（信息与通信工程专业论文）基于振动信号分析的潜油电泵机组故障诊断的研究.pdf

捅晏 潜油电泵是目前国内外各大油田所使用的主要机械采油设备，其可靠性和高效性是 油田持续稳产高产的重要保障。潜油电泵机组为密封结构，其构成比较复杂，在运行过 程中容易出现故障，且发生的许多故障都会引起机组的剧烈振动，因此可以通过对机组 的振动信号进行分析并提取故障的相关特征，从而判断故障的类型。 本文对潜油电泵试验井井口的振动信号进行采集和分析，提取潜油电泵机组的振动 信号特征，完成了某些故障的诊断。论文完成的主要工作包括： 1 设计了一套基于u s b 7 3 6 0 采集模块和y d 系列压电传感器的振动信号采集系统， 以便对潜油电泵井井口的振动信号进行采集，并在采集系统中自行设计了电荷放大器， 从而实现了对微弱电荷信号的有效放大。 2 研究了小波分析和小波变换在振动信号分析中的应用。小波分析是时频分析的 一种，具有时频局部化的特性和多分辨分析的特点，克服了傅里叶变换不具备时频局部 分析能力的缺点。通过对潜油电泵机组的振动信号进行小波变换和频域分析，可以实现 对故障特征的提取。利用时域波形、功率谱、小波分解等多种方法对已测得的潜油电泵 机组的多组振动数据进行了分析，经过分析对比和归纳总结，得到了潜油电泵机组在叶 轮偏磨、叶轮砂堵和轴承偏磨时三种故障特征提取的有效方法。 3 对神经网络在故障诊断中的应用进行了探讨，针对潜油电泵机组故障的多态性 和多层次性，结合振动数据的轴向频域特征，建立了基于高斯。牛顿法的b p 神经网络， 通过对其训练和学习，实现了三种常见故障的有效诊断。 实验证明，对潜油电泵试验井井i ；3 的振动信号分析，从中提取相关的故障特征并建 立非线性映射模型进行故障诊断是有效可行的。本文的工作为潜油电泵机组故障诊断技 术的研究提供了有益的思路。 关键词：潜油电泵机组，故障诊断，振动检测，电荷放大器，小波分析，神经网络 r e s e a r c ho nt h ef a u l td i a g n o s i so f e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p sb a s e do na n a l y s i so fv i b r a t i o ns i g n a l s l ix i n g u a n g ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e e s o rl i ug u a n g f u s e n i o re n g i n e e ry a oc h e n g a b s t r a c t e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p ( e s p ) u n i ti st h em a i nd e v i c et oe x t r a c to i l i nt h ew o r l d p r e s e n t l y i t ss e c u r i t ya n de f f i c i e n c yi si m p o r t a n tt oe n s u r et h eh i g ha n ds t a b l ey i e l d so ft h e o i lf i e l d e s pi ss e a l e d ，t h es t r u c t u r eo fw h i c hi sr e l a t i v e l yc o m p l e x e s pg o e sw r o n ge a s i l yi n o p e r a t i o n ，a n dm a n yf a u l t so fe s pw i l ll e a dt of i e r c ev i b r a t i o n b ym e a n so fa n a l y z i n gt h e v i b r a t i o ns i g n a l so fe s pa n dc o l l e c t i n gt h ec o r r e l a t i v ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef a u l t ，t h et y p eo f s o m ef a u l t sc a nb ed e t e r m i n e dp r e l i m i n a r i l y b yg a t h e r i n ga n da n a l y z i n gt h ew e l l - 1 1 e a dv i b r a t i o ns i g n a l so fe s pt e s tw e l l s e s p s v i b r a t i o nf e a t u r ec a nb ee x t r a c t e d ，a n ds o m ef a u l t so fe s pc a nb ed i a g n o s e d t h em a i n c o