一種新型的霍尼韋爾磁阻磁阻傳感器

一種新型的霍尼韋爾磁阻磁阻傳感器

0磁敏傳感器的選擇金屬磁強(qiáng)檢測(cè)是一種使用磁強(qiáng)效應(yīng)對(duì)鐵磁性材料的應(yīng)力集中進(jìn)行檢測(cè)的新方法。它具有不用施加激勵(lì)磁場(chǎng)、檢測(cè)速度快、不受油水等介質(zhì)的影響、成本低和操作簡單的特點(diǎn),可以對(duì)金屬套管未來套損進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于磁記憶信號(hào)非常微弱,磁敏傳感器的選擇就十分重要。就目前國內(nèi)現(xiàn)有幾個(gè)廠家的金屬磁記憶檢測(cè)儀的靈敏度、分辨率不是很好,同時(shí)在油田套損日益嚴(yán)重的今天,如何將該方法有效應(yīng)用于工程測(cè)井領(lǐng)域,首先磁敏傳感器的選擇非常關(guān)鍵。霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1022具有高靈敏度、高分辨率、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)它具有專利的集成置位/復(fù)位帶,可降低溫度漂移效應(yīng)非線性誤差和由于高磁場(chǎng)的存在導(dǎo)致的輸出信號(hào)的丟失;還具有專利的集成偏置帶,可消除硬鐵干擾的影響。1hvm102的基本概念和特點(diǎn)1.1環(huán)境磁場(chǎng)的施加霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1022是簡單的電阻電橋設(shè)備,只需要一個(gè)供電電源便可測(cè)量磁場(chǎng)。當(dāng)0～10V的電壓連接到橋路上時(shí),傳感器開始測(cè)量軸線內(nèi)的環(huán)境磁場(chǎng)或施加磁場(chǎng)。磁阻傳感器是由在硅片上生成的一個(gè)薄層鎳鐵(或稱坡莫合金)薄膜制成,并布置成一個(gè)電阻帶。存在施加磁場(chǎng)時(shí),電橋電阻的變化使電壓輸出產(chǎn)生相應(yīng)的變化。通常施加在薄膜側(cè)的外部磁場(chǎng),使磁力線產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),并改變其角度,這又使電阻值發(fā)生變化(ΔR/R),并造成惠斯通電橋的電壓輸出的變化。這種鎳鐵電阻的變化被稱作磁阻效應(yīng),它直接與電流的方向和磁化矢量有關(guān)。1.2腳的soic封裝霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1022是16腳的SOIC封裝,體積較小。它是雙軸傳感器(DieA軸向,DieB軸向),可測(cè)量橫向、縱向兩個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)。1.2.1傳感器內(nèi)部介質(zhì)內(nèi)表達(dá)的政府內(nèi)在制造過程中,敏感軸(磁場(chǎng)方向)被設(shè)置為沿薄膜長度的方向,這樣可使施加在鎳鐵薄膜的磁場(chǎng),導(dǎo)致電阻值的最大變化。但是,沿敏感軸大于10高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)的影響,會(huì)擾亂或翻轉(zhuǎn)薄膜磁化的極性,改變傳感器的特性。針對(duì)這樣的擾動(dòng)磁場(chǎng),為了恢復(fù)或置位傳感器的特性,必須短暫地施加一個(gè)強(qiáng)的恢復(fù)磁場(chǎng),這種做法被稱作施加置位脈沖或復(fù)位脈沖。電橋輸出信號(hào)的極性取決于此內(nèi)部薄膜的磁化方向,并且與零磁場(chǎng)輸出相對(duì)稱。置位/復(fù)位(S/R)電流帶施加置位/復(fù)位電流進(jìn)行脈沖,有三個(gè)方面的作用:(1)強(qiáng)迫傳感器以高靈敏度模式工作;(2)翻轉(zhuǎn)輸出響應(yīng)曲線的極性;(3)在正常工作期間進(jìn)行循環(huán),以提高線性度,減少垂直軸的影響和溫度影響。1.2.2電橋偏置偏置s當(dāng)直流電流在偏置電流帶內(nèi)通過時(shí),偏置電流帶有以下四種工作模式:(1)可減去不必要的磁場(chǎng);(2)可將電橋偏置設(shè)置為0;(3)電橋輸出可驅(qū)動(dòng)偏置電流帶,來消除閉環(huán)配置內(nèi)的測(cè)量磁場(chǎng);(4)接到命令時(shí),橋路增益可在系統(tǒng)內(nèi)自動(dòng)校準(zhǔn)。2hcm1022的設(shè)置、復(fù)位脈沖電路和處理程序2.1置位/復(fù)位脈沖roe的產(chǎn)生和加標(biāo)系統(tǒng)HMC1022的低功率置位/復(fù)位脈沖電路原理圖和時(shí)序圖如圖1所示。HMC1022的置位/復(fù)位脈沖是由單片機(jī)的端口來控制產(chǎn)生的,分別經(jīng)由低閥值的FET場(chǎng)效應(yīng)管(NDS9933和NDS8926)接到HMC1022的置位/復(fù)位端(8腳和14腳)。這些低閥值的FET場(chǎng)效應(yīng)晶體管在UGS=2.7V時(shí)提供0.3Ω的低接通電阻。置位/復(fù)位脈沖不需要連續(xù)產(chǎn)生,可以先施加一個(gè)置位脈沖,然后施加一個(gè)復(fù)位脈沖,偏置(OS)為:OS=(U置位+U復(fù)位)/2(1)其中:OS為偏置項(xiàng);U置位為置位讀數(shù);U復(fù)位為復(fù)位讀數(shù)。