基于壓電力傳感器沖擊功的檢測方法研究

吳召明，陸洪智

（1.山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 日照 276800；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆探具有防止巖心堵卡、提高勘探效率的重要作用，近幾年被巖心鉆探、石油鉆井等行業(yè)廣泛應(yīng)用。影響液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆探中沖擊器工作性能的關(guān)鍵參數(shù)之一就是沖擊功。

工程上關(guān)于沖擊功的測量只是一種模糊的概念，大多數(shù)沖擊器的出廠說明書中標(biāo)注的沖擊功只是一種理論計算值或者經(jīng)驗值，對于沖擊器在實際工作中的真實沖擊功（或碎巖能量）并不能準(zhǔn)確的進行出廠標(biāo)定［1］。目前測量不同型號沖擊器沖擊功的方法主要包括：應(yīng)力波法、液（氣）壓測量法［2］、末速度法、機械測量法、示波圖法、高速攝影法以及基于計算機模擬軟件仿真分析等方法［3-4］。

液（氣）壓測量法、機械測量法、示波圖法以及基于計算機模擬軟件仿真分析法檢測沖擊功原理簡單，但是測量誤差較大。末速度法和高速攝影法的檢測對象都是沖擊器沖錘，因此需要對原有沖擊器進行外觀改造才能進行測量，大大提高了測試成本［5］。

利用應(yīng)力波法對沖擊力波形進行采樣，可以避免由于對原沖擊器外觀進行改造而造成設(shè)備破壞，同時可大幅提高測量精度［6］。

1 沖擊力與沖擊功關(guān)系模型

1.1 沖擊模型的組成

當(dāng)高速運動的沖錘沖擊鐵砧時，沖錘的動能通過碰撞鐵砧后以應(yīng)力波的方式傳遞給鉆頭，從而將沖錘的動能轉(zhuǎn)化為破碎巖石的能量。在測試過程中，我們將鉆頭替換為壓電力傳感器［7-8］即可測定鐵砧上產(chǎn)生的沖擊力，進而可以計算得到?jīng)_擊功。

為了準(zhǔn)確計算沖擊器的沖擊功，我們需要研究壓電力傳感器采集到的電信號（代表沖擊力）與沖擊功的對應(yīng)關(guān)系。按照實際工況，可以設(shè)定沖錘、鐵砧、壓電力傳感器（替換鉆頭）的安裝部署示意圖如圖1 所示，把沖錘剛接觸鐵砧開始沖擊到?jīng)_擊結(jié)束這一段作為整個研究的沖擊過程。

1.2 對應(yīng)關(guān)系推導(dǎo)

根據(jù)圖1 所示，在不考慮能量損耗的情況下可以認(rèn)為沖錘的動能全部轉(zhuǎn)換為沖擊功［8］，即沖錘接觸鐵砧時的速度v在沖擊結(jié)束后變?yōu)榱悖鶕?jù)動能定理［9］則有：

圖1 沖擊模型示意Fig.1 Schematic diagram of the impact model

式中：W——沖擊過程沖錘對鐵砧做的功，即沖擊功，J；m——沖錘質(zhì)量，kg；v——沖錘接觸鐵砧時的速度，m/s。

再根據(jù)動量定理則有：

式中：F(t)——沖擊過程中任意一時刻，鐵砧所受的沖擊力，N；t——沖擊過程中的任意一時刻，s；m——沖錘質(zhì)量，kg；v——沖錘接觸鐵砧時的速度，m/s。

圖2 沖擊過程中沖擊力與時間關(guān)系曲線Fig.2 Curve of impact force vs time during impacting

把式（6）帶入式（5）中，可得：

2 最大沖擊力和沖擊功對應(yīng)關(guān)系系數(shù)標(biāo)定

2.1 標(biāo)定臺架設(shè)計及工作原理

由于壓電力傳感器在沖擊力的作用下會產(chǎn)生電荷，再經(jīng)過電荷放大器進行放大、歸一化，從而得到在沖擊力作用下的電壓信號（一般為-5～+5 V），電壓信號經(jīng)過高精度AD 轉(zhuǎn)換［13］可以得到對應(yīng)的沖擊力。

由式（8）可知，要想準(zhǔn)確計算沖擊器的沖擊功，只要測定最大沖擊力Fmax和對應(yīng)關(guān)系系數(shù)K即可。對應(yīng)關(guān)系系數(shù)K可以由標(biāo)定臺臺架進行多次測試標(biāo)定后進行曲線擬合獲取。

對應(yīng)關(guān)系系數(shù)K的標(biāo)定臺臺架結(jié)構(gòu)如圖3 所示。標(biāo)定臺架主要包括外管、沖錘、鐵砧、短接、傳感器安裝架、壓電力傳感器等部分。其工作原理為：沖錘可以在外管內(nèi)做自由落體運動；鐵砧和外管采用軸套連接，并且可以沿外管軸線自由活動30～50 mm；短接兩端分別用螺紋連接在鐵砧底部和傳感器安裝架頂部；傳感器安裝架底部挖空，并被蓋板壓緊。標(biāo)定前先測量沖錘的質(zhì)量m，標(biāo)定時將沖錘提高到不同高度h進行自由落體運動，則沖錘的動能為W=mgh，在沖擊瞬間壓電力傳感器產(chǎn)生電荷，經(jīng)過電荷放大器［14］、MP4221 采集板將對應(yīng)的電荷信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過PC 機采集軟件采集、計算可得到?jīng)_擊力數(shù)據(jù)。

