本发明涉及一种信号处理系统及方法，属于钻探技术领域，尤其是涉及一种用于扭矩测量的信号处理系统及方法。
背景技术：
随钻测量mwd(measurementwhiledrilling)是指钻机在钻进的同时连续不断地检测有关钻孔或钻头的信息。
钻井过程中，近钻头处的钻压、扭矩等钻井工程参数的随钻准确测量对安全、高效钻井是十分重要的。随着钻井深度的增加，特别是各种分支井、水平井的开发，各种卡钻、掉牙轮、钻具断落等钻井事故时有发生，给钻井生产的安全与效率带来很大影响，实时测量近钻头处的钻压扭矩等钻井工程参数的变化可以有效地防止此类事故的发生，为安全、高效钻井提供技术支持。
公知的钻井监控技术大多采用地面扭矩仪和指重表来测量扭矩和钻压，由于钻井过程中钻柱与井壁的相互作用过程复杂，由地面测量数据推算得到近钻头处工程参数的准确度较差。并且钻铤在钻井液中受到浮力与摩擦力、钻铤下放的冲击力和弹性力、不规则井眼的井壁对钻铤的摩擦力、钻铤螺旋弯曲旋转的离心力、以及钻铤在井下的纵振、横振等因素都不易精确计算，即便推算模型考虑因素再多，推算结果的准确度与可信度也很低。
现有技术中的扭矩测量电路多采用直流信号作为激励信号源。但是，当钻铤承受的扭力较小时，这时扭矩测量装置因受扭矩影响而导致的电压信号变化非常微弱、信噪比差，这时如果通过单一的提高放大倍数很难准确的测量出反应扭矩的有效信号。
技术实现要素：
本发明主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种用于扭矩测量的信号处理系统及方法。该信号处理系统及方法利用交流信号具有已知的频率特性，通过带通滤波器和锁相放大器等处理滤掉频带以外的噪声信号，从而将微弱的能反应扭矩变化的信号提取出来。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种用于扭矩测量的信号处理系统，包括：
依次串连的控制器、波形发生器，交流激励放大电路，扭矩应变测量电桥，前级放大器、带通滤波器、后级放大器、锁相放大器；
其中，所述扭矩应变测量电桥的桥臂由设置于钻铤外壁上并且与钻铤轴线方向呈相同夹角的扭矩应变测量体串联构成。
优化的，上的一种用于扭矩测量的信号处理系统，所述锁相放大器的输出端依次连接低通滤波器、整流桥电路、信号采集电路、控制器。
优化的，上的一种用于扭矩测量的信号处理系统，所述控制器还连接有温度传感器。
优化的，上的一种用于扭矩测量的信号处理系统，所述控制器与mwd通讯485协议接口电路相连。
优化的，上的一种用于扭矩测量的信号处理系统，所述扭矩应变测量体设置于一圆环结构的扭矩测量传感器上，每个所述扭矩测量传感器上设置4个扭矩应变测量体，分别相对于钻铤轴0度方向，45度方向、135度方向、225度方向、315度方向；连接相距90度的扭矩应变测量体构成的桥臂；将桥臂连接点的电压差作为扭矩电压。
优化的，上的一种用于扭矩测量的信号处理系统，所述波形发生器的型号为ad5932；所述控制器是型号为dspic33fj256mc710a的单片机。
一种用于扭矩测量的信号处理方法，包括：
采用依次串连的控制器、波形发生器，交流激励放大电路生成交流电信号并作为扭矩应变测量电桥的激励信号；
将扭矩应变测量电桥的输出信号依次送入扭矩应变测量电桥，前级放大器、带通滤波器、后级放大器、锁相放大器处理后提取扭矩信号；
其中，所述扭矩应变测量电桥的桥臂由设置于钻铤外壁上并且与钻铤轴线方向角度相同的扭矩应变测量体串联构成。
