用于钻杆长度应力波自动检测系统以及方法

摘要

本发明公开了一种用于钻杆长度应力波自动检测系统，包括执行单元、信号耦合单元、智能控制单元、驱动单元、无线数据传输单元、操作分析单元。本发明还公开了一种用于钻杆长度应力波自动检测方法，步骤包括：在钻杆上安装钻杆长度应力波自动检测系统；输入参数；数据传输分析；判断数据；自动判断钻杆长度。本发明的有益效果在于，采用的是信源匹配方法，利用断面阻抗和底面阻抗差异特性，可以有效降低钻杆链接断面的干扰，从而实现时域清晰分辨反射波的方法。本发明还包含实现该方法的装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于钻杆长度应力波自动检测系统以及方法，属 于实验或工程测量的信号检测的技术领域。

背景技术

勘探过程复杂多变，传统测量深度的方法是需要记录使用杆的节数， 并记录每根杆的长度来测量钻探的深度，由于人工操作难免会出现疏 忽，造成记录的数据混乱或失真。为了解决深度自动测量问题，从综 合成本考虑使用应力波方式最为低廉。应力波技术通过多年的应用在 分析系统特性方面有许多应用，对于钻杆或锚固系统地检测，大都采 取滤波的方法，但都没有从信源匹配方法入手针对准确识别杆底信 号，而避免识别缺陷位置的任务来解决问题。对于测量钻杆长度来说， 由于杆件接头处的杂物或铁锈之类的影响，容易造成误判，难于做到 自动判定。

专利申请号为200480020483.6的用于振动感测和分析的方法和仪 器，提出了一种如何分析震动的方法，其应用领域是机械设备安装是 否异常，也只是一种测量应力波的方法，和应力波反射理论没有直接 关系，不属于应力波反射分析范围。其目的是检测机械设备的异常震 动。

专利申请号为200510057427.6的一种用于锚杆锚固系统的无损探 伤检测方法，其同样采用应力波理论分析金属杆状物，其采用多次小 波分解，并做消噪处理，信号重构等一些列算法识别入射波、反射波 信号，来判别缺陷位置或者杆底位置。同样没有对信源做控制来分析 问题。且设计目的是为了寻找缺陷位置和杆底位置并计算牢靠程度。

专利申请号为201010145439.5的一种应力波信号测试仪及应力波 信号的采集方法，只是一种利用音频模块作为信号采集的方法，只是 属于电路设计范围，并没有涉及应力波具体应用的分析方法。

专利申请号为201110100634.0的一种用于基桩质量智能检测的 方法，其也是采用应力波理论分析杆状物，其目的是发现和识别缺陷 位置和底部位置，其方法是先进行模型训练然后根据训练经验参数对 被测信号分析，没有采用信源控制方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于钻杆长度应力波自动 检测系统，

本发明是通过以下技术方案来实现的。

一种用于钻杆长度应力波自动检测系统，包括：

执行单元，包括相组合的永磁和撞针、套装在撞针下部的复位弹 簧、设置在永磁和撞针外围的电磁线圈、设置在撞针下方的缓冲垫；

信号耦合单元，包括应力波耦合器，上述缓冲垫固定在上述应力 波耦合器；

智能控制单元，包括依次连接的信号匹配装置、A/D采集芯片、 数据缓存器、单片机，上述信号匹配装置与上述信号耦合单元相连接；

驱动单元，包括驱动电路、给驱动电路提供电源的电池，上述驱 动电路的输入端连接上述单片机，电压输出端连接上述电磁线圈；

无线数据传输单元；

操作分析单元，设置为平板电脑或智能手机，并通过上述无线数 据传输单元接收上述单片机的数据。

进一步地，上述应力波耦合器装配有信号采集传感器，上述信号 采集传感器与上述信号匹配装置连接。

进一步地，上述驱动电路为BUCK型开关降压电源电路，其信 号输入端接收单片机给出的PWM信号。

进一步地，上述无线数据传输单元为AP模组或蓝牙模组。

一种用于钻杆长度应力波自动检测方法，步骤包括：

1)将用于钻杆长度应力波自动检测系统安装于钻杆顶部；

2)智能控制单元通过无线数据传输单元调取操作分析单元输入 的满足测量需求的最高频率响应特性的参数输入给执行单 元，使产生一个冲击信号，上述C为波速，上述L为欲测试样本钻 杆的长度；

