【導(dǎo)讀】在石油工程鉆井施工中，鉆井液攪拌器是非常重要的固控準(zhǔn)備之一。前對(duì)鉆井裝備工況參數(shù)檢測(cè)設(shè)備不足的現(xiàn)象。本論文在廣泛調(diào)研和分析國(guó)內(nèi)外攪。拌器檢測(cè)的無(wú)線應(yīng)變傳感器，組建了攪拌器無(wú)線扭矩測(cè)試系統(tǒng)、超聲波測(cè)距系統(tǒng)，基于模塊化設(shè)計(jì)，使。線收發(fā)單元并進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)試。構(gòu)建了無(wú)線傳輸系統(tǒng)，使用力控開(kāi)發(fā)了上位。機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)了模擬攪拌器的人機(jī)界面及數(shù)據(jù)顯示功能。進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，還對(duì)鉆井液密度的同步測(cè)試方法進(jìn)行了初步探索。

　　

【正文】 和一個(gè)輔助部分，其中有測(cè)試傳感器、信號(hào)變送電路、無(wú)線收發(fā)電路和電源 ,具體的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖 31。 圖 31攪拌器測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖 扭矩測(cè)量 傳感器的設(shè)計(jì) 電阻應(yīng)變片的工作原理 攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)軸在電機(jī)的作用 下 ，轉(zhuǎn)動(dòng)軸 首先會(huì)發(fā)生彈性變形， 通過(guò)傳感器來(lái)測(cè)量變形的大小 ， 即所謂的轉(zhuǎn)動(dòng)軸扭矩大 小。 本論文采用 體積小、方便粘貼的電阻應(yīng)變片來(lái)測(cè)量試件的 形變量。 電阻應(yīng)變片簡(jiǎn)稱應(yīng)變片，是一種能將試件上的 微小 變化轉(zhuǎn)化成電阻變化的傳感元件，其 基本轉(zhuǎn) 換原理是基于金屬電阻絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)。所謂電阻應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體 如 電阻絲的電阻值隨變形（伸長(zhǎng)或縮短）而發(fā)生 變化 的一種物理現(xiàn)象。 若一根長(zhǎng)為 L、橫截面積為 A、電阻率為 ? 的金屬電阻絲，在其未受 外 力 作用 時(shí)，原始電阻為 LR A?? （ 31） 式中 R —— 金屬絲的原始電阻（ ? ）； ? —— 金屬絲的電阻率（ Ω178。ｍ ）； L —— 金屬絲的長(zhǎng)度（ m ）； 測(cè)試傳感器 信 號(hào) 變送電路 數(shù) 據(jù) 發(fā)射電路 電源電路 數(shù) 據(jù) 接收電路 主機(jī) 電源電路 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 19 A —— 金屬絲的橫截面積（ 2m ）， 2Ar?? ， r 為金屬絲的半徑。 當(dāng)金屬絲受到軸向力 F 的 作用時(shí)，式 子 （ 31）中 ? 、 L、 A都要 相應(yīng)的 發(fā)生變化，從而引起電阻值 R 也 隨之改變 ， 設(shè)在外力 的 作用下，金屬絲長(zhǎng)度伸長(zhǎng) dL ，截面積減小 dA ，電阻率變化 d? ，引起電阻 R 變化為 dR 。由上式（ 31）全微分得 2LLdR d dL dAA A A???? ? ? （ 32） dR dL d dSR L S??? ? ? （ 33） 對(duì) 該 材料進(jìn)行受力分析，桿件在軸向受拉時(shí)，其縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的關(guān)系為 dLL ?? （ 34） drr ???? （ 35） 金屬絲電阻率的相對(duì)變化與其軸向所受 的 應(yīng)力 ? 有關(guān)，即 d E? ?? ? ?? ?? （ 36） 式 中 ? —— 金屬絲材料的應(yīng)變； E —— 金屬絲材料的彈性模量； ? —— 壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)； d? /? —— 金屬絲電阻率的相對(duì)變化量。 將式（ 36）、（ 37）帶入式（ 33）整理后得 (1 2 )dR ER ? ? ?? ? ? （ 37） 式中 dRR —— 電阻相對(duì)變化量； ? —— 為金屬絲材料的泊松比。 根據(jù)式（ 37）可知 其 電阻相對(duì)變化量是由 (1 2 )?? 和 E? 兩方面的因素決定的：其中 (1 2 )?? 的變化是由金屬絲幾何尺寸 所 引起的； E? 的變化是由材料受力導(dǎo)致電阻率 ?的變化引起的。而對(duì)于指定的材料，令 0 (1 2 )KE??? ? ? 則有： 0dR KR ?? （ 38） 0K 為金屬絲 產(chǎn)生單位長(zhǎng)度變化時(shí)，其大小為電阻變化率與其應(yīng)變的比值。 也就是單位應(yīng)變的電阻變化率。