一种非旋转中心安装式角位移测量传感器及测量方法
【专利摘要】一种非旋转中心安装式角位移传感器及测量方法，该传感器包括双加速度传感单元式传感器、A/D转换模块和微处理器，双加速度传感单元式传感器利用电阻式应变片组成的桥式电路感应到的处于不同水平高度的加速度传感单元各自的重力加速度和切向加速度的分量大小变化，依次通过A/D转换模块和微处理器的计算处理，得到被测量件的倾角值，并通过信号转换接口输送到上位机显示；该传感器克服了传统角位移传感器需要安装在旋转中心的缺点，通过简单算法消除了安装在非旋转中心处所造成的切向加速度的影响；双加速度传感单元式传感器具有灵敏度高和测量精度高的优点；微处理器通过对采集的信号进行数学运算处理，运算简单方便；采用信号转换接口，可接入其他的设备来配合工作，扩展性好。
【专利说明】
一种非旋转中心安装式角位移测量传感器及测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种传感器，具体涉及一种非旋转中心安装式角位移传感器及测量方 法。
【背景技术】
[0002] 角位移测量传感器是工业现场测量和试验技术中被广泛使用的传感器，通常它要 求安装在被测结构旋转中心处以消除法向加速度、切向加速度的影响。对于油田大量使用 的游梁式抽油机，常通过角位移测量实现光杆位移离的测量。然而，油田工作环境的特殊性 和庞大的数量造成了该方法存在以下难点：1、由于油田作业环境安全性要求，不允许对被 测机构打孔安装传感器，难以实现将传感器安装在旋转中心的目的；2、陀螺仪价格相对于 加速度传感器价格高出许多，极大地提高了角位移测量传感器的成本。世界各国的油田在 利用角位移测量实现游梁式抽油机光杆位移测量的过程中都面临以上两个问题。
[0003] 目前，我国有数十万台游梁式抽油机，均需要对其光杆位移进行测量，甚至需要连 续监测，以获取油机工况等信息，是实现高效采油和油井信息化监控的必要措施。但传统的 通过角位移测量实现光杆位移测量的方式有着无法在旋转中心安装、成本过高等问题。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种非旋转中心安装 式角位移传感器及测量方法，该传感器无需安装在被测量件的旋转中心处，仅需通过简单 的计算处理就可以消除非旋转中心处安装带来的切向加速度影响，成本低廉且能够保证测 量精度。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种非旋转中心安装式角位移传感器，包括双加速度传感单元式传感器2，双加速 度传感单元式传感器2的第一模拟电压输出口 7和第二模拟电压输出口 8分别和A/D转换模 块3的第一输入端9和第二输入端10相连接，A/D转换模块3的时钟输入端口 12和微处理器4 的时钟线输入输出I/O端口 14相连接，A/D转换模块3的数据线通信端口 11和微处理器4的数 据线输入输出I/O端口 13相连接，微处理器4的发送输出端口 15和信号转换接口 5的接收输 入端口 17相连接，微处理器4的接收输入端口 16和信号转换接口 5的发送输出端口 18相连 接，信号转换接口 5的发送输出端口 19和上位机6的接收输入端口 21相连接，信号转换接口 5 的接收输入端口 20和上位机6的发送输出端口 22相连接;双加速度传感单元式传感器2、A/D 转换模块3、微处理器4、以及信号转换接口 5的电源输入端和电源模块1相连接;所述双加速 度传感单元式传感器2包括水平设置并分别位于不同高度的第一加速度传感单元23和第二 加速度传感单元24。
[0007] 所述的第一加速度传感单元23上布置有第一电阻式应变片R1、第二电阻式应变片 R2、第三电阻式应变片R3和第四电阻式应变片R4,并通过电连接组成第一桥式电路，第一桥 式电路连接第一电压跟随器25的正负输入端，测量的加速度信号通过第一电压跟随器25， 第一电压跟随器25的输出端即双加速度传感单元式传感器2的第一模拟电压输出口 7与A/D 转换模块3的第一输入端9相连接;所述第二加速度传感单元24上布置有第五电阻式应变片 R5、第六电阻式应变片R6、第七电阻式应变片R7和第八电阻式应变片R8,并通过电连接组成 第二桥式电路，第二桥式电路连接第二电压跟随器26的正负输入端，测量的加速度信号通 过第二电压跟随器26,第二电压跟随器26的输出端即双加速度传感单元式传感器2的第二 模拟电压输出口 8与A/D转换模块3的第二输入端10相连接。