3)通过信号耦合单元将执行单元产生的信号依次通过并通过信 号匹配装置、A/D采集芯片、数据缓存器传输至单片机，再通过无线 数据传输单元将数据送给操作分析单元，操作分析单元分析采样数据 的频谱特性和时域特性，判断是否符合频域时域联合响应模型判断标 准；

4)若不符合频域时域联合响应模型判断标准则重复2)～4)，逐 步降低输入激励源的激励频率特性，直到基本符合频域时域联合响应 模型判断标准；

5)根据最后符合频域时域联合响应判断模型的采样信号通过时 域方法分析，选取第一个峰值与第二个峰值的时间差作为应力波传输 时间T，通过L＝C*T/2实现自动判别钻杆长度。

满足测量需求的最高频率响应特性的参数这点对于已 知钻杆超过某个长度的情况下，在分析与操作单元设置最短长度参 数，可以有效减少步骤执行的循环次数，以节约分析时间。

根据已实现的可调单脉冲应力波产生装置自身能力(能产生涵盖 测试6m～70m钻杆的频率特性)从最高频率特性开始(即最短杆可能 开始逐步判断)，逐步选取可能的最高频率特性(这些参数在可调单 脉冲应力波产生装置中预先已经存储，只需要逐个调取使用)。

进一步地，上述3)频域时域联合响应模型判断标准：

(1)时域速度波形第一个峰值以后，在预期时间窗T内具备单 峰特性，并且时域至少三个波峰之间时间差相近，且与预期时间窗T 相近，误差不超过R1，R1在5％-15％；

(2)频谱能量具有单调递减特性，且频域的相邻峰值之差δF 相近，误差不超过R2，R2在15％-20％。

进一步地，上述预期时间窗T，通过T＝1/δF获得。

本发明，使用信源匹配控制分析方法的目的是为了避免使用复杂 的滤波算法，而通过利用杆连接处阻抗与底面阻抗对不同频率的响应 特性差异以及杆对不同频率应力波的色散特性建模，形成一个频域时 域联合响应模型判断标准，从而准确识别钻杆杆底部的反射波信号， 而不将连接处反射信号或者其他干扰信号识别为钻杆杆底。

附图说明

图1为本实施案例用于钻杆长度应力波自动检测系统的结构示 意图；

图2为本实施案例控制单元的结构示意图；

图3为驱动电路的结构示意图；

图4为本实施案例用于钻杆长度应力波自动检测系统装配后的 示意图；

图5到图11是本发明的一次完整工作过程的输出波形图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

参照图1，本发明，用于钻杆长度应力波自动检测系统，包括：

执行单元，包括相组合的永磁和撞针2、套装在撞针下部的复位 弹簧3、设置在永磁和撞针外围的电磁线圈1、设置在撞针下方的缓 冲垫4；

信号耦合单元，包括应力波耦合器5，缓冲垫4固定在应力波耦 合器5；

图2为智能控制单元的结构示意图，参照图2并结合图1，智能 控制单元7，包括依次连接的信号匹配装71、A/D采集芯片72、数 据缓存器73、单片机74，信号匹配装置71与信号耦合单元相连接(本 实施例采用精密运放CA3140组成的信号匹配电路将信号输送给 18bit高精度A/D采集芯片AD7641，通过FIFO缓冲后连接至 STM32F407单片机)；

驱动单元，包括驱动电路6、给驱动电路6提供电源的电池8， 驱动电路6的输入端连接单片机74，电压输出端连接电磁线圈1。

无线数据传输单元8；

操作分析单元9，设置为平板电脑或智能手机，并通过无线数据 传输单元接收单片机的数据。

在本实施案例中，应力波耦合器5装配有信号采集传感器9，信 号采集传感器9与信号匹配装置71连接。

图3为驱动电路的结构示意图，参照图3并结合图1，驱动电路 6为BUCK型开关降压电源电路，其信号输入端接收单片机74给出 的PWM信号。

根据可调单脉冲应力波产生装置及方法预先存储好不同频率输 出特性的应力波产生参数。

实施案例2：

参照图2，用于钻杆长度应力波自动检测方法，步骤包括：

1)将用于钻杆长度应力波自动检测系统100安装于钻杆200顶 部；

2)智能控制单元通过无线数据传输单元调取操作分析单元输入 的满足测量需求的最高频率响应特性的参数输入给执行单 元，使产生一个冲击信号，C为波速，L为欲测试样本钻杆的长度；

