CN104697481A - 基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置及方法。该测量装置安装于抽油机悬点处，利用三轴加速度传感器的左右、前后、上下三轴输出计算该装置的倾斜角度，利用该角度对加速度传感器的上下轴所测的悬点上下运动加速度进行修正，对修正后的加速度进行二次积分，计算悬点位移。本发明的有益效果是：本发明创造性的采用三轴加速度传感器和单片机相结合对抽油机悬点位移进行测量；通过检测该装置的倾斜角度对所测量的上下轴向加速度进行修正，进而计算悬点位移；该方法和装置消除了由于加速度传感器的上下轴向与重力加速度不完全平行导致的位移测量误差，可以大大提高位移的计算精度。

Description

基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种抽油机悬点位移的测量，特别涉及基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置及方法。

背景技术

    抽油机示功图是分析抽油机井下抽油泵工作状况的重要依据，它由抽油机在一个冲次内悬点处的载荷与位移组成。载荷可以通过载荷传感器直接测量，但是位移测量较复杂。

目前抽油机悬点位移测量有拉线式、角度式、加速度式等方法，其中拉线式和角度式需要借助复杂的机械机构，故障率很高，因此使用较多的是加速度式。该方法是通过加速度传感器测量抽油机悬点上下运动加速度，再对加速度进行二次积分获得悬点的位移。该方法主要采用单轴加速度传感器，如专利“抽油机光杆加速度位移传感器”（专利号CN200720023552），或者仅使用多轴加速度传感器的一个轴向的输出，如专利“基于Zigbee网络的无线低功耗油井示功仪”（专利号CN201210445726）。仅使用单轴加速度传感器或者多轴加速度传感器的一个轴向输出对抽油机悬点位移进行测量，具有很大的不足。由于固定或者老化等原因，安装加速度传感器的设备可能会发生倾斜、变形，使加速度传感器的上下轴不能与地面绝对垂直，这样加速度传感器的上下轴所测的悬点运动加速度仅仅是悬点实际运动加速度的一个分量，通过该分量的二次积分计算悬点位移，计算结果与悬点的实际位移偏差较大，从而使通过加速度方式测量悬点位移的误差较大。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置及方法，用于解决目前基于单轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量误差大的问题。

本发明提到的基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置，其技术方案是：包括壳体、电池、电源模块、三轴加速度传感器、单片机、无线通信模块，所述的电池、电源模块、三轴加速度传感器、单片机、无线通信模块全部安装于壳体内，壳体固定于抽油机悬点，随悬点上下运动，电池和电源模块向各部分供电，三轴加速度传感器对三个轴向的加速度进行测量，输入单片机，经过计算获得装置的倾斜角度，对上下轴加速度进行修正，再计算获得悬点的位移，通过无线通信模块向外发送。

上述的三轴加速度传感器的输出以电压模拟量的形式经过低通滤波输给单片机的AD口，单片机对输入的模拟量进行AD转换，用数字量表示加速度的大小。

本发明提到的基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置的测量方法，包括以下步骤：

（1）、装置的供电

测量装置安装于悬点，采用电池供电，电池与电源模块相连，电源模块产生稳定电压，向加速度传感器、单片机和无线通信模块供电；

测量装置由ER34615H型3.6V锂亚硫酰氯电池供电，该电池容量达到20000mAh，能够为装置长时间不间断供电，电池与电源模块U4相连，该电源模块型号为NCP500SN33T1，该电源模块可提供电流为150mA的3.3V直流电；

（2）、加速度的采集

测量装置通过三轴加速度传感器测量三个轴向的加速度，并将加速度以模拟量的形式输给单片机；

（3）、加速度的计算

三轴加速度传感器的输出以电压模拟量的形式经过低通滤波输给单片机的AD口，单片机对输入的模拟量进行AD转换，用数字量表示加速度的大小；

（4）、加速度的修正

通过单片机的AD转换，将加速度以数字量形式表示，再计算出加速度传感器的X轴与重力加速度的夹角，利用该夹角对X轴输出的加速度进行修正，修正方法如下：

当该测量装置安装正确并且没有任何变形时，加速度传感器的X轴与重力加速度方向相反，用于测量抽油机悬点上下方向的加速度；Y轴用于测量左右方向的加速度；Z轴用于测量前后方向的加速度，此时X轴的输出就是悬点上下运动的加速度；

（5）、位移的计算

通过对X轴加速度的修正，计算出悬点上下运动的实际加速度，在悬点运动过程中，上死点和下死点是加速度的两个极值，通过对极值的判断可以找出悬点运动周期，通过对一个周期内，加速度的二次积分可以计算出悬点在一个周期内的位移；

