（机械电子工程专业论文）测井拖拉器头部张力测控系统设计与研究.pdf

篁查堡三些銮兰三兰丝圭兰堡篁兰。一 摘要 张力测控系统是测井拖拉器的重要环节。它负责监控拖拉器与电缆之间 的张力，避免电缆张力过大或过小所引起的事故，以保证拖拉器安全进出 水平井。本课题来源于大庆油田责任有限公司的科研项目“水平井铡井拖拉 器研究与开发”，为其子课题。 本文首先从实际出发针对井下特殊的工作环境要求，确定了设计方案一 一采用螺管式电感传感器测量张力，选用矩形截面螺旋压缩弹簧作为弹性敏 感元件。首先通过传统方法设计了弹簧结构尺寸，接着用a n s y s 对测力弹 簧进行了有限元分析，得到了其应力云图和载荷行程曲线，确定了弹簧的线 性工作范围。考虑到工作空间限制，将两个弹簧设计成并联结构以承受较大 的作用力。从而以弹簧组件为核心，进行了测力装置的整体设计。弹簧组件 外壳为薄壁件，将其设计成两个半壳形式，不仅使得弹簧组件装配方便，而 且使褥铡力装置内外连通。达到抗高压的效果。经过巧妙的结构设计，测力 装置具有双灵敏度的特点，保证传感器能够有效地检测小幅度张力。在材料 选择上，受力部件采用沉淀不锈钢，它不仅强度高，而且耐腐蚀，符合工作 要求。 根据实际需要，应该设计体积小、抗干扰能力强的传感器及其检测电 路。本文首先对螺线管电感线圈内部磁场进行有限元谐波分析，得到线圈内 部磁场分布图。在此基础上经过试验，设计了与铡力弹簧线性范围相匹配的 螺管式电感传感器。然后利用施密特触发器构建l c 振荡回路作为信号转 换电路，其输出经过整形，得到标准脉冲信号。该信号的频率与另一固定振 荡回路输出信号的频率相减降低了温度干扰，本文通过大量仿真和试验，设 计了d 触发器作频率减法器，大大简化了电路。通过电路仿真及实验，确 定了电路输出线性最佳区域。电路中设计了温度补偿网络以进一步增加电路 的抗温度干扰性。 最后对测力弹簧进行了压缩试验，对张力测量装置进行了静态标定。试 验结果表明，测力装置有良好的线性和灵敏度，证明了设计思想是正确的。 在此基础上设计了地面张力测控软件，实现了张力测控系统的功能要求。 关键词电感传感器；有限元：温度补偿； ：一丝型竺鲨耋些墼坚釜一 a b s t r a c t m e a s u r i n ga n d c o n t r o ls y s t e mo ft e n s i o ni sav e r yi m p o r t a n ts e g m e n tf o rt h e t r a c t o ro fw e l ll o g g i n g i tm o n i t o r st h et e n s i o nb e t w e e nt h et a b l ea n dt h et r a c t o r t h u sw ec a r la v o i dt h ea c c i d e n t sb e c a u s et h et e n s i o ni st o ol a r g eo rt o os m a l l t h i st h e s i sc o m e sf r o m “s t u d ya n dd e v e l o pat r a c t o rf o rw e l ll o g g i n g - t h e s u b j e c to f d a q i n go i lf i e l dc o m p a n y t h i sa r t i c l ei si t ss u b s u b j e c t f i r s t l y t h i sa r t i c l e s t u d y t h e s p e c i a l w o r ke n v i r o n m e n ta n dd e f i n et h e s c h e m e - - u s i n gi n d u c t i v et r a n s d u c e rt om e a s u r et h et e n s i o n ，a n dm a k es p r i n g s e l a s t i cc e l l s f i r s to fa l l ，d e s i g nt h ep h y s i c a ld i m e n s i o no ft h es p r i n g st h r o u g l l t r a d i t i o n a la r i t h m e t i c i ns u c c e s s i o n ，t a k ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ot h es p r i n g s w i t ha n s y sa n do b t a i nt h es t r e s sm a pa sw e l la sl o a d - - d i s p l a c e m e n tc u r v e i n v i e wo ft h el i m i t e ds p a c e ，t h i sa r t i c l em a k e st w o p a r a l l e l i n gs p r i n g sb e a r a b i g g e r l