抽油机光杆抖动的检测方法

目前我国东部油田开发进入中后期，开采难度越来越大，油井光杆抖动现象日益严重。光杆抖动造成井口漏油，井内油管磨损、断裂，增加维护工作量，增加了作业难度，成本大大增加。抽油机井口盘根是井口的密封装置，光杆抖动加剧盘根盒内密封橡胶的磨损。因此光杆抖动已经成为影响油田正常生产的主要因素之一。

光杆抖动的检测是目前急需解决的一个问题。加速度传感器一直是振动检测中的重要元件。本文利用三维加速度传感器（MMA7260QT）设计了一个光杆抖动检测装置，并在抽油井上进行了实验，测试了光杆振动的加速度和速度，为光杆抖动分析提供了有力的分析依据。

1. MMA7260的工作原理

在传统的振动检测系统中，加速度传感器功能单一，输出信号需要进行调理(隔离放大，滤波等等)，因此对模拟电路设计有极高的要求。随着近年来大规模集成电路技术的发展，加速度传感器也逐渐向集成化，低功耗的方向发展。

集成了信号调理电路的加速度传感器能大大简化电路设计，降低系统功耗，提高系统稳定性，同时减少了系统设计成本，缩短开发周期，更利于产品快速推向市场。Motoro1a公司最新推出的MMA7260QT就是这样一款三轴向集成的加速度传感芯片。

MMA7260QT传感器由重力g 感测单元，震荡器，时钟信号发生器, C to V 转换器，积分放大滤波器，微调电路和温度补偿电路组成。引脚较少，五输入三输出，且每根管脚的功能和作用容易理解，因此使用起来比较简单。输出的信号为模拟电压信号，因此可以直接与带有A/D 转换模块的MCU/ 单片机相连接。

MMA7260QT内建g-select 电路, 其量程可在1.5g,2g,4g,6g 加速度中选择,可以通过两个g-select 引脚的逻辑输入来选择g值。

其功能结构如下图示：

图1 MMA7260QT结构图

2.检测系统设计（有略节）

考虑到MMA7260QT的输出是模拟输出信号，因此选用了一款片内自带A/D转换模块的DSP，即Motorola公司的56F803。选择56F803的原因，不仅考虑到它的低功耗特性,而且它自带12位ADC，转换精度较高且供电电压为3.3V。56F803集中处理来自加速度传感器的信号。

图2 系统组成框图

在这里要注意的是MMA7260QT与DSP的连接, 在电源部分接入一个0.1μF 的电容, 在X, Y, Z 三个轴向上的输出各接一个1KΩ 的电阻和一个0.1uF 的电容, 目的是将开关电容滤波电路的时钟噪声降至最低, 如下图所示, 其中R 代表1kΩ的电阻, C 代表0.1μF 的电容。其中两个g-select 引脚分别与微控制器的两个I/O 引脚相连, 我们通过微控制器的设置来选择g值。

系统启动后, 首先将各个模块初始化, 初始化完毕DSP 开始实时监听定时器中断信号。加速度传感器在运行过程中不断测量其瞬时加速度值, 由于是模拟电压信号, 因此这三个引脚需接于DSP的A/D引脚。

当定时器定时时间到, 就会引起相应的定时中断,DSP 检测到中断信号时, 由中断控制器判断找到相应的中断服务程序的入口地址, 调用串口程序进行处理，由56F803的ADC采集进来的电压通过SCI，经RS232后由串行口与PC机进行通讯。程序流程图所下所示：

图3 数据采集系统程序流程图

对加速度信号进行积分变换求速度时，在测试信号中往往因测试仪器温度变化造成的零点漂移含有长周期趋势项，在对数据进行积分变换时，趋势相对变换结果的影响比较突出，因此消除长周期趋势项是信号预处理的一个重要的内容。

3 现场测试结果

本文设计了一个光杆抖动信号采集系统。将系统板安装在一块平板上，平板后有两块小铁板做成的卡子，卡子中间放上磁铁，构成一个磁性装置。现场实验时,将该装置放在光杆上，系统板与光杆平行且不易脱落，装置随光杆上下运动，测取三个方向的加速度，其中Z方向为光杆运动方向。在胜利油田做了现场试验，下图给出某油井的X、Y轴抖动加速度（2冲次）。采样周期为4ms。

图4 X,Y轴加速度图

图5 同一时刻X,Y轴加速度图

图6 坐标变换后的X,Y轴加速度图

图7 同一时刻X,Y轴速度图

由图4可以得知，光杆运动时加速度信号是很复杂的，本文所测取的是悬绳器下方的传感器安装位置的抖动情况。图4的横坐标是点数，也等价于具体的位移，即图4反应的是传感器安装位置在到达某一具体位移时的抖动情况。

从测得的两个周期的信号来看，加速度信号发生大变化的时候，是在从下死点到上死点过程中的中后段和上死点到下死点过程中的前段。以图4中的X轴的加速度值为横坐标，Y轴的值为纵坐标，可以合成图5所示的加速度分布图。

