一種非旋轉中心安裝式角位移測量傳感器及測量方法
【專利摘要】一種非旋轉中心安裝式角位移傳感器及測量方法，該傳感器包括雙加速度傳感單元式傳感器、A/D轉換模塊和微處理器，雙加速度傳感單元式傳感器利用電阻式應變片組成的橋式電路感應到的處于不同水平高度的加速度傳感單元各自的重力加速度和切向加速度的分量大小變化，依次通過A/D轉換模塊和微處理器的計算處理，得到被測量件的傾角值，并通過信號轉換接口輸送到上位機顯示；該傳感器克服了傳統角位移傳感器需要安裝在旋轉中心的缺點，通過簡單算法消除了安裝在非旋轉中心處所造成的切向加速度的影響；雙加速度傳感單元式傳感器具有靈敏度高和測量精度高的優點；微處理器通過對采集的信號進行數學運算處理，運算簡單方便；采用信號轉換接口，可接入其他的設備來配合工作，擴展性好。
【專利說明】
一種非旋轉中心安裝式角位移測量傳感器及測量方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種傳感器，具體涉及一種非旋轉中心安裝式角位移傳感器及測量方 法。
【背景技術】
[0002] 角位移測量傳感器是工業現場測量和試驗技術中被廣泛使用的傳感器，通常它要 求安裝在被測結構旋轉中心處以消除法向加速度、切向加速度的影響。對于油田大量使用 的游梁式抽油機，常通過角位移測量實現光桿位移離的測量。然而，油田工作環境的特殊性 和龐大的數量造成了該方法存在以下難點：1、由于油田作業環境安全性要求，不允許對被 測機構打孔安裝傳感器，難以實現將傳感器安裝在旋轉中心的目的；2、陀螺儀價格相對于 加速度傳感器價格高出許多，極大地提高了角位移測量傳感器的成本。世界各國的油田在 利用角位移測量實現游梁式抽油機光桿位移測量的過程中都面臨以上兩個問題。
[0003] 目前，我國有數十萬臺游梁式抽油機，均需要對其光桿位移進行測量，甚至需要連 續監測，以獲取油機工況等信息，是實現高效采油和油井信息化監控的必要措施。但傳統的 通過角位移測量實現光桿位移測量的方式有著無法在旋轉中心安裝、成本過高等問題。
【發明內容】
[0004] 為了解決上述現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種非旋轉中心安裝 式角位移傳感器及測量方法，該傳感器無需安裝在被測量件的旋轉中心處，僅需通過簡單 的計算處理就可以消除非旋轉中心處安裝帶來的切向加速度影響，成本低廉且能夠保證測 量精度。
[0005] 為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0006] -種非旋轉中心安裝式角位移傳感器，包括雙加速度傳感單元式傳感器2，雙加速 度傳感單元式傳感器2的第一模擬電壓輸出口 7和第二模擬電壓輸出口 8分別和A/D轉換模 塊3的第一輸入端9和第二輸入端10相連接，A/D轉換模塊3的時鐘輸入端口 12和微處理器4 的時鐘線輸入輸出I/O端口 14相連接，A/D轉換模塊3的數據線通信端口 11和微處理器4的數 據線輸入輸出I/O端口 13相連接，微處理器4的發送輸出端口 15和信號轉換接口 5的接收輸 入端口 17相連接，微處理器4的接收輸入端口 16和信號轉換接口 5的發送輸出端口 18相連 接，信號轉換接口 5的發送輸出端口 19和上位機6的接收輸入端口 21相連接，信號轉換接口 5 的接收輸入端口 20和上位機6的發送輸出端口 22相連接;雙加速度傳感單元式傳感器2、A/D 轉換模塊3、微處理器4、以及信號轉換接口 5的電源輸入端和電源模塊1相連接;所述雙加速 度傳感單元式傳感器2包括水平設置并分別位于不同高度的第一加速度傳感單元23和第二 加速度傳感單元24。
