面向鉆機扭矩實時監(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，擴大海洋及深層地殼油氣資源開發(fā)對緩解當前能源短缺同樣具有重要意義。動輒幾千米深度的鉆井，技術涉及面廣，其中準確感知鉆頭處的阻力矩變化，對于及時調整鉆井參數(shù)，保障生產(chǎn)安全，極具現(xiàn)實意義。
　　本文研發(fā)了一種面向石油鉆機扭矩實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現(xiàn)實時測量及無線傳輸。
　　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)學模型，在綜合量程、裝配等因素基礎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械結構設計并建立了其三維模型，利用有限元分析，在滿量程狀態(tài)下對測力儀進行了校核。
　　其次，根據(jù)密勒效應和基爾霍

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

4、。
　　以鉆機自身旋轉為動力，根據(jù)電磁感應原理，設計了三相交流電發(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，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轉速范圍的映射關系，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，以及信號調理電路和無線傳輸電路的封裝后，在多維力標定臺上對其