由图5可知，X,Y方向加速度的振动多集中在±0.05g(±0.5m/s2)之间并以原点为中心对称，为分析光杆的抖动提供了依据。同一时刻X,Y轴的速度分别在±0.1m/s之间，且基本呈现有规律的振动。因为系统安放位置的不同，所测得的X,Y轴加速度方向也不同，为了方便分析和观察，将图5顺时针旋转43o，可以得到图6。

从图6上可以看出在新的坐标X,Y上光杆的抖动加速度基本集中于关于X，Y轴对称和原点中心对称的椭圆。经计算可知，X方向,Y方向在一个周期内的加速度代数和分别为0，说明X方向,Y方向的振动加速度在一个周期内均可以抵消。对其余井的分析，也有基本相同的情况。同时，计算了同一时刻X，Y轴方向的速度，如图7所示，X,Y轴上速度有着明显的周期性。

结束语

抽油杆偏磨使油管过早的报废，给生产带来很大的影响，使成本大大地增加。本文利用三轴加速度传感器，设计了抽油杆横向加速度采集系统，对抽油杆的抖动进行检测和分析。横向合成加速度幅值越大，抽油杆偏磨的情况越严重。

抽油杆偏磨的问题一直是困扰油田生产的大问题，偏磨的原因非常复杂。抽油杆在井内发生偏磨,在地面观察难度很大。有井口盘根的作用，使得光杆横向抖动信号变得非常复杂。如何根据光杆横向抖动信号分析判断抽油杆的偏磨，还需进一步研究，以及实验的验证。本在测试方法上做一个前期的探索。这个探索对研究抽油杆偏磨提供了地面分析依据。

（编自《电气技术》，原文标题为“光杆抖动检测方法研究”，作者为乔婷、白连平。）

使用加速度计测量震动电机的频率特性

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一、前言

  上午测量了震动电机的工作特性。为了能够实际测量到输出震动的幅度，计划使用加速度传感器来测量输出轴的震动，使用转接板，将加速度传感器MMA7260固定在输出轴上，输出轴会带动加速度传感器做往复运动，这样便可以通过加速度传感器的输出信号间接反映输出震动的幅度。

二、设计电路

  由于 加速度传感器MMA7260是一个QFN封装的芯片，下面设计制作一个转接电路板，将它的信号转接到面包板上便于测量，一分钟之后，得到了转接电路板，下面对其焊接测试。

▲ 图1.2.1 MMA7260转接板原理图

▲ 图1.2.2 六个MMA7260PCB三、测量结果

  焊接后的加速度传感器，使用AB胶水固定在扭动电机输出轴上。使用示波器同时测量震动电机驱动信号与加速度传感器输出信号。加速度传感器的 z 轴 输出信号对应转动加速度。示波器黄色信号是加速度信号，青色信号为电机的驱动电压信号。令人感到奇怪的是，MM7260输出的信号具有采样零阶保持的特性，可以初步看到，MM7260输出信号的采样频率大约在 9kHz 左右。

▲ 图1.3.1 电机震动

▲ 图1.3.2 MMA7260输出震动信号

  下面测量一下不同的震荡频率对应加速度输出信号的波形。这是在 20Hz下，加速度信号波形。从其中可以看到，震动电机具有大约200Hz 的谐振频率。这是对应40Hz 震动的加速度信号。这是100Hz 的家嘟嘟信号。这是200Hz 对应的加速度信号。此时，可以看到输出的加速度是一个饱和的正弦波信号。这是300Hz 对应的加速度信号。这是400Hz 时对应的加速度信号。可以看到此时加速度信号的幅度减少了。

四、谐振频率

  下面测量不同频率下加速度交流信号的有效值，这样可以反映震动的强度。使用 DM3068交流电压档位测量加速度的有效值。测量震荡频率从 5Hz 上升到 500Hz 范围内，输出加速度震荡信号的变化情况。从测量结果来看，当震荡频率在 50Hz 到 400Hz 范围内，信号震荡幅度都非常大，这有可能是因为输出信号饱和引起的。下面将 电机驱动电压降低到3.3V，再重新测量一遍。这样可以避免 MM7260输出饱和带来的测量误差。

▲ 图1.4.1 不同震荡频率下对应的加速度传感器交流有效值

  重新测量不同频率下加速度传感器的电压。现在电机驱动电压降低到 4V。测量振动频率从 5Hz 变化到500Hz 加速度信号的交流有效值。这是测量的结果，看起来和工作电压在5V下似乎是相同的。对比可以看到，两次测量的结果很相似。在 100Hz 到400Hz 之间，震动加速度都相对比较大。当频率在这个范围之外，震动幅度就会急剧下降了。

▲ 图1.4.2 4V驱动下不同频率对应的加速度输出电压

▲ 图1.4.3 对比5V,4V 对应的不同频率和加速度信号大小

※总  结 ※

  本文使用加速度传感器测量了震动电磁铁的频率特性。可以看到在 100Hz 到 400Hz 之间，震动的幅度都很大。在 200Hz 左右，似乎存在电机的一个谐振工作点。

参考资料

[1]

MMA7260QT : https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/MMA7260QT.pdf

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