稠油出砂信号去噪分析
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发布者：李兵祥1，樊超2，张维娜1，张微1
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时间：2014年2月08日 09:43
稠油出砂信号去噪分析
李兵祥1，樊超2，张维娜1，张微1
（1 西安石油大学，陕西 西安 710065；2 陕西青年职业学院，陕西 西安 710068）
摘要：石油生产过程中，出砂不仅导致设备损伤、产量下降，而且还会影响到油气井的寿命，所以采取合理的
防砂、治砂措施是非常重要的。但是压电式超声波传感器检测的出砂信号，包含很强的流体噪声和电磁干扰信
号，必须去除干扰才能得到有用信号。本文采用小波变换在MATLAB下进行仿真，并与傅里叶变换比较去噪
效果，结果显示小波变换既能有效的去除噪声，又能保存信号中的有用信息。经过室内试验及现场试验得到的
数据显示，小波变换具有很好的去噪效果。
关键词：压电式超声波传感器；小波变换；去噪
中图分类号: TE8 文献标识码: B
De-noising analysis of heavy oil sanding signals
based on wavelet transform
Li Bingxiang1，Fan Chao2，Zhang Weina1，Zhang Wei1
(1 Xi’an Shiyou University,Shaanxi Xi’an 710065;2 Shaanxi Youth Vocational College, Shaanxi Xi’an 710068)
Abstract: In the process of oil production, sand production not only lead to the equipment damage and reduce the
production, but also can affect the life of the oil well, so take reasonable sand measurements and control is very important.
But the signals detected by the piezoelectric ultrasonic sensor contain strong fluid noise and electromagnetic interference,
in order to get the useful signals, the interferences must be removed. This paper uses wavelet transform, and simulate in the
MATLAB, and compares the de-noising effects with the Fourier transform, the results show that the wavelet transform
can effectively remove noises, and it also preserves the useful information of the signals. Through the data from laboratory
test and field test show that the wavelet transform have very good de-noising effect.
Keywords: piezoelectric ultrasonic sensor; wavelet transform; de-noising
0 引言
随着电子工业的发展，逻辑电路集成度越来越高；并且
电子仪器设备向小型化、便携性发展，结构日益紧凑，提高芯
片级和板卡级封装基板面积利用率，亦即提高板上器件和布
线密度是发展趋势。此外，以大型白光LED 为代表的大功率集
成电路(IGBT) 输入功率不断提高，产生热量随功率提高而增
大。这些发展趋势对电子系统可靠性提出更高要求。
电子封装是保障电子系统可靠性的重要环节，而封装材
料则至关紧要。首先，在服役过程中，半导体芯片与基板由于
热失配产生非常大交变应力，线膨胀差越大，热交变应力越
大，导线因疲劳脱焊概率越大。再者，高密度器件和布线或者
大功率电路需要快速耗散其产生的热，防止烧损和局部热集
中而产生热应力。对于特殊应用环境，例如航空航天飞行器搭
载的电子系统，在过载条件下, 静力载荷和剧烈震动能够导
致系统致命破坏。即使在使用条件并不苛刻的民用领域，由于
震动疲劳导致失效的电子系统已经占总报废量的27%. 可见，
封装结构提供的机械支撑也是保障系统安全性和寿命的重要
因素。
1 实验方法
采用快速固化注浆成型工艺，将山东潍坊公司牌号为
F150 和F300，纯度高于99% 的SiC 粉末配制成SiC 固含量为
55vol.% 浆料，注入模具中凝胶固化。SiC 坯体经干燥后在箱
式炉中于1300℃空气气氛中进行预烧结，保温120min，随炉
冷却后得到100mm×100mm×12mm 的多孔坯体。采用阿基米
德法测量坯体气孔率。把干燥的SiC 坯体平放在石墨坩埚中，
坯体上表面放置适量Al 合金2021. 将式样放入真空气氛炉
内，填充N2 至1atm 后，以10℃ /min 速率加热至1000℃，保
温90min, 冷却后取出样品，进行测试样品加工。
复合材料物相组成由SHIMADZU Lab-X XRD-6000 衍射
花样测定，实验使用Cu Kα 谱线，加速电压40KV，2θ 从
20°～ 80° ；采用三点弯曲法测量试样的抗弯强度和弹性
模量，测试方法参照GB/T10700-2006. 使用单边切口梁法
测量材料断裂韧性，测量方法参照ASTM E1820-5a，使用仪
器为CRIMS DDL10 万能力学试验机；复合材料热导率与线膨
胀系数分别由LINSEIS LFA-1000 高温激光闪光热导仪以及
LINSEIS L75 型线膨胀仪测量，测量温度范围20℃ ~150℃ .