优化的，上述的一种用于扭矩测量的信号处理方法，所述锁相放大器的输出端依次连接低通滤波器、整流桥电路、信号采集电路、控制器。
优化的，上述的一种用于扭矩测量的信号处理方法，所述控制器还连接有温度传感器。
优化的，上述的一种用于扭矩测量的信号处理方法，所述控制器与mwd通讯485协议接口电路相连。
因此，本发明具有如下优点：1.采用随钻测量方式，能够实时获取钻具所受扭矩，从而为快速调整钻具参数提供支持；2.采用多个扭矩测量传感器圆环结构上的测量体来监测扭矩变化，提高了测量精度。
附图说明
附图1-1是本发明的随钻井下扭矩测量装置示意图；
附图1-2是扭矩测量钻铤本体沿着扭矩传感器安装凹槽的剖面视图；
附图2-1是扭矩应变测量体的原理图；
附图2-2是扭矩应变测量体安装结构示意图；
附图2-3是扭矩应变测量体实物示意图；
附图3是测量电桥结构示意图；
附图4是扭矩测量圆环的受力分析示意图；
附图5是随钻井下扭矩测量装置的电路系统示意图；
附图6是交流信号激励与扭矩测量信号调理采集电路框图。
图中，r1-45、r2-45、r3-45、r4-45、r5-45、r6-45是45度方向扭矩测量体的等效电阻；
r1-135、r2-135、r3-135、r4-135、r5-135、r6-135是135度方向扭矩测量体的等效电阻；
r1-225、r2-225、r3-225、r4-225、r5-225、r6-225是225度方向扭矩测量体的等效电阻；
r1-315、r2-315、r3-315、r4-315、r5-315、r6-315是315度方向扭矩测量体的等效电阻；
mwd接口协议电路舱体1，扭矩应变测量电路舱体2，测量钻铤本体3，扭矩应变测量体安装舱体4，电池舱体5，水眼泥浆通道6，通孔(t1-t6)7，p型半导体8，导电沟道9，n型半导体10，定位槽11，tob-4512,tob-13513,tob-22514,tob-31515,扭矩应变测量体16，防止扭矩应变测量体的扭矩传感器圆环17。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
1、钻铤装置结构
请参阅图1-1，本发明实施提供的随钻井下扭矩测量装置包括：能够承压石油钻井压力的井下扭矩测量测量钻铤安装本体、安装扭矩测量传感器阵列圆孔、电池舱体、压力测量电路舱体，mwd接口协议电路舱体。
扭矩测量传感器按照钻铤本体轴向方向等距离圆周阵列方式设置，其由嵌入粘贴有扭矩应变测量体的扭矩测量圆环构成，该圆环阵列能够测量出连续管钻井过程中动态参数测量短接上的扭矩力，并将测量到的扭矩力信号送入测量信号调理电路进行相应信号处理，并通过ad采样换成数字量扭矩值，再将该扭矩值通过mwd接口协议电路传送到井下mwd仪器，通过井下mwd仪器的泥浆通道，将测量到的扭矩力数据的上传地面。同时测量到的扭矩力数据在井下也被保存到大容量存储器中，以便起钻后的数据回放。
扭矩测量装置的扭矩应变测量体阵列、测量信号调理电路、电池供电电路和mwd接口协议电路安装在钻铤的侧壁上面，电池供电单元连接线、mwd接口协议电路连接线安装在钻铤的水眼内部，钻铤本体也采用水眼偏心结构设计，使得泥浆液能够通畅流过钻铤本体的泥浆通道。在泥浆通道内部机械结构设计是为了将供电电池单元连接线、mwd接口协议电路连接线从钻铤的侧壁短路舱体中引出到与其他的井下仪器(如井下mwd仪器)的滑环接头上，保证与其他井下仪器通讯。机械结构的两端各安装有两道o型密封圈结构，可靠的保证泥浆通道内的泥浆液不会进入到电池供电单路、mwd协议接口电路、扭矩测量传感器阵列和扭矩测量信号调理电路的舱体中去。