o a d t h e r e b yt h i s a r t i c l ed e s i g n st h ep h y s i c a ld i m e n s i o no ft h em e a s u r e m e n t m e c h a n i s mw i t hf o c u so nt h ep a r a l l e l i n gs p r i n g s b e c a u s et h es h e l lo ft h es p r i n g u n i t si sat h i n w a l l ，i t i sd i v i d e dt ot w oh a l fs h e l l s i nt h i s w a y , i ti sv e r y c o n v e n i e n c et oa s s e m b l yt h em e c h a n i s ma n dt h e h e a v yp r e s s u r ei nt h eb o t t o mo f o i lw e l li sb a l a n c e d b ys k i l l f u l l yd e s i g n e d ，t h i sm e c h a n i s mh a st h es t r o n g p o i n t t h a ti sd o u b l es e n s i t i v i t i e sa n dc a nm e a s u r et h es l i g h tt e n s i o no nt h ec a b l em o r e s e n s i t i v e l y t h ec o m p o n e n t sw i t c hb e a rl o a d sa r em a d ef r o md e p o s i t i o nn o n c o r r o s i v es t e e lw i t c hh a s h i g h - i n t e n s i t ya n d r e s i s t sc o r r o s i o n t h i sm a t e r i a lm e e t s t h e n e c e s s i t yo f w o r k i n g a c c o r d i n g t ot h ep r a c t i c a lw o r k n e e d ，t h es o l e n o i di n d u c t i v et r a n s d u c e ra n d i t sm e a s u r i n gc i r c u i tm u s tb es m a l la n dh i g hs t a b i l i t y a tt h eb e g i n n i n g ，t h i s a r t i c l ea n a l y s e st h ea l t e m a t i n gm a g n e t i cf i e l di n s i d et h ec o i lw i t ha n s y s t h u s t h ed i s t i l b u t i o nm a do ft h ei n t e n s i t yo fs o l e n o i d a lf i e l di so b t a i n e d o nb a s eo f t h ed i s t r i b u t i o nm a pt h i sa r t i c l ed e s i g n st h es o l e n o i d a li n d u c t o rw h o s el i n e a r i t y r a n g em a t c h e st h a to f t h es h u n t w o u n ds p r i n g s a n dt h e nu s i n gt h e h y s t e r e s i so f t h es c h m i d t t r i g g e ral co s c i l l a t i n gc i r c u i ti sf o u n d e d t h eo u t p u tw a v e f o r mo f t h i sc i r c u i ti s c h a n g e dt os t a n d a r di m p u l s e t or e d u c et h ei n t e r f e r i n go fh i g h t e m p e r a t u r e ，t h ef r e q u e n c i e so ft h i s c i r c u i t s s i g n a l s s h o u l ds u b t r a c ta n o t h e r f r e q u e n c yo ff i x e d - - f r e q u e n c yi m p u l s e t h r o u g hl o t so fc i r c u i ts i m u l a t i o na n d i i 兰玺鎏三些奎兰三兰堡圭：堡篓三 