顯然， 0K 越大，單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化 就 越大，即越靈敏。電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)一般是由敏感柵、黏合劑、 基底、 引線、蓋層等組成，其鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測(cè)方法研究 20 結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。敏感柵為應(yīng)變片的敏感元件，通常用高電阻率金屬細(xì)絲制 做而 成，直徑 一般在 ~ 之間 ，并用黏合劑將其固定在基底上?；鬃饔?是 保證將構(gòu)件上的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感刪上， 所以 它必須很薄，一般為 ~。另外，它還應(yīng)有良好的絕緣、抗潮和耐熱性能?；撞牧嫌屑?、膠膜、玻璃纖維布等 [17]。 圖 32應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變片的 測(cè)量電路 應(yīng)變片就是將結(jié)構(gòu)力學(xué)量 通過(guò) 應(yīng)變電阻變化轉(zhuǎn)換成可測(cè)電量的變化。通常這種電阻的 變化 很小 ，將應(yīng)變片的電阻變化的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于放大的電信號(hào)，必須采用特定的測(cè)量電路，將多片應(yīng)變片接成應(yīng)變量測(cè)線路。常用的應(yīng)變測(cè)量電路有三種，即惠斯登電橋、雙恒流源電路和電位計(jì)。其中惠斯登電橋因?yàn)闇y(cè)量靈敏度 較 高，線性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償， 測(cè)量的 范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在電阻應(yīng) 變測(cè)量領(lǐng)域中得到了 很 廣泛 的應(yīng)用。 （ 1）測(cè)量電橋 應(yīng)變測(cè)量電橋的種類很多， 不同 設(shè)計(jì)應(yīng)用的用途不同而各異，其中按供橋電源的性質(zhì)可大致分為直流電橋和交流電橋兩類。交流電橋相對(duì)直流電橋而言需要交流電源，抗干擾性不強(qiáng)，而直流電橋具有的特點(diǎn)是：直流信號(hào)不受導(dǎo)線間分布電容、各組件以及電感的影響，提高了抗干擾能力；同時(shí)便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，電源簡(jiǎn)單，不需用市電。常見(jiàn)的直流電橋測(cè)量線路見(jiàn)圖 34所示。 圖 34 直流電橋測(cè)量線路 2 1 4 3 1引線 2蓋片 3基底 4敏感刪 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 21 電橋的橋臂電阻依次為 R R R R4，電橋輸入端 AC，接直流電源， 輸出端 DB，輸出電壓 為 U0。其中電橋的輸出端可以接高阻抗的放大器，這時(shí)電橋的輸出電流會(huì)很小，可以認(rèn)為電橋輸出對(duì)角是開(kāi)路的。 下面進(jìn)行測(cè)量原理的分析，首先計(jì)算流經(jīng) R1的電流 I1 ， 1 12ACUI RR? ? （ 39） 則 AB間的電壓， 11112AB ACRU I R URR?? ? （ 310） 同理， AD間的電壓， 334AD ACRUURR? ? （ 311） 現(xiàn)在可以計(jì)算出電橋輸出電壓為 3 1 4 2 3101 2 3 4 1 2 3 4() ( ) ( )A B A D A C A CR R R R RRU U U U UR R R R R R R R?? ? ? ? ?? ? ? ? （ 312） 如果假設(shè)測(cè)試時(shí)電橋 4個(gè)電阻橋臂的增量依次為△ R△ R△ R△ R4,將增量帶 入式（ 312）則電橋的輸出電壓為 ACURRRRRRRR RRRRRRRRUU ))(( ))(())(( 44332211 3322441100 ?????????? ???????????? （ 313） 通常在測(cè)試前，需要先將電橋調(diào)零，即 U0=0無(wú)輸出。當(dāng)測(cè)試時(shí)應(yīng)變片受力應(yīng)變，電阻值變化，電橋輸出變化。 因?yàn)槭阶又?RR? 其實(shí) 很小，關(guān)于 RR? 的二次項(xiàng)可以略去，得 ACURRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRU)()(1)()(442221233112``44332211221210 ???????????????????? （ 314） 為了使式子簡(jiǎn)化 ,在應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)中通常使 R1=R2和 R3=R4,則式 (314)簡(jiǎn)化為 31 2 41 2 3 4031 2 41 2 3 4()14 [ 1 ( ) ]2ACRR R RU R R R RURR R RR R R R?? ? ?? ? ??? ?? ? ?? ? ? ? （ 315） 又因?yàn)?31 2 41 2 3 4RR R RR R R R?? ? ?? ? ?