目前我國東部油田開發(fā)進(jìn)入中后期，開采難度越來越大，油井光桿抖動現(xiàn)象日益嚴(yán)重。光桿抖動造成井口漏油，井內(nèi)油管磨損、斷裂，增加維護(hù)工作量，增加了作業(yè)難度，成本大大增加。抽油機(jī)井口盤根是井口的密封裝置，光桿抖動加劇盤根盒內(nèi)密封橡膠的磨損。因此光桿抖動已經(jīng)成為影響油田正常生產(chǎn)的主要因素之一。

光桿抖動的檢測是目前急需解決的一個問題。加速度傳感器一直是振動檢測中的重要元件。本文利用三維加速度傳感器（MMA7260QT）設(shè)計(jì)了一個光桿抖動檢測裝置，并在抽油井上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測試了光桿振動的加速度和速度，為光桿抖動分析提供了有力的分析依據(jù)。

1. MMA7260的工作原理

在傳統(tǒng)的振動檢測系統(tǒng)中，加速度傳感器功能單一，輸出信號需要進(jìn)行調(diào)理(隔離放大，濾波等等)，因此對模擬電路設(shè)計(jì)有極高的要求。隨著近年來大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，加速度傳感器也逐漸向集成化，低功耗的方向發(fā)展。

集成了信號調(diào)理電路的加速度傳感器能大大簡化電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，縮短開發(fā)周期，更利于產(chǎn)品快速推向市場。Motoro1a公司最新推出的MMA7260QT就是這樣一款三軸向集成的加速度傳感芯片。

MMA7260QT傳感器由重力g 感測單元，震蕩器，時鐘信號發(fā)生器, C to V 轉(zhuǎn)換器，積分放大濾波器，微調(diào)電路和溫度補(bǔ)償電路組成。引腳較少，五輸入三輸出，且每根管腳的功能和作用容易理解，因此使用起來比較簡單。輸出的信號為模擬電壓信號，因此可以直接與帶有A/D 轉(zhuǎn)換模塊的MCU/ 單片機(jī)相連接。

MMA7260QT內(nèi)建g-select 電路, 其量程可在1.5g,2g,4g,6g 加速度中選擇,可以通過兩個g-select 引腳的邏輯輸入來選擇g值。

其功能結(jié)構(gòu)如下圖示：

圖1 MMA7260QT結(jié)構(gòu)圖

2.檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)（有略節(jié)）

考慮到MMA7260QT的輸出是模擬輸出信號，因此選用了一款片內(nèi)自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊的DSP，即Motorola公司的56F803。選擇56F803的原因，不僅考慮到它的低功耗特性,而且它自帶12位ADC，轉(zhuǎn)換精度較高且供電電壓為3.3V。56F803集中處理來自加速度傳感器的信號。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

在這里要注意的是MMA7260QT與DSP的連接, 在電源部分接入一個0.1μF 的電容, 在X, Y, Z 三個軸向上的輸出各接一個1KΩ 的電阻和一個0.1uF 的電容, 目的是將開關(guān)電容濾波電路的時鐘噪聲降至最低, 如下圖所示, 其中R 代表1kΩ的電阻, C 代表0.1μF 的電容。其中兩個g-select 引腳分別與微控制器的兩個I/O 引腳相連, 我們通過微控制器的設(shè)置來選擇g值。

系統(tǒng)啟動后, 首先將各個模塊初始化, 初始化完畢DSP 開始實(shí)時監(jiān)聽定時器中斷信號。加速度傳感器在運(yùn)行過程中不斷測量其瞬時加速度值, 由于是模擬電壓信號, 因此這三個引腳需接于DSP的A/D引腳。

當(dāng)定時器定時時間到, 就會引起相應(yīng)的定時中斷,DSP 檢測到中斷信號時, 由中斷控制器判斷找到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址, 調(diào)用串口程序進(jìn)行處理，由56F803的ADC采集進(jìn)來的電壓通過SCI，經(jīng)RS232后由串行口與PC機(jī)進(jìn)行通訊。程序流程圖所下所示：