圖3 標(biāo)定臺架結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of the calibration bench

將多組標(biāo)定數(shù)據(jù)按照式（8）計算對應(yīng)關(guān)系系數(shù)K，由于實驗過程中測量高度、管壁摩擦、空氣阻力等原因會產(chǎn)生誤差，因此取所有計算出來系數(shù)的平均值。

2.2 沖擊器及傳感器選擇

實驗選定的是核工業(yè)北京地質(zhì)研究院劉曉陽研發(fā)的?73 mm 液動沖擊器，其沖錘質(zhì)量為8 kg，設(shè)計最大沖擊功為50 J。

壓電力傳感器是利用壓電石英晶體的縱向壓電效應(yīng)設(shè)計而成的，當(dāng)沿晶體的X軸（此處的X軸是指石英晶體坐標(biāo)系的X軸，相當(dāng)于傳感器的Z軸，即“靈敏軸”）方向施加力F后，晶體發(fā)生變形，并產(chǎn)生極化現(xiàn)象。因而在晶體兩表面產(chǎn)生大小相等、極性相反的電荷Q，其電荷Q的大小與作用力F成正比，與石英晶體的幾何尺寸無關(guān)，即縱向壓電效應(yīng)。電荷Q與作用力F有如下關(guān)系：

式中：Q——電荷的數(shù)值，pC；F——沿傳感器Z軸方向上的作用力，N；d——石英晶體的壓電模數(shù)，pC/N。

本項目選用的壓電力傳感器型號為LC2304（外觀見圖4），量程為300 kN，靈敏度為0.0141 mV/N。主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 LC2304 壓電力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main specifications of LC2304 piezoelectric force sensor

圖4 壓電力傳感器Fig.4 Piezoelectric force sensor

LC23 系列壓電力傳感器內(nèi)裝IC，是一款集成了電路放大器的壓電石英力傳感器，它將傳統(tǒng)的壓電石英力傳感器與電荷放大器集于一體，能直接與記錄和顯示儀器連接，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試精度和可靠性。

LC23 系列壓電力傳感器采用2～20 mA 的恒定電流，典型值為4 mA；激勵電壓為18～30 VDC，典型值為24 VDC；線性度≤1%。

2.3 標(biāo)定數(shù)據(jù)及標(biāo)定系數(shù)的確定

實驗室部分采集的標(biāo)定數(shù)據(jù)見表2。

由表2 中的數(shù)據(jù)可以看出：系數(shù)K在0.0007～0.0008 之間波動，將表2 中的“沖擊力”數(shù)值平方后和“沖擊功”數(shù)值進行線性擬合，如圖5 所示，通過線性擬合方程式可知系數(shù)K=0.000708；也可將表2中“系數(shù)K”的平均值作為沖擊功計算系數(shù)K，經(jīng)過計算平均值得K=0.000707。由系數(shù)K兩種求解方法得到的值可以看出，本次標(biāo)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率較高（僅小數(shù)點后第6 位數(shù)字差1）。

表2 部分采集的標(biāo)定數(shù)據(jù)Table 2 Part of the collected calibration data

圖5 線性擬合Fig.5 Linear fitting

3 實際數(shù)據(jù)的采集與計算驗證

為驗證沖擊器實際工作中采集數(shù)據(jù)的正確性，基于Visual C++語言［15］開發(fā)了高速數(shù)據(jù)連續(xù)采集軟件，軟件界面如圖6 所示，實際采集數(shù)據(jù)如圖7 所示，根據(jù)系數(shù)計算出來的沖擊功波形如圖8 所示。

圖6 數(shù)據(jù)連續(xù)采集軟件主界面Fig.6 Main interface of the continuous data acquisition software

圖7 實際采集到的沖擊力數(shù)據(jù)Fig.7 Actually collected impact force data

圖8 計算得到的沖擊功數(shù)據(jù)Fig.8 Calculated impact energy data

由圖7 和圖8 可以看出，最大沖擊力在5600～5700 kg（56～57 kN）范圍波動，對應(yīng)的沖擊功在16～17 J 波動。采集到的波形圖可明顯的顯示出沖擊器的工作狀態(tài)。

4 主要結(jié)論與展望

本文利用動量定理和沖量定理，通過研究基于壓電式測力傳感器沖擊器沖擊功與沖擊力的關(guān)系，確定了沖擊功與沖擊力的關(guān)系式，并對關(guān)系式進行了實驗驗證，得出如下結(jié)論：

（1）利用壓電力傳感器配合沖擊器的標(biāo)定實驗，可確定沖擊力和沖擊功的對應(yīng)關(guān)系，能夠進行無損檢測沖擊器的最大沖擊功。

（2）通過對選定的?73 mm 液動沖擊器進行沖擊功測試，發(fā)現(xiàn)該款液動沖擊器檢測的最大沖擊功與理論最大沖擊功相比數(shù)值偏小，需要在不同泵壓、泵量等參數(shù)的情況下進行測試，從而找出獲得最大沖擊功的工作參數(shù)。

（3）為精確地得到?jīng)_擊功計算系數(shù)，需要盡可能多地進行標(biāo)定采樣，同時人工測量沖錘高度、沖錘質(zhì)量時應(yīng)盡可能采用高精度的測量手段。