陳 彬，何 箭

1.安徽城市管理職業(yè)學院信息工程系，安徽合肥，230011；2.合肥中大檢測技術(shù)有限公司，安徽合肥，230088

石油鉆桿應(yīng)用于油井開采，使用過程中承受扭轉(zhuǎn)力矩，易在鉆桿的圓周方向產(chǎn)生缺陷；且長期處于地下承受高壓，桿壁上易產(chǎn)生缺陷［1］。因此，要對鉆桿定期進行檢測以防止事故的發(fā)生。

鉆桿內(nèi)爬行器可以直接進入鉆桿內(nèi)部，由外部電動機通過牽引繩帶動它在鉆桿內(nèi)部運動，利用漏磁檢測原理，對鉆桿壁上的缺陷進行檢測。整套系統(tǒng)針對開采現(xiàn)場的待用鉆桿進行檢測，稍加改裝可以在不拆卸鉆桿的情況下直接對已有油井內(nèi)的鉆桿進行初步檢測，并對油井的安全狀況作出評價。

本文設(shè)計的鉆桿漏磁信號處理系統(tǒng)，是鉆桿內(nèi)爬行器的核心組成部分，該系統(tǒng)自帶小型磁化系統(tǒng)、信號傳感器以及微處理器，并具有數(shù)據(jù)采集、分析功能，可將數(shù)據(jù)記錄在SD卡（Secure Digital Card）上，以備后期在工控機上進行數(shù)據(jù)分析和缺陷定位。

1 檢測原理及檢測過程

1.1 檢測原理

鉆桿內(nèi)爬行器的工作原理主要是基于漏磁檢測原理。爬行器通過永磁體磁化器向鉆桿的桿壁局部施加恒定的磁場，若在這一局部區(qū)域內(nèi)存在缺陷，則在缺陷附近會形成漏磁場［2－3］；磁敏傳感器可檢測到這個漏磁場并轉(zhuǎn)換為微弱電信號，經(jīng)放大、濾波后傳送至嵌入式處理器進行缺陷類型的判別和進一步處理［4－5］。

1.2 檢測過程

進行檢測時，待測石油鉆桿水平放置，鉆桿內(nèi)爬行器放入鉆桿內(nèi)部，由電動機通過鋼絲繩帶動爬行器在鉆桿內(nèi)部沿水平方向移動，此過程中，若鉆桿局部區(qū)域存在孔洞、裂紋等類型的缺陷，將會引起漏磁場的產(chǎn)生，而磁敏傳感器組會將漏磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號送入嵌入式處理器。

嵌入式處理器接收到漏磁場信號后要對信號特征進行分析處理，以判斷缺陷類型，并結(jié)合測距輪和旋轉(zhuǎn)編碼器送入的信號進行距離解算，以確定缺陷的具體分布位置；最后將缺陷信息及位置信息存入SD卡，以備導(dǎo)出。

2 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計與結(jié)構(gòu)

由于鉆桿的外徑僅有60.3～88.9mm，內(nèi)爬行器的整體幾何尺寸受限，因而信號處理系統(tǒng)的供電和數(shù)據(jù)存儲部分都采用小型化設(shè)計。圖1為爬行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，整個信號處理系統(tǒng)的供電部分采用普通手機用鋰電池，數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)采用SD卡。

圖1 鉆桿內(nèi)爬行器結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)工作時，磁敏傳感器組將漏磁信號傳遞到預(yù)處理電路進行初級放大調(diào)理后，送入嵌入式處理器的ADC接口進行數(shù)據(jù)采集；同時測距輪通過齒輪機構(gòu)帶動旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出引腳直接送入嵌入式處理器的通用I／O引腳，由嵌入式處理器進行旋轉(zhuǎn)脈沖解算，從而得出位移量，并將位移數(shù)據(jù)與缺陷信號進行融合；最后將融合后的數(shù)據(jù)以及時間信息以文本文件形式，存入SD卡中。

3 功能模塊組成與設(shè)計

3.1 前端信號預(yù)處理電路

為保證對鉆桿的內(nèi)表面進行全面覆蓋式檢測，鉆桿內(nèi)爬行器上一共有8個磁敏傳感器。前端信號預(yù)處理電路原理圖如圖2所示，其主要作用是對磁敏傳感器傳送來的電信號進行調(diào)理、放大并將信號轉(zhuǎn)換為0～5V范圍內(nèi)的單極性電壓信號，其中放大器單元采用LMV324。最后傳送到嵌入式處理器的ADC接口進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和采集。

3.2 嵌入式處理器模塊

嵌入式處理器模塊是整個系統(tǒng)的核心，它完成數(shù)據(jù)采集處理、信號特征分析、位移數(shù)據(jù)與缺陷數(shù)據(jù)融合、時間數(shù)據(jù)融合以及控制SD存儲模塊進行數(shù)據(jù)存儲等多種任務(wù)。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集功能