n t e n to ft h et h e s i si sc o n c l u d e d ： 1 t od e t e c tt h ev i b r a t i o no fe s p , av i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c hi sb a s e d o nu s b 7 3 6 0 a f ( d i g i t a la c q u i s i t i o nm o d u l e ) a n dp i e z o e l e c t r i ca c c e l e r a t i o ns e n s o r , i sd e v i s e d t oc o l l e c tt h ee s p sw e l l h e a dv i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a l s t h ep a r t i c u l a rc h a r g ea m p l i f i e r i sd e s i g n e di n d e p e n d e n t l y , w i t hw h i c ht h ew e a kc h a r g es i g n a lc a nb ea m p l i f i e de f f i c i e n t l y 2 m a k ear e s e a r c ho nt h ew a v e l e ta n a l y s i st h e o r ya n dw a v e l e tt r a n s f o r mi nt h ev i b r a t i o n s i g n a lp r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n s w a v e l e ta n a l y s i si sak i n do ft h et i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s ， w h i c hi sp r o v i d e dw i t ht h ep r o p e r t yo ft h et i m e f r e q u e n c yl o c a l i z a t i o n ，h a st h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h em u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i sa n do v e r c o m e st h el i m i t a t i o n so ff o u r i e rt r a n s f o r mw h i c hi s l a c k i n gi nt h et i m e f r e q u e n c yl o c a la n a l y s i sa b i l i t y t h r o u g ht h ew a v e l e tt r a n s f o r ma n dt h e 行e q u e n c y d o m a i na n a l y s i so ft h ee s p sv i b r a t i o ns i g n a l s ，t h ef a u l tt r a i t sc a nb ee x t r a c t e d m a n yg r o u p so fd e t e c t e dv i b r a t i o ns i g n a l sa r ea n a l y z e di nm a n ym a n n e r s ，i n c l u d i n gt h e t i m e d o m a i na n a l y s i s ，t h ew a v e l e ta n a l y s i sa n dt h ef r e q u e n c y d o m a i na n a l y s i s ，t h e r e b y , t h e e f f e c t i v em e t h o do fe x t r a c t i n gt h ef e a t u r e si sr e c e i v e da b o u tt h ei m p e l l e re c c e n t r i cw e a r , t h e i m p e l l e rt i ps c r e e n o u ta n dt h eb e a r i n ge c c e n t r i cw e a rb yc o m p a r i s o na n dc o n t r a s t 3 h a v ear e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no ft h en e u r a ln e t w o r ki