加速度计测量大振幅运动的一种低成本方法

　　1　引　　言

　　我国共有抽油机(磕头机)二十多万台。为了提高这些抽油机的效率和功能,利用微硅加速度计作传感器、单片机作控制单元,开发出一种抽油机位置控制系统,能够准确控制抽油机的位置和运动状态,有效地减轻维护的工作量,降低电耗和生产成本。

　　2　测量原理和方案

　　对于位置测量,有加速度二次积分、速度积分和直接位置测量三种方式。直接位置测量的方法很多,比如利用光栅、光电编码器等作为传感器,直接获得油杆的位置。这种位置测量方式很容易实现,结构简单,但是必须将传感器的不同部件分别安装在抽油机的活动和固定部分,并且需要在很长的运动轨道上啮合良好,这在油井这种污染严重、震动和冲击很大的环境中很难满足。

　　微硅加速度计测量系统体积小、成本低、精度高,测量时只需要在抽油机油杆上安装加速度计,而不必考虑与其它部分的连接和装配问题,因此使用和维护十分方便灵活。而且加速度计测量得到的加速度本身也是一个重要的运动状态参数。这些优点都是位置测量和速度测量方案无法比拟的。

　　在加速度测量方案中,利用单片机采集加速度计所得数据,经过处理后进行一次和二次数字积分,就可以分别得到速度和位移的值。然后再利用这一结果对抽油机进行控制,实现所需要的运动。

　　3　ADXL105的原理和测量线路

　　ADXL105是Analog Devices公司出品的一款性价比很高的加速度测量芯片,可以满足测量磕头机头部加速度的工作的要求。

　　3.1　加速度的测量

　　ADXL105的输出方程为:

　　只需要改变外接电阻R1、R2和R3的值,就可任意调节ADXL105的输出电压,以适应不同的应用。

　　3.2　信号处理

　　在使用ADXL105测量加速度时,可能要考虑排除重力的影响。这时,可在缓冲放大器的输入端(VIN)加入合适的调节电压。调节电压可以使用电源电压通过精密电阻分压得到,也可以直接由外部接入。

　　此外,在测量中还存在有零位温漂。因此在不需要直流信号时,可以外接隔直、高通或带通电路,或者直接在ADXL105的前置放大器输出(Aout)和缓冲放大器输入(VIN)加入交流耦合电路。

　　3.3　输出信号的扩展和降噪

　　为了在工作中在不同的量程和精度要求下测量加速度,扩展了ADXL105的输出信号。增加了运算放大器,可以获得不同幅值的输出。通过运算放大器合适的参数配置,还可以方便地组成PID调节器对信号进行处理。

　　ADXL105内部使用的激励信号及其他因素,可能引起高频的干扰。这时,应该在电路中加入低通或带通滤波器。