面向鉆機(jī)扭矩實(shí)時監(jiān)控壓電測力儀研究.pdf

1、隨著“十三五”規(guī)劃的深入開展，國民經(jīng)濟(jì)得到迅速發(fā)展，隨之而來的是油氣資源消耗巨大。在積極發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)的同時，擴(kuò)大海洋及深層地殼油氣資源開發(fā)對緩解當(dāng)前能源短缺同樣具有重要意義。動輒幾千米深度的鉆井，技術(shù)涉及面廣，其中準(zhǔn)確感知鉆頭處的阻力矩變化，對于及時調(diào)整鉆井參數(shù)，保障生產(chǎn)安全，極具現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文研發(fā)了一種面向石油鉆機(jī)扭矩實(shí)時測量的壓電式扭矩測力儀，解決了多傳感器布置扭矩測量、信號調(diào)理、無線傳輸及電力自供給等難題，可在無外電

2、源環(huán)境下對大量程扭矩實(shí)現(xiàn)實(shí)時測量及無線傳輸。
　　首先，基于力矩是力與力臂乘積的基本思路，本文建立了多傳感器周向布置“力×力臂”扭矩測量數(shù)學(xué)模型，在綜合量程、裝配等因素基礎(chǔ)上最終采用了兩組傳感器的方法。以扭矩測量量程、測力儀空間布置尺寸和石英晶體機(jī)械性能參數(shù)為約束，計算并確定了力敏原件的幾何尺寸。完成了測力儀的的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計并建立了其三維模型，利用有限元分析，在滿量程狀態(tài)下對測力儀進(jìn)行了校核。
　　其次，根據(jù)密勒效應(yīng)和基爾霍

3、夫第二定律，推導(dǎo)了壓電傳感器電荷信號經(jīng)電荷轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的理論輸出表達(dá)式，得到了電路準(zhǔn)靜態(tài)性能與時間常數(shù)的關(guān)系，確立了以高阻抗和穩(wěn)定性為特征的電荷轉(zhuǎn)換芯片選擇原則，最終設(shè)計出了高放大倍率、低下限截止頻率的電荷信號調(diào)理電路。對比標(biāo)準(zhǔn)電荷放大器，各項(xiàng)性能均滿足壓電傳感器測量的使用要求。并在信號調(diào)理電路能將壓電傳感器電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號的前提下，采用藍(lán)牙傳輸協(xié)議，給出發(fā)送端與接收端的具體實(shí)施方案，通過軟硬件的配合，實(shí)現(xiàn)扭矩電壓信號的無線傳輸

4、。
　　以鉆機(jī)自身旋轉(zhuǎn)為動力，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，設(shè)計了三相交流電發(fā)電裝置，并確定了“三相電-整流-穩(wěn)壓-穩(wěn)定直流”的工作電壓獲取路徑。建立輸出三相電數(shù)學(xué)模型，分析了全波橋式整流電路的整流原理，并在所選穩(wěn)壓芯片允許輸入電壓范圍內(nèi)，逆向求解出單相電動勢要求范圍。再通過建立單相電動勢與鉆機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的映射關(guān)系，確定發(fā)電裝置的具體參數(shù)。
　　最后，完成測力儀各部分零件的裝配，以及信號調(diào)理電路和無線傳輸電路的封裝后，在多維力標(biāo)定臺上對其