nt h ef a u l td i a g n o s i s d i r e c t e dt ot h ep o l y m o r p h i s ma n dt h em u l t i l e v e lo ft h ee s p sf a u l t ，t h eb a c k p r o p a g a t i o n n e u r a ln e t w o r ki sc r e a t e do nt h eb a s i so ft h eg a u s s i a n n e w t o nm e t h o d b yt r a i n i n ga n d s t u d y i n gt h ed e s i g n e dn e u r a ln e t w o r k ，t h r e ek i n d so fo r d i n a r yf a u l t sa r ed i a g n o s e de f f e c t i v e l y i nc o n c l u s i o n ，i ti sf e a s i b l ea n de f f e c t i v et oe x t r a c tf a u l tf e a t u r eo fe s p , b ya n a l y z i n gt h e v i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a l so fe s p sw e l l h e a d ，e x t r a c t i n gt h ef a u l tf e a t u r e sa n db u i l d i n g n o n l i n e a rm o d e lt oc a r r yo u tf a u l td i a g n o s i s a n dt h ew o r ko ft h ep a p e rp r o v i d e st h eh e l p f u l t h i n k i n gf o rt h ef a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g yo fe s e k e yw o r d s ：e l e c t r i cs u b m e r s i b l ep u m p ( e s p ) ，f a u l td i a g n o s i s ，v i b r a t i o nd e t e c t i o n ， c h a r g ea m p l i f i e r , w a v e l e ta n a l y s i s ，n e u r a ln e t w o r k 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：查堑世 日期：勿p 年6 月5 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：耋堑垂 指导教师签名： 芦睁 日期：厶o 年月5 日 日期：弘l i 口年善月，e t 中困白油人学( 华东) 硕= i = 学位论文 1 1 课题的研究意义 第1 章绪论 随着经济的发展和科技的进步，现代生产中的能耗越来越严重，石油作为国民生产 中的一种重要能源，其消耗也越来越大。石油是一种不可再生资源，伴随着消耗量的不 断增加，石油的储量越来越少，主要表现在已开采油田中原油的含水量越来越高，这使 得抽油的成本越来越高，因此，如何提高抽油效率和降低抽油成本变得越来越重要。 现代油田中所使用的抽油设备主要有磕头机、高原抽油机、螺杆泵和潜油电泵，它 们都属于机械采油方法，在油田开采的不同时期发挥着不同的作用。目前，在油田上应 用最为广泛的机械采油设备是潜油电泵，随着原油中含水量的日益增加，潜油电泵以其 独特的性能和超高的效率发挥着越来越重要的作用。潜油电泵是一种在井下工作的机械 采油设备，为抽取地下数千米深处的原油，潜油电泵的结构被设计得极其复杂，由于井 下液体的高温高压性和腐蚀性使得潜油电泵机组的工作环境及其恶劣，因此，潜油电泵 在运行过程中发生故障的概率较高，机组发生故障时，轻则导致停产，重则导致机组落 井的重大事故，带来严重的经济损失和人员伤亡。因此，时刻监视潜油电泵机组的运行 状态以对机组的运行状况做出有效判断至关重要【l 】。 胜利采油厂对近几年一些故障电泵井的调查研究表明，电泵井的许多故障，如叶轮 偏磨、叶轮砂堵、轴承偏磨等常见故障都会引起机组的剧烈振动，而振动过大往往是引 发机组其他故障的重要根源【2 】，强烈的振动会使机组的使用寿命大大降低。从胜旺泵业 拆泵现场获得的资料来看，电泵井停产的主要原因是潜油电泵叶轮和导轮的磨损以及潜 油电机轴承的偏磨或磨断，而电泵部件、电机轴承的损坏往往是由于机组在运行过程中 振动过大而引起的【3 1 。 经研究调查表明，造成机组不正常运转的故障往往不是单一的，而是几种部件的多 故障的组合，这和潜油电泵机组的工作情况有关，某一部件的损坏直接影响着其他部件 的工作情况，机组的某一故障易引起其它部件的故障，各个部件的各种故障交织在一起， 因此，潜油电泵机组的故障诊断是一个多故障识别的问题 3 1 。 