试样断口采用JSM 6701F 型扫描电子显微镜以及Olympus
BX51M 金相显微镜观测，其中金相试样表面抛光处理。定量测
量数据均取10 个样品测量值取算术平均。
2 结果与讨论
复合材料制备与表征
由阿基米德法测得经过1300℃空气气氛烧结后，多孔陶
瓷坯体显气孔率为39.3vol.%. 亦即SiC 增强相占据复合材
料表观体积大于60vol.%, 大于浆料中SiC 55vol.%，增大
的原因有两个，一是坯体干燥脱水过程中，坯体收缩；二是在
烧结过程中SiC 表面氧化，见式1), 2):
SiC+O2(g)=SiO2+CO(g) 1)
SiC+O2(g)=SiO2+CO2(g) 2)
生成的SiO2 相较于SiC 体积膨胀。
复合材料质量密度由阿基米德法测得为2.96g/cm3, 略
高于2021 合金，低于Al2O3,SiC 和AlN 陶瓷.
XRD 衍射花样. 主晶相为SiC,Al, 有强度较弱的Si,
Al2O3 晶体特征峰。说明在熔渗过程中，发生有镁铝还原SiO2
化学反应，见式3 ：
SiO2+Mg+Al=Si+MgAl2O4+Si 3)
未检测到SiO2, 可能是氧化改性得到的是SiO2 为非晶态，
且含量低，无特征衍射峰。
复合材料显微结构，材料宏观上均匀，无明显缺陷。Al 合
金相成网状，分布于SiC 颗粒与颗粒之间；有大量SiC 颗粒
之间形成烧结颈相连通。金相显微镜下，可以观察到SiC 颗
粒与Al 基体之间存在2 ～ 3μm 过度层。过度层为上述反应
生成镁铝尖晶石和SiO2, 厚度较为均匀，边沿有Si 析出。复
合材料断裂形式有穿晶断裂，界面解理，直至最后合金基体撕
裂。
3 结论
采用传统陶瓷成型工艺结合无压熔渗技术，可以制备宏
观上均匀、各向同性，SiC vol.%>60% 的SiC/Al 复合材料。
SiC 增强体经过表面氧化改性处理，制备所得复合材料主要物
相为SiC, Al, Mg2Si, MgAl2O4, 可能含有非晶态SiO2; 界
面洁净，微观上局部构成双连通结构，充分发挥SiC 物质相和
Al 合金相的高导热优势；由于SiC 增强体形成刚性骨架，有
效约束了Al 合金相受热膨胀，复合材料线膨胀系数降至Al
合金的1/4，和Ga-As 系化合物半导体线膨胀一致；刚性骨架
有利于提高复合材料的弹性模量。具有上述优异机械性能和
热物理性能的高体积分数SiC/Al 复合材料是理想的特种封
装候选材料。
李兵祥1，樊超2，张维娜1，张微1
（1 西安石油大学，陕西 西安 710065；2 陕西青年职业学院，陕西 西安 710068）
摘要：石油生产过程中，出砂不仅导致设备损伤、产量下降，而且还会影响到油气井的寿命，所以采取合理的
防砂、治砂措施是非常重要的。但是压电式超声波传感器检测的出砂信号，包含很强的流体噪声和电磁干扰信
号，必须去除干扰才能得到有用信号。本文采用小波变换在MATLAB下进行仿真，并与傅里叶变换比较去噪
效果，结果显示小波变换既能有效的去除噪声，又能保存信号中的有用信息。经过室内试验及现场试验得到的
数据显示，小波变换具有很好的去噪效果。
关键词：压电式超声波传感器；小波变换；去噪
中图分类号: TE8 文献标识码: B
De-noising analysis of heavy oil sanding signals
based on wavelet transform
Li Bingxiang1，Fan Chao2，Zhang Weina1，Zhang Wei1
(1 Xi’an Shiyou University,Shaanxi Xi’an 710065;2 Shaanxi Youth Vocational College, Shaanxi Xi’an 710068)
Abstract: In the process of oil production, sand production not only lead to the equipment damage and reduce the
production, but also can affect the life of the oil well, so take reasonable sand measurements and control is very important.
But the signals detected by the piezoelectric ultrasonic sensor contain strong fluid noise and electromagnetic interference,
in order to get the useful signals, the interferences must be removed. This paper uses wavelet transform, and simulate in the
MATLAB, and compares the de-noising effects with the Fourier transform, the results show that the wavelet transform
can effectively remove noises, and it also preserves the useful information of the signals. Through the data from laboratory
test and field test show that the wavelet transform have very good de-noising effect.