數(shù)據(jù)采集與處理是系統(tǒng)的核心功能，嵌入式處理器通過對前端信號預(yù)處理電路送來的8路模擬信號進行采集分析，濾除噪聲信號，并通過對輸入信號波形的特征進行處理，進而反演出被測鉆桿上的缺陷類型（如孔洞或裂紋）［6］。

ADC模塊是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的主要部件，本設(shè)計中采用嵌入式處理器內(nèi)部的ADC模塊，對輸入信號進行采集處理。本設(shè)計中的ADC模塊工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，預(yù)分頻系數(shù)為64（即ADC模塊的采樣時鐘為晶振頻率的1／64）；連續(xù)轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源為處理器內(nèi)部的T／C0比較匹配事件（即T／C0發(fā)生比較匹配事件時觸發(fā)一次AD轉(zhuǎn)換）；ADC模塊的參考電壓選擇片上的AVCC引腳輸入的＋5V電壓信號。

圖2 前端預(yù)處理電路原理圖

3.2.2 數(shù)據(jù)處理功能

通過編寫中斷服務(wù)程序，在每次ADC轉(zhuǎn)換完成、系統(tǒng)產(chǎn)生ADC結(jié)束中斷時讀取10位的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)，并存入緩沖區(qū)進行脈寬分析；保留指定脈寬區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，并進行二次處理反演缺陷類型，最后保存，留待獲取位移數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)融合。

3.2.3 數(shù)據(jù)融合功能

缺陷數(shù)據(jù)獲得之后，需要和位移數(shù)據(jù)進行融合并送往SD存儲模塊進行保存；當一次完整的檢測過程結(jié)束后，還需要和從時間芯片獲取到的日期時間信息進行再次融合，形成記錄文件，并以當前時間信息作為文件名，保存至SD卡上。

3.3 SD卡存儲模塊

為滿足鉆桿內(nèi)爬行器對信號處理系統(tǒng)的體積要求，本設(shè)計的存儲介質(zhì)選用mini SD存儲卡，它是標準SD卡一種變型產(chǎn)品，尺寸為20mm×21.5mm×1.4mm，質(zhì)量僅有1g。本設(shè)計采用的存儲模塊可接駁標準mini SD存儲卡，并通過SD插座直接與存儲卡進行數(shù)據(jù)交換。該模塊與嵌入式處理器之間采用SPI總線進行通信。

3.3.1 SD卡存儲方式

SD卡作為存儲介質(zhì)自身沒有文件系統(tǒng)，存入的數(shù)據(jù)不能在PC平臺上直接讀取，需要通過嵌入式處理器實現(xiàn)文件系統(tǒng)的功能來記錄檢測數(shù)據(jù)。PC機上最通用的文件系統(tǒng)就是FAT文件系統(tǒng)，它是一種文件數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，將存儲單元劃分為引導(dǎo)記錄、文件分配表、根目錄表文件目錄區(qū)以及數(shù)據(jù)區(qū)4個部分，在進行文件存儲時，需要對這幾個部分作相應(yīng)的修改［7］。

3.3.2 文件系統(tǒng)的實現(xiàn)

為了在mini SD卡上實現(xiàn)文件系統(tǒng)，采用Petit FatFs軟件包，它是一組通用軟件模塊，主要面向8位嵌入式系統(tǒng)，提供一系列的文件讀寫函數(shù)、目錄讀寫操作函數(shù)、文件系統(tǒng)初始化函數(shù)，可以快捷方便地對SD存儲卡進行文件讀寫操作。

3.3.3 數(shù)據(jù)的寫入與關(guān)閉

利用Petit FatFs軟件包提供的文件操作函數(shù)，在一次檢測開始時先創(chuàng)建目錄和文件，檢測過程中將每隔一定時間（如30ms）把檢測數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)與時間信息寫入記錄文件，在檢測結(jié)束之后，根據(jù)時間芯片的輸出生成文件名，同時調(diào)用關(guān)閉文件函數(shù)，存入SD卡，并根據(jù)相應(yīng)的文件變化情況修改文件分配表。

3.4 位移信號處理

內(nèi)爬行器檢測過程中需要對缺陷信號進行較為準確的定位，本設(shè)計中旋轉(zhuǎn)編碼器與爬行器上的測距輪相連接，將編碼器的A相、B相、Z相（零位輸出）這三路脈沖輸出信號直接送入嵌入式處理器的通用I／O引腳，通過對A、B兩相脈沖信號進行計數(shù)，并結(jié)合測距輪的圓周長度，嵌入式處理器可計算出爬行器的行進速度，并利用速度信息進行位移處理，實現(xiàn)位移數(shù)據(jù)與缺陷數(shù)據(jù)融合功能。

另外，對A相、B相脈沖信號的相位差及其與Z相脈沖信號之間的相位差和滯后時間進行分析，可以解算出爬行器中測距輪當前的旋轉(zhuǎn)方向，從而確定爬行器當前是否處于正向前進的狀態(tài)。為降低系統(tǒng)功耗以及避免逆向行進時同一位置缺陷被重復(fù)記錄，逆向前進時不啟動嵌入式處理器的ADC模塊和SD存儲模塊。