e x p e r i m e n t ，ad t r i g g e ri sc r a n k e do u taf r e q u e n c y s u b t r a c t e r t h u st h i sc i r c u i ti s g r e a t l yp r e d i g e s t e d t h r o u g hc i r c u i ts i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，t h eb e s t l i n e r z o n eo fc i r c u i to u t p u th a sb e e nf o u n d i na d d i t i o n ，t h i sc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e d t e m p e r a t u r ec o r r e c t i o nn e tw i t c h c a r lr e d u c e t e m p e r a t u r ei n t e r f e r i n gf u r t h e r f i n a l l y , t h i sa r t i c l ed o e st h ec o m p r e s s i o nt e s tf o rt h es p r i n g sa n dc a l i b r a t i o n t e s tf o rt h ew h o l ei n d u c t i v et r a n s d u c e r i ti s t e s t i f i e dt h a tt h e l i n e a l i t y a n d s e n s i t i v i t y o ft h i st r a n s d u c e ra l e a d e q u a t e i t a l s ot e s t i f i e st h a tt h e d e s i g n p h i l o s o p h yo f t h i sa r t i c l ei sr i g h t t h em e a s u r i n ga n dc o n t r o lp r o g r a mf o rt h e t e n s i o ni sc o m p o s e da n dt h ef u n c t i o n sa l ea c h i e v e d k e y w o r d s i n d u c t i v e t r a i l s d u c e r ，f e a ，t e m p e r a t u r ec o r r e c t i o n 1 1 1 1 1 课题背景 第1 章绪论 本课题来自大庆油田责任有限公司。水平井测井拖拉器是为进一步提升 油田公司的测试技术装备水平，发展国内水平井测井市场，而研究开发的一 套水平井测井仪器输送系统”j 。 水平井钻井技术是在定向井钻井技术的基础上发展起来的。它是指在石 油钻井过程中，通过控制钻头钻进的轨迹，使之沿油层的走向钻进，通过扩 大油层泄油面积来提高油井产量、提高油田开发效益的一项开发技术。 随着水平井数量的增加和对水平井开发的高采收率综合效益的认识，搞 好水平井的开发和管理对整个油田的稳产至关重要，水平井测井拖拉器作为 对水平井监测最为经济的输送工具越来越受到重视。 测井拖拉器是近几年开发的新技术。在测井仪器后端连接井下拖拉器， 拖拉器与测井电缆连接，垂宜井段利用重力自然下放，进入造斜段仪器停止 后，通过测井电缆供电并控制拖拉器开始工作，由拖拉器提供动力将仪器推 送到目的段，然后断开拖拉器电源，为仪器供电，通过电缆上提仪器进行测 井。该方法的优点是施工简便、节省工时、深度控制准确等【2 】【3 1 。 本文研究内容为测井拖拉器的予课题一测井拖拉器头部张力测控系统， 其主要作用为动态监测测井拖拉器头部张力大小，避免电缆薄弱环节出现故 障，保障测井拖拉器能够安全顺利进行井下作业。 1 2 传感器的发展现状 传盛器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器 件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中 能直接感受被测量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适 于传输和测量的电信号部分【4 l 。以信息、材料、和生物为主要支柱的新技术 革命正在将人类社会从工业化时代推向信息化时代。作为感知、采集、转 换、处理、和传输各种信息不可缺少的传感器及其技术，已经成为与计算机 同等重要的技术而渗入新技术革命的各个领域和国民经济的每一个部门。它 在信息技术系统中、在加强国防建设与促进科技发展中、在改造传统产业实 现过程检测自动化和发展新型产业中、在节约能源保护环境提高效率确保安 ：一丝堡些垄垒塑垄型堡：一 全及节省人力等方面具有特殊重要的作用。 半个多世纪以来，传感器技术突飞猛进。