本发明涉及综合录井领域，尤其涉及一种基于振动频率法的录井仪绞车传感器及计算方法。
背景技术：
1、综合录井技术是油气勘探和开发过程中的关键技术之一。基于该技术研发而成的综合录井仪是为油(气)田生产井开发过程中的实际要求而设计的一套专用的录井设备，用于录取钻井工程参数、钻井液参数及地层释放出的全烃和组分参数。绞车传感器则是综合录井仪的核心传感器，安装在钻机滚筒轴上，通过测量钻机大绳收放时滚筒的角运动来监测大钩垂向运动，经过计算后转换为大钩运动的上下位移。绞车传感器是派生参数最多的一类传感器，与井深、钻头位置、钻时、钻头进尺和起下钻速度等参数直接相关，其测量精度和准度直接关系到钻井工程的质量。
2、目前常用的绞车传感器有电磁式和霍尔式，增量型光电编码器等等，但是无论是霍尔、光电还是接近开关，感应方式不同，但都属于接触式测量，从工作原理上来说都需要将传感元件安装在绞车旋转装置(一般是钻机滚筒轴)上，这就要求给传感器安装留够位置。很多钻机的绞车，例如981钻机上的绞车没有绞车传感器的单独预留安装空间，因此这三种方法都不适用于现场需求，并且由于钻井现场的工况和环境恶劣，在使用过程中常出现井深面板指示灯不闪烁、井深不跟踪、井深误差较大等故障现象，但是由于接触式测量绞车传感器想要进行检修就必须拆卸绞车滚筒，非常不便。
3、因此，研制一种不局限安装空间、易拆装、易维护的新型绞车传感器，是非常必要的。
技术实现思路
1、本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于振动频率法的录井仪绞车传感器及计算方法。
2、本发明基于绞车传感器本质上是绞车的转速测量和转向判别，所以可参考转速的测量方法。机械设备在转动的过程中常常产生振动，通过分析设备的振动特征可测量绞车的转速。而这种对振动信号进行分析求得转速的方法可以不局限于安装位置，进行非接触式的测量，有效解决了目前绞车传感器所存在的问题。
3、本发明提供一种基于振动频率法的录井仪绞车传感器，使用振动传感器来采集绞车滚筒振动信号，并对振动信号进行分析从而计算出绞车滚筒的转速信息。并且本发明还提供一种基于振动频率法的录井仪绞车传感器磁吸结构，包括铁芯、外壳、线圈、隔磁板、磁轭、平面磁吸面以及测量电路七个部分。选用磁吸结构是为了方便安装，并且考虑到振动测量为平面，测量模块的部分可以靠磁吸结构牢牢吸附在绞车滚筒外壳平面上，完成测量。
4、本发明采用如下技术方案：
5、一种基于振动频率法的录井仪绞车传感器计算方法，包括以下步骤：
6、步骤一：将采集到的绞车滚筒外壳的振动信号进行加窗分帧
7、将振动信号采集电路采集到的振动信号通过加窗分段截取为一帧一帧的信号片段，采用汉宁窗作为窗函数，取1秒为1帧对振动信号进行加窗。
8、步骤二：对每一帧的振动信号进行二进小波变换。
9、对每一帧的振动信号进行二进小波变换的步骤如下：
10、s1.选取小波基函数
11、选取光滑函数的一阶导数作为小波基函数，在这里选择db4作为小波基函数。
12、s2.对信号进行二进离散小波变换
13、s201.选择伸缩因子a和平移因子τ，这里a＝2j，τ＝kδt。
14、其中j为小波变换级数，k为小波函数移动的位置，δt为离散信号序列采样时间间隔。
15、s202.从高频到低频对每一帧信号频率空间进行二分，通过多级小波变换最终可以捕捉到信号的基波。
16、在这个过程中每次对频率空间的二分都是由高频到低频进行的，二进离散序列的小波变换可如下实现：
