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測的重要內容和必要環節。特別是在油氣鉆采過程中，通過實時監測轉盤轉矩，間接了解井下工況并及時調整鉆壓、轉速等參數，對優化鉆井有很重要的現實意義。隨著計算機技術、現代傳感器技術、無線通信技術的快速發展，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點。

1 轉盤轉矩無線測試系統結構

轉盤轉矩無線測試系統由傳感器、信號發射模塊、信號接收模塊及計算機系統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結構框圖

1.1 傳感器部分

轉矩測試不同于常規信息采集，由于被測系統結構的不同、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，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

本測試系統的傳感器設計采用傳統應變法，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

傳統轉盤鉆機的部分傳動系統如圖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射模塊。

1.2 信號發射模塊

信號發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，將信號發射模塊集成在傳感器內部。信號發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，即通過加監督碼及相應的差錯控制技術來實現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，其優點是實現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，FSK調制也能較好地配合使用ZigBee數字化無線技術。

信號發射模塊結構框圖如圖4所示。

圖4 信號發射模塊框圖

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。該方案最大的優點是能夠實現高精度的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FSK的調制和解調，利用定時器T0實現FSK調制，將要發送的信號經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，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射模塊發出的調制信號，并將所接收到的信號利用STC89C52單片機實現解調處理，用定時器T2來進行FSK信號的解調，可以通過鑒頻方式實現，將經解調后的信號從STC89C52的P3.5端口輸出給計算機系統。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

計算機系統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化鉆井的目的。本測試系統利用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，非常適合采油現場多油井區信息共享。同時計算機系統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

信號發射、接收模塊是轉矩無線測試系統的核心部分。無線信息傳送技術有很多種，本系統采用當今較常用的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有線測試技術的不足，整體優化了轉盤轉矩測量。

(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展，它工作穩定，適應性強，具有廣泛的應用前景和發展空間。