机组的振动状态在一定程度上反映了机组各个部件的真实运行状况。因此，开展潜 油电泵机组振动检测及故障诊断方法研究，并开发出相应的检测及诊断系统具有非常重 要的意义【4 1 。 第l 章绪论 1 2 电潜泵机组简介 潜油电泵机组是现代油f f l 开发的重要采油设备，其原理类似于离心抽水泵，只是其 外形更为特殊和结构更为复杂，潜油电泵机组的结构【5 1 如图1 1 ，从整体上看机组是细 长型结构。在机组正常工作时，整个机组都浸入到井液中，通过油管挂在井口，通过电 泵井附近的专用控制柜对机组进行一系列的操作。 芎i 动力电缜一一 潜油一 l 、单漉一 泵出口 潜油膏 l 油气分 、电机保 l 图1 - 1 潜油电泵机组结构图 f i g1 - 1t h es t r u c t u r eo ft h es u b m e r s i b l ep u m pu n i t s 潜油电机把潜油电缆输送到电泵井下的电能转化为机械能，从而驱动潜油离心泵抽 取地下的原油【6 】。地面电流通过控制柜经潜油电缆送到井下，从而驱动潜油电机旋转， 潜油电机与潜油电泵同轴相连，因此电机会带动潜油电泵做同轴同速旋转，把电能转化 为机械能，潜油泵的高速旋转又把机械能转化为液体的势能，从而把原油抽送到地面【7 1 。 井下的原油属于三相流【8 】，有时会含有大量的气体成分，当气体含量达到一定比例 时，会影响机组的正常运转，严重时会造成机组的损坏，因此，在潜油电机和潜油电泵 之间加了油气分离器，油气分离器的作用是分离出原油中的气体成分，将固液两相流举 升到地面。 潜油电泵的主要构件是叶轮和导轮，叶轮是固定的，主要用来提供空间；导轮是转 动的，主要用来传导液体1 9 】。 在整个机组的最下方是扶正器，在机组的运行过程中，扶正器起着非常重要的作用， 2 它主要是用来保证机组的各个旋转部件同轴旋转。当扶正器出现异常时会严重影响 机组的运行状态，叶轮偏磨和轴承偏磨等故障都与扶f 器的运行状念有密切关系。图 1 - 2 为偏磨过的泵轴，圈1 - 3 为偏鳝过的潜油电泵叶轮及导轮。 圈i - 2 偏磨的泵轴 f i 9 1 - 2 t h ep u m ps h a f to f t h ee c c e n t r i c w e a r ( a ) 偏磨过的叶轮偏磨过的导轮 图o o 偏磨过的潜油电泵叶轮及导轮 f i 9 1 - 3 t h e i m p e l l e ra n d t h e g u i d e w h e e lo f t h ee c c e n t r i c w e a r 13 课题研究现状 1 3 1 潜油电泵机组故障诊断的研究现状 由于潜油电泵机组的特殊结构和其恶劣的工作环境，使得机组的运行状态呈现出明 显的不确定性，排除安装时的不确定因素，即使完全相同的机组在不同工况的油井中运 行时，有效运行的时间会差别很大，出现的故障也多种多样。机组在运转过程中出现异 常时会对正常生产造成不| 司程度的影响，轻则导致经济效益下降，重则导致机组落井的 3 第1 章绪论 重大事故，从而使整口井陷入瘫痪状态，造成严重的经济损失。因此，准确快速地掌握 机组的实际运行状态至关重要，很多部门从不同方面对机组的运行状态展开了研究。 由于潜油电泵机组结构的复杂性和工作环境的特殊性，使得直接对其状态进行研究 和判断变得极其困难。早期的大多数研究方法是通过对机组的运行电参数进行分析以判 断机组的实际运行状况，该方法现在仍被采用，在机组控制柜中广泛使用的电流卡片就 是通过电参数( 电流) 来判断机组运行状态的典型应用。在电流卡片上会以电流的形式 描述机组在2 4 小时的运行状态，该方法的实现相对简单，现场人员也比较容易掌握， 但是效果却并不理想，存在着严重的滞后性，而且当机组出现异常时也无法判断机组故 障的种类以及故障发生的具体原因。 随着油田中电泵井的数量越来越多，许多油田已经把潜油电泵机组的状态检测作为 考核生产能力的一项重要指标，随着电泵井故障率的不断提高，有些油田甚至把机组的 故障诊断提高到了战略高度。很多油田对潜油电泵机组的运行状态和故障原因进行了研 究分析。 曾在大庆油田进行考察的t h o r s e no l a vv a a g 和m a g n u sd a l v a 教授【l l 】对大庆油田中 使用的已出故障的潜油电泵进行了调查研究，发现在所有己发故障形式中，电泵的叶轮 偏磨和轴承偏磨最为严重，分别占总故障发生次数的2 2 和3 0 ，这两种故障的发生 都与机组的振动强度加大有密切关系。 据调查，胜利油f f l 在近几年所有停机检泵作业中发生的故障【l2 1 ，因潜油电泵机组故 障进行检修的次数占总检修量的三分之二，机组平均检修率为四分之一，在机组检修次 数中，发现多数原因都与机组的强烈振动密切相关。 因此，机组的振动状态与机组的实际运行状态有密切关系，通过对机组的振动信号 进行分析，可以获取反映机组实际运行状态的重要特征信息1 1 3 】。 