一种线性位移检测方法技术

一种油田井下管柱线性滑动位移检测用的一种线性位移检测方法。它是以霍尔元件为核心设计的摆动式机械接触滚轮测量位移装置测量线性位移的方法，它以两物体的相对直线运动转变为滚动轮的转动，根据测量滚动轮的转动角度和方向计算位移量，该装置由接触面、固定支架、摆杆、弹簧、霍尔元件、磁柱、滚动轮组成。该位移测量方法的信号检测处理系统由霍尔元件，信号调整电路，单片机、存储器、时钟电路以及通讯显示模块构成。位移的计算公式为Ｓ＝πＤ／ｎ.Ｃ，Ｓ：某一瞬时位移量；Ｄ：滚轮直径；ｎ：磁柱个数；ｃ：某一瞬时累计脉冲数。该方法解决了现有技术中存在的直线大位移传感器结构尺度较大，测量性能受潮湿灰尘影响，无法完成井下位移测量的问题。该方法可广泛应用于油田井下管柱位移测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种油田井下管柱线性滑动位移检测用的一种线性 位移检测方法。
技术介绍
目前油田在石油开采作业过程中，高温高压注水开采时管柱发生 伸縮滑动，常常导致注水封隔器损坏或发生注水失败。为了了解注水 管柱的位移量，需要对其进行检测。现有的直线大位移传感器测量精 度较高，但总体结构尺度较大，测量性能易受湿度、灰尘影响，无法 满足井下工作条件完成位移测量。目前井下管柱滑动位移的精确测量 仍是比较难解决的问题，尚未见到具有创新性的报道。在高温高压、 含水杂质的油水混合液中，位移测量存在诸多困难；滑动位移参考坐 标不易选择，滑动位移多为缓慢变化，很难通过对运动变化量的积分 进行检测，滑动范围较大，注水较深，通常的位移传感器在井下很难 达到测量要求。因此需要研制一种在恶劣条件下测量缓慢滑动位移的 方法，实现较大位移量的捡测。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，该方法解决了现有 技术中存在的直线大位移传感器结构尺度较大，测量性能受湿度灰尘 影响，无法满足井下位移测量的问题。本专利技术其技术问题所采用的技术方案是 是以霍尔元件为核心设计的摆动式机械接触滚轮测量位移装置测量 线性位移的方法，该方法适宜直线大位移的测量，它以运动部件自身 为静止参照物，将两物体的相对直线运动转变为滚动轮的转动，根据 测量滚动轮的转动角度和方向计算位移量，该方法主要根据以霍尔元 件为核心的摆动式机械接触滚轮测量位移装置进行测量的，该装置由 接触面、固定支架、摆杆、弹簧、霍尔元件、磁柱、滚动轮组成运 动部件安装在固定支架上，摆杆一端以铰链方式固定在固定支架上， 另一端可以自由摆动，摆杆在弹簧作用下向外摆动将滚动轮压靠到接 触面上，滚动轮可绕轴心自由转动，其圆表面采用耐磨材料经防滑处 理；磁柱均布于滚动轮上，两个开关型霍尔元件之间的夹角为磁柱分 布夹角的l、 3倍，当固定支架随运动部件左右运动时，滚动轮由于 在摩擦力作用下来回转动。磁柱每经过霍尔元件一次将产生一个脉 冲，通过比较两个霍尔元件的脉冲波形，可测出滚动轮转动的方向。 利用记录的脉冲数和轮子直径即可计算轮子在接触面上滚动的距离， 也就是运动物体位移，位移的计算公式为S^nD/n *C，其中S:某一 瞬时位移量，mm; D:滚轮直径，mm; n:磁柱个数；c:某一瞬时累计 脉冲数；ti : 3. 1416。设t二 k D/n，则t是滚轮的接触面无相对滑动 时的位移测量理论分辨率，由t的计算公式可以看出，在滚轮直径一 定的情况下，磁柱个数越多，则分辨精度越高。利用该方法测量位移， 精度一般可以达到1-2mm。作相对直线运动的物体高速运动时，滚动 轮的接触面可能会出现滑动，可通过以下措施保证测量的精度；减小 滚动论转轴的摩擦力，使其自由灵活转动；提高滚动轮圆周接触表面摩擦系数；适当增加弹簧张力，避免或减小滑动位移。