在石油勘探过程中,测井技术扮演着重要的角色。随钻测井仪器因具有独特的优势,可克服电缆测井仪器无法测量水平井和大斜度井的缺点,近十几年得到了快速的发展。在诸多的油井信息中,井径是个重要的参数。采用随钻仪器测量井的直径时,除了要求仪器耐高温高压、抗振动外,还要求仪器具有无接触式测量、实时性高和抗干扰能力强等特点,因而利用超声波测距原理来测量井径值是可行的方法。随钻超声井径仪主要由主控电路板、采集电路板和发射电路板组成,其中主控系统是仪器的核心,连接着采集板和中控系统,仪器不仅要测量井径值,同时还要测量工具面角和其他一些辅助参数。本文的主要工作和研究涵盖以下主要内容:针对超声波回波信号的衰减规律设计基于时变增益放大器的回波信号补偿方法;针对仪器工具面角在井下的特点,采用磁北模式和高边模式两种采集模式,并设计电子罗盘与惯性器件的误差校正方法,从而减小工具面角的测量误差;针对仪器通信接口的连接特点,设计井上通信总线和井下通信总线;针对仪器采集流程的特点,设计仪器总体工作流程的控制程序;针对仪器在井下仅能实时上传少量关键数据至地面,大量测井数据无法实时传输的问题,设计数据存储模块先将数据打上时间戳,再按固定格式存储在井下。本文首先介绍了随钻仪器的发展历程和国内外研究现状,从而指出仪器研制的必要性;然后介绍随钻超声井径仪的工作原理、回波信号的补偿方法、工具面角测量的基本原理以及对工具面角的测量误差来源进行分析,并提出校正方法;接着从硬件设计和软件设计两部分重点介绍了仪器各个模块的设计。根据仪器的功能需求,采用以带有DSP单元的MCU为核心,包含数据存储模块、工具面角采集模块、多路通信接口、电源监控模块和辅助参数采集模块的硬件电路。最后对仪器的各个功能模块进行测试,并对测试结果进行分析,通过测试结果分析验证了仪器功能完整,基本达到了各项设计指标。