石油井架结构无线应变传感器的设计.pdf

2 0 1 0年 第 2 9卷 第 6期 传感器与微系统 T r a n s d u c e r a n d M i c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 1 1 5 石油井架结构无线应变传感器的设计 罗宾 ， 仇芝 ，杜坚 西南石油大学 电子信 息工程学 院 。 四川 成都 6 1 0 5 0 0 摘要在石油井架结构测试 中普遍采用传统应变电测法 ， 针对这种方法在测试 中存在 的问题， 以 C C l 1 1 0无线单片机为核心设计了一种用于石油井架结构检测的无线应变传感器。重点介绍了无线应变 传感器的组成、 硬件电路设计 、 软件设计以及对所研制的无线应变传感器进行的标定和实验。结果表明 所设计的无线应变传感器具有测量精度高、 体积小、 功耗低、 传输可靠 、 抗干扰能力强等特点， 适合在井场 测试中使用。 关键词石油井架； 应变传感器 ； 无线通信； C C l 1 1 0无线单片机 中图分类号 T E 9 2 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 - 9 7 8 7 2 0 1 0 0 6 - 0 1 1 5 - 0 3 De s i g n 0 f wi r e l e s s s t r a i n s e n s o r a p p l i e d t o o i l 1 ‘ ’ 』 』 ne rr i cK S S t rUCt Ure L U O B i n ， Q I U Z h i ， D U J i a n S o u t h w e s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y ， S c h o o l o f E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ， Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e p r o b l e m o f t h e t r a d i t i o n a l s t r a i n e l e c t r i c t e s t i n g me t h o d w h i c h i s w i d e l y u s e d i n t h e t e s t i n g o f o i l d e r r i c k ． A wi r e l e s s s t r a i n s e n s o r i S d e s i g n e d t o t e s t t h e s t r u c t u r e o f o i l d e r r i c k a n d t a k e C C l l l 0 wi r e l e s s mi cr o c o n t r o l l e r t o b e t he c o r e c o mp o n e nt ． The i n t r o du c t i o n o f t he wi r e l e s s s t r a i n s e ns o r’S c o mp o s i t i o n， ha r d wa r e c i r c u i t a nd s o f t wa r e d e s i g n h a s b e e n s h o wn．The e x pe r i me nt a n d c a l i b r a t i o n a b o ut t h e wi r e l e s s s t r a i n s en s o r pr o v e s t h a t i t ha s t h e a dv a n t a g e s o f hi g h me a s u r e me n t p r e c i s i o n， s ma l l s i z e， l o w po we r c o n s ump t i o n， r e l i a b l e t r a n s mi s s i o n， h i g h a n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y a n d b e s u i t ab l e i n t h e fi e l d o f t e s t i n g p r a c t i c e ． Ke y wor ds o i l d e r r i c k；s t r a i n s e ns o r ；wi r e l e s s c o mmu ni c a t i o n；CCl 1 1 0 wi r e l e s s mi e r o c o nt r o l l e r 0引 言 石油井架属大型承重结 构 ， 是 石油装 备 的重 要组 成部 分 ， 对油 田的开发起着 重要 的作 用 。