上世纪3 0 年代出现了氯化锂 传感器：4 0 年代，热敏电阻器问世、并很快应用于热工仪表；5 0 年代，光 敏元件成为飞行器和人造卫星的耳目；6 0 年代，随着集成电路的出现，传 感器开始作为自动机械的五官；7 0 年代，发展了大规模集成电路和微处理 技术，使传感器深入到国民经济乃至家用电器等各个领域；8 0 年代，传感 器技术全面铺开，除了与太规模集成电路技术和硅微机械加工技术密切结合 外，还出现了很多高性能的新型传感器；进入9 0 年代后，随着计算机技术 的发展，传感器技术有了更深刻的变化【5 【”。 我国传感器技术与国外先进水平之间有比较大的差距。但是近年来，如 何发展我国传感器技术已经引起了有关部门和科技界的重视，传感器技术有 了新的进展。1 9 8 6 年电子工业部召开了电子工业传感器工作会议，明确了 传感器技术要与微电子技术、计算机技术、大规模集成电路技术、通讯技术 协调发展的方针；在产品的开发上要采取“敏感材料一一敏感组件与传感 器传感器应用一体化的方针。要优先发展新型固态传感器，应切实加强 基础研究、生产技术研究与应用研究，不断提高产品质量以适应电子技术的 发展7 1 。 近几年来由于传感器制作工艺的迅速发展，加上大规模集成电路和微机 技术的新成就，使传感器朝着高度集成化和智能化方向发展。多年来的研究 表明，利用微电子技术可以使传感器和微处理器一体化，制成集成化、智能 化传感器【8 】。但迄今与微处理器集成在一起的单硅芯片传感器还没有结果。 想获得实用的智能传感器，还要继续开发新材科，探索新效应，发展新工 艺。 1 3 测力传惑器的种类及特点 目前测力传感器的种类主要有电阻应变式测力传感器、半体压阻式传感 器、容式测力传感器、电感式测力传感器、压磁式测力传感器和电式测力传 感器等。 ( 1 ) 半导体压阻式测力传感器半导体压阻式测力传感器是以单晶硅膜 片作为敏感元件，在该膜片上用集成电路工艺制成4 个等值电阻，组成电 桥。当膜片受力后，由于压阻效应，单晶硅的电阻值发生变化，通过电桥输 出，而测得物理量的变化。压阻式传感器主要缺点是电阻和灵敏系数的热稳 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 定性差，其使用温度范围受到一定限制，国内一般应用在1 0 0 以下环境。 此外，其量程小，在测量大应变时，非线性影响较严重。受腐蚀性气体影响 大、工艺复杂、要求严格、成本较高等。 f 2 ) 电阻应变片式测力传感器电阻应变片式测力传感器是目前在非电 量测量技术中应用最广、最成熟和最重要的传感器之一。它的工作原理是将 物理量的变化转换为敏感元件应力的变化致使电阻值改变。再通过转换电路 变换为相应的电信号输出，从而达到测量的目的。电阻应变片式测力传感器 具有精度高、测量范围广、使用寿命长、性能稳定可靠等优点。不足之处在 于电阻应变片是沾到弹性元件上的，当温度发生变化时，由于弹性元件、粘 接剂和应变片的熟膨胀系数不同，会使应变片产生一个附加应变，从而影响 检测精度。因此，电阻应变片式传感器不适用温度较高，温度波动较大，压 力剧烈波动的场合。 ( 3 ) 电容式测力传感器电容式测力传感器是把被测力转换成电容量变 化的一种传感器。实际上可以把它看作是一个可变参量的电容。电容式传感 器结构简单，动态响应快，阻抗高，较适合于非接触测量。缺点是容易受寄 生电容，分布电容的影响和外界干扰。 ( 4 ) 电感式测力传感器电感式测力传感器是利用电磁感应原理，借助 弹性元件及铁芯实现对力测攮的一种传感器。按照变换方式的不同可分为自 感型和互感型，按照结构形式可分为气隙型和螺管型。电感传感器结构简 单、温度稳定性较强，并且可以实现非接触测量，适合井下作业环境。 ( 5 ) 压磁式测力传感器压磁式测力传感器是将作用力( 如弹性应力) 的变 化变换成传感器导磁体导磁率的变化的一种新型传感器，具有输出功率大， 信号强，结构简单的特点。但是测量精度不高，频响较低。 ( 6 ) 压电式测力传感器压电式测力传感器是以压电效应为转换原理的 传感器。压电式传感器具有使用频带宽灵敏度高，结构简单的特点。但是压 电式测力传感器内阻高，信号弱，故对前置电路要求很高 9 1 。 1 4 本文的研究目的及意义 在垂直井和井斜角度不太的井眼中，电缆和管状的测井仪器凭借着重力的 作用进入井眼内，并能沿井眼顺利向下移动。当井斜角度达到6 0 。以上时， 电缆和仪器串与井孔内壁摩擦阻力增加，超过由重力作用所产生的拉力，电 缆和测井仪器串在井眼内不能向下移动。这时，拖拉器启动，推动测井仪沿水 平井段向前移动或穿过大角度部位。一旦到达目的区域，拖拉器停止运行，成 为仪器操作的一部分不再工作，测井结束后，拖拉器作为常规仪器被拽出井 孔。 头部张力检测与控制是保证拖拉器顺利进出水平井的关键，水平井由竖 直部分、造斜过渡部分以及水平部分等三部分构成 ”】。当需要用拖拉器携 带测井装置进入水平井时，拖拉器首先进入水平井的竖直部分，这时利用重 力的作用，并由电缆牵引拖拉器下放，为了保证机器人能够沿井孔中心轴线 向下爬行，需要打开扶正器。这样拖拉器利用重力，克服电缆牵张力以及井 壁摩擦力的作用向下爬行，电缆的张力应控制在一定的范围使得拖拉器按照 合适的速度爬行，保证其效率和安全性。如果电缆放送太快有可能使电缆堆 积并缠绕拖拉器，这是很危险的事故，必须避免。在这个阶段，因为电缆的 许用张力远远大于拖拉器及其携带设备的重力，所以不会发生电缆因强度不 够而产生断裂的问题。