引言

　　示功图分析可以了解油井实时动态及抽油装置是否合理[1]。同时，示功图是抽油机井装置故障诊断的重要依据之一。因此，示功图测量的好坏对于整个抽油系统工作效率和自动化水平的提高具有非常重要的意义。

　　目前，采油现场使用示功仪测量位移和冲程的方式以拉线式为主，然而以拉线式测量位移和冲程的方法存在仪器笨重、断头率高、局部磨损严重等不足，对现场操作造成了很多不便。为此，针对采油现场的迫切需求，提出了小型化和无绳化示功图测试仪的设计方案，以彻底避免拉线式所固有的缺陷。

　　硬件电路设计

　　基于加速度传感器的示功图测试仪的硬件框图如图1所示，主要分为四部分：电源管理系统、载荷信号调理电路、加速度信号调理电路、主控及辅助设备电路。其中，加速度传感器负责采集油杆上下运动的加速度信号，通过积分算法而得到位移和冲程，是示功图测试仪硬件的设计核心。

加速度信号调理电路

　　示功图测试仪的位移和冲程是通过加速度双重积分得到的，考虑到油杆上下周期性运动的特点，将一个周期加速度测量值减去其平均值，令边界条件为零，对修正后的加速度积分得到速度;令边界条件为零，对修正后的速度积分得到冲程[2]。由于必须对原始加速度信号进行相应的滤波处理，去除边界的双重积分算法较复杂，所以本系统采用了单片机程序滤波积分的方法，放弃了硬件积分器的方案来实现积分算法，电路如图2所示，是采用加速度传感器芯片ADXL203、适当配置的外围器件和TI的MSP430F1611微控制器组成的。其中，COM引脚是公共地，DNC是悬空引脚，Vs是电源引脚，ST是自测引脚(正常使用时该引脚接低电平)，XOUT和YOUT是水平和垂直方向的加速度测量信号输出。

　　ADXL203是一款高精度、低功耗的iMEMS型双轴加速度传感器芯片[3]，具有信号可调的电压输出，既可测量动态加速度，又可以用来实现诸如重力加速度的静态测量。ADXL203典型测量范围为±1.7g，承受3500g极限加速度。其下拉电流小于700mA，输出量为一个与加速度成比例的模拟电压信号，灵敏度达到1000mV/g。

　　ADXL203加速度传感器输出幅值与所测加速度成正比的方波信号。传感器主要由一个利用表面微机械加工的多晶硅机构和一个差动电容器组成，在加速度的作用下，多晶硅结构会产生偏移，拉动差动电容的中心极板滑动，使两个电容值不同，在中心极板产生电压，传感器输出方波，输出方波的幅值与所测的加速度成正比。当供电电压改变时，灵敏度就会发生相应变化，影响测量精度。例如：5V电压供电，输出电压比例系数1V/g;3V电压供电，输出电压比例系数0.56V/g。本系统在ADXL203的电源端并联0.01mF和10mF两个电容，很好地过滤了低频和高频噪声信号，大大减少了电源纹波对加速度传感器输出电压的影响。