[0007] 所述的第一加速度傳感單元23上布置有第一電阻式應變片R1、第二電阻式應變片 R2、第三電阻式應變片R3和第四電阻式應變片R4,并通過電連接組成第一橋式電路，第一橋 式電路連接第一電壓跟隨器25的正負輸入端，測量的加速度信號通過第一電壓跟隨器25， 第一電壓跟隨器25的輸出端即雙加速度傳感單元式傳感器2的第一模擬電壓輸出口 7與A/D 轉換模塊3的第一輸入端9相連接;所述第二加速度傳感單元24上布置有第五電阻式應變片 R5、第六電阻式應變片R6、第七電阻式應變片R7和第八電阻式應變片R8,并通過電連接組成 第二橋式電路，第二橋式電路連接第二電壓跟隨器26的正負輸入端，測量的加速度信號通 過第二電壓跟隨器26,第二電壓跟隨器26的輸出端即雙加速度傳感單元式傳感器2的第二 模擬電壓輸出口 8與A/D轉換模塊3的第二輸入端10相連接。
[0008] 上述所述一種非旋轉中心安裝式角位移傳感器的測量方法，將所述非旋轉中心安 裝式角位移傳感器固定安置于被測量件上，安裝位置不要求為被測量件的旋轉中心;接通 電源模塊1，通電啟動雙加速度傳感單元式傳感器2、A/D轉換模塊3、微處理器4以及信號轉 換接口 5,當被測量件發生角度傾斜時，由于該非旋轉中心處安裝式角位移測量傳感器被固 定安置在被測量件的非旋轉中心處，雙加速度傳感單元式傳感器2中兩個加速度傳感單元 與被測量件的旋轉中心存在差值，它們各自感應地球重力加速度軸上的分量大小和切向加 速度大小，并通過各自所在的橋式電路將加速度模擬電壓信號通過雙加速度傳感單元式傳 感器2的第一模擬電壓輸出端口7和第二模擬電壓輸出口8分別輸送到A/D轉換模塊3的第一 輸入端9和第二輸入端10，A/D轉換模塊3將發送來的兩路加速度模擬信號進行高分辨率采 樣后，通過微處理器4操縱時鐘線輸入輸出I/O端口 14向A/D轉換模塊3的時鐘輸入端口 12發 出的時序控制指令，將高分辨率采樣結果根據微處理器4時序控制指令來定時經A/D轉換模 塊3的數據線通信端口 11發送至微處理器4的數據線輸入輸出I/O端口 13，微處理器4計算實 際的傾斜角位移值，微處理器4將實際的傾斜角度值通過信號轉換接口 5輸送到上位機6顯 示，上位機6也通過信號轉換接口 5可對微處理器4的輸出頻率進行設置以及對傳感器角位 移的角度標定；
[0009] 所述微處理器4計算實際的傾斜角位移值的方法如下：
[0010] 將所述非旋轉中心安裝式角位移測量傳感器固定安置于被測量件上，安裝位置不 要求為被測量件的旋轉中心；由于安裝位置不要求為被測量件的旋轉中心處，雙加速度傳 感單元式傳感器中兩個加速度傳感單元與被測量件的旋轉中心的距離存在差值;高度不同 的第一加速度傳感單元23和第二加速度傳感單元24,測得的加速度為各自的重力加速度和 切向加速度，即31 = 311+3〇1，32 = 312+3(32，考慮到兩加速度傳感單元相對于水平線的傾斜角 度相同，有aei = a〇2,且切向加速度表達式為ai = ftr，其中，0為角加速度，r為旋轉半徑;做計 算a2-ai = aT2+a〇2-(aTi+a(3i) =0(r2_ri)
'將該值代入加速度表達式中，有
?，則有角位移
[0011 ]和現有技術相比較，本發明具備如下優點：