当拖拉器到达过渡部分时，仅靠重力作用无法正常向 前爬行，此时，电缆张力状态显示持续减小，根据这一特点，可以判断是否 应该启动拖拉器。当拖拉器所携带设备进行测井时，拖拉器停止运行。当测 井完毕回收拖拉器时，拖拉器靠电缆的牵引力，沿管壁爬行。这时需要监视 电缆的张力状态，通过检查张力是否超标，判断拖拉器是否被卡住，从而避 免井下事故。 水平井测井拖拉器由供电电缆牵引送进油井，井下工作环境恶劣，必须 实时监测电缆与牵引器之间的张力情况，以保证测井拖拉器能够安全工作。 由此张力测试控制装置的研究无疑有着重要的实际意义。 1 5 本文的研究内容 本文的主要研究内容为设计井下拖拉器用张力测控系统，它工作在高温 高压的井下环境，对测井拖拉器的电缆张力信号进行实时在线检测，主要内 容和任务为： ( 1 ) 张力传感装景机械结构设计包括结构设计，关键环节的校核，优化 设计； ( 2 ) 电路的设计包括设计电路原理图，进行电路仿真，参数优化，电路 实验，评估实验结果，完善电路设计； ( 3 ) 传感器标定，张力测控软件的设计包括传感器标定实验，并通过 实验，得出张力标定曲线，从而设计张力测控软件。根据要求张力传感器主 要性能指针为： 最大工作温度：1 5 0 ； 堕玺鎏三些查兰三兰堡圭兰堡篁兰 最大工作压力：1 0 5m p a ； 额定电压：5 v ； 精度：5 ： 线性度：2 5 ； 测量范围( 额定) ：0 4 0 0 0 n 。 1 6 本章小结 本章介绍了课题背景以及本课题的研究目的和意义，概括了传感器的发 展现状并指出了传感器技术的发展趋势，介绍了常用测力传感器的种类及特 点，并选择了适合本课题的测力传感器，说明了本文的研究内容。 ：塑型竺笙塑些兰塑圣： 第2 章电感传感器相关理论知识 2 1 传感器的原理及特性 2 1 1 传感器原理 传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器 件或装置。通常由敏感组件，转换组件和转换电路组成。 ( 1 ) 敏感组件是指传感器中能直接感受被测量( 一般为非电量) ，并输 出与被测量成确定关系的其它量( 一般为电量) 的组件。如应变式压力传感 器的弹性膜片就是敏感组件，其作用是将压力转换为膜片的变形。 ( 2 ) 转换组件指传感器中能将敏感组件输出转换为适于传输和测量的 电信号部分。如应变式压力传感器的应变片，它的作用是将弹性膜片的变形 转换成电阻值的变化。 ( 3 ) 转换电路一般是指能把传感器组件输出的电信号转换为便于显 示、记录、处理和控制的电信号电路【l ”。 传感器的输入一输出关系特性是传感器的基本特性。一种是稳态f 静态 或准静态) 形式，这种情况下的被测信号是不随时间变化，或变化很缓慢； 另一种是动态( 周期变化或瞬态变化) 的形式，即被测信号是随时间变化的。 输入的被测量状态不同，传感器的输入输出特性也不相同，它和传感器 的内部性能与参数有密切的关系 1 2 】。 一般讲传感器由敏感组件和转换组件组成。但是由于传感器输出信号一 般都很微弱。需要有信号调节与转换电路将其放大或转换为容易传输、处 理、记录和显示的形式。随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用，传 感器的信号调节与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感组件一起集 成在同一芯片上。因此，信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器 组成的一部分 1 3 】。 2 1 2 传感器静态特性 力学量传感器的静态性能指标很多，主要有以下几种： r 1 1 线性度又称非线性，表示传感器的输出与输入之间的关系曲线与 选定的工作曲线的靠近程度。 ( 2 1 灵敏度传感器的输出增量与输入增量之比。 f 3 ) 精度表示测量结果与被测的“真值”的靠近程度。精度一般是在 校验或标定过程中来确定的，此时“真值”则靠其它更精确的仪器或工作基 准来给出。精度一般用“极限误差”来表示，或者用极限误差与满量程之比 百分数表示。 f 4 ) 分辨率当输入量连续变化时，传感器输出量做阶梯变化，则输出 量的每个阶梯所代表的输入量的大小就是传感器的分辨率。 ( 5 ) 迟滞是指在相同工作条件下作全测量范围校准时，在同一次校准 中对应同一输入量的正行程和反行程其输出值的最大偏差。迟滞现象反映了 传感器机械结构和制造工艺的缺陷，如轴承摩擦、间隙、组件磨损等。 ( 6 ) 重复性反映传感器在不变的工作状态下，重复地给予某个相同的 输入值时，其输出值的一致性。重复性一般用极限误差来表示，即用校准资 料与相应行程输出平均值之间的最大偏差值，对满量程输出的百分比表示重 复性误差。 ( 7 ) 零漂零漂表示传感器在零输入的状态下，输出值的漂移。零漂一 般有两种形式，一种是时间零漂，即在规定的时间内，在室温不变的条件下 零输出的变化。对于有源传感器，指的是在标准电源条件下，零输出的变化 情况。另一种是温度零漂。主要是指温度变化1 1 2 时零点输出的变化值1 1 4 】。 2 2 电感传感器工作原理 2 2 1 电感传感器的实现方式 电感式传感器是建立在电磁感应基础上，传感器检测到被测物体的位 移，引起线圈的自感或互感系数变化，自感或互感信号再通过引线接入测量 电路进行测量。