17、(1)
18、(2)
19、其中和分别为信号的x(t)的第j级小波变换的离散概貌和离散细节，h0和h1分别为低通和高通滤波器系数，n为采样点时间序号，k为小波函数移动的位置，表示输入信号。
20、s3.通过不断对信号进行小波变换，确定需要多少级小波变换可以捕捉到基频。
21、由于对振动信号的基频范围未知，故需要对经过小波变换的信号频率进行判断，当第m级小波变换后，尺度部分不含有信号基频和谐波，则该级小波变换可以捕捉到基频，即为当小波变换级数j<m时，小波变换尺度部分含有信号的基频和谐波，如果尺度部分含有信号基频和谐波就需要进行下一级小波变换，反之则不需要。
22、步骤三：比较j与j+1级下的小波变换得到的极值点
23、由步骤二得到可以捕捉到基频的二进小波变换的级数j，找出j级小波变换下的峰值点，实际使用过程中，由于小波滤波器总是存在过滤带，所以使用该峰值的0.9倍来搜索局部极值点，然后以同样的步骤对j+1级小波变换搜索局部极值点，比较两者的位置是否一致或者相近，若一致则可以计算基频，反之则接着进行下一级小波变换，直至上下级局部极值点位置一致或者相近为止。
24、步骤四：若j与j+1级小波变换得到的局部极值点位置一致,则计算基频。
25、
26、其中n为所选极值点点数，n1和n2分别是第一个和最后一个极大值的采样位置，fs为采样频率，δt为离散信号序列采样时间间隔。
27、步骤五：通过基频计算转速。
28、通过以下的公式可以计算转速：
29、n＝60f。
30、其中，n为绞车滚筒转速，f为基频。
31、绞车传感器振动信号采集电路，包括4个模块：测量模块、电源模块、读取模块和信号变换模块。
32、测量模块：由振动传感器和基本工作电路组成，测量模块将测得的信号传递给读取模块；
33、读取模块：
34、内设dsp控制单元、时钟管理单元、数据采集、数据储存、数据读取和串口通信。dsp控制单元，用以实现读取模块的工作控制；
35、时钟管理单元，为dsp、数据采集和通信等提供时钟信号，实现高精度时间记录，将时间信息与振动信息建立对应关系，方便后续实现转速反演计算；
36、数据采集，实现振动信号的高速采集；
37、数据储存，实现振动信号时间序列的就地暂存；
38、数据读取，实现振动信号时间序列的读取；
39、串口通信，实现振动信号时间序列的串口通信；
40、其中，dsp控制单元有两种工作模式，分别为常规测量模式和校准模式。
41、在常规测量模式中，dsp初始化完之后，接受到传感器采集的振动信号之后，利用基于振动频率法的录井仪绞车传感器计算方法，反演计算出转速，然后将通过4-20ma标准电流信号和tcp/ip的通信方式将数据外传；
42、在校准模式中，dsp初始化完之后，同样是先通过振动信号利用基于振动频率法的录井仪绞车传感器计算方法计算出转速，然后调用“变量误差模型”。变量误差模型是对振动传感器进行在线标定之后，对振动信号再进行反演转速操作，然后再与初始化直接进行反演转速的结果进行对比的模型。
43、读取模块将读取获得的信号经过计算或校准后输出给输出信号变换模块；
44、输出信号变换模块：将反演计算所得的转速信息，以标准电流信号输出，实现“数字信号-标准电流信号(模拟)”的信号转换，标准电流信号可以接入录井系统。
45、电源模块：为绞车传感器的各部分电路提供电源。
46、一种基于振动频率法的录井仪绞车传感器，包括铁芯、外壳、线圈、隔磁板、磁轭、平面磁吸面以及绞车传感器振动信号采集电路。