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序流程圖

對加速度信號進(jìn)行積分變換求速度時，在測試信號中往往因測試儀器溫度變化造成的零點(diǎn)漂移含有長周期趨勢項(xiàng)，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行積分變換時，趨勢相對變換結(jié)果的影響比較突出，因此消除長周期趨勢項(xiàng)是信號預(yù)處理的一個重要的內(nèi)容。

3 現(xiàn)場測試結(jié)果

本文設(shè)計(jì)了一個光桿抖動信號采集系統(tǒng)。將系統(tǒng)板安裝在一塊平板上，平板后有兩塊小鐵板做成的卡子，卡子中間放上磁鐵，構(gòu)成一個磁性裝置?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)時,將該裝置放在光桿上，系統(tǒng)板與光桿平行且不易脫落，裝置隨光桿上下運(yùn)動，測取三個方向的加速度，其中Z方向?yàn)楣鈼U運(yùn)動方向。在勝利油田做了現(xiàn)場試驗(yàn)，下圖給出某油井的X、Y軸抖動加速度（2沖次）。采樣周期為4ms。

圖4 X,Y軸加速度圖

圖5 同一時刻X,Y軸加速度圖

圖6 坐標(biāo)變換后的X,Y軸加速度圖

圖7 同一時刻X,Y軸速度圖

由圖4可以得知，光桿運(yùn)動時加速度信號是很復(fù)雜的，本文所測取的是懸繩器下方的傳感器安裝位置的抖動情況。圖4的橫坐標(biāo)是點(diǎn)數(shù)，也等價于具體的位移，即圖4反應(yīng)的是傳感器安裝位置在到達(dá)某一具體位移時的抖動情況。

從測得的兩個周期的信號來看，加速度信號發(fā)生大變化的時候，是在從下死點(diǎn)到上死點(diǎn)過程中的中后段和上死點(diǎn)到下死點(diǎn)過程中的前段。以圖4中的X軸的加速度值為橫坐標(biāo)，Y軸的值為縱坐標(biāo)，可以合成圖5所示的加速度分布圖。

由圖5可知，X,Y方向加速度的振動多集中在±0.05g(±0.5m/s²)之間并以原點(diǎn)為中心對稱，為分析光桿的抖動提供了依據(jù)。同一時刻X,Y軸的速度分別在±0.1m/s之間，且基本呈現(xiàn)有規(guī)律的振動。因?yàn)橄到y(tǒng)安放位置的不同，所測得的X,Y軸加速度方向也不同，為了方便分析和觀察，將圖5順時針旋轉(zhuǎn)43^o，可以得到圖6。

從圖6上可以看出在新的坐標(biāo)X,Y上光桿的抖動加速度基本集中于關(guān)于X，Y軸對稱和原點(diǎn)中心對稱的橢圓。經(jīng)計(jì)算可知，X方向,Y方向在一個周期內(nèi)的加速度代數(shù)和分別為0，說明X方向,Y方向的振動加速度在一個周期內(nèi)均可以抵消。對其余井的分析，也有基本相同的情況。同時，計(jì)算了同一時刻X，Y軸方向的速度，如圖7所示，X,Y軸上速度有著明顯的周期性。

結(jié)束語

抽油桿偏磨使油管過早的報(bào)廢，給生產(chǎn)帶來很大的影響，使成本大大地增加。本文利用三軸加速度傳感器，設(shè)計(jì)了抽油桿橫向加速度采集系統(tǒng)，對抽油桿的抖動進(jìn)行檢測和分析。橫向合成加速度幅值越大，抽油桿偏磨的情況越嚴(yán)重。

抽油桿偏磨的問題一直是困擾油田生產(chǎn)的大問題，偏磨的原因非常復(fù)雜。抽油桿在井內(nèi)發(fā)生偏磨,在地面觀察難度很大。有井口盤根的作用，使得光桿橫向抖動信號變得非常復(fù)雜。如何根據(jù)光桿橫向抖動信號分析判斷抽油桿的偏磨，還需進(jìn)一步研究，以及實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。本在測試方法上做一個前期的探索。這個探索對研究抽油桿偏磨提供了地面分析依據(jù)。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“光桿抖動檢測方法研究”，作者為喬婷、白連平。）