轉盤轉矩無線測試技術

劉佳鑫，顧帥杰，劉逸冰

(西安石油大學，陜西 西安 710065)

0 引言

轉矩測試是回轉類零件設計、機械裝備設計及機械產品可靠性設計及監(jiān)測的重要內容和必要環(huán)節(jié)。特別是在油氣鉆采過程中，通過實時監(jiān)測轉盤轉矩，間接了解井下工況并及時調整鉆壓、轉速等參數，對優(yōu)化鉆井有很重要的現(xiàn)實意義。隨著計算機技術、現(xiàn)代傳感器技術、無線通信技術的快速發(fā)展，使得在轉矩測試技術領域越來越多地采用無線測試技術。無線測試技術具有工作效率高、適應性強、成本低及測試精度高等優(yōu)點。

1 轉盤轉矩無線測試系統(tǒng)結構

轉盤轉矩無線測試系統(tǒng)由傳感器、信號發(fā)射模塊、信號接收模塊及計算機系統(tǒng)4大部分組成，其結構框圖見圖1。

圖1轉盤轉矩無線測試系統(tǒng)結構框圖

1.1 傳感器部分

轉矩測試不同于常規(guī)信息采集，由于被測系統(tǒng)結構的不同、測試對象的不同，以及傳感器布置空間受限制等因素，被測轉矩往往不能由測試直接得出，或多或少都有理論推算的成分。例如本文所設計的無線測試系統(tǒng)，其傳感器部分轉矩的測試就是通過應變測試結果計算而來。

1.1.1 由應變到電阻變化

已知電阻絲的電阻率為ρ、長度為L、橫截面積為S，則其電阻R為：

(1)

對式(1)進行全微分得：

(2)

將式(1)代入式(2)使其以變量形式表示：

(3)

(4)

現(xiàn)引入電阻絲材料的泊松比μ有：

(5)

將式(4)、式(5)代入式(3)得：

(6)

(7)

其中：σ為應力；λ為壓阻系數。根據材料力學應力與應變的關系，又有：

σ=Eε.

(8)

其中：E為彈性模量。

將式(7)和式(8)代入式(6)最終得：

(9)

1.1.2 由電阻變化到轉矩

本測試系統(tǒng)的傳感器設計采用傳統(tǒng)應變法，同時綜合考慮方便安裝、易拆卸、抗干擾性等因素，選擇將應變片布置在轉盤鉆機的動力輸入軸上，具體位置及應變片布置如圖2所示。

當動力輸入軸受轉矩作用時，在軸表面與軸向呈±45°的斜面上會受到法向應力的作用，該法向應力在數值上等于軸體橫截面上的剪應力τ。同時，軸體在一個方向上受拉應力σ1作用，在另一個方向上受壓應力σ2作用，且有σ1=-σ2=τmax。因此在布置應變片時，應在與軸線呈±45°的兩個互相垂直方向上各貼一片應變片，分別為R1和R2，根據材料力學知識，沿應變片R1方向和R2方向的應變ε1和ε2分別為：

圖2 應變片位置及布置圖

(10)

(11)

其中：μ為泊松比。

將σ1=-σ2代入式(10)、式(11)中，整理得：

(12)

由式(12)可知，兩應變片受到的應變大小在數值上相等，在方向上相反。

由材料力學的知識可知，轉矩與剪應力的關系為：

(13)

以ε1為例，將式(13)代入式(12)中得：

(14)

最后將化簡后的式(9)代入式(14)中得：

(15)

關于溫度補償，本設計采用電橋補償法，這里不做過多贅述。

1.1.3 由動力輸入軸到轉盤轉矩

傳統(tǒng)轉盤鉆機的部分傳動系統(tǒng)如圖3所示。其傳動非常簡單，為一級錐齒輪傳動，根據理論力學知識可知，轉盤轉矩M0與動力輸入軸轉矩M的關系為：

(16)

其中:z1為主動齒輪(小錐齒輪)齒數；z2為從動齒輪(大錐齒輪)齒數。

圖3 轉盤鉆機傳動系統(tǒng)簡圖

至此我們可以得出階段性結論：轉盤動力輸入軸受轉矩作用時，其上布置的電阻應變片隨之產生應變，進而導致其電阻阻值的變化。由上述推導可知，轉矩大小與應變片電阻變化量成正比，電阻阻值變化引起電路電壓變化，這樣就將轉矩大小與電路電壓變化聯(lián)系起來，將轉矩信號轉換成隨之變化的電壓信號傳遞給信號發(fā)射模塊。