1 3 2 振动测试在旋转机械设备故障诊断中的研究现状 机械故障诊断技术( m e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i s ) 在2 0 世纪中期源于西方国家，主 要是指在生产过程中监视机械设备的运行状态，当设备出现异常时及时采取措施，避免 重大事故造成经济损失【1 3 】。机械故障诊断技术在发展初期受到了许多人的质疑，伴随着 其带来的社会效益和经济效益，机械故障诊断技术受到越来越多的重视【m 】。 机械故障诊断技术是利用机械设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，通过对 所测得的振动信号进行分析处理，并结合诊断对象的历史状态，从而对设备运行的实际 4 中困石油火学( 华东) 硕i ：学位论文 情况做出实施维护决策技术【15 1 。 机械设备故障诊断的基本内容包括机械设备运行状态的监测、运行状态的故障预报 和故障类型、程度、部位、原因等三方面【1 6 】。故障诊断的系统原理如图1 4 。 l 设备运行h 特征信- - 可r - th 信息处理h 故障征兆h 故障诊断 1 管理决策1 图l 一4 故障诊断的系统结构图 f i g1 - 4t h es y s t e ms t r u c t u r eo ft h ef a u l td i a g n o s i s 机械设备在运转过程中会产生不同程度的振动，振动的特征和设备的运行状态有着 密切联系，有些振动特征表明设备在正常运转，而有些振动特征则表明设备的运转偏离 了正常运行状态，出现了不同程度的故障。设备在出现故障时所表现出的异常振动是对 机械设备进行故障诊断的重要依据，关键是要采取合适的方法对异常振动进行采集和分 析以获取异常振动的主要特征，这就需要对振动信号进行有效采集和分析以获取振动信 号的重要特征，从而对设备的实际运行状态做出有效识别。 伴随数据采集技术的飞速发展，特别是u s b 采集技术的迅猛发展，u s b 采集模块 的现场应用使得大批量数据的采集变得更为便捷。u s b 7 3 6 0 系列多功能数据采集模块 适用于提供了u s b 接口的p c 系列微机，具有真正的热插拔、即插即用( p n p ) 功能， 与笔记本电脑配合使用，为采油井井口的便携式数据采集提供了方便。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题是应油田生产现场的实际需求而提出的。通过设计振动数据采集系统在试验 井采集振动信号，分析潜油电泵井井底传上的振动信号与机组实际运行状态之间的关 系，进而将获得的结果推广应用到生产现场广泛使用的潜油电泵井中。该论文的主要研 究工作有： ( 1 ) 在第1 章的内容中，首先论述了课题的研究意义，然后简单介绍了潜油电泵 机组的构造，最后探讨了课题的目前研究现状； ( 2 ) 在第2 章的内容中，主要研究了压电传感器在潜油电泵机组振动检测中的应 5 第1 章绪论 用，自行研制了基于u s b 7 3 6 0 采集模块和压电传感器相结合的振动信号采集系统，本 章对该系统的软硬件设计进行了阐述； ( 3 ) 在第3 章的内容中，先介绍了小波方面的相关理论和小波变换在振动数据处 理中的应用；然后对在试验井采集的潜油电泵机组的振动数据进行分析比较，阐述了小 波变换与频域分析相结合的特征提取方法，并将该方法用于潜油电泵机组的叶轮偏磨、 叶轮砂堵和轴承偏磨三种故障状态的特征提取； ( 4 ) 第4 章“b p 神经网络在潜油电泵机组故障诊断中的应用 ，对神经网络进行 了探讨，首先介绍了人工神经网络的基本理论：其次简要介绍了b p 神经网络以及b p 神经网络在潜油电泵机组故障诊断中的应用现状，并结合本课题的实际情况，利用b p 网络建立了非线性映射模型，实现了对三类常见故障的诊断； ( 5 ) 第5 章“振动测试系统在生产现场的应用 ，首先介绍了本文研制的振动测试 系统在现场使用时的注意事项；然后用该系统对生产现场的电泵井进行了振动采集和分 析，验证了电泵井的真实运行状态。 ( 6 ) 最后对本文进行了总结与展望。 6 中国石油人学( 华东) 硕l ：学位论文 第2 章潜油电泵机组振动测试系统的设计 潜油电泵机组在运行过程中，其振动通过油管传到井口，由于现场噪声的影响，振 幅呈现出逐渐减小的趋势，但是其振动频率保持不变闱，通过测量井1 ：3 的振动信号并进 行分析，可以提取机组振动的相关特征，从而对机组的实际运行状态做出行之有效的识 别和判断。因此，设计一套可靠的便携式振动信号采集系统，以便积累原始数据来研究 潜油电泵机组的振动特征是有效可行的。 2 1 系统的整体设计 为了实现对潜油电泵机组故障进行实时快速的诊断，振动检测系统的数据采集部分 选用了北京中泰研创的u s b 工业采集模块。为了方便对微弱的三路压电信号进行放大， 自行设计了三路电荷放大器。图2 1 为系统的结构简图，图2 - 2 为利用该测试系统在井 口进行振动数据采集的现场照片。 图2 - 1 系统结构简图 f i g2 - 1t h es i m p l es t r u c t u r eo f t h es y s t e m 2 2 振动测试的硬件电路设计 旋转机械设备的振动是一种动态信号，通过对设备进行振动测试可以获得相应的位 移、速度、加速度等振动信号，通过对振动信号进行分析处理可以获得描述设备振动状 态的特征参数，如振动的幅值、频率等1 7 1 。