（6）、位移的发送

通过单片机可以计算出悬点在一个周期内的位移，再利用无线通信模块将计算的位移量向外发送，由上位机接收。

上述的单片机的型号为MSP430F1611，该单片机具有10kB的RAM和48kB的ROM，每MHz电流有330μA，待机状态电流为1.1μA，电路中，该单片机连接32.768kHz和8MHz两种频率的晶振，待机状态采用低频晶振，工作状态采用高频晶振，单片机采用的复位芯片U3，型号为IMP811。

上述的步骤（4）中的加速度的修正方法还包括如下：

当所述测量装置安装出现偏差或者由于老化出现变形，测量装置可能会出现倾斜，加速度传感器的X轴与重力加速度方向不再平行，此时X轴所测的加速度是悬点上下运动加速度的一个分量，设X轴与重力加速度之间的夹角为θ，X轴的输出为A_XOUT，Y轴输出为A_YOUT，Z轴输出为A_ZOUT，则夹角θ为 

根据角θ可以反推出抽油机悬点上下运动的实际加速度A为

通过上述计算，可以实现对三轴加速度传感器所测的抽油机悬点上下运动加速度的修正。

上述的无线通信模块的型号为NRF24L01，该无线通信模块工作于2.4GHz，具有126个频道，满足多点通信要求，待机状态下供电电流为22uA，掉电模式下仅为900nA；并且所述无线通信模块通过6条线与MSP430F1611的IO口相连，单片机通过这些IO口模拟SPI总线向通信模块发送数据和指令，同时通过该模块接收上位机的指令。

上述的加速度传感器的型号为ADXL327，可以同时测量三个方向的加速度，适合于静态和动态的加速度测量，芯片的Xout、Yout和Zout三个引脚分别是X轴、Y轴和Z轴的加速度输出，其中X轴用于测量上下方向的加速度，Y轴用于测量左右方向的加速度，Z轴用于测量前后方向的加速度，在电路中，ADXL327电源Vs为3.3V，灵敏度为462mV/g，当测量值为0g时，输出电压Vs/2，即1.65V，当加速度发生变化，对应轴的输出电压发生变化，因此通过测量某一轴输出电压大小，可计算出该轴的加速度；

所述的三个引脚连接的电容C3、C4和C5实现低通滤波，截止频率为0.5Hz，加速度传感器的三个输出经过低通滤波后分别连接MSP430F1611的P6.3/A3、P6.4/A4和P6.5/A5三个引脚。

本发明的有益效果是：本发明创造性的采用三轴加速度传感器和单片机相结合对抽油机悬点位移进行测量；通过检测该装置的倾斜角度对所测量的上下轴向加速度进行修正，进而计算悬点位移；该方法和装置消除了由于加速度传感器的上下轴向与重力加速度不完全平行导致的位移测量误差，可以大大提高位移的计算精度。本发明的测量方法对悬点位移测量准确，且该装置结构简单，极具推广价值。

附图说明

图1是本发明的测试装置的安装位置示意图；

图2是本发明的测试装置的结构示意框图；

图3是本发明的测试装置的电源电路图；

图4是本发明的加速度采集、单片机、无线通信模块电路图；

图5是三轴加速度传感器三轴标准位置示意图；

图6是三轴加速度传感器发生倾斜示意图。

具体实施方式

    结合附图1-6，对本发明作进一步的描述：

一、装置的安装位置。

该装置的安装位置如图1所示。图中，1是抽油机悬点位移的测量装置，2是抽油机悬点，3是抽油机井口，4是抽油机驴头，5是抽油机游梁。需要将该装置固定于抽油机悬点，并且使三轴加速度传感器的X轴，即上下轴，垂直于地面，与重力加速度方向相反。当抽油机悬点上下运动时，该装置同时上下运动，通过加速度传感器对悬点的运动加速度进行测量。

二、装置的组成

该装置的组成如图2所示。该装置包括电池、电源模块、三轴加速度传感器、单片机、无线通信模块。电池与电源模块产生整个装置所需要的电源，三轴加速度传感器测量三个轴向的加速度，单片机对加速度数据进行采集、修正，并计算位移，无线通信模块将计算的位移量向外发送。

三、抽油机位移的测量方法

1、装置的供电

本装置安装于悬点，采用电池供电，电池与电源模块相连，电源模块产生稳定电压，向加速度传感器、单片机和无线通信模块供电。

图3是该装置内部的电源电路图。该装置由ER34615H型3.6V锂亚硫酰氯电池供电，该电池容量达到20000mAh，能够为装置长时间不间断供电。电池与U4相连。U4为电源模块，该模块型号为NCP500SN33T1，该模块可以提供电流为150mA的3.3V直流电。