石油 井架在 长期使 用 过程中由于野外恶 劣的钻井 作业 工程环境 ， 搬迁 和安装 过 程中诸多因素的影响， 井架的内部结构产生了不良的变化， 井架各杆件也不同程度地存在着变形 、 损伤和锈蚀等缺陷， 致使石油井架的承载能力降低 ， 安全性无法保证， 给钻井生 产带来 了潜在 的事故隐患 。传统 的应力应变测量 系统是 一 种有线测量系统， 在井架结构安全检测中存在传感器与应 变仪之间的距离较远， 传输电缆过长， 安装与维护不便 ， 测 量精度受导线长度和布线影响大， 不能实现钻进与测试同 步作业等问题。本文从可靠性、 低功耗 、 低成本的角度出 发， 以 C C l l l 0无线单片机为核心设计了一种用于石油井 架结构检测的无线应变传感器。 1 无线应变传感器的组成 无线应变传感器使用微型电子器件集成， 实现对井架 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 4 - 2 2 应变信号的采集、 预处理和无线传输 ， 主要由应变电桥 、 应 变放 大器 、 低通滤波器和无线单 片机等组成 ， 其组成框 图如 图 1所示 。 应 变 应 变 低 通 电桥 放 大器 涟波 器 c c 1 1 1 0无线 单片机 磊 趣电池 图 1 无线应变传感器组成框图 Fig 1 Bl o c k di a g r a m o f wi r e l e s s s t r a i n s e n s 0 r 无线应变传感器把粘贴在井架杆件上的电阻应变计 在应变作用下的电阻变化， 通过传感器的应变电桥转换成 微弱的电压信号， 该电压信号经过放大滤波后 ， 由 C C 1 i 1 0 无线单片机内部集成的 A ／ D转换器和微处理器进行采集 和预 处理 ， 然后 ， 通 过 C C l l l O内部 的射频 收 发器 把 预处 理信号以无线的方式传输给上位计算机作进一步的分析 处理 。 l 1 6 传 感 器 与 微 系 统 第2 9卷 2 无线应变传感器的硬件电路设计 2 ． 1 信号调理 电路设计 信号调理电路由应变电桥、 应变放大电路和低通滤波 电路组成， 其电路原理图如图2所示。 图 2 信号调理电路原理图 ri g 2 P r i n c i p l e d i a g r a m o f s i g n a l c o n di t i o n i n g c i r c u i t 信号调理电路中的放大电路， 实现对电桥输出微弱信号 的放 大 。本 设 计 中放 大 电 路 选 用 高 性 能 仪 表 放 大 器 A D 8 2 2 1 ， 该放大器除具备高共模抑制比、 高输入阻抗、 低失 调电压、 低失调温漂和高增益精度等特性外， 还可以通过单 一 电阻在 1 - 1 0 0 0范 围内设置放大器的增益 ， 应用在单 电源 供电场合也具有很高的性能， 低至 2 ． 3 V的工作电压和小尺 寸S O I C封装尤其适用于电池供电和器件的集成 J 。电路 中根据电桥输出信号范围和A ／ D转换器的输入电压范围确 定放大电路的增益 G为5 0 0 ， 增益电阻 选择 1 0 0 n的精密 电阻 。滤波电路是 由运 放 L MV 3 5 8构成的二 阶巴特沃斯低 通滤波器 ， 滤波器 的截 止频率设计 为 1 0 0 H z ， 根 据滤波器 电 路 参 数 公 式∞ 2 丽 1 和Q ， 选 择滤波器各元件参数为 7 ． 8 7 k f t ， 1 4 ． 7 k n， C 0 ． 1 p L F ， c 2 0 ． 2 2 。这样经过放大滤波处理后的信号 已成为标准输 出信号 ， 可以直接 由 A ／ D转换器进行转换 。 2 ． 2采集和处理 电路设计 本设计选择的C C l 1 1 0无线单片机是一种无线片上系 统 S o C ， 其芯片内部集成 了一个增强型 8 0 5 1微处理器， 性能是标准 8 0 5 1内核性能的 8倍 ， 支持低功耗设计， 自带 3 2 k B F l a s h和 4 k B R A M， 并 内置一个 8通道 1 2 b i t 的 A ／ D 转换器 ， 具有 8路单端输入或 4路差分输入， 使用 D M A模 式可把 A D转换结果直接写入内存 而不需要 C P U的干 涉 ] 。