为了提高摆动式机械接触滚轮测量位移装置的测量精度和可靠性，滚动轮及磁柱分布需要满足一下的要求根据使用环境和测试空 间大小，确定滚动轮的厚度和直径D;根据滚动轮结构尺度和使用环 境选择一定规格型号的磁柱和开关型霍尔元件；筛选磁柱，保证其磁 通强度基本相同；筛选霍尔元件，保证其电气特性，尤其是灵敏度保 持一致；利用筛选后的磁柱和霍尔元件试验，确定霍尔元件输出等脉宽信号时的磁柱中心距离L;初选磁柱分布圆的直径d0，计算磁柱个数n，并确定最终磁柱分布圆的直径do;设 。=^^，其中L为磁arcsin——柱中心距离，腿；do为初选磁柱分布圆直径，mm; n。为磁柱个数。根据结构尺寸对n。的取整数，得到磁柱个数n。反求分布圆直径do,& = ~^;两个霍尔元件安装在直径为do的圆弧上，角度相差 sm-225/n-270/n，后两个脉冲波形相差1/4-1/2脉宽，保证信号检测的 可靠性。在保证滚动轮及磁柱分布的相对位置后，位移测试装置方可 得到正确的信号。该位移测量方法的信号检测处理系统由霍尔元件， 信号调整电路，单片机、存储器、时钟电路以及通讯显示模块构成 开关型霍尔元件的输出信号经信号调理电路放大滤波处理后输入 bl、 b2 口；由于物体运动的速度不定，霍尔元件输出的脉冲时间间 隔可能会相差很大，故单片机的信号采集采用中断方式，以保证系统 对高低速运动时的输出信号都有良好的相应，这种工作方式也有利于 提高单片机的运行效率，避免单片机的无效查询，进而降低系统功耗，将单片机的bl输入口设为中断口，脉冲上升沿触发，b2输入口设为 电平采样口，当然也可以设置成其它中断和电平采集方式，只要保证 两个通道的对比采样关系即可，尽管脉冲信号的脉宽可能不同，但两 个通道的脉冲电平对应关系是一致的。具体采集方式以图1中四磁柱输出等脉宽信号为例加以说明当固定支架整体由右向左运动时，滚 动轮顺时针转动。根据两个霍尔元件与磁柱的初始相对位置不同，轮 子转动一周时，单片机bl、 b2输入口的波形呈现四种状态，其波形如图3.通过比较四种波形，可以发现无论bl、 b2输入口的初始状态 为1/0、 1/1、 0/0、 0/1，输入波形的对应关系是一致的，即第2到 第4组的波形可以由第一组波形按照时间序列左平移一定的相位得 到；同理可以画出固定支架整体由左向右运动，即滚动轮逆时针转动 的波形。通过对比分析，可以发现滚动轮逆时针转动的波形与顺时针 转动的波形在相位上正好相反。由于bl、 b2输入口的波形始终保持' 着连续一致的对应关系，滚动轮来回滚动产生的波形完全可以由一组 波形在某一时间点A处，按时间序列向左右两边展开得到见图4。在 图4中，该滚动轮顺时针转动时位移方向为正。单片机的bl输入口 电平信号在某一时间点x0处，由0转变为1，脉冲上升沿触发单片 机中断中断程序查询b2输入口电平，若为0，则说明物体向正方向 运动，累计脉冲板加l，当滚动方向不变时，脉冲数将不断累加，若 某一时刻，滚动轮变向为逆时针转动，则在xl时间点处，bl输出口 脉冲上升沿触发单片机中断。由b2输入口电平信号为1，可判断滚 动轮变向为逆时针转动，累计脉冲数减l.单片机按照一定的时间间隔把变化后的累计脉冲数和变化发生的时间保存到存储器中，供计算 处理。利用位移i十算公式计算位移S-^C，其中S为某一瞬时位移量，mm; D滚动轮直径，mm; n磁柱分布个数；C某一瞬时脉冲 数。该位移检测方法可用于石油测试管柱井下位移的检测，也可用于 其它行业管道测量时的长度定位。