2、加速度的采集

该装置通过三轴加速度传感器测量三个轴向的加速度，并将加速度以模拟量的形式输给单片机。

图4是该装置的加速度采集、单片机、无线通信模块电路图。图中的U2是该装置的加速度传感器，型号为ADXL327。该传感器是美国AD公司生产的单芯片三轴传感器，测量范围是±2.5g，可以承受10000g的振动冲击。该芯片可以同时测量三个方向的加速度，适合于静态和动态的加速度测量。芯片的Xout、Yout和Zout三个引脚分别是X轴、Y轴和Z轴的加速度输出。其中X轴用于测量上下方向的加速度，Y轴用于测量左右方向的加速度，Z轴用于测量前后方向的加速度。该电路中，ADXL327电源Vs为3.3V，灵敏度为462mV/g，当测量值为0g时，输出电压Vs/2，即1.65V，当加速度发生变化，对应轴的输出电压发生变化，因此通过测量某一轴输出电压大小，便可计算出该轴的加速度。

这三个引脚连接的电容C3、C4和C5实现低通滤波，截止频率为0.5Hz。加速度传感器的三个输出经过低通滤波后分别连接MSP430F1611的P6.3/A3、P6.4/A4和P6.5/A5三个引脚。

3、加速度的计算

三轴加速度传感器的输出以电压模拟量的形式经过低通滤波输给单片机的AD口，单片机对输入的模拟量进行AD转换，用数字量表示加速度的大小。

图4中的U1是该装置的单片机，型号为MSP430F1611。该单片机是TI公司生产的超低功耗单片机中的最高端型号。该单片机具有10kB的RAM和48kB的ROM，每MHz电流仅有330μA，待机状态电流仅为1.1μA。电路中，该单片机连接32.768kHz和8MHz两种频率的晶振。待机状态采用低频晶振，工作状态采用高频晶振。这样既能保证低功耗，又能保证运算速度。U3是单片机的复位芯片，型号为IMP811。

该单片机采用12位ADC，输入模拟量范围0～3.3V，对应数字量0～4095。通过该比例关系，将输入的以模拟电压表示的加速度转换为数字量，以便于后续的处理。

4、加速度的修正

通过单片机的AD转换，将加速度以数字量形式表示，再计算出加速度传感器的X轴与重力加速度的夹角，利用该夹角对X轴输出的加速度进行修正。修正计算方法如下所示：

当该测量装置安装正确并且没有任何变形时，加速度传感器的X轴、Y轴和Z轴的方向如图5所示。X轴与重力加速度方向相反，用于测量抽油机悬点上下方向的加速度；Y轴用于测量左右方向的加速度；Z轴用于测量前后方向的加速度。此时X轴的输出就是悬点上下运动的加速度。

当该测量装置安装出现偏差或者由于老化出现变形，装置可能会出现倾斜，加速度传感器的X轴与重力加速度方向不再平行，此时X轴所测的加速度仅仅是悬点上下运动加速度的一个分量，如图6所示。设X轴与重力加速度之间的夹角为θ，X轴的输出为A_XOUT，Y轴输出为A_YOUT，Z轴输出为A_ZOUT，则夹角θ为

根据角θ可以反推出抽油机悬点上下运动的实际加速度A为

通过上述计算，可以实现对三轴加速度传感器所测的抽油机悬点上下运动加速度的修正。

5、位移的计算

通过对X轴加速度的修正，可以计算出悬点上下运动的实际加速度。在悬点运动过程中，上死点和下死点是加速度的两个极值，通过对极值的判断可以找出悬点运动周期。通过对一个周期内，加速度的二次积分可以计算出悬点在一个周期内的位移。

6、位移的发送

通过单片机可以计算出悬点在一个周期内的位移，再利用无线通信模块将计算的位移量向外发送，由上位机接收。

图4中的NRF24L01为该装置的无线通信模块。该模块工作于2.4GHz，具有126个频道，满足多点通信要求，待机状态下供电电流为22uA，掉电模式下仅为900nA。此外，该模块通过6条线与MSP430F1611的IO口相连。单片机通过这些IO口模拟SPI总线向通信模块发送数据和指令，同时通过该模块接收上位机的指令。

Claims (7)

1.一种基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置，其特征是：包括壳体、电池、电源模块、三轴加速度传感器、单片机、无线通信模块，所述的电池、电源模块、三轴加速度传感器、单片机、无线通信模块全部安装于壳体内，壳体固定于抽油机悬点，随悬点上下运动，电池和电源模块向各部分供电，三轴加速度传感器对三个轴向的加速度进行测量，输入单片机，经过计算获得装置的倾斜角度，对上下轴加速度进行修正，再计算获得悬点的位移，通过无线通信模块向外发送。

