可抵消偏心安装的双传感单元惯性式角速度传感器及测量方法技术

本发明专利技术依据物体绕定轴旋转产生向心加速度的原理，利用应变式加速度传感器敏感轴垂直于内置柔性金属梁的特性，设计了一种可抵消偏心安装误差的双传感单元惯性式角速度传感器，包括一

【技术实现步骤摘要】
可抵消偏心安装的双传感单元惯性式角速度传感器及测量方法


[0001]本专利技术属于油田机械测量
，具体涉及了一种可抵消偏心安装的双传感单元惯性式角速度传感器及测量方法
。

技术介绍

[0002]在螺杆泵的采油过程中，螺杆不断旋转
。
长期实践作业表明，螺杆泵的角速度大小直接影响着螺杆泵油井工作状态，反应了螺杆泵的使用寿命，是螺杆泵系统的重要参数之一
。
同时需要根据不同工况的需要，调整螺杆泵的旋转角速度大小
。
因此有必要设计适用于螺杆泵的角速度传感器
。
传统的角速度传感器往往仅有单个角速度传感单元，不便于安装和拆卸，而且容易受到回转半径的影响
。
然而，在油田的实际应用场景下，存在设备种类多，尺寸不同的问题；螺杆泵由于工况复杂也需要经常性检修，因此需要经常性拆卸和安装角速度传感器，外加油田工人往往不具备专业安装调试技术，此时难以避免的出现角速度传感器偏心安装的情况
。