本专利技术的有益效果是该位移测量方法将直线位移转化为角位移 测量，并基于霍尔元件进行电平计数和方向判别，有一定的创新；该 测量方法的测量量程为无穷大，适合直线大位移且精度很高的场合测 量；该位移测量方法中的测量装置体积小，结构简单，具有很强适应 性，可应用在潮湿、高温等恶劣环境中。附图说明-图1为摆动式机械接触滚轮测量位移装置结构示意图。图2是信号测量处理模块示意图。图3为滚动轮顺时针转动波形示意图。图4为滚动轮波形展开示意图。图中1、接触面，2、固定支架，3、摆杆，4、弹簧，5、霍尔元 件，6、磁柱，7、滚动轮，bl、 b2为单片机。 具体实施例方式在图1中，摆动式机械接触滚轮测量位移装置由接触面l、固定 支架2、摆杆3、弹簧4、霍尔元件5、磁柱6、滚动轮7组成运动 部件安本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线性位移检测方法，该方法以霍尔元件为核心而设计的摆动式机械接触滚轮测量位移装置测量线性位移的方法，它是以运动部件自身为静止参照物，将两物体的相对直线运动转变为滚动轮的转动，根据测量滚动轮的转动角度和方向计算位移量；摆动式机械接触滚轮测量位移装置，由接触面（１）、固定支架（２）、摆杆（３）、弹簧（４）、霍尔元件（５）、磁柱（６）、滚动轮（７）组成，其特征在于：运动部件安装在固定支架（２）上，摆杆（３）一端以铰链方式固定在固定支架（２）上，另一端可以自由摆动，摆杆（３）在弹簧（４）作用下向外摆动将滚动轮（７）压靠到接触面（１）上，滚动轮（７）可绕轴心自由转动，其圆表面采用耐磨材料经防滑处理；磁柱（６）均布于滚动轮（７）上，两个开关型霍尔元件之间的夹角为磁柱分布夹角的１、３倍；当固定支架（２）随运动部件左右运动时，滚动轮由于在摩擦力作用下来回转动；磁柱（６）每经过霍尔元件一次将产生一个脉冲，通过比较两个霍尔元件的脉冲波形，可测出滚动轮（７）转动的方向；利用记录的脉冲数和轮子直径即可计算轮子在接触面（１）上滚动的距离，也就是运动物体位移，位移的计算公式为Ｓ＝πＤ／ｎ.Ｃ，其中Ｓ：某一瞬时位移量，ｍｍ；Ｄ：滚轮直径，ｍｍ；ｎ：磁柱个数；ｃ：某一瞬时累计脉冲数；π：３．１４１６。设ｔ＝πＤ／ｎ，则ｔ是滚轮的接触面无相对滑动时的位移测量理论分辨率，由ｔ的计算公式可以看出，在滚轮直径一定的情况下，磁柱个数越多，则分辨精度越高；利用该方法测量位移，精度一般可以达到１－２ｍｍ。作相对直线运动的物体高速运动时，滚动轮的接触面可能会出现滑动，可通过以下措施保证测量的精度；减小滚动论转轴的摩擦力，使其自由灵活转动；提高滚动轮圆周接触表面摩擦系数；适当增加弹簧张力，避免或减小滑动位移；为了提高摆动式机械接触滚轮测量位移装置的测量精度和可靠性，滚动轮及磁柱分布需要满足一下的要求：根据使用环境和测试空间大小，确定滚动轮的厚度和直径Ｄ；根据滚动轮结构尺度和使用环境选择一定规格型号的磁柱（６）和开关型霍尔元件；筛选磁柱（６），保证其磁通强度基本相同；筛选霍尔元件（５），保证其电气特性，尤其是灵敏度保持一致；利用筛选后的磁柱和霍尔元件试验，确定霍尔元件输出等脉宽信号时的磁柱中心距离Ｌ；初选磁柱分布圆的直径ｄｏ，计算磁柱个数ｎ，并确定最终磁柱分布圆的直径ｄｏ；设ｎ↓［０］＝３６０／ａｒｃｓｉｎ　Ｌ／ｄ↓［０］，其中Ｌ为磁柱中心距离，ｍｍ；ｄｏ为初选...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邓旭，余雷，喻晨，李敬东，吴兴国，李敏，王春杰，尚宪飞，苏涛，朱太辉，陈振刚，
申请(专利权)人：中国石油集团长城钻探工程有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]