Keywords: piezoelectric ultrasonic sensor; wavelet transform; de-noising
0 引言
随着电子工业的发展，逻辑电路集成度越来越高；并且
电子仪器设备向小型化、便携性发展，结构日益紧凑，提高芯
片级和板卡级封装基板面积利用率，亦即提高板上器件和布
线密度是发展趋势。此外，以大型白光LED 为代表的大功率集
成电路(IGBT) 输入功率不断提高，产生热量随功率提高而增
大。这些发展趋势对电子系统可靠性提出更高要求。
电子封装是保障电子系统可靠性的重要环节，而封装材
料则至关紧要。首先，在服役过程中，半导体芯片与基板由于
热失配产生非常大交变应力，线膨胀差越大，热交变应力越
大，导线因疲劳脱焊概率越大。再者，高密度器件和布线或者
大功率电路需要快速耗散其产生的热，防止烧损和局部热集
中而产生热应力。对于特殊应用环境，例如航空航天飞行器搭
载的电子系统，在过载条件下, 静力载荷和剧烈震动能够导
致系统致命破坏。即使在使用条件并不苛刻的民用领域，由于
震动疲劳导致失效的电子系统已经占总报废量的27%. 可见，
封装结构提供的机械支撑也是保障系统安全性和寿命的重要
因素。
1 实验方法
采用快速固化注浆成型工艺，将山东潍坊公司牌号为
F150 和F300，纯度高于99% 的SiC 粉末配制成SiC 固含量为
55vol.% 浆料，注入模具中凝胶固化。SiC 坯体经干燥后在箱
式炉中于1300℃空气气氛中进行预烧结，保温120min，随炉
冷却后得到100mm×100mm×12mm 的多孔坯体。采用阿基米
德法测量坯体气孔率。把干燥的SiC 坯体平放在石墨坩埚中，
坯体上表面放置适量Al 合金2021. 将式样放入真空气氛炉
内，填充N2 至1atm 后，以10℃ /min 速率加热至1000℃，保
温90min, 冷却后取出样品，进行测试样品加工。
复合材料物相组成由SHIMADZU Lab-X XRD-6000 衍射
花样测定，实验使用Cu Kα 谱线，加速电压40KV，2θ 从
20°～ 80° ；采用三点弯曲法测量试样的抗弯强度和弹性
模量，测试方法参照GB/T10700-2006. 使用单边切口梁法
测量材料断裂韧性，测量方法参照ASTM E1820-5a，使用仪
器为CRIMS DDL10 万能力学试验机；复合材料热导率与线膨
胀系数分别由LINSEIS LFA-1000 高温激光闪光热导仪以及
LINSEIS L75 型线膨胀仪测量，测量温度范围20℃ ~150℃ .
试样断口采用JSM 6701F 型扫描电子显微镜以及Olympus
BX51M 金相显微镜观测，其中金相试样表面抛光处理。定量测
量数据均取10 个样品测量值取算术平均。
2 结果与讨论
复合材料制备与表征
由阿基米德法测得经过1300℃空气气氛烧结后，多孔陶
瓷坯体显气孔率为39.3vol.%. 亦即SiC 增强相占据复合材
料表观体积大于60vol.%, 大于浆料中SiC 55vol.%，增大
的原因有两个，一是坯体干燥脱水过程中，坯体收缩；二是在
烧结过程中SiC 表面氧化，见式1), 2):
SiC+O2(g)=SiO2+CO(g) 1)
SiC+O2(g)=SiO2+CO2(g) 2)
生成的SiO2 相较于SiC 体积膨胀。
复合材料质量密度由阿基米德法测得为2.96g/cm3, 略
高于2021 合金，低于Al2O3,SiC 和AlN 陶瓷.
XRD 衍射花样. 主晶相为SiC,Al, 有强度较弱的Si,
Al2O3 晶体特征峰。说明在熔渗过程中，发生有镁铝还原SiO2
化学反应，见式3 ：
SiO2+Mg+Al=Si+MgAl2O4+Si 3)
未检测到SiO2, 可能是氧化改性得到的是SiO2 为非晶态，
且含量低，无特征衍射峰。
复合材料显微结构，材料宏观上均匀，无明显缺陷。Al 合
金相成网状，分布于SiC 颗粒与颗粒之间；有大量SiC 颗粒
之间形成烧结颈相连通。金相显微镜下，可以观察到SiC 颗
粒与Al 基体之间存在2 ～ 3μm 过度层。过度层为上述反应
生成镁铝尖晶石和SiO2, 厚度较为均匀，边沿有Si 析出。复
合材料断裂形式有穿晶断裂，界面解理，直至最后合金基体撕
裂。
3 结论
采用传统陶瓷成型工艺结合无压熔渗技术，可以制备宏
观上均匀、各向同性，SiC vol.%>60% 的SiC/Al 复合材料。
SiC 增强体经过表面氧化改性处理，制备所得复合材料主要物
相为SiC, Al, Mg2Si, MgAl2O4, 可能含有非晶态SiO2; 界
面洁净，微观上局部构成双连通结构，充分发挥SiC 物质相和
Al 合金相的高导热优势；由于SiC 增强体形成刚性骨架，有
效约束了Al 合金相受热膨胀，复合材料线膨胀系数降至Al
合金的1/4，和Ga-As 系化合物半导体线膨胀一致；刚性骨架
有利于提高复合材料的弹性模量。具有上述优异机械性能和
热物理性能的高体积分数SiC/Al 复合材料是理想的特种封
装候选材料。