[0008] 上述所述一种非旋转中心安装式角位移传感器的测量方法，将所述非旋转中心安 装式角位移传感器固定安置于被测量件上，安装位置不要求为被测量件的旋转中心;接通 电源模块1，通电启动双加速度传感单元式传感器2、A/D转换模块3、微处理器4以及信号转 换接口 5,当被测量件发生角度倾斜时，由于该非旋转中心处安装式角位移测量传感器被固 定安置在被测量件的非旋转中心处，双加速度传感单元式传感器2中两个加速度传感单元 与被测量件的旋转中心存在差值，它们各自感应地球重力加速度轴上的分量大小和切向加 速度大小，并通过各自所在的桥式电路将加速度模拟电压信号通过双加速度传感单元式传 感器2的第一模拟电压输出端口7和第二模拟电压输出口8分别输送到A/D转换模块3的第一 输入端9和第二输入端10，A/D转换模块3将发送来的两路加速度模拟信号进行高分辨率采 样后，通过微处理器4操纵时钟线输入输出I/O端口 14向A/D转换模块3的时钟输入端口 12发 出的时序控制指令，将高分辨率采样结果根据微处理器4时序控制指令来定时经A/D转换模 块3的数据线通信端口 11发送至微处理器4的数据线输入输出I/O端口 13，微处理器4计算实 际的倾斜角位移值，微处理器4将实际的倾斜角度值通过信号转换接口 5输送到上位机6显 示，上位机6也通过信号转换接口 5可对微处理器4的输出频率进行设置以及对传感器角位 移的角度标定；
[0009] 所述微处理器4计算实际的倾斜角位移值的方法如下：
[0010] 将所述非旋转中心安装式角位移测量传感器固定安置于被测量件上，安装位置不 要求为被测量件的旋转中心；由于安装位置不要求为被测量件的旋转中心处，双加速度传 感单元式传感器中两个加速度传感单元与被测量件的旋转中心的距离存在差值;高度不同 的第一加速度传感单元23和第二加速度传感单元24,测得的加速度为各自的重力加速度和 切向加速度，即31 = 311+3〇1，32 = 312+3(32，考虑到两加速度传感单元相对于水平线的倾斜角 度相同，有aei = a〇2,且切向加速度表达式为ai = ftr，其中，0为角加速度，r为旋转半径;做计 算a2-ai = aT2+a〇2-(aTi+a(3i) =0(r2_ri)
'将该值代入加速度表达式中，有
?，则有角位移
[0011 ]和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
[0012]本发明通过双加速度传感单元式传感器感应到的被测量件重力加速度的分量及 切向加速度的大小变化并通过A/D转换模块、微处理器，计算后的被测量件的角位移值通过 信号转换接口输送到上位机显示。该传感器克服了传统角位移传感器需要安装在旋转中心 的缺点，安装位置不要求为被测量件的旋转中心处，并通过简单算法消除了非旋转中心处 安装带来的切向加速度的影响;双加速度传感单元式传感器具有灵敏度高和测量精度高的 优点；微处理器通过对采集的信号进行数学运算处理，运算简单方便;采用信号转换接口， 可接入其他设备配合工作，扩展性好;上位机通过通信命令可对微处理器进行输出频率的 设置，以满足后续系统的要求，提高了传感器适用性，同时上位机也可以通过通信命令对传 感器角位移的角度标定，更为方便快捷；另外所用的部件由小封装低功耗电子器件组装而 成，体积小、功耗低。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明的各部件连接示意图。
[0014] 图2是双加速度传感单元式传感器2的结构示意图。
[0015] 图3是本发明的第一加速度传感单元23及其桥式电路和第一电压跟随器25的接线 图。
[0016] 图4是本发明的第二加速度传感单元24及其桥式电路和第二电压跟随器26的接线 图。
[0017]图5是本发明的原理示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作详细的说明。
