專利名稱：一種用于全鉆頭試驗測試系統(tǒng)的扭矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于全鉆頭試驗測試系統(tǒng)的扭矩傳感器。
背景技術(shù)：
石油鉆頭是破碎地層巖石的主要工具，是石油鉆井工程中提高機械鉆速、降低鉆井成本的重要手段。高性能鉆頭產(chǎn)品的開發(fā)和研究都是建立在理論和試驗研究基礎(chǔ)上，鉆頭試驗主要是進行全鉆頭破碎不同地層巖石試驗和鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗，全鉆頭試驗主要是測試鉆頭在一定鉆井參數(shù)條件下破碎不同巖石的機械鉆速和破碎井底，鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗?zāi)M鉆頭牙齒的運動和破巖狀況，通過測試系統(tǒng)采集試驗過程中的鉆頭和齒圈轉(zhuǎn)速、鉆頭位移、鉆壓及扭矩信號。目前針對鉆頭研究開展的試驗主要是全尺寸鉆頭試驗和鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗，全鉆頭試驗主要是檢測新型鉆頭鉆進不同地層巖石的破碎規(guī)律；鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗主要是研究不同鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)、齒面結(jié)構(gòu)和鉆進參數(shù)與地層巖石的破碎規(guī)律?，F(xiàn)有全鉆頭試驗和鉆頭齒圈復(fù)合運動破巖試驗的測試系統(tǒng)主要是由傳感器、轉(zhuǎn)速測定儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗過程中的鉆頭、牙輪和齒圈轉(zhuǎn)速脈沖信號；由傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀以及數(shù)據(jù)采集卡采集試驗過程中的鉆頭位移、鉆壓及扭矩模擬信號。但是隨著鉆頭研究進一步的深化，現(xiàn)有鉆頭試驗測試系統(tǒng)存在很多問題已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段鉆頭研究和新產(chǎn)品開發(fā)的需要，比如研究鉆頭及5個牙齒的運動和受力情況， 現(xiàn)有兩張8通道數(shù)據(jù)采集卡的模擬量通道不夠，不能全面滿足試驗需要的擴展功能；由于液壓系統(tǒng)、電機和環(huán)境等的影響，動態(tài)應(yīng)變儀采集的信號含有大量的噪聲，試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高；動態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集卡等硬件設(shè)備價格昂貴，測試系統(tǒng)硬件成本高等。因此迫切需要建立一套基于現(xiàn)代測試技術(shù)的鉆頭試驗測試系統(tǒng)，以能夠快捷、準(zhǔn)確、實時采集鉆頭及各個牙齒的運動及受力情況，從而為鉆頭的新產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)化設(shè)計提供重要的試驗手段。石油鉆頭在井底工作時的運動狀態(tài)和受力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的。鉆頭在井底運動， 除了鉆頭繞自身軸線作順時針方向旋轉(zhuǎn)運動和牙輪繞牙掌軸線作逆時針方向旋轉(zhuǎn)運動外， 還有軸向縱振及牙輪的滑動，這幾種運動是鉆井時同時發(fā)生、綜合在一起的復(fù)合運動。石油鉆頭就是在上述復(fù)合運動所產(chǎn)生的沖擊、壓碎及滑動剪切作用下破碎巖石的。石油鉆頭鉆進時會產(chǎn)生縱向振動，在每次振動中，鉆頭上行時壓縮下部鉆柱，鉆頭下行時則鉆柱恢復(fù)原長，其勢能轉(zhuǎn)化為鉆頭的動載荷。鉆頭工作時，牙齒作用到巖石上的力有靜載荷(加在鉆頭上的鉆壓)和動載荷(鉆頭與下部鉆柱加速下降而產(chǎn)生的動載)，也就是說牙齒沖擊破碎巖石時，鉆頭受到巖石的反作用力也等于靜載荷與動載荷之和。鉆頭在井下工作時，除了受到縱向靜載荷和動載荷外，由于鉆柱旋轉(zhuǎn)，還要受到扭矩作用。當(dāng)鉆壓較大，牙齒吃入巖石較深，尤其是牙齒在井底滑動較大時，鉆頭承受的扭矩更大。石油鉆頭在井底工作時，由于鉆頭在井底產(chǎn)生縱振，使鉆柱不斷壓縮和伸張，下部鉆柱把這種周期性的彈性變形能傳遞給牙齒，產(chǎn)生牙齒對巖石的沖擊、壓碎作用，這種破碎方式是石油鉆頭破碎巖石的主要方式之一。
石油鉆頭工作時，由于鉆頭的設(shè)計結(jié)構(gòu)及地層摩擦阻力的影響而產(chǎn)生滑動，轉(zhuǎn)速越快、滑動量越大，對巖石的剪切破碎越大，從而通過牙齒的滑動剪切井底巖石，提高破碎效率。根據(jù)上述對石油鉆頭在井底運動、受力和破碎巖石情況的簡要分析，可以看出在鉆頭的研究過程中，必須有效地分析鉆頭破巖運動所承受的鉆壓、扭矩作用以及鉆頭和牙輪的轉(zhuǎn)速。隨著石油鉆井深度增加和地層巖石的復(fù)雜化，根據(jù)不同地層巖石特點開發(fā)高性能鉆頭的研究工作更加迫切，目前現(xiàn)有鉆頭試驗的控制和測試系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段鉆頭的研究和開發(fā)的需求。