3.5 時間芯片及時間數(shù)據(jù)處理

嵌入式處理器在進行數(shù)據(jù)記錄時，需要一并記錄檢測時的系統(tǒng)時間，選用DS1302時間芯片來為系統(tǒng)提供日期及時間數(shù)據(jù)。該芯片需另配一塊32768Hz的晶振來作為震蕩源，直接采用系統(tǒng)中的＋5V工作電壓供電，片上的SCK、I／O、RST引腳與嵌入式處理器相聯(lián)，進行時間數(shù)據(jù)的傳輸和復(fù)位控制。嵌入式處理器通過I／O引腳上傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)解讀時間數(shù)據(jù)，以備數(shù)據(jù)記錄時使用。

3.6 電源模塊與電池

信號處理系統(tǒng)由兩塊3.7V鋰電池串聯(lián)組成電池組供電。由于系統(tǒng)內(nèi)部多數(shù)部件工作電壓均為＋5V，系統(tǒng)需要對電池輸入的電壓進行調(diào)節(jié)，采用國家半導(dǎo)體公司的LM1117MPX－5.0電壓調(diào)節(jié)芯片（SOT－223封裝）。該芯片體積小，易于安裝，不僅可進行準確的電壓調(diào)節(jié)，還自帶過溫保護及輸出限流功能，具有輸出電流穩(wěn)定、發(fā)熱量小的特點。

SD卡存儲模塊的工作電壓是3.3V，因此，要使之正常工作，還需要進行電壓轉(zhuǎn)換，選用穩(wěn)壓芯片HI7533－1，將電源模塊輸出的5V電壓降到3.3V送入存儲模塊的VCC引腳，以使其正常工作。同時在嵌入式處理器與存儲模塊進行數(shù)據(jù)通信的SS、MOSI、SCK三個引腳上要分別連接分壓電阻，以使嵌入式處理器的輸出電平降至3.3V。

3.7 控制開關(guān)及電量指示信號

3.7.1 控制開關(guān)部分

采用普通撥動開關(guān)，在爬行器進入鉆桿內(nèi)準備開始檢測時打開，使嵌入式處理器進入工作狀態(tài)，此時并不啟動處理器中的ADC模塊，嵌入式處理器將在工作時，根據(jù)測距輪的轉(zhuǎn)動方向，決定何時啟動ADC模塊。

3.7.2 電量指示信號

利用嵌入式處理器內(nèi)部的模擬比較器模塊測定電池當前電壓，將電池組（由兩節(jié)3.7V鋰電池串聯(lián)組成）電壓分壓后送入模擬比較器，通過與芯片內(nèi)部的1.22V固定能隙參考電源進行比較，判斷電池組的輸出電壓變化情況。電壓正常時，雙色二極管呈綠色；當電池組分壓后的電壓過低時，通過對連接雙色二極管的指定引腳的電平狀態(tài)進行調(diào)整，驅(qū)動雙色二極管以紅色顯示，以提示用戶當前電池組電壓過低。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)的開發(fā)平臺及器件選用

根據(jù)系統(tǒng)的接口要求和功耗要求，本設(shè)計主處理器采用ATMEL公司的ATMega16L。該處理器工作電壓范圍2.7～5.5V，其內(nèi)部的ADC模塊可對8路模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；單通道連續(xù)采樣最高速率可達15 000次／秒；具有6種睡眠模式，有利于降低整體功耗；并且內(nèi)置了電壓比較器和SPI串行接口，可滿足本設(shè)計所需要的全部功能需要［8］。mini SD存儲模塊采用深圳微雪公司生產(chǎn)的Micro SD StorageBoard模塊，兼容SPI和SDIO兩種通訊方式；編碼器模塊采用Mini256Z型增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器具有A、B、Z三相輸出，最小安裝尺寸為直徑15mm，長度18mm，轉(zhuǎn)軸長10mm，工作電壓為3.3～5.5V，完全符合本設(shè)計的要求。

軟件開發(fā)平臺為 AVR STUDIO 5.0，開發(fā)板選用ATMEL公司的 AT AVR ISP mkII下載器套件。軟件仿真選用PROTEUS 7.8。

4.2 系統(tǒng)的應(yīng)用情況

本設(shè)計已于2012年7月在勝利石油管理局黃河管具公司的四川達州宣漢縣胡家鎮(zhèn)的鉆桿服務(wù)基地投入了試運行，取得了良好的效果，對人工刻制的鉆桿內(nèi)壁缺陷檢出率達到100%。

5 結(jié)束語

本設(shè)計可應(yīng)用于鉆桿的即時檢測，具有準確度高、靈敏度好、體積小、功耗低的特點，可以對缺陷的分布位置進行記錄；以SD卡作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，具有方便、成本低的優(yōu)勢；稍加改裝還可對已架設(shè)的鉆井進行初步的檢測。

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