[0012]本發明通過雙加速度傳感單元式傳感器感應到的被測量件重力加速度的分量及 切向加速度的大小變化并通過A/D轉換模塊、微處理器，計算后的被測量件的角位移值通過 信號轉換接口輸送到上位機顯示。該傳感器克服了傳統角位移傳感器需要安裝在旋轉中心 的缺點，安裝位置不要求為被測量件的旋轉中心處，并通過簡單算法消除了非旋轉中心處 安裝帶來的切向加速度的影響;雙加速度傳感單元式傳感器具有靈敏度高和測量精度高的 優點；微處理器通過對采集的信號進行數學運算處理，運算簡單方便;采用信號轉換接口， 可接入其他設備配合工作，擴展性好;上位機通過通信命令可對微處理器進行輸出頻率的 設置，以滿足后續系統的要求，提高了傳感器適用性，同時上位機也可以通過通信命令對傳 感器角位移的角度標定，更為方便快捷；另外所用的部件由小封裝低功耗電子器件組裝而 成，體積小、功耗低。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發明的各部件連接示意圖。
[0014] 圖2是雙加速度傳感單元式傳感器2的結構示意圖。
[0015] 圖3是本發明的第一加速度傳感單元23及其橋式電路和第一電壓跟隨器25的接線 圖。
[0016] 圖4是本發明的第二加速度傳感單元24及其橋式電路和第二電壓跟隨器26的接線 圖。
[0017]圖5是本發明的原理示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作詳細的說明。
[0019] 如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發明一種非旋轉中心安裝式角位移傳感器，包括雙 加速度傳感單元式傳感器2,雙加速度傳感單元式傳感器2中第一加速度傳感單元23的第一 電阻式應變片R1、第二電阻式應變片R2、第三電阻式應變片R3和第四電阻式應變片R4組成 橋式電路，與第一電壓跟隨器25相連接，第一電壓跟隨器25通過雙加速度傳感單元式傳感 器的第一模擬電壓輸出口 7與A/D轉換模塊3的第一輸入端9相連接，第二加速度傳感單元24 的第五電阻式應變片R5、第六電阻式應變片R6、第七電阻式應變片R7和第八電阻式應變片 R8組成橋式電路，與第二電壓跟隨器26相連接，第二電壓跟隨器26通過雙加速度傳感單元 式傳感器的第二模擬電壓輸出口 8與A/D轉換模塊3的第二輸入端10相連接，A/D轉換模塊3 的時鐘輸入端口 12和微處理器4的時鐘線輸入輸出I/0端口 14通過通信電纜線相連接，A/D 轉換模塊3的數據線通信端口 11和微處理器4的數據線輸入輸出I/O端口 13通過通信電纜相 連接，微處理器4的發送輸出端口 15和信號轉換接口 5的接收輸入端口 17通過通信電纜相連 接，微處理器4的接收輸入端口 16和信號轉換接口 5的發送輸出端口 18通過通信電纜相連 接，信號轉換接口 5的發送輸出端口 19和上位機6的接收輸入端口 21通過通信電纜相連接， 信號轉換接口 5的接收輸入端口 20和上位機6的發送輸入端口 22通過通信電纜相連接;雙加 速度傳感單元式傳感器2、A/D轉換模塊3、微處理器4以及信號轉換接口 5的電源輸入端通過 供電線纜和電源模塊1相連接。