2.根据权利要求1所述的基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置，其特征是：所述的三轴加速度传感器的输出以电压模拟量的形式经过低通滤波输给单片机的AD口，单片机对输入的模拟量进行AD转换，用数字量表示加速度的大小。

3.一种采用如权利要求1或2的基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置的测量方法，其特征是包括以下步骤：

（1）、装置的供电

测量装置安装于悬点，采用电池供电，电池与电源模块相连，电源模块产生稳定电压，向加速度传感器、单片机和无线通信模块供电；

测量装置由ER34615H型3.6V锂亚硫酰氯电池供电，该电池容量达到20000mAh，能够为装置长时间不间断供电，电池与电源模块U4相连，该电源模块型号为NCP500SN33T1，该电源模块可提供电流为150mA的3.3V直流电；

（2）、加速度的采集

测量装置通过三轴加速度传感器测量三个轴向的加速度，并将加速度以模拟量的形式输给单片机；

（3）、加速度的计算

三轴加速度传感器的输出以电压模拟量的形式经过低通滤波输给单片机的AD口，单片机对输入的模拟量进行AD转换，用数字量表示加速度的大小；

（4）、加速度的修正

通过单片机的AD转换，将加速度以数字量形式表示，再计算出加速度传感器的X轴与重力加速度的夹角，利用该夹角对X轴输出的加速度进行修正，修正方法如下：

当该测量装置安装正确并且没有任何变形时，加速度传感器的X轴与重力加速度方向相反，用于测量抽油机悬点上下方向的加速度；Y轴用于测量左右方向的加速度；Z轴用于测量前后方向的加速度，此时X轴的输出就是悬点上下运动的加速度；

（5）、位移的计算

通过对X轴加速度的修正，计算出悬点上下运动的实际加速度，在悬点运动过程中，上死点和下死点是加速度的两个极值，通过对极值的判断可以找出悬点运动周期，通过对一个周期内，加速度的二次积分可以计算出悬点在一个周期内的位移；

（6）、位移的发送

通过单片机可以计算出悬点在一个周期内的位移，再利用无线通信模块将计算的位移量向外发送，由上位机接收。

4.根据权利要求3所述的基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置的测量方法，其特征是：所述的单片机的型号为MSP430F1611，该单片机具有10kB的RAM和48kB的ROM，每MHz电流有330μA，待机状态电流为1.1μA，电路中，该单片机连接32.768kHz和8MHz两种频率的晶振，待机状态采用低频晶振，工作状态采用高频晶振，单片机采用的复位芯片U3，型号为IMP811。

5.根据权利要求3所述的基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置的测量方法，其特征是：所述的步骤（4）中的加速度的修正方法还包括如下：

当所述测量装置安装出现偏差或者由于老化出现变形，测量装置可能会出现倾斜，加速度传感器的X轴与重力加速度方向不再平行，此时X轴所测的加速度是悬点上下运动加速度的一个分量，设X轴与重力加速度之间的夹角为θ，X轴的输出为A_XOUT，Y轴输出为A_YOUT，Z轴输出为A_ZOUT，则夹角θ为

根据角θ可以反推出抽油机悬点上下运动的实际加速度A为

通过上述计算，可以实现对三轴加速度传感器所测的抽油机悬点上下运动加速度的修正。

6.根据权利要求3所述的基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置的测量方法，其特征是：所述的无线通信模块的型号为NRF24L01，该无线通信模块工作于2.4GHz，具有126个频道，满足多点通信要求，待机状态下供电电流为22uA，掉电模式下仅为900nA；并且所述无线通信模块通过6条线与MSP430F1611的IO口相连，单片机通过这些IO口模拟SPI总线向通信模块发送数据和指令，同时通过该模块接收上位机的指令。

7.根据权利要求3所述的基于三轴加速度传感器的抽油机悬点位移测量装置的测量方法，其特征是：所述的加速度传感器的型号为ADXL327，可以同时测量三个方向的加速度，适合于静态和动态的加速度测量，芯片的Xout、Yout和Zout三个引脚分别是X轴、Y轴和Z轴的加速度输出，其中X轴用于测量上下方向的加速度，Y轴用于测量左右方向的加速度，Z轴用于测量前后方向的加速度，在电路中，ADXL327电源Vs为3.3V，灵敏度为462mV/g，当测量值为0g时，输出电压Vs/2，即1.65V，当加速度发生变化，对应轴的输出电压发生变化，因此通过测量某一轴输出电压大小，可计算出该轴的加速度；

所述的三个引脚连接的电容C3、C4和C5实现低通滤波，截止频率为0.5Hz，加速度传感器的三个输出经过低通滤波后分别连接MSP430F1611的P6.3/A3、P6.4/A4和P6.5/A5三个引脚。