3)通过信号耦合单元将执行单元产生的信号依次通过并通过信 号匹配装置、A/D采集芯片、数据缓存器传输至单片机，再通过无线 数据传输单元将数据送给操作分析单元，操作分析单元分析采样数据 的频谱特性和时域特性，判断是否符合频域时域联合响应模型判断标 准；

4)若不符合频域时域联合响应模型判断标准则重复2)～4)，逐 步降低输入激励源的激励频率特性，直到基本符合频域时域联合响应 模型判断标准；

5)根据最后符合频域时域联合响应判断模型的采样信号通过时 域方法分析，选取第一个峰值与第二个峰值的时间差作为应力波传输 时间T，通过L＝C*T/2实现自动判别钻杆长度。

满足测量需求的最高频率响应特性的参数这点对于已 知钻杆超过某个长度的情况下，在分析与操作单元设置最短长度参 数，可以有效减少步骤执行的循环次数，以节约分析时间。

根据已实现的可调单脉冲应力波产生装置自身能力(能产生涵盖 测试6m～70m钻杆的频率特性)从最高频率特性开始(即最短杆可能 开始逐步判断)，逐步选取可能的最高频率特性(这些参数在可调单 脉冲应力波产生装置中预先已经存储，只需要逐个调取使用)。

3)频域时域联合响应模型判断标准：

(1)时域速度波形第一个峰值以后，在预期时间窗T内具备单 峰特性，并且时域至少三个波峰之间时间差相近，且与预期时间窗T 相近，误差不超过R1，R1在5％-15％；

(2)频谱能量具有单调递减特性，且频域的相邻峰值之差δF 相近，误差不超过R2，R2在15％-20％。

预期时间窗T，通过T＝1/δF获得。

实施案例3：

为实际的操作过程，步骤包括：

1、将实施案例1的用于钻杆长度应力波自动检测系统于钻杆顶部(通 过螺纹固定方式安装)；

2、在操作分析单元的界面即PAD应用界面上选择开始按钮启动采样 及分析程序；

3、智能控制单元通过无线数据传输单元调取操作分析单元输入的满 足测量需求的最高频率响应特性的参数输入给执行单元， 使产生一个冲击信号，C为波速，L为欲测试样本钻杆的长度；

4、通过信号耦合单元将执行单元产生的信号依次通过并通过信号匹 配装置、A/D采集芯片、数据缓存器传输至单片机，再通过无线数据 传输单元将数据送给操作分析单元，操作分析单元分析采样数据的频 谱特性和时域特性，判断是否符合频域时域联合响应模型判断标准， 从图7可以清晰看出，频域δF1，δF2，δF3偏差超过20％，且频谱 能量不具备单调递减特性；

5、不符合频域时域联合响应模型判断标准，调整单脉冲应力波发生 器参数，调用更低脉冲频率特性的激励参数，再次产生一个冲击信号；

6、再次采集新的响应信号如图8，可以清晰看到低频的响应特性有 所提高，时域波形虽然可以人工基本判别出钻杆底部反射波位置，但 是波形还是不能满足频域时域联合响应模型判断标准的要求，从图8 可以清晰看出，时域在预定的时间窗T内不满足单峰特性,频域特性 δF1，δF2,δF3等偏差超过20％，且频谱能量不具备单调递减特性；

7、还是不符合频域时域联合响应模型判断标准，继续重复本发明一 种用于钻杆长度应力波自动检测方法的步骤3)～5)，当执行到图四 的第六个波形f)所示时，时域速度波形第一个峰值以后，在预期时 间窗T内具备单峰特性，并且时域连续3个波峰之间时间差相近，且 与时间窗T相近，误差不超过某一允许偏差R1(本实施例选择10％)， 频谱能量具有单调递减特性，且频域的相邻峰值之差δF相近，误差 不超过某一允许偏差R2(本实施例选择20％)，对于系统判定条件的 设定，本实施例设置要求时域连续4个波峰之间时间差相近，因此程 序还是判定不满足读数要求。

8、再次重复方法的步骤，图11已经基本满足频域时域联合响应模型 判断标准的2个特性判决条件，本例作为演示，追求更加完美的频域 判决条件，程序在图11才判定为合格，并选取第一个峰值与第二个 峰值的时间差作为应力波传输时间T，通过L＝C*T/2实现自动判别钻 杆长度输出结果。

实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此 领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本 发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都 应涵盖在本发明的保护范围内。