如图1-1所示，井下扭矩测量装置的钻铤上加工出了六个凹槽和四个安装舱体，用于安装扭矩传感器圆环凹槽为圆柱形。四个安装舱其中一个放置扭矩测量信号调理采集电路板、一个放置mwd接口协议电路、另外两个放置电池供电电路，并且在六个圆柱体凹槽之间加工出通孔进行连接。
在图1-1钻铤本体的侧视图中，扭矩测量钻铤本体上，加工出圆柱形凹槽均与扭矩测量信号调理采集电路板舱体相连接。用于扭矩传感器圆环上，扭矩应变测量体的信号输出线和信号输入线的安放。
图1-2是扭矩测量钻铤本体沿着扭矩传感器安装凹槽的剖面视图。在沿着钻铤本体圆周方向上，顺时针加工出6个扭矩传感器安装凹槽，每个扭矩传感器圆柱形安装凹槽间隔的角度为60度。6个光滑扭矩传感器圆柱形圆柱凹槽为p1到p6，这些光滑扭矩传感器圆柱形凹槽用于安装扭矩传感器圆环。
在截面图中扭矩传感器圆柱形凹槽p1到p6之间使用屏蔽导线，通过通孔t1到t6进行相互连接，这些屏蔽导线将6个凹槽中的扭矩传感器圆环上的扭矩应变测量体连接起来，使之构成测量钻铤本体所受扭矩力的传感器阵列。
在每条屏蔽导线上都需要加装保护屏蔽导线用的热缩管，防止导线被钻铤本体加工后的金属毛刺划伤。此外，在p1到p6每个扭矩传感器圆柱形凹槽上都加工了螺扣，可以安装配密封圈的金属螺栓盖板，对扭矩传感器圆柱形凹槽和凹槽里放置扭矩传感器圆环、扭矩应变测量体的形成机械保护结构，防止在井下随钻测量时，环境中高压泥浆液的侵入，以及钻井过程中强振动所引起的破碎岩屑的渗入，使得扭矩测量体、电池供电电路、mwd接口协议电路和扭矩测量电路正常工作。
2、扭矩应变测量体
扭矩应变测量体主要由掺杂硅晶体薄带形成，对氧化硅薄带的两端进行掺杂改变其导电性能，在外界电路电压的作用下可以在硅晶体薄带内部形成一条导电通道，当扭矩力施加到掺杂硅晶体薄带上时，会使其产生相应的应变，应变导致该导电通道的形状发生变化，从而导致流过导电通道的电流大小发生变化，整个掺杂硅晶体薄带对外表现为电阻的变化。而扭矩应变测量体组成的相应电桥阵列时，由于扭矩应变引起的扭矩应变测量体的电阻变化，造成电桥桥臂的分压不同，从而电桥对外输出与扭矩应变相对应电压值。扭矩应变测量体主要结构如图2-1中所示。其是具有四个端点的器件,由图可以看出在硅晶体薄膜的两端使用离子注入工艺掺入三价元素硼形成p型半导体使其产生空穴，在硅晶体薄膜中间使用离子注入工艺掺入价元素磷形成n型半导体使其产生电子。硅晶体薄膜中间部分是由金属\绝缘体\半导体结构形成寄生电容。
绝缘层上的金属板称为栅电极g,在栅极上施加栅极电压,可以通过寄生电容改变绝缘层中的电场强度,控制掺杂的n型硅晶体表面电场。从而改变掺杂的n型硅晶体表面沟道的宽窄，从而改变沟道的导电能力。
硅晶体两侧的电极分别是由掺杂的p型半导体形成的源极和漏极,在导电沟道开启的状态下,电子将从p型半导体源极流入导电沟道,从p型半导体漏极流出。
硅晶体是掺杂的n型半导体电极。由于n型半导体和p型半导体之间界面的渗透作用形成电子耗尽层。因此在g极n型半导体与s级p型半导体之间存在阈值电压vttp。
当漏极d与源极s之间加vtgs负电压时，随着栅极g的负栅压的增大，n型半导体表面电子耗尽层逐渐变为空穴积累。当栅极电压vtgs<vttp时,硅晶体表面将出现p型导电沟道。该导电沟道在源漏极电压vtds作用下,有电流itds经过p型沟道从源极s流向漏极d。
vtgs>vttp时,随着负电压vtgs的增大,硅晶体表面的空穴积累逐渐消失从而逐渐形成耗尽层。耗尽层等效电阻非常大,因此能穿过漏源极的电流很小,即pn结之间反向渗透电流，所以等效为itds＝0。