[0019] 如图1、图2、图3和图4所示，本发明一种非旋转中心安装式角位移传感器，包括双 加速度传感单元式传感器2,双加速度传感单元式传感器2中第一加速度传感单元23的第一 电阻式应变片R1、第二电阻式应变片R2、第三电阻式应变片R3和第四电阻式应变片R4组成 桥式电路，与第一电压跟随器25相连接，第一电压跟随器25通过双加速度传感单元式传感 器的第一模拟电压输出口 7与A/D转换模块3的第一输入端9相连接，第二加速度传感单元24 的第五电阻式应变片R5、第六电阻式应变片R6、第七电阻式应变片R7和第八电阻式应变片 R8组成桥式电路，与第二电压跟随器26相连接，第二电压跟随器26通过双加速度传感单元 式传感器的第二模拟电压输出口 8与A/D转换模块3的第二输入端10相连接，A/D转换模块3 的时钟输入端口 12和微处理器4的时钟线输入输出I/0端口 14通过通信电缆线相连接，A/D 转换模块3的数据线通信端口 11和微处理器4的数据线输入输出I/O端口 13通过通信电缆相 连接，微处理器4的发送输出端口 15和信号转换接口 5的接收输入端口 17通过通信电缆相连 接，微处理器4的接收输入端口 16和信号转换接口 5的发送输出端口 18通过通信电缆相连 接，信号转换接口 5的发送输出端口 19和上位机6的接收输入端口 21通过通信电缆相连接， 信号转换接口 5的接收输入端口 20和上位机6的发送输入端口 22通过通信电缆相连接;双加 速度传感单元式传感器2、A/D转换模块3、微处理器4以及信号转换接口 5的电源输入端通过 供电线缆和电源模块1相连接。
[0020] 上述所述一种非旋转中心安装式角位移传感器的测量方法，将所述非旋转中心安 装式角位移传感器固定安置于被测量件上安装位置不要求为被测量件的旋转中心;接通电 源模块1，通电启动双加速度传感单元式传感器2、A/D转换模块3、微处理器4以及信号转换 接口5,当被测量件发生角度倾斜时，由于该非旋转中心处安装式角位移测量传感器被固定 安置在被测量件的非旋转中心处，双加速度传感单元式传感器2感应地球重力加速度在其 不同传感单元各自轴上的分量大小和切向加速度大小，并通过各自所在的桥式电路将加速 度模拟电压信号通过双加速度传感单元式传感器2的第一模拟电压输出端口 7和第二模拟 电压输出口 8分别输送到A/D转换模块3的第一输入端9和第二输入端10, A/D转换模块3将发 送来的两路加速度模拟信号进行高分辨率采样后，通过微处理器4操纵时钟线输入输出I/O 端口 14向A/D转换模块3的时钟输入端口 12发出的时序控制指令，将高分辨率采样结果根据 微处理器4时序控制指令来定时经A/D转换模块3的数据线通信端口 11发送至微处理器4的 数据线输入输出I/O端口 13,微处理器4计算实际的倾斜角位移值，微处理器4将实际的倾斜 角度值通过信号转换接口 5输送到上位机6显示，上位机6也通过信号转换接口 5可对微处理 器4的输出频率进行设置以及对传感器角位移的角度标定;该传感器克服了传统角位移传 感器需要安装在旋转中心的缺点，通过简单算法消除了非旋转中心处切向加速度的影响； 双加速度传感单元式传感器2具有灵敏度高和测量精度高的优点；微处理器通过自行编译 程序，对采集的信号进行数学运算处理，得到所需要的值;采用信号转换接口 5,可接入其他 的设备来配合工作，扩展性好；另外所用的部件由小封装低功耗电子器件组装而成，体积 小、功耗低。
[0021]利用如图1所示的双加速度传感单元式传感器，由两个加速度传感单元构成。分别 测量得到各传感单元的重力加速度和切向加速度信号。如图5所示，将加速度传感器安装在 抽油机油梁的上方，避免了在旋转中心处打孔安装，保证了在油田特殊工作环境下的使用 安全。对于不同高度的第一加速度传感单元23和第二加速度传感单元24,它们测得的加速 度为各自的重力加速度和切向加速度，即ai = aTi+aei，a2 = aT2+ae2,考虑到两加速度传感单 元相对于水平线的倾斜角度相同，有aei = ae2，且切向加速度表达式为aT = fo，其中，0为角加 速度，r为旋转半径。做计算a2-ai = aT2+a〇2-(aTi+aei) =0(r2_ri),
'将该值 代入加速度表达式中，
有
，抽油机的绳头 光杆位移为y = 9R，其中R为磕头机相对油梁旋转中心的回转半径。
【主权项】
