电路和，图7d所示的信号放大及正弦信号输出电路构成。所述的模数转换电路5是由图7e所示的模数转换信号调制电路和，图7f所示的模数转换电路构成。所述的电阻单元6是由图7g所示的数字电位器电路和，图所示的拨码开关与精密电阻电路和，图71所示的跳线电路构成。图7i所示的供电电压转换电路和，图7j所示的复位及电源监控电路，为本发明的压电换能器动态参数测量仪提供电源。在压电换能器动态参数测量仪开始工作之前选择测量电阻是数字电位器还是拨码开关与精密电阻，如果选择数字电位器需要在上位机软件中输入电阻值。压电换能器动态参数测量仪开始工作时，用户通过上位机软件输入起始测量频率、截止测量频率等要求点击开始运行后，上位机软件通过USB 口将这些控制要求转换为正弦信号发生芯片的控制字，使其产生相应频率的正弦波。模数转换芯片将压电换能器两端的正弦信号采集传输至控制芯片，控制芯片再通过USB 口传输至上位机。上位机即可处理得到当前频率下的电导、电纳、电阻及电抗值，并在上位机软件中画一个点，以此循环往复直到处理得到截止测量频率下的值。图4所示是本压电换能器动态参数测量仪的PC机应用程序绘图界面。其中a余弦曲线b电导曲线c电纳曲线d电阻曲线e电抗曲线。本发明的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1的测量方法和用于下位机中微控制器2的测量方法，其中，如图5所示，本发明的用于PC机1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，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(从起始测量频率变化到截止测量频率的频率变化量)、数据分析方法(如相关系数法、快速傅里叶法、过零点法等)、测量电阻值(选择数字电位器时需要用户输入测量电阻值)；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，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 ；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，所述的进行数据处理是通过USB接收的采样数据计算出当前频率下的电导G，电纳B，电阻R，电抗X值，计算公式为
权利要求
1.一种压电换能器动态参数测量仪，其特征在于，是由PC机(1)和与PC机(1)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O)、正弦信号发生电路⑶和压电换能器G)，分别与正弦信号发生电路⑶和压电换能器⑷的输出端相连接的模数转换电路(5)，以及连接在压电换能器⑷的输出端与正弦信号发生电路⑶的输入端之间的测量电阻单元(6)，其中，所述的模数转换电路(5)的输出连接微控制器0)， 所述的微控制器⑵通过USB接口与PC机(1)相连。
2.根据权利要求1所述的压电换能器动态参数测量仪，其特征在于，所述的测量电阻单元(6)是由数字电位器(61)和拨码开关与精密电阻(62)以及用于选择数字电位器(61) 或拨码开关与精密电阻(62)的跳线构成。
3.一种用于权利要求1所述的压电换能器动态参数测量仪的测量方法，其特征在于， 包括有用于PC机(1)的测量方法和用于下位机中微控制器O)的测量方法，其中，所述的用于PC机(1)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O)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。
4.根据权利要求3所述的用于压电换能器动态参数测量仪的测量方法，其特征在于， 所述的用于PC机(1)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。
5.根据权利要求3所述的用于压电换能器动态参数测量仪的测量方法，其特征在于， 所述的用于PC机(1)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Lp
6.根据权利要求3所述的用于压电换能器动态参数测量仪的测量方法，其特征在于，所述的用于PC机(1)的测量方法中步骤11)所述的进行数据处理是通过USB 接收的采样数据计算出当前频率下的电导G，电纳B，电阻R，电抗X值，计算公式为
7.根据权利要求3所述的用于压电换能器动态参数测量仪的测量方法，其特征在于， 所述的用于下位机中微控制器O)的测量方法中步骤幻所述的计算当前测量电阻的控制字是，选择数字电位器，微控制器⑵将用户输入的电阻值通过公式Ara256计算出相应的控制字，传输给数字电位器，使数字电位器更新相应的阻值，公式中Dx为8位电阻值控制字，Rwb为接入电路的端点B、W之间的电阻值，Rba为数字电位器的总阻值，Rff为数字电位器接触电阻。
8.根据权利要求3所述的用于压电换能器动态参数测量仪的测量方法，其特征在于， 所述的用于下位机中微控制器( 的测量方法中步骤4)所述的计算当前频率的控制字是，ηΝ微控制器( 根据公式M =计算得到用户输入的起始和截止测量频率对应的控^ IN制字，其中M为频率控制字，N = 32，Fin为正弦信号发生芯片的时钟频率，Fout为正弦信号发生芯片的输出频率。
9.根据权利要求3所述的用于压电换能器动态参数测量仪的测量方法，其特征在于， 所述的用于下位机中微控制器(2)的测量方法中步骤5)所述的更新正弦信号发生器与A/D 转换器的频率是根据奈奎斯特采样定律，采样频率为信号最大频率2倍以上即可还原原始信号，若取采样频率为信号频率20倍，即一个周期采集20个点，则根据公式Fs = 20FX计算采样频率，控制器将该计算出的采样频率数值发送给模数转换器，即可更新采样频率，其中Fs为采样频率，Fx为信号频率。
10.根据权利要求3所述的用于压电换能器动态参数测量仪的测量方法，其特征在于， 所述的用于下位机中微控制器O)的测量方法中步骤6)所述的使能FIQ中断是在模数转换器采集完设定的周期信号后，即产生中断请求。
全文摘要
一种压电换能器动态参数测量仪及测量方法，测量仪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，模数转换电路的输出连接微控制器，微控制器通过USB接口与PC机相连。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。本发明充分利用了USB端口供电及信号传输的双重功能，简化了电路设计。电路中设置了五档拨码开关连接的测量电阻，这样如果数字电位器不能正常工作时，可以通过跳线设置使用测量电阻，通过拨码开关切换电阻值。
文档编号G01R23/02GK102565531SQ201210029429
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月7日 优先权日2012年2月7日
发明者沈建国, 聂建华, 袁金库 申请人:天津大学