当外界电路加载到栅极源极和漏极的电压满足vtgs<＝vttp和vtgs-vttp<vtds条件时，掺杂后的n型半导体硅晶体薄膜表面将形成强导电沟道。这时漏源极ds之间的负偏压vtds将迫使空穴通过p型导电沟道从源极s向漏极d运动,从而形成电流itds，此电流可由以下公式表示。
式中itds—漏电流
kt′—-器件的跨导系数，kt′＝μtp×ctox，μtp为空穴迁移率，ctox为栅电容
wt—沟道宽度
lt—沟道长度
vtgs—栅电压
vtds—源漏电压
vttp—开启电压
在掺杂的硅晶体薄膜表面形成的p沟道的等效电阻rt为
由此式子可以看出扭矩应变测量体的等效电阻rt与硅晶体表面形成的沟道宽wt和沟道长度lt之间的关系。当外界扭力使得扭矩应变测量体拉长时，沟道宽wt受到应力变小，沟道长度lt受到应力变大，因此扭矩应变测量体表现出等效电阻rt变大。当外界扭力使得扭矩应变测量体压缩时，沟道宽wt受到应力变大，沟道长度lt受到应力变小，因此扭矩应变测量体表现出等效电阻rt变小。因此由扭矩应变测量体构成的应变桥，在桥电压稳定的条件下，电桥输出的电压值与扭矩应变测量体承受的扭矩值有相互对应的关系。
3、测量体电桥连接结构
放置在圆柱体凹槽p1到p6内的六个扭矩传感器圆环为相同的结构和材料，材料选用了弹性较好的铍铜。每个扭矩传感器圆环的表面壁粘贴了掺杂硅晶体扭矩应变测量体，如图2-2所示。每个扭矩传感器圆环上安装有4个这样测量体。扭矩应变测量体沿着与钻铤轴线方向顺时针安装，每个扭矩传感器圆环安装4个扭矩应变测量体，这四个测量体分别位于相对于钻铤轴0度方向，相差45度、135度、225度和315度的位置上，他们形成的电桥结构用来检测加载到钻铤本体上的扭矩力，所引起的扭矩传感器圆环变形。在圆柱体凹槽p1到p6内的扭矩传感器圆环的0度方向均与钻铤轴线方向平行，并且在每个圆柱体凹槽中加工了通孔t1到t6。
在圆柱体凹槽内的扭矩测量圆环上的测量体的之间使用导线进行连接，并组成测量电桥结构。导线通过每个圆柱体凹槽内的通孔t1到t6连接到相应的测量体上，连接方式如图3所示。
将6个凹槽内的扭矩测量圆环上的相同角度的扭矩应变测量体连接在一个电桥桥臂上，以p1圆柱体凹槽内的扭矩测量圆环为例，如图3中所示，将圆环上的tob_45扭矩应变测量体与p2、p3、p4、p5和p6槽内的tob_45扭矩应变测量体构成一组扭矩测量桥臂。
按照此设计，电桥四个方向上的扭矩应变测量体可构建四组扭矩测量桥臂，并且将相距90度的两个扭矩应变测量桥臂连接在一起。可以将tob_45扭矩应变测量桥臂和tob_135扭矩应变测量桥臂之间的连线引出，作为扭矩测量输出导线的一端子uout1，将tob_225扭矩应变测量桥臂和tob_315扭矩应变测量桥臂之间的连线引出作为扭矩测量导线的另外一端子uout2。
在uout1和uout2之间输出电压的电压差可以反映出钻铤本体承受扭矩的变化量。tob_45扭矩应变测量桥臂和tob_315扭矩应变测量桥臂之间的连线引出作为扭矩测量电桥信号输入的一个端子uin1。tob_135扭矩应变测量桥臂和tob_225扭矩应变测量桥臂之间的连线引出作为扭矩测量电桥信号输入的另外一个端子uin2。uin1和uin2之间可以加入恒定电压信号或者固定频率正弦波信号作为电桥的激励输入信号源。