1. 一种非旋转中心安装式角位移传感器，其特征在于:包括双加速度传感单元式传感 器(2)，双加速度传感单元式传感器(2)的第一模拟电压输出口（7)和第二模拟电压输出口 (8)分别和A/D转换模块(3)的第一输入端(9)和第二输入端（10)相连接，A/D转换模块(3)的 时钟输入端口（ 12)和微处理器(4)的时钟线输入输出I/O端口（ 14)相连接，A/D转换模块(3) 的数据线通信端口（11)和微处理器(4)的数据线输入输出I/O端口（13)相连接，微处理器 (4)的发送输出端口（15)和信号转换接口（5)的接收输入端口（17)相连接，微处理器(4)的 接收输入端口（ 16)和信号转换接口（5)的发送输出端口（ 18)相连接，信号转换接口（5)的发 送输出端口（ 19)和上位机(6)的接收输入端口（21)相连接，信号转换接口（5)的接收输入端 口（ 20)和上位机(6)的发送输出端口（ 22)相连接;双加速度传感单元式传感器(2 )、A/D转换 模块(3)、微处理器(4)、以及信号转换接口（5)的电源输入端和电源模块(1)相连接;所述双 加速度传感单元式传感器（2)包括水平设置并分别位于不同高度的第一加速度传感单元 (23)和第二加速度传感单元(24)。2. 根据权利要求1所述的一种非旋转中心安装式角位移传感器，其特征在于:所述的第 一加速度传感单元(23)上布置有第一电阻式应变片(R1)、第二电阻式应变片(R2)、第三电 阻式应变片(R3)和第四电阻式应变片(R4)，并通过电连接组成第一桥式电路，第一桥式电 路连接第一电压跟随器(25)的正负输入端，测量的加速度信号通过第一电压跟随器(25)输 出端即双加速度传感单元式传感器(2)的第一模拟电压输出口（7)与A/D转换模块(3)的第 一输入端(9)相连接;所述第二加速度传感单元(24)上布置有第五电阻式应变片(R5 )、第六 电阻式应变片(R6)、第七电阻式应变片(R7)和第八电阻式应变片(R8)，并通过电连接组成 第二桥式电路，第二桥式电路连接第二电压跟随器(26)的正负输入端，测量的加速度信号 通过第二电压跟随器(26)输出端即双加速度传感单元式传感器(2)的第二模拟电压输出口 (8)与A/D转换模块(3)的第二输入端(10)相连接。3. 权利要求2所述一种非旋转中心安装式角位移传感器的测量方法，其特征在于:将所 述非旋转中心安装式角位移传感器固定安置于被测量件上，安装位置不要求为被测量件的 旋转中心;接通电源模块（1 )，通电启动双加速度传感单元式传感器(2)、A/D转换模块(3)、 微处理器(4)以及信号转换接口（5)，当被测量件发生角度倾斜时，由于该非旋转中心处安 装式角位移测量传感器被固定安置在被测量件的非旋转中心处，双加速度传感单元式传感 器(2)中两个加速度传感单元与被测量件的旋转中心存在差值，它们各自感应地球重力加 速度轴上的分量大小和切向加速度大小，并通过各自所在的桥式电路将加速度模拟电压信 号通过双加速度传感单元式传感器(2)的第一模拟电压输出端口（7)和第二模拟电压输出 口（8)分别输送到A/D转换模块(3)的第一输入端(9)和第二输入端(10)，A/D转换模块(3)将 发送来的两路加速度模拟信号进行高分辨率采样后，通过微处理器(4)操纵时钟线输入输 出I/O端口（14)向A/D转换模块(3)的时钟输入端口（12)发出的时序控制指令，将高分辨率 采样结果根据微处理器(4)时序控制指令来定时经A/D转换模块(3)的数据线通信端口（11) 发送至微处理器(4)的数据线输入输出I/O端口（13)，微处理器(4)计算实际的倾斜角位移 值，微处理器(4)将实际的倾斜角度值通过信号转换接口（5)输送到上位机(6)显示，上位机 (6)也通过信号转换接口（5)可对微处理器(4)的输出频率进行设置以及对传感器角位移的 角度标定； 所述微处理器(4)计算实际的倾斜角位移值的方法如下： 将所述非旋转中心安装式角位移测量传感器固定安置于被测量件上，安装位置不要求 为被测量件的旋转中心；由于结构的特殊性，该传感器包含的两个加速度传感单元与被测 量件的旋转中心的距离存在差值，不同高度的第一加速度传感单元(23)和第二加速度传感 单元(24)，测得的加速度为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 虑到两加速度传感单元相对于水平线的倾斜角度相同，有aei = ae2，且切向加速度表达式为 aT = ftr，其中，0为角加速度，r为旋转半径;做计算a2-ai = aT2+a〇2-(aTi+aei) =0(r2_ri)，求得，将该值代入加速度表达式中：则有角位移
【文档编号】G01B21/22GK106052623SQ201610566516
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】吴啟琛, 徐明龙, 宋思扬, 谢石林
【申请人】西安交通大学