测量振动的传感器的作用是把被测量对象的 机械振动量( 位移、速度、加速度) 在所要求的范围内正确地接收下来，并把这些机械 量转化为电量输出。 与位移、速度和加速度相对应，振动传感器主要有位移传感器、速度传感器和加速 度传感器三种。在振动测试时，不论是位移、速度还是加速度，它们之间不是相互独立 7 镕2 潜油i u 机日振自日乐绒的& 的，三者之问是微分的关系，而且它们都是空间矢量，在各个时刻不仅大小不同，方向 也不一样。振动传感器也有一维、二维和三维之分i ”1 。 由于位移、速度、加速度三者之间是微分的关系，因此只需要对加速度进行有效测 量，即可获得相应的速度和位移，所以常用加速度来表征旋转机械设备的振动特性所 以又把测振传感器称为测振加速度计。 图2 - 2 振动信号检测现场 f i g2 - 2 t h es p o to f t h ev i b 朋t i o nd e t e c t i o n 221 常用测振传感器简介 常用的测振传感器按工作原理主要分为电容式和压电式两种。 电容式传感器在测振领域中得到了广泛的应用，一个无限大平行板电容器的电容值 可表示为： c ：竺( 2 1 ) d 是常数，s 为平行扳间介质的介电常数，d 为极板的间距，s 为极板的覆盖面积 嘲。 改变式( 2 - 1 ) 中的某个参数即可改变电容量，由于结构简单，极板间的距离d 比较容 易改变，几乎所有的电容式传感器都采用改变间隙的方法来获得可变电容。电容式传感 中国白油大学( 华东) 硕。i j 学位论文 器的初始电容值比较小，通常为几十p f ，它极易受到导线电容和电路分布电容的影响， 因而此必须采用先进的电子线路才能检测出电容的微弱变化。现在工程测量中普遍使用 的电容式传感器多采用m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，微机电系统) 工艺在一 块芯片上集成所有的功能，如飞思卡尔公司生产的m m a 7 2 6 0 传感器就是利用m e m s 工艺制成的三维电容式加速度计，利用该传感器可以直接获得反映振动状况的加速度 值，最高灵敏度范围是一1 5 9 至t j + 1 5 9 ，使用起来非常方便。电容式传感器通常用于近距 离、大幅度的振动测量，而对远距离、微弱的振动进行测量时效果往往并不理想。 压电式传感器主要是利用晶体的压电效应原理制成的【2 0 】。晶体是各向异性的，非晶 体是各向同性的，当某些晶体介质沿着一定方向受到机械力作用而发生变形时，在晶体 的两侧会感应出电荷，这就是所谓的压电效应【2 0 1 。压电传感器是最适合于动态测量的一 类传感器，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保 存。压电传感器主要用在加速度和力的测量中，压电式加速度传感器是一类常用的加速 度计，具有灵敏度高、工作频带宽、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，常用于恶 劣环境下的振动测量和冲击测量。压电加速度传感器相当于一个电荷源和一只电容器， 其等效电路如图2 3 。因为心寸o o ，则电压灵敏度为 鼠= 丽s q ( 2 2 ) 式中：c 为电缆电容；e 为传感器本身电容。单位是：聊1 ，m s 。 q r a _ l t e c l 侍藏器申兰荣 图2 - 3 压电传感器的等效原理图 f i g2 - 3t h es c h e m a t i cs t r u c t u r eo ft h ep i z e o e l e c t r i ct r a n s d u c e r 随着现代科学技术的飞速发展，从诸如核爆试验、宇航工程等国防尖端技术领域到 机械、船舶、石油、发电、地震等监测部门，都对振动计量与振动测试技术提出了越来 越高的要求，y d 系列的压电加速度传感器就是为适应这种要求而设计产生的。y d 9 第2 章潜油l 乜泉机纽振动测试系统的设计 系列压电加速度传感器的工作原理是通过压电元件在一定条件下受力后产生的电荷量 与作用力成正比，压电加速度传感器内装晶体元件的二阶压电张量是一定的，敏感质量 也是一常量，因此，压电加速度传感器产生的电荷量与振动加速度a 成正比，这就是压 电加速度传感器完成机电转换的原理。 y d 系列压电加速度传感器可以满足从0 0 0 0 1m s 2 到1 0 6m s 之的动态量程范围和从 0 1 h z 到4 0 k h z 的频率范围内振动与冲击测量试验的使用要求【2 1 1 。在本文中选用三个单 维的y d 8 系列压电加速度传感器，该型号传感器的电荷灵敏度为o 1 5 珈4 p c m s ， 电压灵敏度为0 4 一1 om v m s ，频率范围是2 h z 一18 k h z ，很好地满足了该试验和生 产现场的测振要求。 在本次试验中，为了比较y d 系列压电式传感器和m m a 7 2 6 0 电容式传感器的测振 特性，同时使用两种传感器进行振动测量，并利用m m a 7 2 6 0 传感器已知加速度的特性 对压电传感器进行校正。