基于激光技术的锥管螺纹参数测量系统研究

摘要

在石油钻采工业中使用了大量的石油专用管材，石油管材之间是依靠螺纹接头连接起来的，而螺纹连接部分又是石油管材中最脆弱的环节。油管失效、粘扣、泄露等现象的发生，给生产和作业带来很大的损失和破坏。因此，对螺纹进行检测分析，严格管理油管的质量和保证油管螺纹的品质，对安全生产有着重要意义。
　　螺纹参数检测的方法分为接触式检测和非接触式检测，本文在分析国内外螺纹参数测量仪的基础上，采用了基于激光三角测量原理的方法，设计了一种非接触式的螺纹参数自动化测量装置。该系统采用了轮廓扫描的思想，在下位机数据采集系统中，使用激光位移传感器采集油管螺纹与轴向垂直方向的位移，编码器采集被测螺纹轴向的位移，然后通过串口将数据发送至上位机，在上位机中对采集的数据进行低通数字滤波处理，分段拟合出螺纹的轮廓曲线，然后计算出螺纹的螺距、牙高、锥度等参数。
　　本文首先分析了激光三角测量原理，然后详细叙述了系统对于内螺纹、外螺纹的测量方案;接下来叙述了以ADuC845单片机为核心的下位机数据采集系统的硬件电路设计，主要包括激光位移传感器信号采集的原理和实现方法，编码器信号采集原理和实现以及步进电机驱动模块的设计;然后叙述了系统下位机单片机数据采集系统的程序设计和上位机数据处理相关程序设计;最后，叙述了系统的调试过程，对传感器进行了线性度误差分析和对数据结果进行处理。
　　通过实验验证，对结果进行处理和分析表明，该系统能够正常稳定工作，是测量油管螺纹参数的一种有效方法。通过软件扩展，该测量系统还能测量多种不同类型的螺纹参数，具有很强的适应性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 激光技术在非接触检测技术中的应用

1．3 国内外的研究现状及发展趋势

1．3．1 国内研究现状

1．3．2 国外研究现状

1．3．3 发展趋势

1．4 课题的主要工作及安排

2 测量系统的方案设计

2．1 激光三角法的测量原理

2．1．1 激光三角法直射式测量原理

2．1．2 激光三角法斜射式测量原理

2．1．3 两种三角位移传感器特性比较

2．2 系统总体方案设计

2．2．1 系统概述

2．2．2 系统测量方案设计

2．2．3 系统机械传动结构设计

2．2．4 系统硬件方案设计

2．2．5 系统软件方案设计

2．3 本章小结

3 系统硬件电路设计

3．1 电源模块设计

3．2 单片机最小系统电路

3．2．1 ADuC845单片机

3．2．2 复位电路

3．2．3 系统时钟与程序下载接口电路

3．3 激光位移传感器信号采集处理电路

3．3．1 激光位移传感器信号采集原理

3．3．2 激光位移传感器技术参数

3．3．3 A／D参考电压电路设计

3．3．4 信号采集电路设计

3．4 编码器信号采集处理电路

3．4．1 编码器工作原理

3．4．2 编码器信号采集原理

3．4．3 HCTL-2020内部原理

3．4．4 采集电路设计

3．5 步进电机驱动电路

3．5．1 步进电机工作原理与特点

3．5．2 步进电机驱动控制电路设计

3．6 液晶显示模块接口电路

3．7 串口通信硬件电路

3．8 本章小结

4 系统软件设计与开发

4．1 下位机软件设计

4．1．1 Keil开发环境简介

4．1．2 单片机程序设计框图

4．1．3 系统初始化程序设计

4．1．4 激光位移传感器信号采集程序设计

4．1．5 编码器信号采集程序设计

4．1．6 步进电机控制程序设计

4．1．7 串口通讯程序设计

4．2 上位机软件设计

4．2．1 LabVIEW简介

4．2．2 上位机界面设计

4．2．3 串口通讯程序

4．2．4 数字滤波

4．2．5 螺纹参数计算

4．3 本章小结

5 系统调试与数据结果处理

5．1 系统硬件调试

5．2 系统软件调试

5．3 传感器线性度实验与误差分析

5．3．1 传感器线性拟合

5．3．2 二次曲线拟合

5．4 螺纹参数计算与分析

5．4．1 螺距测量结果数据处理

5．4．2 牙高测量结果数据处理

5．4．3 锥度测量结果数据处理

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文