钻机转盘扭矩测量系统的研究

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1、清华大学2012届毕业设计说明书目录1引言11.1钻机扭矩测量的重要性和发展现状11.2传感器的现状和发展前景21.3无线传输技术的现状和发展前景41.3.1红外技术51.3.2蓝牙技术51.3.3IEEE802.1171.4本课题完成的工作92系统的总体设计102.1转盘扭矩传感器的原理和发展现状102.1.1转矩的概念102.1.2惰轮式转盘扭矩传感器112.1.3顶丝式转盘扭矩传感器112.1.4霍尔元件式转盘扭矩传感器122.1.5万向轴式扭矩传感器132.2单片机应用的现状和发展趋势132.2.1单片机的发展历程132.2.2

2、单片机的应用领域152.2.3单片机的发展趋势152.3系统总体设计182.3.1系统总体设计方案182.3.2电路器件的选择193硬件设计203.1系统整体设计203.2传感器电路设计213.3信号调理电路设计223.3.1仪表放大器的工作原理22第III页共Ⅲ页清华大学2012届毕业设计说明书3.3.2AD623的性能与结构233.3.3AD623的供电电路243.3.4本课题中AD623的电路模块设计263.4模数转换电路设计263.4.1A/D转换器的基本原理263.4.2AD1674的基本结构与主要特点273.4.3AD167

3、4的工作特性283.4.4AD1674的单极性和双极性输入的电路293.4.5本课题中模数转换模块的设计图313.5无线收发电路设计323.5.1芯片的特点与结构323.5.2nRF2401的工作模式333.5.3无线收发电路设计343.5.4杂波的解决方法353.6显示电路设计353.7基准电压电路设计373.7.1AD584的性能特点373.7.2AD584的引脚功能和主要参数383.7.3AD584的应用393.7.4基准电源模块设计404软件设计414.1单片机开发平台414.2本系统的软件设计与实现424.2.1A/D程序设计

4、424.2.2LED显示程序设计444.2.3无线收发软件设计465结论48附录A：数据采集发送端主电路图49第III页共Ⅲ页清华大学2012届毕业设计说明书附录B：数据接收端主电路图50参考文献51致谢54第III页共Ⅲ页清华大学2012届毕业设计说明书1引言1.1钻机扭矩测量的重要性和发展现状钻机是石油钻井用的成套重型机械设备，是油田上各种机械设备中最大、最重并具有不可或缺重大作用的装备。可以毫不夸张地说，钻机是油气田的设备之王。随着石油工业的发展，钻机也在不断发展，钻井能力越来越强，功率越来越大，传动越来越先进，机械化、自动化程度

5、越来越高。进入21世纪以来，石油钻机自动化、数字化、智能化、信息化水平快速发展[1]。扭矩测量在各种机械产品的开发研究、质量检验、安全和优化控制等工作中是必不可少的内容。它不仅包括对扭力轴扭矩的测试，也包括对多种传动装置中旋转轴的扭矩测试。扭矩测试的方法多种多样。有传统的贴应变片的方法，有各种光学、光电子学、磁学、电磁学等测试方法，以及各种相位和数字测试方法等。而扭矩传感器是一种重要的传感器，广泛应用于轧钢、汽车以及其它机械产品中，以优化动力驱动传动系统和实现智能控制。转盘扭矩的测量和显示是钻井工程中优化钻井作业、监视井身作业质量的一项

6、重要措施，是钻井工程技术多年来持续发展和探索的一项实用技术。通过观察其扭矩值的变化，能够判断井下磨阻的变化以及钻头磨损情况，根据扭矩变化情况合理调整钻压、转速等参数以达到优化钻井，提高钻头使用效率和寿命的目的。随着各种系统的自动化程度和复杂性的提高，需要获取的信息越来越多，对传感器的精度、可靠性和响应速度提出了越来越高的要求。在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的电压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递。用普通的有线电缆引出信号就可能无法满足要求或者根本无法实现，而通常的做法是用导电滑环来完成

7、，但是使用导电滑环限制了旋转轴的转速，导电滑环的使用寿命也较短。同时，由于接触不可靠引起信号波动，因而造成测量误差增大甚至测量不成功[2,3,4]。为了克服导电滑环的缺陷，所设计的扭矩测量系统采用了无线遥测的方法。设计了扭矩传感器的无线数据采集系统，可以对扭矩传感器采集的数据进行无线传输，并做到了扭矩信号的传递与旋转与否无关，与转速大小无关，与旋转方向无关，实现扭矩测量的数字化与智能化。第54页共54页清华大学2012届毕业设计说明书1.2传感器的现状和发展前景当今社会的发展，是信息化的发展。科学技术的迅猛发展，使人类社会进入信息时代。

8、在信息时代，人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统。它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能