基于正余弦旋转变压器在井周超声成像中的应用

　　0 引言

　　井周超声成像是利用收发合一的超声换能器对井壁(裸眼井或套管井)进行螺旋扫描,然后对反射回的超声波信号进行滤波、增益自动控制和采集,提取首波到达时间和峰值幅度。地面根据提取的到达时间和峰值幅度信息,结合方位,就可以进行幅度成像和时间成像。结合换能器所固有的分辨率,为了达到周向分辨率,要求换能器每旋转一圈就需发射200次(裸眼井)或100次(套管井),也就是每1.8°或3.6°发射一次。如果角度太大,根据采样定理可知信号不能完整复原,从而不能真实反映地层;如果角度太小,信号的重复率就越高,尽管这对信号的复原很有好处,但会大大影响测井速度。所以,精确选取两次发射的间隔角度就显得十分重要。

　　1 正余弦旋转变压器的工作原理

　　旋转变压器(resolver)是一种电磁式传感器,又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机,用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度,由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边,接受励磁电压,励磁频率通常用400Hz、3000Hz及5000Hz等。转子绕组作为变压器的副边,通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的转子上没有输入或输出绕组,它只是一个闭合的线圈。定子上所加的励磁信号,感应到转子线圈。定子上的相互垂直的绕组感应转子线圈磁场的变化,从而输出正余弦信号[1]。其原理图如图1所示。

　　其中,H为轴转角,sin(Xt)为励磁信号,K为变压器变比,V为励磁信号幅度。

　　旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似,区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的,所以输出电压和输入电压之比是常数,而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变,因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系。旋转变压器在同步随动系统及数字随动系统中可用于传递转角或电信号。

　　2 正余弦角度信号的数字化

　　旋转变压器的输出是包含着位置信息的模拟信号,单片机处理的是数字信号,故需对其处理并将其转化成对应的包含着位置信息的数字量,才能与单片机控制芯片接口。这就需要设计相应的信号转换电路或者使用专用的旋转变压器)数字转换器(AD2S80)来实现,后者由于有功能强、可靠性高、使用方便等优点而被广泛采用[2]。

　　AD2S80的优点:

　　1)允许用户自己选择适合的的分辨率。AD2S80提供有10位、12位、14位或16位的分辨率,用户可根据需要,通过外围器件的不同连接选用不同的分辨率。

　　2)通过三态输出引脚输出并行的二进制码来表征位置信息,因而很容易与单片机控制芯片接口。