[0020] 上述所述一種非旋轉中心安裝式角位移傳感器的測量方法，將所述非旋轉中心安 裝式角位移傳感器固定安置于被測量件上安裝位置不要求為被測量件的旋轉中心;接通電 源模塊1，通電啟動雙加速度傳感單元式傳感器2、A/D轉換模塊3、微處理器4以及信號轉換 接口5,當被測量件發生角度傾斜時，由于該非旋轉中心處安裝式角位移測量傳感器被固定 安置在被測量件的非旋轉中心處，雙加速度傳感單元式傳感器2感應地球重力加速度在其 不同傳感單元各自軸上的分量大小和切向加速度大小，并通過各自所在的橋式電路將加速 度模擬電壓信號通過雙加速度傳感單元式傳感器2的第一模擬電壓輸出端口 7和第二模擬 電壓輸出口 8分別輸送到A/D轉換模塊3的第一輸入端9和第二輸入端10, A/D轉換模塊3將發 送來的兩路加速度模擬信號進行高分辨率采樣后，通過微處理器4操縱時鐘線輸入輸出I/O 端口 14向A/D轉換模塊3的時鐘輸入端口 12發出的時序控制指令，將高分辨率采樣結果根據 微處理器4時序控制指令來定時經A/D轉換模塊3的數據線通信端口 11發送至微處理器4的 數據線輸入輸出I/O端口 13,微處理器4計算實際的傾斜角位移值，微處理器4將實際的傾斜 角度值通過信號轉換接口 5輸送到上位機6顯示，上位機6也通過信號轉換接口 5可對微處理 器4的輸出頻率進行設置以及對傳感器角位移的角度標定;該傳感器克服了傳統角位移傳 感器需要安裝在旋轉中心的缺點，通過簡單算法消除了非旋轉中心處切向加速度的影響； 雙加速度傳感單元式傳感器2具有靈敏度高和測量精度高的優點；微處理器通過自行編譯 程序，對采集的信號進行數學運算處理，得到所需要的值;采用信號轉換接口 5,可接入其他 的設備來配合工作，擴展性好；另外所用的部件由小封裝低功耗電子器件組裝而成，體積 小、功耗低。
[0021]利用如圖1所示的雙加速度傳感單元式傳感器，由兩個加速度傳感單元構成。分別 測量得到各傳感單元的重力加速度和切向加速度信號。如圖5所示，將加速度傳感器安裝在 抽油機油梁的上方，避免了在旋轉中心處打孔安裝，保證了在油田特殊工作環境下的使用 安全。對于不同高度的第一加速度傳感單元23和第二加速度傳感單元24,它們測得的加速 度為各自的重力加速度和切向加速度，即ai = aTi+aei，a2 = aT2+ae2,考慮到兩加速度傳感單 元相對于水平線的傾斜角度相同，有aei = ae2，且切向加速度表達式為aT = fo，其中，0為角加 速度，r為旋轉半徑。做計算a2-ai = aT2+a〇2-(aTi+aei) =0(r2_ri),
'將該值 代入加速度表達式中，
有
，抽油機的繩頭 光桿位移為y = 9R，其中R為磕頭機相對油梁旋轉中心的回轉半徑。
【主權項】
1. 一種非旋轉中心安裝式角位移傳感器，其特征在于:包括雙加速度傳感單元式傳感 器(2)，雙加速度傳感單元式傳感器(2)的第一模擬電壓輸出口（7)和第二模擬電壓輸出口 (8)分別和A/D轉換模塊(3)的第一輸入端(9)和第二輸入端（10)相連接，A/D轉換模塊(3)的 時鐘輸入端口（ 12)和微處理器(4)的時鐘線輸入輸出I/O端口（ 14)相連接，A/D轉換模塊(3) 的數據線通信端口（11)和微處理器(4)的數據線輸入輸出I/O端口（13)相連接，微處理器 (4)的發送輸出端口（15)和信號轉換接口（5)的接收輸入端口（17)相連接，微處理器(4)的 接收輸入端口（ 16)和信號轉換接口（5)的發送輸出端口（ 18)相連接，信號轉換接口（5)的發 送輸出端口（ 19)和上位機(6)的接收輸入端口（21)相連接，信號轉換接口（5)的接收輸入端 口（ 20)和上位機(6)的發送輸出端口（ 22)相連接;雙加速度傳感單元式傳感器(2 )、A/D轉換 模塊(3)、微處理器(4)、以及信號轉換接口（5)的電源輸入端和電源模塊(1)相連接;所述雙 加速度傳感單元式傳感器（2)包括水平設置并分別位于不同高度的第一加速度傳感單元 (23)和第二加速度傳感單元(24)。2. 