目前現(xiàn)有鉆頭試驗的控制和測試系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足鉆頭研究和新產(chǎn)品開發(fā)的需求，主要存在以下問題(1)試驗控制和測試過程繁瑣，由人工通過操作控制臺來實現(xiàn)整個破巖試驗過程的控制，自動化程度低；(2)現(xiàn)有兩個試驗測試系統(tǒng)都是采用兩張8通道(共16通道)的數(shù)據(jù)采集卡，擴展功能局限性大，遠(yuǎn)不能滿足新型鉆頭的設(shè)計試驗需求；(3)由于液壓系統(tǒng)、電機等環(huán)境噪聲的干擾，動態(tài)應(yīng)變儀采集到的信號受到一定的影響，試驗數(shù)據(jù)中含有大量的噪聲；(4)現(xiàn)有兩個試驗控制和測試系統(tǒng)需要的硬件設(shè)備有操作控制臺、動態(tài)應(yīng)變儀、轉(zhuǎn)速測定儀、數(shù)據(jù)采集箱及采集卡，價格昂貴，硬件成本太高。全鉆頭試驗測試系統(tǒng)中扭矩傳感器是用來將非電物理量轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，是機電一體化產(chǎn)品極為重要的組成部分，它是機械模塊和電氣模塊的銜接紐帶，扭矩傳感器的好壞將直接影響產(chǎn)品的性能指標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供一種用于全鉆頭試驗測試系統(tǒng)的扭矩傳感器，該扭矩傳感器測量正、反向扭矩時，不需調(diào)整零點；信號檢測采用數(shù)字化處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強；體積小、重量輕、安裝方便、可靠性高、壽命長。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)一種用于全鉆頭試驗測試系統(tǒng)的扭矩傳感器，主要由依次相連的輸入能源耦合器、穩(wěn)壓電路、應(yīng)變橋、放大器、V/F變換器、輸出信號耦合器、信號輸出電路構(gòu)成。所述輸入能源耦合器用于將能源送到應(yīng)變軸上。 所述穩(wěn)壓電路用于將能源變成穩(wěn)定電壓供給應(yīng)變軸上各電子器件。所述應(yīng)變橋用于將應(yīng)變軸的微小變形轉(zhuǎn)換成電信號。所述信號輸出電路用于整形輸出調(diào)頻方波信號。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是測量正、反向扭矩時，不需調(diào)整零點；信號檢測采用數(shù)字化處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強；體積小、重量輕、安裝方便、可靠性高、 壽命長。


圖1為發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。實施例如圖1所示，本發(fā)明主要由依次相連的輸入能源耦合器、穩(wěn)壓電路、應(yīng)變橋、放大器、V/F變換器、輸出信號耦合器、信號輸出電路構(gòu)成。其工作原理為采用應(yīng)變電測原理，當(dāng)應(yīng)變軸受扭力影響產(chǎn)生微小變形后，粘貼在應(yīng)變軸上的應(yīng)變計阻值發(fā)生相應(yīng)變化，將具有相同應(yīng)變特性的應(yīng)變計組成測量電橋，應(yīng)變電阻的變化即可轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓M行測量。電源經(jīng)過處理后送入輸入能源耦合器，經(jīng)耦合將能源送到應(yīng)變軸上，由穩(wěn)壓電路變成穩(wěn)定電壓供給應(yīng)變軸上各電子器件，應(yīng)變橋?qū)?yīng)變軸的微小變形轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大器放大送到V/F變換器，經(jīng)輸出信號耦合器輸出，通過信號輸出電路整形后輸出調(diào)頻方波信號。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)，對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于全鉆頭試驗測試系統(tǒng)的扭矩傳感器，其特征在于，主要由依次相連的輸入能源耦合器、穩(wěn)壓電路、應(yīng)變橋、放大器、V/F變換器、輸出信號耦合器、信號輸出電路構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于全鉆頭試驗測試系統(tǒng)的扭矩傳感器，其特征在于， 所述輸入能源耦合器用于將能源送到應(yīng)變軸上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于全鉆頭試驗測試系統(tǒng)的扭矩傳感器，其特征在于， 所述穩(wěn)壓電路用于將能源變成穩(wěn)定電壓供給應(yīng)變軸上各電子器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于全鉆頭試驗測試系統(tǒng)的扭矩傳感器，其特征在于， 所述應(yīng)變橋用于將應(yīng)變軸的微小變形轉(zhuǎn)換成電信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于全鉆頭試驗測試系統(tǒng)的扭矩傳感器，其特征在于， 所述信號輸出電路用于整形輸出調(diào)頻方波信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于全鉆頭試驗測試系統(tǒng)的扭矩傳感器。該用于全鉆頭試驗測試系統(tǒng)的扭矩傳感器主要由依次相連的輸入能源耦合器、穩(wěn)壓電路、應(yīng)變橋、放大器、V/F變換器、輸出信號耦合器、信號輸出電路構(gòu)成。本發(fā)明測量正、反向扭矩時，不需調(diào)整零點；信號檢測采用數(shù)字化處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強；體積小、重量輕、安裝方便、可靠性高、壽命長。
文檔編號G01L5/24GK102466534SQ20101056030
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者常萍 申請人:常萍