技术实现思路

[0003]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术目的在于提供一种可抵消偏心安装的双传感单元惯性式角速度传感器及测量方法，该角速度传感器具有便于安装
、
可消除偏心安装带来的测量角速度误差的问题
。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0005]可抵消偏心安装的双传感单元惯性式角速度传感器，包括
U
形开口式金属壳5，安装在
>U
形开口式金属壳5内部的第一加速度传感单元
1、
第二加速度传感单元
2、
信号处理及无线发送电路板3及电池4；所述
U
形开口式金属壳5的
U
形缺口用于和螺杆泵的转轴安装并固定，能够实现角速度传感器随转轴无滑动地转动；所述第一加速度传感单元1和第二加速度传感单元2位于
U
形开口式金属壳5的圆弧段，且沿此圆弧段所在圆的径向布置，两者中心连线通过圆面的圆心，二者距离为一定值，且两个传感单元的结构
、
尺寸大小和材料完全一致；所述第一加速度传感单元1内部由位于中心的金属质量块1‑7和位于金属质量块1‑7两边对称的一对柔性金属梁构成，柔性金属梁远离金属质量块1‑7一端的内外表面贴有电阻应变片；所述信号处理及无线发送电路板3安装在
U
形开口式金属壳5内部的圆弧段部分；所述电池4固定于
U
形开口式金属壳5内并位于信号处理及无线发送电路板3附近；所述第一加速度传感单元1和第二加速度传感单元2的电阻应变片均接入信号处理及无线发送电路板3，分别构成两个全桥电路
。
[0006]所述柔性金属梁远离金属质量块1‑7一端的上下表面贴有电阻应变片，电阻应变片粘贴的位置符合如下要求：第一电阻应变片1‑1与第二电阻应变片1‑
2、
第三电阻应变片1‑3与第四电阻应变片1‑4均关于柔性金属梁对称，第二电阻应变片1‑2与第三应变片1‑
3、
第一电阻应变片1‑1与第四电阻应变片1‑4均关于金属质量块1‑7对称；所述的第二加速度
传感单元2内部电阻应变片粘贴位置与第一加速度传感单元1相同
。
[0007]所述
U
形开口式金属壳5的
U
形缺口用于和螺杆泵的转轴安装并通过螺钉及压板与转轴固定，确保整个传感器随着螺杆泵转轴无相对滑动地旋转
。
[0008]所述的可抵消偏心安装的双传感单元惯性式角速度传感器的测量方法，当
U
形开口式金属壳5及其内部部件随着螺杆泵转轴旋转时，第一加速度传感单元1内部的金属质量块1‑7产生向心加速度，受到离心力的作用，沿着螺杆泵转轴径向产生位移的同时，使得相连的柔性金属梁产生变形和挠度；此时，贴在柔性金属梁上的电阻应变片会随之产生应变，且内侧的应变为拉应变，外侧的应变为压应变：
[0009][0010][0011][0012][0013]其中
R1、R2、R3、R4分别为四个电阻应变片的原电阻，
Δ
R1、
Δ
R2、
Δ
R3、
Δ
R4分别为四个电阻应变片的电阻变化量，
ε1、
ε2、
ε3、
ε4分别为四个电阻应变片的应变值，由于电阻应变片的布置情况，存在
ε1＝
‑
ε2＝
‑
ε3＝
ε4的关系，
K
为电阻应变片的应变灵敏系数；
[0014]当电阻应变片接入全桥电路时，全桥电路的输出电压为：
[0015][0016]其中
E
为电桥的桥压，
U1为电桥的输出电压；结合电阻应变片电阻的变化关系式，得：
[0017]U1＝
EK
ε1[0018]此时应变信号转换成了电压信号；同理，第二加速度传感单元2的应变信号通过全桥电路转换成电压信号
U2；
[0019]由于金属质量块的向心加速度与电阻应变片的电阻变化相关，电阻应变片的电阻变化再由全桥电路完成信号的转换，最终输出电压信号，此电压信号与金属质量块的向心加速度存在对应关系；经过数据处理和抵消偏心计算，能够得到角速度信号；信号处理及无线发送电路板3上的无线发送模块将处理后的角速度信号发送至外部接收端，从而实现对于螺杆泵转轴角速度的实时测量
。
[0020]所述角速度传感器的数据处理和抵消偏心计算过程如下：
[0021]加速度关系式如下：
[0022]a1＝
ω2l1[0023]a2＝
ω2l2[0024]其中
a1和
a2分别为第一加速度传感单元1和第二加速度传感单元2中的金属质量块
的向心加速度大小；
l1和
l2分别为第一加速度传感单元1和第二加速度传感单元2的金属质量块距离螺杆泵转轴偏心中心的距离，即为回转半径；
ω
为螺杆泵转轴旋转角速度，即为需要测量的变量；
[0025]由于金属质量块只能在垂直于柔性金属梁长度方向上进行运动，而传感器依靠金属质量块的运动情况测量加速度，所以传感器只能测得垂直于柔性金属梁长度方向上的加速度；因此，传感器只对于垂直于柔性金属梁方向上的加速度敏感，因此称垂直于柔性金属梁方向为敏感轴；
[0026]第一加速度传感单元1和第二加速度传感单元2的金属质量块的连线
、U
形开口式金属壳5的圆弧段的直径和敏感轴均位于同一条直线上；
[0027]两个加速度传感单元测得的加速度为：
[0028]a1测
＝
ω2l1cos
θ1[0029]a2测
＝
ω2l2cos
θ2[0030]其中
a1测
和
a2测
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
可抵消偏心安装的双传感单元惯性式角速度传感器，其特征在于：包括
U
形开口式金属壳
(5)
，安装在
U
形开口式金属壳
(5)
内部的第一加速度传感单元
(1)、
第二加速度传感单元
(2)、
信号处理及无线发送电路板
(3)
及电池
(4)
；所述
U
形开口式金属壳
(5)
的
U
形缺口用于和螺杆泵的转轴安装并固定，能够实现角速度传感器随转轴无滑动地转动；所述第一加速度传感单元
(1)
和第二加速度传感单元
(2)
位于
U
形开口式金属壳
(5)
的圆弧段，且沿此圆弧段所在圆的径向布置，两者中心连线通过圆面的圆心，二者距离为一定值，且两个传感单元的结构
、
尺寸大小和材料完全一致；所述第一加速度传感单元
(1)
内部由位于中心的金属质量块
(1
‑
7)
和位于金属质量块
(1
‑
7)
两边对称的一对柔性金属梁构成，柔性金属梁远离金属质量块
(1
‑
7)
一端的内外表面贴有电阻应变片；所述信号处理及无线发送电路板
(3)
安装在
U
形开口式金属壳
(5)
内部的圆弧段部分；所述电池
(4)
固定于
U
形开口式金属壳
(5)
内并位于信号处理及无线发送电路板
(3)
附近；所述第一加速度传感单元
(1)
和第二加速度传感单元
(2)
的电阻应变片均接入信号处理及无线发送电路板
(3)
，分别构成两个全桥电路
。2.
根据权利要求1所述的可抵消偏心安装的双传感单元惯性式角速度传感器，其特征在于：所述柔性金属梁远离金属质量块
(1
‑
7)
一端的上下表面贴有电阻应变片，电阻应变片粘贴的位置符合如下要求：第一电阻应变片
(1
‑
1)
与第二电阻应变片
(1
‑
2)、
第三电阻应变片
(1
‑
3)
与第四电阻应变片
(1
‑
4)
均关于柔性金属梁对称，第二电阻应变片
(1
‑
2)
与第三应变片
(1
‑
3)、
第一电阻应变片
(1
‑
1)
与第四电阻应变片
(1
‑
4)
均关于金属质量块
(1
‑
7)
对称；所述的第二加速度传感单元
(2)
内部电阻应变片粘贴位置与第一加速度传感单元
(1)
相同
。3.
根据权利要求1所述的可抵消偏心安装的双传感单元惯性式角速度传感器，其特征在于：所述
U
形开口式金属壳
(5)
的
U
形缺口用于和螺杆泵的转轴安装并通过螺钉及压板与转轴固定，确保整个传感器随着螺杆泵转轴无相对滑动地旋转
。4.
权利要求1至3任一项所述的可抵消偏心安装的双传感单元惯性式角速度传感器的测量方法，其特征在于：当
U
形开口式金属壳
(5)
及其内部部件随着螺杆泵转轴旋转时，第一加速度传感单元
(1)
内部的金属质量块
(1
‑
7)
产生向心加速度，受到离心力的作用，沿着螺杆泵转轴径向产生...

【专利技术属性】
技术研发人员：高佩林，李言彧，李一凡，徐明龙，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：