扭矩测量圆环的受力分析如图4所示。当钻铤本体收到扭矩力的作用时在钻铤上加工的6个圆柱体凹槽会在扭矩的作用下产生形变。此时tob_135扭矩应变测量桥臂和tob_315扭矩应变测量桥臂里面的测量体，受到张力发生了伸长形变，tob_45扭矩应变测量桥臂和tob_225扭矩应变测量桥臂里面的测量体，受到挤压力发生了收缩形变。因此，由于电桥电路中的四个桥臂的分压作用，形成的电平衡被打破，在uout1和uout2之间会产生一个与扭矩应变相关的电压信号，该电压信号经过信号调理、采集并通过标定将反映出钻铤本体收到扭矩力的变化量。
4、信号处理
随钻井下扭矩测量装置的电路系统主要由信号调理电路和信号采集存储电路组成，如图5所示当钻铤收到扭力影响时，安装在钻铤的圆柱体凹槽内的扭矩传感器电桥阵列也收到扭力影响，产生相应的电压输出。该电压输出信号进过放大滤波处理后，传递给ad采样电路进行模数转换和相应的数字信号处理，最终转换成为扭矩值储存到井下存储器，并通过mwd接口协议电路发送到mwd仪器，通过mwd仪器和泥浆通道传输到地面接收设备。
信号调理电路将扭矩测量圆环输出的信号进行放大和滤波处理。如图3中所示在扭矩测量电桥信号输入端uin1和uin2之间可以加入直流电压信号或者交流信号，输入信号类型的选择可以通过信号选择电路来切换。信号能够切换的设计是由于当钻铤承受的扭力较大时，这时扭矩测量圆环输出端uout1和uout2之间的电压信号较大，因此其由较高的信噪比，能保证直接测量信号放大倍数可以设置的较低，信号通过简单处理标定就可以反映出钻铤承受的扭力。但当钻铤承受的扭力较小时，这时扭矩测量圆环输出端uout1和uout2之间的电压信号非常微弱、信噪比差，这时如果通过单一的提高放大倍数很难准确的测量出反应扭矩的有效信号。这时如果采用交流信号输入到uin1和uin2之间，由于交流信号具有已知的频率特性，因此可以通过带通滤波器和锁相放大器等处理滤掉频带以外的噪声信号，从而将微弱的能反应扭矩变化的信号提取出来。交流信号激励与扭矩测量信号调理采集电路框图如图6所示。
其采用了单片机dspic33fj256mc710a控制dds芯片ad5932来实现。dds芯片提供了一种产生频率可调的模拟波形型号的方案。通常是通过数字形式的时间转换成数字信号，再通过dac执行数模转换产生需要频率的正弦波电压信号。因为dds设备上运行是基于数字运算的，所以能够输出信号频率可以精细调节，信号输出频率调节范围大。由于dds设备可通过spi接口编程控制而且功耗低因此可以选择其作为扭矩测量电桥的交流频率信号源。ad5932的dds是可编程的通过高速串口外围接口(spi)，只需要单片机通过spi接口对其进行编程。ad5932就能够在基于25mhz的时钟下产生低于400khz的正弦波波形。该信号通过交流激励放大电路可以产生激励电流较强的正弦波交流激励信号加入到uin1和uin2之间，来提供电桥的交流激励源。
由于扭矩测量圆环上的测量体电桥桥路的输出信号(即uout1与uout2之间的电压信号)十分微弱，易被外界噪声所干扰，所以应首先接入前级放大电路。前级放大器的放大增益和噪声系数在很大程度上决定了系统总的噪声水平。所以是减小第一级放大器的噪声系数是降低整个信号调理电路总噪声系数的关键。此处选用亚德诺半导体公司的增益可变、高性能仪表放大器ad620构成前级放大电路。ad620对于带宽内的频率信号的共模抑制比高，可以抑制宽带内的噪声干扰和信号线路产生的谐波，因此在ad620组成的前级放大电路中能够很好的抑制共模噪声信号，有效的放大差模扭矩电压信号，使得扭矩电压信号测量具有高增益精度、低失调漂移和高共模抑制比等特点。