经过试验进一步表明，m m a 7 2 6 0 传感器更适合于近距离、强 度大的振动测量；而y d 系列的压电传感器则对于远距离、微弱的振动测量更为有效。 在本文中，选用y d 系列的压电传感器进行振动测量，这是因为本文需要在井口测量由 井底传上来的衰减后的振动信号。 2 2 2 电荷放大器简介 压电效应是压电传感器的主要工作原n _ t 2 0 1 ，压电传感器是把实际的物理信号转化成 微弱的电荷信号，物理信号就是实际被测的机械量，如加速度单位g ，也就是电荷放大 器单位中的u n i t 2 2 1 。通过压电加速度计将机械量u n i t 转换成线性关系的电荷量p c ， 电荷放大器的作用就是把p c 电荷变成线性的电压信号。 电荷放大器主要由电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放和电 源几部分组成 2 2 】。电荷放大器通常配接压电传感器，其作用是将机械量转化为与其成正 比的微弱电荷q ，而输出阻抗砌极高【2 3 】。 电荷变换级是将电荷变换为与其成正比的电压，将高输出阻抗转化为低输出阻抗， 电荷变换级通常采用高输入阻抗、低噪声、低漂移、高宽带的精密运算放大器，在本文 1 自行设计的电荷放大器中采用a d 5 4 9 实现电荷转换；在适调级，反馈电容l l i 通常有 1 0 1 p f 、1 0 2 p f 、1 0 3 p f 和1 0 4 p f 四类。根据米勒定理【2 1 1 ，反馈电容折合到输入端的有效 1 0 中国石油犬学( 华东) 硕士学位论文 电容量是c = ( 1 + k ) c j ；，k 通常取开坏增益的典型值，也就是1 2 0 d b ，且i 1 0 6 倍。巳取 最小值l o o p f 时，c 约为1 0 8 p f 。电荷变换级的输出电压是q 巳，所以当反馈电容分 别为1 0 1 p f 、1 0 2 p f 、1 0 3 p f 、1 0 4 p f 时，其输出分别为1 0 m y p c 、l m v p c 、0 1 m v p c 、 o 0 1 m y p c 。 2 2 3 电荷放大器设计 本文选用的压电传感器为y d 8 系列加速度传感器，这类传感器具有工作频带宽、 体积小、重量轻、寿命长、安装方便、不易损坏等优点，是振动测试领域中应用最广泛 的传感器之一【2 。但是这类传感器必须配有电荷放大器才能满足应用要求，虽然厂家也 提供电荷放大器，但是价格昂贵，而且其适用范围有限，不易根据实际需求进行调整， 性价比也很不理想。因此，在本文中，根据实际应用要求自行设计了专用的三路电荷放 大器，可以根据振动的强弱程度对电荷放大器的放大能力进行调整，既大大降低了成本， 又很好地满足了测量的实际需求。 设计电荷放大器的关键是选择合适的运算放大器以及设计相应的配套电路，本文选 择了具有超低输入偏置电流的运算放大器a d 5 4 9 。a d 5 4 9 是具有极低输入偏置电流( 最 大2 5 0 f a ) 的单片电路静电计型运算放大器，为了达到高精度的目的，输入偏置电压 和输入偏置电压漂移均通过激光器调节【2 4 1 。这种极低输入偏置电流，1 1 7 工4 e 月匕5 由a d i 公司专 有的t o p g a t e 工艺技术完成，输入级具有1 0 1 5 q 的共模阻抗，其输入电流与共模电压无关。 n c v 图2 - 4 a d 5 4 9 的管脚图 f i g2 - 4t h ep i ns t r u c t u r eo f t h ea d 5 4 9 a d 5 4 9 适合于低输入电流和低输入偏置电压的场合，它特别适用于制作电荷放大 器。a d 5 4 9 用t o p 9 9 密封技术封装，金属外壳与8 管脚相连，使得金属外壳与同样 电压的输入终端独立连接，达到降低外壳泄漏的目的。用通过输入电压偏置的金属导体 第2 章潜油也泵机组振动测试系统的设计 包围输入线有两个好处：一是由于金属导体和输入线之间的电压很小，因此信号线的寄 生漏电q t 曼d , ；二是输入点的分布电容减小【2 4 】。a d 5 4 9 的引脚图如图2 4 。 在实际应用时，很多原因会产生伪电流，从而降低电流测量的精度，因此现场测量 时应采取屏蔽措施。理论上，在放大器信号和电源线之间应有大于1 0 陌q 的绝缘阻抗， 以获得低输入电流，然而标准的p c b 材料一般不具备如此高韵绝缘阻抗，因此输入线 应该与具有足够大电阻系数的绝缘材料相连。为保持其电阻系数，绝缘体的表面应保持 干燥、清洁。 图2 5 是单路电荷放大器的原理图。压电传感器把实测的物理信号转化为微弱的电 荷量q ，电荷q 在电容c l 两端积聚，会在a d 5 4 9 的输出端获得一个电压值，在没有电 阻r 的情况下，由于电容c l 没有放电回路，在输出端会得到一个等幅振荡，因此需要 加一个电阻蜀用来把电容c i 两端的电荷逐渐放掉。感应出的电荷在变化之前，电容c 1 两 端的电荷量维持不变，电容乙i 两端暂时不变的电荷量会在a d 5 4 9 的输出端产生一个微 弱的电压信号，该电压信号可以根据相关的参数值获得，通常是几十m v 级的电压信号。 