当传感器用自感原理时，首先把被测量的变化转化为自感l 的变化，自感l 接入不同的测量电路就可以转换为所需要的电信号输出。 自感l 又称电感，人们习惯上所称的电感式传感器就是特指这一种f ”】。当 用互感原理时，最常用的是差动变压器式传感器，差动变压器是电感式传感 器的一种，本身是一个变压器。这时一侧线圈要用固定电源激磁，它与两个 二次线圈间互感m 的变化可导致二次线圈产生电压信号输出。此外，还有 = 丝篓些垄篓璧些垒鎏一 利用电涡流原理的电涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器利用互 感原理的感应同步器等。根据工作需要，本文使用的是自感式电感传感器。 根据磁路的基本知识，线圈的自感可按下式计算： 工= 三二一( 2 1 ) 屁， 其中卜线圈的匝数： 碚一磁路总磁阻； 在气息厚度很小的情况下，可以认为磁场是均匀的，若忽略磁路铁损， 则总的磁阻为： 耻皓j + 嚣 ， 其中 各段导磁体的长度； l l 广各段导磁体的磁导率； s 厂各段导磁体的截面积； “ 6 空气气隙厚度； i l 厂真空磁导率； r 空气气隙截面积。 因此，线圈的电感跟空气隙的厚度、空气隙的面积、导磁体的长度等有 关。根据改变空气隙的厚度、空气隙的面积、导磁体的长度来实现电感变化 的工作原理，自感式传感器可分为气隙型、截面积型、螺管型、分别如图 2 - 1 、图2 2 图2 3 所示。 匡 仄i 纽习 图2 - 1 气隙型电感传感器图2 - 2 截面积型电感传感器 f i g 2 - 1i n t e r s p a c e si n d u c t a n c e s e n s o r f i g 2 - 2s e c t i o n i n d u c t a n c es e n s o r 气隙型传感器灵敏度高，对后续测量电路的放大倍数要求低，它的缺点 是菲线性严重，示值范围小。截面积型具有较好的线性，自由行程较大，制 造装配比较方便，但灵敏度较低。螺管型则结构简单，制造装配容易，由于 空气除大，磁路磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大；此外螺管型还具有 自由行程可任意安排的特点，同时其结构特点也适合应用于测井拖拉器狭小 的壳内空问，故本文采用此种类型传感器。 ：堕玺鎏三些查耋苫兰堡圭兰竺篓兰 2 2 2 螺管式电感传感器结构及工作原理 这类型的电感传感器的工作原理建立在线圈泄漏路径中的磁阻变化的 原理上。螺管式电感传感器结构简单，主要组件为一只螺线管和只圆柱形 衔铁，传感器工作时，衔铁在线圈中深入长度的变化，引起螺线管电感值的 变化，当将其引入电路，电路的输出量( 电压，电流或者频率) 就与衔铁的 位移量有关。从电磁学中得知，带衔铁的螺线管的磁场由两部分组成，一部 分是线圈激励电流i 建立的激励磁场曰，( 空心线圈磁场) ，另一部分是由衔铁 进入线圈后，衔铁被磁化所产生的附加磁场吼。螺线管线圈在轴上产生的 a ) 单线圈传感器b ) 差动式传感器 a ) s i n 西ew i n d i n g8 s o rb 】d i f f e r e n t i a ls e n s o r 图2 - 3 螺管式电感传感器 f i g 2 3h e l i x i n d u c t a n c es e i i s o r s 磁场，根据毕奥一沙伐一拉普拉斯定律，可以得到： 耻爿赤+ 寿j 弘， 式中一线圈匝数； 卜一螺线管长度； h 线圈单位长度匝数： r 一线圈平均半径； 卜线圈激威电流。 根据上式做出不同螺线管长径比时，轴上磁场的分布情况如图2 4 ，显然 由图中三条曲线可以看出： ( 1 ) 各条曲线均有中间平坦部分与两端斜线部分组成，长径比越大，平 坦部分增加，斜线部分减少，并且斜线部分磁场变化率大； ( 2 ) 长径比越大，中间磁场越强，并且线圈两端面区磁场强度与中间磁 场强度的比值下降。 ( 3 ) 由曲线可知，铁芯在开始插入和最后离开线圈时的灵敏度比插入线 圈约一半时的灵敏度小得多，这说明在线圈的中段能获得较高的灵敏度，并 且有较好的线性特性。如果1 r ( 1 r 6 ) ，可忽略有限长线圈内磁场强度的 不均匀性，近似认为在x = l 2 时的磁场强度为： 图2 - 4 轴上磁场分布 f i g 2 4m a g n e t i cf i e l do na x e s h ：n 2 z 线圈电感为： 上：丝型：! 若引迸铁芯长为l c ，则线圈的电感为： ；uomv2r2+(it,-1)lorf ，2 变换为： 三= 华+ 华4 式中爿，一铁芯截面积： 爿厂线圈激励磁场截面积。 当铁芯长度增加a 1 。时，则电感变化量为： 址= # o n 2 1 ( i t r , - 一1 ) a c4 假设坶 1 则由上式可知电感l 与l 。成正比，其灵敏度为： 杀= 学4 d i c 1 2 c ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 可见，欲提高传感器的灵敏度可以采用以下措施：( 1 ) 增加( 用细导线代替 粗导线绕制线圈以增加匝数) ；( 2 ) 增加a 。