一种适合测卡仪传感器高精度测量的检定装置

马明云

（中国电子科技集团公司 第二十二研究所，河南新乡453003）

0 引言

在钻修井卡钻事故处理中广泛使用一种数字型卡点测量仪，简称测卡仪。一般测卡仪包括依次连接的磁定位、加重杆、伸缩杆、振荡器、上弹簧锚、传感器、下弹簧锚和引鞋。在测卡过程中，通过给管柱施加外力导致管柱产生微小变形，可引起上、下弹簧锚之间产生相对位移，由于上、下两个弹簧锚之间有传感器并存在一段距离，故上、下弹簧锚之间所产生的管柱变形信号就存在微小差异，该微小差异通过传感器和振荡器传递到地面仪器，根据地面仪器表盘指针的转动角度，来反映该弹簧锚处以上管柱有没有被卡[1]。

在没有现场条件的情况下，如何检定测卡仪传感器是否具有足够的测量精度是急需解决的问题。

1 检定对象

1.1 传感器组成

如图1所示，传感器短节主要由上下接头、单芯承压密封塞、振荡感应线圈部分、主动轴、磁性杆、平衡胶套、注油阀及辅助部件等组成[2]。传感器上接头后端装有单芯承压密封塞，上下接头之间的空腔部分充满硅油，既可平衡外部压力，又可润滑传动部分的零部件；下接头上端安装平衡胶囊来进行内外压力的平衡；磁性杆下端通过离合器等与主动轴相连，主动轴下端通过螺纹与下接头连接；在管柱产生轴向微变形或圆周方向微扭转变形时，下接头可带动主动轴进行相对于传感器上端部分的轴向微位移或圆周方向微扭转，从而带动磁性杆切割感应线圈产生电感信号的变化，同时平衡胶囊可以少量压缩、拉伸及旋转。注油阀兼有限制主动杆旋转角度的功能。

1.2 传感器工作过程

图1 传感器示意图

传感器短节位于上弹簧锚和下弹簧锚之间，用于将上、下弹簧锚之间的井下管具的变形（拉伸、压缩或扭转）信号传送到地面。在采用提拉管柱的方法测卡点时，位于上、下弹簧锚之间的管柱会产生一个轴线上的微变形，在上、下弹簧锚抓紧管柱的情况下，该微变形就会促使传感器下接头带动主动轴产生相对于传感器上端部分的轴向微小位移，而该位移最终体现在主动轴带动的磁性杆上，从而使磁性杆切割线圈产生电感信号的变化，要求传感器测量精度为被卡管柱1.5 m范围内压缩或拉伸0.025 mm的变形量可被检测；在采用转动管柱的方法测卡点时，位于上、下弹簧锚之间的管柱会产生一个扭转变形，上、下弹簧锚会随着管柱的扭转变形而产生圆周方向微扭转，从而使夹在上、下弹簧锚之间的传感器下接头带动主动轴产生相对于传感器上端部分的微小扭转位移，同样，该圆周方向微扭转最终会体现在主动轴带动的磁性杆上，从而引起振荡感应线圈部分产生电感信号的变化，要求传感器测量精度为被卡管柱1.5 m范围内被扭转0.5°的变形量可被检测。

2 检定装置

传感器检定装置主要由底座、2个小支架、转接头、轴承轴组件、主动轴、压紧弹簧、支撑架、主螺母、刻度盘及游标盘等组成，如图2所示。2个小支架与支撑架沿着底座长度方向依次固定在底座上；游标盘固定在支撑架左侧，主螺母从右侧套入支撑架，主动轴右侧依次装入弹簧、刻度盘，并穿过游标盘与主螺母连接；轴承轴组件右侧通过M4螺钉与主动轴连接，左侧通过定位环（如图4）与转接头连接。将传感器固定在两个小支架上，传感器下接头与转接头连接。在主动轴右端转动主动轴，即可通过轴承轴组件、转接头，带动传感器下接头做相应运动，从而可对传感器精度进行检定。

图2 传感器检定装置总体结构

传感器检定装置主要有以下特点：1）结构简单、可用于实现传感器在轴向上受拉或受压的高精度位移检定；2）操作简单易实现，调整部分零件，可实现传感器有微扭转时的角度检定。

2.1 拉压检定

用于传感器轴向拉伸或压缩时的高精度线位移检定时，该检定装置的配置如图2所示，主要由底座、2个小支架、支撑架、转接头、轴承轴组件、主动轴、压紧弹簧、主螺母、刻度盘、游标盘及若干螺钉组成。

如图3所示，工作时，用喉箍等（图上未显示）将传感器固定在小支架上，保证传感器和小支架不会发生相对移动，此时传感器下接头右端与检测装置转接头左端固定在一起。

如图4所示，轴承轴组件主要由轴承轴、双向平面推力轴承、连接轴、定位环及大小轴套组成。双向平面推力轴承套在轴承轴上，用来传递传感器检定设备对传感器进行拉伸或压缩时的轴向负荷，并且相应地卸掉了圆周方向的负荷；大小轴套与双向平面推力轴承配套使用；轴承轴组件右端的连接轴与主动轴通过M4螺钉固定连接；轴承轴组件通过定位环上的螺纹连接在转接头上，保证主动轴向右侧移动时，转接头可带动传感器下接头作与主动轴轴向位移相同的运动。压紧弹簧保证了刻度盘与游标盘的紧密接触，使得读数更为准确。刻度盘上相邻两线所对中心角为1°，共360根刻线；游标盘上相邻两线所对中心角为59′，共121根刻度线；主动轴与主螺母配合螺纹采用M30×1螺纹，螺距为1 mm，在主动轴右侧转动主动轴，在游标盘与刻度盘相对旋转9°时，主动轴相对主螺母轴线方向位移为0.025 mm。如图2所示，主螺母通过4个M4螺钉固定在支撑架上。在使用时，顺时针或逆时针转动主动轴右端，使得刻度盘与游标盘相对旋转9°，即可检定传感器所测受拉伸或压缩0.025 mm位移的正确性。

图3 传感器检定装置工作图

图4 轴承轴组件

2.2 扭转检定

在使用传感器检定装置检定传感器所检测扭转角度的正确性时，需要先将图4所示的轴承轴组件更换为图5所示的旋转检定用轴，该旋转检定用轴兼有轴承轴组件上定位环和连接轴的作用，右端与主动轴通过M4螺钉固定连接，左端通过其上的螺纹与转接头相连；并将图2所示的往支撑架上固定主螺母的4个M4螺钉去掉，此时主螺母外圆可在支撑架内孔相对转动；主螺母内部与主动轴外侧仍然通过螺纹连接，相当于两者固定在一起。以刻度盘与游标盘上的已经对齐的刻度作为初始对齐刻度，轻微转动主动轴右端，使得刻度盘与游标盘上新的对齐刻度与初始对齐刻度相差30个刻度，即相当于圆周方向上主动轴和刻度盘相对于游标盘旋转0.5°，可对传感器有微扭转的检测效果进行检定。

图5 旋转检定用轴

3 结论

该传感器检定装置能够在实验室环境下，为传感器提供一个精确的轴向微位移，操作简单方便易实现；能够给传感器提供一个精确的圆周方向微扭转；通过整合设计，在同一套整件上，通过更换个别零部件，实现了传感器轴向微位移检定功能与圆周方向微扭转检定功能的快速切换，结构简单容易实现，降低了成本，降低了操作的复杂度。