1.2 信號發(fā)射模塊

信號發(fā)射模塊與傳感器部分靠近布置，也可在不影響傳感器正常工作或測量誤差在允許范圍內的前提下，將信號發(fā)射模塊集成在傳感器內部。信號發(fā)射模塊與傳感器部分在工作時隨被測量軸一體化回轉。

該部分的主要工作是：首先將傳感器傳輸來的變化電壓信號進行A/D轉換，然后對轉換后的數字信號進行抗干擾編碼，即通過加監(jiān)督碼及相應的差錯控制技術來實現(xiàn)編碼并對編碼后的信號進行調制處理，調制處理的方法有很多種，本系統(tǒng)采用FSK調制，該調制方法是信號處理中使用得比較早的一種方法，其優(yōu)點是實現(xiàn)起來比較容易且具有很好的抗干擾、抗衰減能力，廣泛應用于中低速數據傳輸，F(xiàn)SK調制也能較好地配合使用ZigBee數字化無線技術。

信號發(fā)射模塊結構框圖如圖4所示。

圖4 信號發(fā)射模塊框圖

這里采用單片機外置A/D轉換方案，即單片機通過一定的邏輯電路控制外置A/D轉換電路進行A/D轉換。該方案最大的優(yōu)點是能夠實現(xiàn)高精度的A/D轉換；缺點是其外圍電路相對復雜。

采用STC89C52單片機進行FSK調制。STC89C52單片機內置的數值運算和邏輯運算能力較強，有3個16位定時器/計數器，可以實現(xiàn)FSK的調制和解調，利用定時器T0實現(xiàn)FSK調制，將要發(fā)送的信號經FSK調制后從STC89C52的P3.5端口輸出，除波形電路、整波電路外，其余部分都可以在單片機內部實現(xiàn)，達到電路簡化的目的。

采用兩個單片機分別控制以避免相互干擾。

1.3 信號接收模塊

信號接收模塊布置在靠近計算機的數據接收端，該部分的主要工作是接收由信號發(fā)射模塊發(fā)出的調制信號，并將所接收到的信號利用STC89C52單片機實現(xiàn)解調處理，用定時器T2來進行FSK信號的解調，可以通過鑒頻方式實現(xiàn)，將經解調后的信號從STC89C52的P3.5端口輸出給計算機系統(tǒng)。信號接收模塊結構框圖如圖5所示。

圖5 信號接收模塊框圖

1.4 計算機系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)的核心任務是對測試數據進行分析處理，最終獲取井下工況實時信息以達到優(yōu)化鉆井的目的。本測試系統(tǒng)利用WIN-TC軟件對調制后的數字信號進行半自動化處理，該軟件具有功能齊全且占用空間小的特點，安裝在u盤內即可兼容使用，非常適合采油現(xiàn)場多油井區(qū)信息共享。同時計算機系統(tǒng)還應具備將測試所得的最終數據進行分類保存、打印輸出、遠程推送等功能。

2 轉盤轉矩無線測試核心技術

2.1 傳感器設計

轉盤轉矩類測試系統(tǒng)的轉矩傳感器，由于被測轉盤不同的開口直徑、不同的轉盤傳動方式及不同的傳感器布置位置，需要特殊設計。由于被測量軸本身是非標件，因此設計的轉矩傳感器需要考慮到配合的問題，而傳感器的設計直接關系到后面測試結果的準確性，故對此部分的設計提出了較高的技術要求。

2.2 無線信息傳送技術

信號發(fā)射、接收模塊是轉矩無線測試系統(tǒng)的核心部分。無線信息傳送技術有很多種，本系統(tǒng)采用當今較常用的ZigBee技術。ZigBee數字化無線技術是一種近距離雙向無線通信技術，具有低能耗、低成本及可靠性高等優(yōu)點。

2.3 WIN-TC程序—數字信號半自動化處理

圖6 主機功能框圖

3 結論

(1) 轉盤轉矩無線測試技術彌補了傳統(tǒng)有線測試技術的不足，整體優(yōu)化了轉盤轉矩測量。

(2) 轉盤轉矩無線測試技術提高了測試效率，降低了測試成本，提高了測試精度。

(3) 轉盤轉矩無線技術飛速發(fā)展，它工作穩(wěn)定，適應性強，具有廣泛的應用前景和發(fā)展空間。