( 考虑线圈骨架内壁与衔铁外径在 工作时不被卡住) ；( 3 ) 采用高磁导率的材料作铁芯。 电感式传感器还可以做成差动式，其结构如图2 - 2 b ，采用差动式结 构，可以改善传感器的非线性，对电源电压，以及温度变化等外界影响有补 偿作用提高灵敏度以及测量精度。 2 3 电感传感器检测原理 目前，电感传感器主要采用两种测量原理，即调频式和调幅式【1 6 】。调 频式测量原理是把传感器的位移变化量转换为频率变化量，它是通过l f 变 换把电感量的变化转变为频率量的变化，然后通过澳4 频得到测量值。 下面以典型的l c 振荡电路三端式电路来说明l f 变化，所谓l c 三端式振荡电路，就是振荡回路的三个端点与有源器件的三个端点相连接的 a ) 一般式振荡电路b ) 考毕兹电路 a ) c o m m o nt y p eo s c i l l a t o r b ) c o l p i t t sc i r c u i t 图2 - 5 三端振荡器原理 f i g 2 - 5s k e t c hm a po f t h r e ep o r t so s c i l l a t o r 振荡电路。外接电路必须使振荡器满足相位平衡自激条件，这是构成振荡电 路应予遵循的原则。图2 5 a 用放大器构成的三端式振荡器，由于运算放大 器的输入阻抗高、放大倍数大、输出电阻低。可以使振荡器计算简化。设回 路q 值很大，略去电抗组件的电阻分量，使得结论并不失它的般性。 由x l 、x 2 、x 3 构成的振荡回路是谐振回路，它必然是由电感和电容两 种不同性质的电抗构成。在谐振时，总电抗为零，即： x t + 爿二+ j j = 0( 2 - 1 0 ) 此时，回路呈纯电阻性质，同时应满足v o 和v f ( x 2 的感应电势) 极性相 反，按图中电流方向得： 哈尔滨_ ： f = 业大学工学硕土学位论文 _ ：生：二墨型：一生( 2 1 1 ) 置x ix l 、 可见，只有x 2 与x l 同号时，才能满足v o 与v f 极性相反，即x 2 与x 1 同为感抗或同为容抗，根据式2 。1 0 ，x 3 必须与x 1 、x 2 反号，这就是三端式 振荡电路的组成原则，据此可构成电感三端式振荡器和电容三端式振荡器。 完成了l f 的转换，接下去可用任何一种测频法得到振荡回路的频率值。 另外一种普遍采用的是调幅式测量原理，是把被测位移的变化转化成直 流电平的变化，传感器采用差动式电感传感器，将其两个差动线圈接入测量 电桥，组成电桥的两臂，另外两臂由振荡器的变压器次级线圈组成。被测位 移的变化可以使两线圈的电感量发生相反方向的变化，在测量桥路的对角线 上将输出一个幅度与位移成比例、频率与振荡器频率相同、相位与位移方向 相对应的调制信号。此信号经相敏检波器检出极性，得到一个与位移相对应 的直流电压信号。该直流电压信号经由v f 变换器或直接由a d 转换器变 换成数字量，然后利用各种方式显示出来 1 7 】。 此夕 ，电感传感器的转换与测量电路还有许多中，例如，利用相位电桥 可以把传感器的电感上的变化转换为输出电压相位的变化。也可以把电感的 变化转化为输出脉冲占空比的变化，或采用电流源的交替通断，由电感的瞬 时效应实现输出信号的脉宽调制【1 8 - 2 0 等。 2 4 弹性组件的种类与选择 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形。而当外力去 掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形， 具有弹性变形特性的物体称为弹性组件【”i 。 弹性组件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压 力变换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感组件，将被测力、力 矩或压力变换成电量。 测井拖拉器测力装置机械结构的核心部件为弹性组件。弹性组件选择与 设计好坏直接影晌测力装嚣的性能指标。典型的弹性组件结构有： ( 1 ) 弹性圆柱柱式弹性组件的特点是结构简单，可承受很大的载荷， 根据截面形状可分为实心截面( 见图2 6 ) 、空心截面( 见图2 7 ) 。在力的作用 下，它往往以应变作为输出薰。 ( 2 ) 轮辐式结构轮辐式弹性体由轮圈、轮毂、轮辐条、组成，轮辐条成 对连接在轮圈和轮毂之间( 见图2 - 8 ) 。轮幅式测力传感器是一种高精度的 力一一电转换器件，它的突出特点是外型低、安装方便、性能稳定、精度 高、线性好、抗偏心载荷及抗侧向力能力强。便于远距离快速测量，特别是 测量压向载荷。 图2 - 6 实心弹簧圆柱图2 - 7 空心弹黄圆柱图2 - 8 轮辐式结构 f i g 2 - 6s o l i d 印血l gc o l 咖f i g 2 7h o l l o ws p r i n ge o l u 瑚f 蟾2 - 8s p o k es t n j c t u r e ( 3 ) 圆柱螺旋压缩弹簧弹簧是一种机械零件，它利用材料的弹性和结 构的特点，在工作时产生变形，把机械功或动能转变为变形能( 位能) 1 2 2 1 ， 反之，把变形能转交为机械功或动能。圆柱螺旋压缩弹簧是常用的测力组 件，弹簧的线性好，弹性范围大，结构简单，灵敏度比较高。