47、绞车传感器振动信号采集电路和磁吸盘均安装在外壳内，绞车传感器振动信号采集电路位于中部，两侧为磁吸盘，绞车传感器振动信号采集电路与磁吸盘外部非工作面均包裹有隔磁板。磁吸盘由平面磁吸面、铁芯、线圈、磁轭组成，平面磁吸面，即与测量外壳(绞车滚筒外壳)平面直接接触的部分。平面磁吸面内具有铁芯，铁芯采用长方体金属导磁材料，线圈绕制在铁芯上，铁芯、线圈、平面磁吸面安装在磁轭上，磁轭既是磁路导磁体，又是磁吸面外壳一部分。
48、进一步的，测量模块的振动传感器选择三轴mems加速度传感器，该传感器基于热对流原理制作，可承受200,000g高强度的冲击，x/y/z三轴12位数字信号输出，可实现6个方向位置侦测，不需要数据转换电路。最小的晶圆级封装1.18mm×1.70mm×0.85mm，使模块体积大大缩小，可以减小现场模块安装尺寸。
49、进一步的，dsp控制单元的工作模式具体是：将测量到的振动信号反演计算得到转速代入变量误差模型计算校准转速nz0和输出转速nzi之间的差值△nzi，记录每次校准时间和差值。若误差较大，则对输出转速进行校准。在dsp控制单元的工作流程中还设置了设置校准阈值，决定传感器是否需要进入校准模式，如果没有测量结果没有超过设置的校准阈值，则会默认进入常规测量模式，反之则进入校准模式中进行工作。
50、进一步的，dt4纯铁作为铁芯、磁轭的材料。
51、进一步的，绞车传感器振动信号采集电路外部还采用氧化铝隔磁封装。
52、本发明的有益效果：
53、本发明对振动信号进行分帧加窗处理，然后对每一帧的振动信号进行离散二进制小波变换，将振动信号分解为只剩下基频的部分，通过比对前后级小波变换的极值点位置，从而计算得到振动信号的基频，进而得到滚筒的转速信息。与传统的电磁式、霍尔式等绞车传感器相比，测量精度也没有降低，但是本发明在安装时无需拆分绞车部件，测量便捷，并且可以快速方便的拆卸维修。
1.一种基于振动频率法的录井仪绞车传感器计算方法，其特征在于,包括以下步骤：
2.绞车传感器振动信号采集电路，其特征在于，包括4个模块：测量模块、电源模块、读取模块和信号变换模块；
3.一种基于振动频率法的录井仪绞车传感器，其特征在于，包括铁芯、外壳、线圈、隔磁板、磁轭、平面磁吸面以及如权利要求2的绞车传感器振动信号采集电路；
4.根据权利要求2所述的绞车振动信号采集电路，其特征在于，测量模块的振动传感器为三轴mems加速度传感器，该传感器基于热对流原理制作，能承受200,000g高强度的冲击，x/y/z三轴12位数字信号输出，实现6个方向位置侦测，不需要数据转换电路，最小的晶圆级封装1.18mm×1.70mm×0.85mm，使模块体积缩小，能减小现场模块安装尺寸。
5.根据权利要求2所述的绞车振动信号采集电路，其特征在于，dsp控制单元的工作模式具体是：将测量到的振动信号反演计算得到转速代入变量误差模型计算校准转速nz0和输出转速nzi之间的差值△nzi，记录每次校准时间和差值，若误差较大，则对输出转速进行校准，在dsp控制单元的工作流程中还设置了设置校准阈值，决定传感器是否需要进入校准模式，如果没有测量结果没有超过设置的校准阈值，则会默认进入常规测量模式，反之则进入校准模式中进行工作。
6.根据权利要求3所述的基于振动频率法的录井仪绞车传感器，其特征在于，dt4纯铁作为铁芯、磁轭的材料。
7.根据权利要求3所述的基于振动频率法的录井仪绞车传感器，其特征在于，绞车传感器振动信号采集电路外部还采用氧化铝隔磁封装。