很小，對(duì)分母不起影響 ,可得到電阻變化與輸出電壓增量近似線性關(guān)系 鉆井液攪拌器工況參數(shù)檢測(cè)方法研究 22 31 2 40 1 2 3 4()4ACURR R RU R R R R?? ? ?? ? ? ? ? （ 316） 通常 ,各臂貼涂的應(yīng)變片的靈敏系數(shù)均相等 ,設(shè)為 K1，各臂應(yīng)變片的應(yīng)變量依次為1? ， 2? 、 3? 和 4? ，這時(shí) 1111R KR ?? ?、 1111R KR ?? ?、 1111R KR ?? ?、 1111R KR ?? ? 將其代入（ 316）可得到被測(cè)應(yīng)變與電橋輸出電壓的關(guān)系 10 1 2 3 4()4ACUKU ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 317） 式（ 317）表明了測(cè)量 電橋的加減特性。電橋的加減特性使測(cè)量電橋可以根據(jù)不同 的測(cè)量需求來(lái)設(shè)計(jì)單臂、半橋、全橋等測(cè)量方式。 圖 35 常用三種測(cè)量電橋的接法 圖 35（ a）為單臂測(cè)量接法，工作應(yīng)變片為 R1，溫度補(bǔ)償應(yīng)變片為 R2，其中 R R2和 R3， R4阻值相等，但是 R3， R4是固定電阻。測(cè)試前 R1=R2=R3=R4=R0 ,假設(shè)，測(cè)試 時(shí)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?? ?？捎墒?(317)得到測(cè)試輸出電壓增量 △ U01是： ?4 10 KUU AC?? （ 318） 圖 35（ b）為半橋接法，由圖所示 , R1和 R2是工作應(yīng)變片，兩者組成差動(dòng)電橋。兩個(gè)應(yīng)變片同時(shí)承受大小相同但極性卻相反的應(yīng)變，假設(shè) 1??? ，那么 2???? ，由此產(chǎn)生電橋輸出電壓的增量△ U02是： 0112 ACU U K ??? （ 319） 圖 35（ c）為全橋接法，其中測(cè)量電橋的每個(gè)橋臂上都是電阻應(yīng)變片，這樣四個(gè)應(yīng)變片會(huì)承受相同的應(yīng)變，假設(shè) 1??? ，那么滿足關(guān)系式： 2???? ， 3???? ， 4??? ，如此，所產(chǎn)生的電橋輸出電壓的增量 △ U03是： 01ACU U K ??? （ 320） 由以上電橋輸出電壓的增量△ U公式可以看出，從電橋靈敏度來(lái)看，半橋電橋比單臂電橋靈敏度高一倍，全橋的電橋靈敏度最高，又比半橋的靈敏度提高一倍。從溫度補(bǔ)償消除誤差來(lái)看，在單臂和半橋電路中，溫度補(bǔ)償?shù)男Ч靡恍硗?，半橋和全橋電橋采用差?dòng)方式測(cè)應(yīng)變，消除了非線性誤差，可以降低了一些干擾的影響。 本文采用直流測(cè)量電橋，綜合考慮電橋形式的影響，選擇 全橋 電路測(cè)量 轉(zhuǎn)動(dòng)軸扭矩西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 23 應(yīng)變信號(hào)。 雖然選擇了全橋電路測(cè)量扭矩， 但我們應(yīng)該知道如何粘貼應(yīng)變 片及如何放置四個(gè)應(yīng)變片才能正確測(cè)量出來(lái)扭矩， 經(jīng)過(guò)驗(yàn)證應(yīng)變片應(yīng)該保證與轉(zhuǎn)動(dòng)軸成 177。 45176。 方向才可組成扭矩傳感器。所以 我們?cè)跀嚢杵鬓D(zhuǎn)動(dòng)軸上粘貼 4個(gè)應(yīng)變片組成全橋電路 的同時(shí)應(yīng)該保證在轉(zhuǎn)動(dòng)軸177。 45176。 方向上 粘貼應(yīng)變片 ，感應(yīng)軸上最大正、負(fù)應(yīng)變輸出電壓信號(hào)與轉(zhuǎn)動(dòng)軸扭矩成正比。 由于所選應(yīng)變傳感器附加在軸上的質(zhì)量很小，不會(huì)引起電機(jī)負(fù)荷過(guò)大造成影響，并且消除了攪拌器在正常工作過(guò)程中受軸徑向力所受彎曲力的干擾。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸受到電機(jī)扭力影響產(chǎn)生微小變形后，軸上的應(yīng)變片組成的應(yīng)變橋阻值發(fā)生相應(yīng)改變，阻值的改變轉(zhuǎn)化為應(yīng)變橋輸出電壓的變化，由 應(yīng)變橋輸出的電壓很小，所以要經(jīng)過(guò)預(yù)處理電路放大和濾波電路后，方可輸出扭矩電壓信號(hào) 。如圖 36所示。 橋臂上的 4個(gè)電阻R1=R2=R3=R4=R,應(yīng)變電橋的電阻變化量分別為△ R△ R△ R△ R4，所以輸出電壓U○ 為： )(4U 4 43 32 21 10 RRRRRRRRKU ???????? （ 321） 公式中： K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)； U為應(yīng)變?nèi)珮螂娐返墓╇婋妷骸? 應(yīng)變電橋的輸出應(yīng)變 ? 為： KUURRRRRRRR 04 43 32 21 14321 4????????????? ????? （ 322