这个微弱的电压信号很难被数据采集模块直接采集到，因此需要后续的放大处理。在本 课题中，用o p 0 7 对a d 5 4 9 输出的微弱电压信号进行放大，然后进入数据采集环节。 c 1 图2 - 5 单路电荷放大的原理图 f i g2 - 5t h es c h e m a t i cs t r u c t u r eo ft h es i n g l ec h a r g ea m p l i f i e r 在图2 5 中，电阻蜀的取值越大越好，这是因为电阻蜀和电容g 构成充放电的电 1 2 中国石油大学( 华东) 硕i ：学位论文 厂： ! 路，充放电的时间常数f2 蜀c l ，对应于f 的频率。2 万蜀c l ，如果蜀取值不够大，会 导致频率过大，也就是电容c l 两端的电压变化过快，使得频率厂高于电荷q 变化的 频率，从而会导致采集数据中频率成分的丢失。在本文中，取蜀= 1 0 9 q ，c i = l o o p f ， 因此可以计算出电路的时间常数r = 1 0 9x 1 0 0 x 1 0 2 = 0 0 1 s ，对应于f 的频率 厂： ! = 1 5 9 2 h z 。 2 n x 0 o l ， 因此，我们可以获得所有高于1 5 9 2 h z 的频率成分，该频率 也在y d - 8 系列压电加速度传感器所要求的频率范围2 18 h z 内。 2 3 数据采集部分的设计 数据采集部分是整个系统设计的重要组成部分，在进行数据采集的过程中，我们既 要尽可能多地采集数据，同时又要保持一定的采样频率。采样频率过低，可能会漏掉高 频成分，从而丢失数据的重要特征信息；而采样频率过高时，又会降低分辨率，这会对 些特征量的分析带来更大误差。例如，当分辨率过低时，我们根据采集的数据来推算 电机转速时会有较大的误差。在本课题中，我们选用了u s b 7 3 6 0 a f 采集模块进行数据 采集，既可以提供我们所需要的采样频率，又能满足高分辨率的要求。 2 3 1u s b 7 3 6 0 模块的简介 u s b 7 3 6 0 系列多功能数据采集模块适用于提供了u s b 接口的p c 系列微机，具有 真正的热插拔、即插即用( p n p ) 功能。其操作系统可选用目前比较流行的w i n d o w s 系 列、高稳定性的u n i x 操作系统以及专业数据采集分析系统l a b v i e w l a b w i n d o w s c v i 等软件环境【2 5 1 。在硬件的安装上非常简单，在使用时只需将u s b 7 3 6 0 的u s b 接口插入 计算机内任何一个u s b 接口插座中，其模入、模出、i o 信号、脉冲输入及脉冲输出 信号均由模块上的双排针插头与外部信号源及设备连接。 模入部分，用户可根据实际需要选择单端或双端输入方式，单通道输入时有4 8 路， 双通道输入时有2 4 路，且在双通道输入时采用差分输入方式，极大的增强了信道的抗 干扰能力。其a d 转换启动方式可以选用程控频率触发。a f d 转换后的数据结果通过 先进先出存储器( f i f o ) 缓存后由u s b 总线读出【2 6 1 。 模出部分，用户可根据控制对象的实际需要选择不同的量程。 1 3 第2 章潜油电泉机组振动测试系统的设计 开关量部分，本模块有1 6 路数字量输入和1 6 路数字量输出接口，光隔离1 6 路输 出可配接p s 0 0 2 继电器板。 计数部分，本模块有3 路1 6 位字长的计数器。 在本文中，仅使用u s b 7 3 6 0 a f 模块的模入部分，且在输入部分采用单端输入的方 式，直接将电荷放大器的三路输出接入u s b 7 3 6 0 a f 模块的0 、l 、2 三通道。u s b 7 3 6 0 a f 模块拥有1 2 位的a d 转换器，其最高采样频率为5 0 0 k h z ，而且采样频率可以程控触发， 根据实际应用要求可以把采样频率分别设定为1 k h z 、1 0k h z 、2 5k h z 、5 0k h z 、1 0 0 k h z 、2 5 0k h z 和5 0 0k h z ；输入信号的范围可以分别设定为旺5 v 、5 一+ 5 v 以及 旺1 0 v 【2 5 】；在本文中，将输入信号的范围设定为卜5 v 。u s b 7 3 6 0 a f 模块的这些特性 很好地满足了本实验的要求，可以使我们在采集足够多数据的前提下选择合适的采样频 率以保证高分辨率。主要可调整元件位置接插件见图2 6 。 图2 - 6 主要可调整元件位置图 f i g2 - 6t h ep o s i t i o no ft h em a i na d j u s t a b l ec o m p o n e n t s 2 3 2u s b 7 3 6 0 模块的参数设定 根据实际情况，需要对模块的相关参数进行设定以满足应用要求，在本课题中主要 使用该模块的模入部分的前三个单端通道，将图2 - 6 中的j p 2 插座上方的两个管脚和下 方的两个管脚分别用跳线连在一起，即可把模块设定为单端输入方式，如图2 - 7 ( a ) ，在 这里我