根据弹簧丝横 截面的形状常用的有圆截面圆柱螺旋压缩弹簧和矩形截面圆柱螺旋压缩弹簧 2 3 1 。 前两种弹性体的工作原理是通过粘贴电阻应交片检测弹性组件的应交从 而达到测力的目的。电阻应变式不适合井下高温高压环境，同时这种测量为 接触测量，很难实现电路的密封。综合考虑本文选择弹簧作为测力弹性组 件，弹簧不仅能够测力，同时还起到减震的作用，有利于其它拖拉器及其携 带仪器的正常工作。在后续传感电路中采用菲接触测量方式检测弹簧的变形 量，从而实现测力的同时，方便实现电路部分的密封要求。 2 5 本章小结 本章介绍了电感传感器的工作原理以及结构类型。详细分析了螺管式电 感传感器的工作原理以及工作特点。分析了螺管式电感传感器结构参数与内 部感应磁场均匀性的关系。介绍并选择了电感传感器的检测电路以及测力敏 感元件。 率 = ：些坠型查坠墅耋墼堡二：一 第3 章张力测控系统结构设计 3 1 张力测控系统方案设计 张力测控系统可以由图3 一l 表示，它包括井下与地面两个工作部分。井 下部分包括测力装置机械结构、传感器及其检测电路、单片机；地面部分为 张力测控软件。测力装置机械结构位于测井拖拉器的头部，它的主要功能为 检测电缆张力，同时它提供张力过载保护机构。传感器及其检测电路将张力 信号转换为易处理的脉冲信号，单片机采集脉冲信号得到其频率量。地面张 力测控软件把单片机送来的频率转换为张力，将张力数据进行备份、动态显 示，当张力不在正常范围时报警，以便工作人员及时排除故障。测井拖拉器 属于远距离井下作业，井下高温高压( 1 5 0 ，1 0 5 m p a ) ，而且周围是腐蚀性 的液体，这些因素在系统设计过程中要充分考虑，并采取相应措施。 图3 - 1 张力测控系统方案 f i g 3 - 1s c h e m eo f m e a s u r i n g a n dc o n t r o ls y s t e mf o rt e n s i o n 3 2 测力装置机械结构设计 由于电缆张力较大，拖拉器径向尺寸有限，这就需要测力装置机械部分 结构紧凑，实现小尺寸大量程的工作要求。经过分析，设计一组并联矩形截 面圆柱螺旋压缩弹簧可以很好实现这种测力要求。根据实际需要。机械结构 零部件选用工作温度较高的材料，以适应井下的高温环境。对机械与电路衔 窒筌鎏三些查兰! ：兰堡圭兰竺鲨銮 。，一 接部分采用密封措旌，实现电路板与井下的复杂环境相隔离，保证传感器电 气部分正常工作。拖拉器经常工作在井下的复杂环境，由于泥沙等作用，很 可能造成弹簧部件阻塞，为了能够及时发现并避免这种情况发生，设计的弹 簧组件时，应该留出自由行程区，以便检查测力装置是否阻塞。同时，为了 保证测力装置能够较好检测较小的电缆张力，所设计测力机构应该具有双灵 敏度的特点。测力装置机械结构有三部分构成：上接头、测力部分和下接 头。 3 2 1 上接头部分结构设计 张力测试装量上接头位于整个测力装置的顶部，它上与拖拉器旋转接头 相连，下与测力装置的测力部分连接。上接头的主要功能为：( 1 ) 连接旋转 接头与张力测试装置，使得电缆张力传递到弹簧芯轴；( 2 ) 提供电源插头， 使得电缆电源传递到其它电路负载；( 3 ) 提供行程控制结构，达到保护测力 弹簧的目的。图3 2 为上接头结构图，图3 3 为上接头组件图。上接头通过 梯形螺纹与旋转接头连接。由于电源插头安置在此接头内部，故需要进行密 封设计。密封分为动密封和静密封两种，此处属于静密封。工程中常用橡胶 o 形圈实现密封要求，特点是：形状简单、制造容易、成本低廉、安装简单 可靠，同时具有自密封的能力【”】。橡胶o 形圈静密封工作压力达1 0 0 m p a 以上，温度范围为6 0 2 0 0 均能满足要求。面a 与密封圈以及密封圈 沟槽( 位于旋转接头上) 配合起来达到密封效果，其表面粗糙精度要求为 r a l 6 或更高，为了保证密封效果，使用两个密封圈。为了保证电缆张力沿 轴线传递到弹簧芯轴，圆柱面d 对称中心与孔a 、b 、c 对称中心的同轴度 要求为q , 0 0 1 ，并且要求圆柱面d 对称中心与垂1 6 孔中心线的垂直度为 圣o 0 3 。螺纹孔m 8 内穿有螺栓，连接弹簧芯轴与上接头，使得电缆张力传 递到弹簧芯轴。q 1 6 孔内穿一个圆柱销，与其它组件配合保护测力弹簧，详 细介绍见壳体组件设计。螺塞2 固定电源插头，电线穿过旁路管5 与电源插 头4 焊按在一起，绝缘套3 保证插头与接头绝缘。拖拉器外壳作地线。 图3 - 2 上接头 1 一上接头2 一螺塞3 一绝缘套4 一电源抽头5 。旁路管 图3 - 3 上接头组件 f i g 3 - 3t h eu p p e r j o i n td i s c r e t e n e s s 3 2 2 测力部分结构设计 测力部分壳体在上接头与下接头之间，壳体是关键部件，主要作用为： ( 1 ) 连接上下接头：( 2 ) 保护测力弹簧；( 3 ) 与弹簧组件配合实现测力功能。图 3 4 为半圆盖结构图。考虑到装配方便，本文把外壳设计为半圆盖结构，此 部分不密封，平衡了周围液体的高压作用。在两个半圆盖截面上均铣出半圆 槽，其中一侧圆槽作旁路管通道，另一侧圆槽内放置钢丝作起定位作用。 曼! 三i 三：e 三： 三壬! ；! 三；j e 王虱 图3 _ 4 半圆盖 f i g 3 - 4h a l f s h e l l 广r