利用 C C l l l 0内部集成的 A ／ D转换器和微处理器组 成传感器的采集和处理电路 ， 可以不用考虑 A ／ D转换器与 微处理器之间以及微处理器与射频收发器之间复杂的外部 接口电路设计 ， 这样就简化了整个硬件电路的设计， 提高了 电路的可靠性和抗干扰能力 ， 同时也降低了电路功耗。 C C l l l 0片内的A ／ D转换器使用 2 ． 5 V的外部参考电 压 ， 在对前端信号进行 A D采集时， 需要通过仪表放大器 A D 8 2 2 1把应变电桥输出的双极性电压信号放大、 平移至 A ／ D转换器要求 的0- 2 ． 5 V单极性电压输入范围。A ／ D 转换器采用了抗干扰能力强的差分输入方式 ， 能够有效降 低和抑制井场复杂工况引起的噪声和电磁干扰。通过差分 输入可以直接 由硬件将 前面 电位平移 抬高 的 1 ． 2 5 V电压 滤掉 ， 而不需要在软件中专门对它进行处理， 其电路连接图 如图 3所示 。 图 3微处 理 和 射 频 电路 原 理 图 F i g 3 Pr i n c i pl e d i a g r a m o f mi c r o - pr o c e s s i n g a n d r a d i o f r e q u e n c y c i r c u i t 2 ． 3射 频 电路 设计 传感器的射频电路 是以 C C 1 1 1 0无线 单片机 为核心而 设计 的 ， C C l l 1 0是一款专门为低功耗及低 电压无 线通讯应 用而设计的低成本 、 高性能无线 片上系统 。芯片 内部 集成 了一个 高性能 的 C C l 1 0 0射 频收发 器 ， 可工作在 3 1 5 ／ 4 3 3 ／ 8 6 8 ／ 9 1 5MH z的 I S M 工业、 科学和医学 开放频段， 支持 G F S K， 2 - F S K和 MS K等调制方式， 数据传输率可达 7 0 k b p s ， 灵敏度高达 --1 0 7 d B m， 最大发射功率达 1 0 d B m， 空旷地 带可靠传输距离 可达到 8 0 0 m， 支持 C S M A ／ C A和数字 R S S I ／ L Q 1 。 射 频 电路 工 作 频 段设 计 为 4 3 3 M H z ， 参 考 C C l 1 1 0典型应用 电路设计 ， 电路原理 图如图3所示 。 3无线应变传感器的软件设计 系统的软件设计采用模块 化程序设 计方法 ， 主要 包括 对初始化程序 、 数据采集程序 、 数据处理程序和无线收发程 序的设 计。初 始化程 序完 成对 C C l 1 1 0片 内的 A D C， C P U 和 R F收发器 的初 始化 ， 通过对 各相 关寄存 器 的正确 配置 来实现 ； 数据采集程 序控制 C C l 1 1 0片 内的 A ／ D转换 器完 成对前端传感器信号的 A ／ D转换 ， 并把转换结果存储在微 处理的存储单元内以便 C P U处理； 数据处理程序对数据进 行数字滤波和误差补偿等处理， 并把处理后的数据打包送 射频收发器进行发送。考虑到井架复杂的工作环境， 数字 滤波采用由中值滤波法和算术平均值法组合而成的复合滤 波法对采集的应变信号进行滤波处理 ， 既能做到数据平滑， 又可以消除脉冲干扰和抑制随机干扰 ； 无线收发程序控 制 R F收发器的收发状态， 执行从上位机接收控制命令和 把打包数据传送给上位机的操作， 负责无线应变传感器与 上位计算机的无线数据通信。系统软件流程图如图4 。 第 6期 罗 宾， 等 石油井架结构无线应变传感器的设计 1 l 7 匡 ◇ ‘ 豳 匦窭 匡 区鲴 图4软件流程图 Fi g 4 F l o w c ha r t o f s o f t wa r e 4 实验结果与分析 4 ． 1 标 定 实验 本设计利用 Y J D - 1 7型静动态电阻应变仪和等强度悬 臂梁组成的实验装置来完成无线应变传感器的标定。 传感器标定实验是在等强度悬臂梁上粘贴应变计 ， 在 等强度梁一端进行六级加载 ， 实验重复进行3次， 实验数据 取 3次平均值， 用最小二乘法对实验数据进行线性拟合得 到传感器的标定曲线。标定后， 无线应变传感器的分辨率 小于1 x 1 0 ～， 测量精度可 以达到 51 0 ～。 4 ． 2 应 变测试 实验 使用无线应变传感器对前开式井架模型上的应变测试 点 1在不同钩载作用下的应变信号进行采集处理传输， 并 将测试结果与应变仪测量的数据相 比较 ， 结果如表 l所 示 ， 实验结果表明 无线应变传感器测量的应变数值与应变仪 的测量值吻合较好， 能够满足工程测试要求。 5 结论 本文设计 的无线应 变传 感器在石油井架结构安全检测 中， 相对于传统的有线传感器， 具有明显的优势 1 无线传输不需要测量导线， 免除了现场繁重的布线 t p 声 ≯ 声 上接第 1 1 4页 6 结束 语 本文采用模块化设计思想完成基于 A R M技术的可见 分光光度计设计。