根據權利要求1所述的一種非旋轉中心安裝式角位移傳感器，其特征在于:所述的第 一加速度傳感單元(23)上布置有第一電阻式應變片(R1)、第二電阻式應變片(R2)、第三電 阻式應變片(R3)和第四電阻式應變片(R4)，并通過電連接組成第一橋式電路，第一橋式電 路連接第一電壓跟隨器(25)的正負輸入端，測量的加速度信號通過第一電壓跟隨器(25)輸 出端即雙加速度傳感單元式傳感器(2)的第一模擬電壓輸出口（7)與A/D轉換模塊(3)的第 一輸入端(9)相連接;所述第二加速度傳感單元(24)上布置有第五電阻式應變片(R5 )、第六 電阻式應變片(R6)、第七電阻式應變片(R7)和第八電阻式應變片(R8)，并通過電連接組成 第二橋式電路，第二橋式電路連接第二電壓跟隨器(26)的正負輸入端，測量的加速度信號 通過第二電壓跟隨器(26)輸出端即雙加速度傳感單元式傳感器(2)的第二模擬電壓輸出口 (8)與A/D轉換模塊(3)的第二輸入端(10)相連接。3. 權利要求2所述一種非旋轉中心安裝式角位移傳感器的測量方法，其特征在于:將所 述非旋轉中心安裝式角位移傳感器固定安置于被測量件上，安裝位置不要求為被測量件的 旋轉中心;接通電源模塊（1 )，通電啟動雙加速度傳感單元式傳感器(2)、A/D轉換模塊(3)、 微處理器(4)以及信號轉換接口（5)，當被測量件發生角度傾斜時，由于該非旋轉中心處安 裝式角位移測量傳感器被固定安置在被測量件的非旋轉中心處，雙加速度傳感單元式傳感 器(2)中兩個加速度傳感單元與被測量件的旋轉中心存在差值，它們各自感應地球重力加 速度軸上的分量大小和切向加速度大小，并通過各自所在的橋式電路將加速度模擬電壓信 號通過雙加速度傳感單元式傳感器(2)的第一模擬電壓輸出端口（7)和第二模擬電壓輸出 口（8)分別輸送到A/D轉換模塊(3)的第一輸入端(9)和第二輸入端(10)，A/D轉換模塊(3)將 發送來的兩路加速度模擬信號進行高分辨率采樣后，通過微處理器(4)操縱時鐘線輸入輸 出I/O端口（14)向A/D轉換模塊(3)的時鐘輸入端口（12)發出的時序控制指令，將高分辨率 采樣結果根據微處理器(4)時序控制指令來定時經A/D轉換模塊(3)的數據線通信端口（11) 發送至微處理器(4)的數據線輸入輸出I/O端口（13)，微處理器(4)計算實際的傾斜角位移 值，微處理器(4)將實際的傾斜角度值通過信號轉換接口（5)輸送到上位機(6)顯示，上位機 (6)也通過信號轉換接口（5)可對微處理器(4)的輸出頻率進行設置以及對傳感器角位移的 角度標定； 所述微處理器(4)計算實際的傾斜角位移值的方法如下： 將所述非旋轉中心安裝式角位移測量傳感器固定安置于被測量件上，安裝位置不要求 為被測量件的旋轉中心；由于結構的特殊性，該傳感器包含的兩個加速度傳感單元與被測 量件的旋轉中心的距離存在差值，不同高度的第一加速度傳感單元(23)和第二加速度傳感 單元(24)，測得的加速度為各自的重力加速度和切向加速度，8卩 ai = au+aq，a2 = aT2+a〇2，考 慮到兩加速度傳感單元相對于水平線的傾斜角度相同，有aei = ae2，且切向加速度表達式為 aT = ftr，其中，0為角加速度，r為旋轉半徑;做計算a2-ai = aT2+a〇2-(aTi+aei) =0(r2_ri)，求得，將該值代入加速度表達式中：則有角位移
【文檔編號】G01B21/22GK106052623SQ201610566516
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月18日
【發明人】吳啟琛, 徐明龍, 宋思揚, 謝石林
【申請人】西安交通大學