扭矩测量圆环上的测量体桥路的输出信号经仪表放大器ad620放大后，通过rc带通选频网络后输入到锁相放大器ad630,如图6中所示。锁相放大器是以相关运算为基础一种选频放大器，它可以从噪声信号中通过相关处理，分离出微弱具有特定频率的扭矩电压信号。
其选频的工作原理为：叠加了噪声干扰成分且包含固定频率的扭矩电压信号，输入到锁相放大器ad630，该放大器将另一个电压幅值稳定且频率与扭矩电压信号完全相同的正弦电压信号作为参考输入信号，通过芯片内部硬件结构进行互相关处理。
扭矩电压信号中的噪声干扰部分与参考电压信号不具有频域上的互相关性。而在互相关处理环节中受到很强的抑制，因而通过锁相放大ad630可以衰减与扭矩电压信号频率不同的信号。从而提高扭矩电压信号信噪比，为实现了扭矩电压信号精确测量提供了前提。本电路中采用亚德诺半导体公司的锁相放大器ad630构成选频电路。dds芯片ad5932所产生400hz正弦波信号经过ad630的selb引脚输入到芯片，与ad620放大后的扭矩测量圆环上的测量体桥路的输出的经过ad620放大的扭矩电压信号在芯片内部进行互相关运算。其运算后的扭矩电压信号通过vout引脚进行输出。在通过图6中20hz截止频率低通滤波电路和整流桥电路变换成直流电压信号，该信号的大小变化将反映出扭矩测量圆环上所承载扭力变化。
由ad630互相关处理并低通滤波整流过的扭矩电压信号经过输出到单片机电路板，由单片机的模数转换通道对该信号进行采集，利用外部测温芯片测量井下温度，并将采集到的扭矩信号连同温度保存到外部存储芯片上，通过通讯电路对主mwd发送的命令进行相应的处理。
5、信号标定
由于随钻井下扭矩测量装置工作在井下高温环境中，因此不同的环境温度对扭矩测量圆环上的测量体会产生影响，因此需要对该装置进行标定。使用大型扭矩标定装置产生不同的扭矩力加载到随钻井下扭矩测量装置的钻铤本体上。这样随钻井下扭矩测量装置会根据不同的扭矩力值测量到相应的电压值。将扭矩力值和相应的电压值带入多项式公式
这里x是随钻井下扭矩测量装置的输出电压值，y是扭矩标定装置所加载的扭矩力的真实值。实际上，只要传感器的响应可以表示为单调连续函数，就可以利用多项式函数来逼近到任意精度，因此，一般情况下上面的式子是可以成立的。ati可以根据实验数据利用最小二乘拟合(lms)的方法计算出来，唯一需要注意的是对于n次多项式，至少需要n+1个数据点才可以计算出。实际应用中，n的取值不宜过大，一般取为4以下就足够了，而数据点则是越多越好，这里n＝4。然后考虑温度的影响，不同温度下，上面公式中ai的会发生变化。也就是说ati是温度t的函数。类似的，也可以用多项式函数来逼近：
最终扭矩力yt则可以表示为：
只要将这里的btij确定下来就可以完成在不同温度环境下扭矩测量的标定工作了，同样，上面的公式也可以表示为矩阵形式。
t＝(1,t,..........tm)
yt＝t*bt*x
该标定算法的最终可以得到一组标定系数b。在井下工作时随钻井下扭矩测量装置，通过温度传感器先测量出钻铤本体的温度值t，然后将该温度值带入到公式：
公式中的btij就是标定完成后，所得到的标定系数，该系数带入上面公式后将产生系数ai。此时井下工作时随钻井下扭矩测量装置将从扭矩测量圆环测量到的电压值x和上面公式所产生的系数ati，带入到公式：
公式通过计算所得出的y就是，此时处于井下工作的随钻井下扭矩测量装置的钻铤本体所承受的扭矩力。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。