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1、一种压电式大扭矩测力仪设计与实验研究任宗金何小龙张军范宏伟大连理工大学机械工程学院摘要：石油钻机扭矩实时测量对保障工作安全和提高经济效益具有重要意义。针对应变式扭矩测力仪使用一段时间后精度降低问题，设计了一种压电式扭矩测力仪。其具有体积小、量程大和稳定性好等优点。首先构建了测力仪的三维模型，论述了测力仪的测量原理;然后推导了电荷放大电路输出电压与输入电荷之间的关系式,设计了高输入阻抗的电荷转换核心电路，使输入阻抗达到1014Q,并给出了无线传输电路的具体实施方案;最后对测力仪进行了静态标定，其非线性为1.17%,重复性为0.46%。该压电式扭矩测
2、力仪性能指标达到了钻机扭矩实时监控的要求。关键词：石油钻机;扭矩测力仪;压电传感器;电荷放人;作者简介：任宗金（1978-）,男，山东青岛人，副教授，博士，主要从事压电测试机理领域的研宄。作者简介：何小龙（1989-）,男，四川广元人，硕士生，主要从事压电测试机理的研究。收稿日期：2017-02-10基金：国家自然科学基金资助项FI（51675084,51475078）DesignandExperimentalStudyonaPiezoelectricHighTorqueMeasuringInstrumentRENZongjinHEHaolong
3、ZHANGJunFANHongweiSchoolofMechanica1Engineering,DalianUniversityofTechnology;Abstract：Thereal-timemeasurementofoilrigtorqueisveryimportanttoensurethesafetyofworkandimprovetheeconomicefficiency.Inordertosolvetheproblemthattheaccuracyofstraintorquedynamometerisreducedafteraperi
4、odoftime,apiezoelectrictorquedynamometerisdesigned,whichhasasmallsize,largerangeandgoodstability,etc-Firstly,the3Dmodelofdynamometerisestablished,andthemeasurementprincipleofdynamometerisdiscussed,thentherelationshipbetweentheoutputvoltageandtheinputchargeofthechargeamplifyin
5、gcircuitisdeduced,thechargetransfercorecircuitwithhighinputimpedancethatreachesto1014Qisdesigned,andtheconcreteimplementationschemeofthewirelesstransmissioncircuitisgiven.Atlast,thestaticcalibrationofdynamometeriscarriedout,thenon-linearityis1.17%andtherepeatabilityis0.46%.Th
6、eperformanceofthepiezoelectrictorquedynamometerhasreachedtherequirementsofreal-timemonitoringofdrillingtorque.Keyword：drillingrig;torquedynamometer;piezoelectricsensor;chargeamplification;Received：2017-02-100引言扭矩测力仪是石油钻井平台钻机扭矩实时测量的重耍设备，它不仅能延长钻头使用寿命，提高经济效益，而且还能避免事故发生，保障人员安全。目前
7、，钻机扭矩测力仪主要以应变式传感器为核心，但使用一段吋间后会出现精度降低的现象，因此，本文拟设计一种以压电传感器为核心的扭矩测力仪。压电传感器以压电石英晶片为力电转换元件，其频响高，刚度大和灵敏度高等优点适合钻机扭矩动态测量［1］。针对可旋转压电式扭矩测力仪，W内外都有相关研宄。瑞士Kistler公司的9123、9124、9125系列压电测力仪可实现多维力的无线测量，测力仪以石英晶片为核心，通过晶片剪切力与分布圆相切的原理对扭矩进行测量，但结构复杂，成本较高。刘玉香m设计了一种可测量六维力的无线压电式测力仪，采用4个三向力压电传感器菱形分布的方式
8、，通过力的解耦求解扭矩，但未展示实物及和关性能参数。尚永艳［3］采用分割电极的方法，设计了一种可测量轴向力、径向力和轴向扭矩的压电式测力