系统 以 3 C 2 4 1 0处 理器 作为 主控制 器 ， 准确地完成 了透射 比、 吸光度和浓度 的 自动测量 ， 高精度 的 T ／ A转换， 以及光谱图绘制功能； 丰富的通信接 口， 扩展了 仪器性能， 实现打印、 保存、 联机等功能； 并且在后续系统的 升级中， 可以通过增加相应模块和配套软件的开发 ， 进一步 提高系统性能。 参考文献 [ 1 ] 倪一 ， 黄梅 珍 ， 袁波 ， 等 ． 紫外可见分光光 度计的发展 与 现状 [ J ] ． 现代科学仪器 ， 2 0 0 4 3 3--7 ． [ 2] 曹垣亮 ． 基于 AR M 9 ／ 7产 品化研发实践 [ M] ． 北京 电子3 - , lk 表 1 无线和有线应变测试结果对比 Ta b 1 Re s u l t s ’c o mp a r i s o n o f wi r e l e s s a nd wi r e d s t r a i n t e s t i n g 和连线工作， 大幅提高了检测的工作效率和测量精度； 2 性能可靠， 功耗低 ， 体积小， 能方便安装到测量所需 要的位置 ， 安装 、 调试和维护方便 ； 3 不影响钻井生产， 可以实现钻进与测试同步作业； 4 基于无线应变传感器核心器件 C C l l l O的无线 自组 织网络能力， 可以将无线应变传感器作为节点组成石油井 架结构无线测试 网络 。 参考文献 [ 1 ] 阮三元 ， 李刚 ， 宋颖． 具有最优共模抑制性 能的可变增益 仪用放大器 A D 8 2 2 1及其应用 [ J ] ． 国外电子元器件 ， 2 0 0 4 7 4 4 --4 6． [ 2 ] 郑长义 ， 董春利． 单 O P A MP二阶低通 巴特 沃斯 滤 波器 的参 数选择[ J ] ． 松辽学刊 自然科学版 ， 1 9 9 8 3 7 5--7 6 ． [ 3] 喻言， 欧进萍 ． 结构无线应变传感器设计 、 制作与测试 [ J ] ． 电子器件 ， 2 0 0 5， 2 8 3 4 6 1 --4 6 5 ． [ 4] 李 文仲 ， 段 朝玉． 短距 离无线 数据 通信 入 门与实 战 [ M] ． 北 京 北京航天航空大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 5] C C l l l 0 F x ／ C C l l l l F x l o w p o w e r s u b 一 1 G Hz RF s y s t e m- o n - c h i p S o C w i t h M C U，m e m o r y ，t r a n s c e i v e r ，a n d U S B c o n t r o - l l e r [ D B ／ O L ] ． [ 2 0 0 9 - 0 4 - 2 3 ] ． h t t p ∥W W W ． c h i p c o n ． c o m ． [ 6 ] 祝 常红． 数据采 集与处理 技术 [ M] ． 北京 电子 工业 出版社 ， 2 0 0 8． 作者简介 罗宾 1 9 6 9一 ， 男 ， 重庆人 ， 硕士 ， 实验师 ， 研究方 向为计 算 机测控。 ≯ p ≯ ≯ 出版社 ， 2 0 0 7 ． ≯ p [ 3] 曾照芳． 医用 分析仪 器[ M] ． 北京 人 民卫生 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4] 周 明昱 ， 严慧民． 分 光光 度计光强 采样 电路 设计 [ J ] ． 光学仪 器 ， 2 0 0 3 ， 2 5 4 6 7--7 2 ． [ 5] 李朝青． 单片机原理及 串行外设接 口技术 [ M] ． 』 七 北 京航 空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ] 管耀武，杨宗德．A R M嵌入式无线通信系统开发实例精 讲 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 7 ] 李剑雄 ， 张策划 ， 杨军． 基 于 A R M 和 D M 9 0 0 0的 网卡 接 口 设计 与实现 [ J ] ． 微计算机信息 ， 2 0 0 8 ， 1 3 1 4 1 2 3--1 2 5 ． [ 8 ] 孙琼． 嵌入式 L i n u x应用程序 开发详解 [ M] ． 北京 人 民 邮 电出版社 ， 2 0 0 6 ． 作者简介 陈骥 1 9 5 4一 ， 男 ， 四川梓 潼人 ， 教 授 ， 硕 士生导 师 ， 主要 从 事传感 器技术 、 精 密测量 与控制技术 、 生物 医学仪器方面 的研究 。