該偏置項(xiàng)包括磁阻傳感器電橋和接口電子器件的直流偏置,以及磁阻傳感器電橋和接口電子器件的溫度漂移。在采集的電橋輸出讀數(shù)中應(yīng)減去此偏置項(xiàng),每次采集電橋輸出數(shù)據(jù)前,都應(yīng)進(jìn)行一次置位和復(fù)位、并計(jì)算出偏置項(xiàng)(OS)。最終,采集的電橋輸出讀數(shù)(U輸出)應(yīng)用下式進(jìn)行計(jì)算:U輸出=U復(fù)位-OS(2)2.2采集電橋輸出熱值的高位低功率置位/復(fù)位程序框圖如圖2所示。以X軸向應(yīng)用為例,實(shí)際應(yīng)用中的置位/復(fù)位脈沖電路程序編制如下:首先,存儲(chǔ)區(qū)的分配:XADL為X軸向減去偏置項(xiàng)的采集電橋輸出讀數(shù)的低位,XADH為X軸向減去偏置項(xiàng)的采集電橋輸出讀數(shù)的高位;XADL1為X軸向置位的采集電橋輸出讀數(shù)的低位,XADH1為X軸向置位的采集電橋輸出讀數(shù)的高位;XADL2為X軸向復(fù)位的采集電橋輸出讀數(shù)的低位,XADH2為X軸向復(fù)位的采集電橋輸出讀數(shù)的高位;OS_XADL為X軸向偏置項(xiàng)的低位,OS_XADH為X軸向偏置項(xiàng)的高位。偏置項(xiàng)的計(jì)算:MOVA,XADL1ADDA,XADL2MOVOS_XADL,AMOVA,XADH1ADDCA,XADH2CLRCRRCAMOVOS_XADH,AMOVA,OS_XADLRRCAMOVOS_XADL,A減去偏置項(xiàng)的采集電橋輸出讀數(shù)的計(jì)算:CLRCMOVA,XADL2SUBBA,OS_XADLMOVXADL,AMOVA,XADH2SUBBA,OS_XADHMOVXADH,A3井下金屬磁記憶檢測(cè)指標(biāo)的設(shè)計(jì)對(duì)于金屬磁記憶檢測(cè)儀器的硬件設(shè)計(jì),重點(diǎn)考慮三個(gè)方面:(1)從井下的溫度、地磁環(huán)境、系統(tǒng)的精度、靈敏度、量程范圍、磁記憶的弱信號(hào)特性來選擇傳感器,從提高關(guān)鍵部件的指標(biāo)來保證整個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo);通過軟件補(bǔ)償傳感器非線性誤差。(2)傳感器驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)調(diào)理電路,從穩(wěn)定性和可靠性的角度考慮,盡可能采用集成元件,減少隨機(jī)性、增強(qiáng)抗干擾能力、并且減少體積、為實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。(3)為提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,可靠性,定時(shí)器建議采用硬件定時(shí),避免軟件定時(shí)?？傊?井下金屬套管磁記憶檢測(cè)儀的研制關(guān)鍵點(diǎn)是儀器的高精度、高靈敏度和克服溫度影響,增強(qiáng)抗干擾能力。金屬磁記憶檢測(cè)儀的電路原理框圖如圖3所示。下面主要介紹金屬磁記憶檢測(cè)儀的前端檢測(cè)電路部分的設(shè)計(jì),通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1022的實(shí)際應(yīng)用效果。3.1設(shè)計(jì)金屬磁強(qiáng)計(jì)前端檢測(cè)電路的部分(1)磁敏傳感器件的選擇磁敏傳感器是儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵元件,由于被檢部件的磁場(chǎng)微弱,需選擇靈敏度高、分辨率高和抗干擾能力強(qiáng)的磁敏傳感器件。由以上的介紹,霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1022可以滿足需要。(2)濾波電路由于漏磁場(chǎng)信號(hào)是低頻信號(hào),首先電路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮濾除高頻干擾。濾波元件選擇LTC1562-2芯片,設(shè)計(jì)成200kHz的低通濾波器。(3)高精度儀表放大器的確定由于井下條件復(fù)雜,傳感器與套管井壁的間距不同或套管壁表面的記憶磁場(chǎng)強(qiáng)弱不等,傳感器檢測(cè)信號(hào)的大小差異較大。為了保證適當(dāng)?shù)男盘?hào)動(dòng)態(tài)范圍,放大電路的增益需要可變,也就是增益受CPU單元的控制。由于漏磁場(chǎng)信號(hào)微弱,此處放大器選擇高精度儀表放大器INA101。此外放大電路還需完成A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)所要求的電平轉(zhuǎn)換任務(wù)。放大倍數(shù)計(jì)算:G=1+40kΩRgG=1+40kΩRg適當(dāng)?shù)倪x取Rg,就可以確定放大倍數(shù)。例如:Rg=80Ω,放大倍數(shù)G約500倍。Rg=40Ω,放大倍數(shù)G約1000倍。Rg=33Ω,放大倍數(shù)G約1213倍。(4)適當(dāng)?shù)膫€(gè)數(shù)為保證適當(dāng)?shù)姆直媪?A/D轉(zhuǎn)換器要求適當(dāng)?shù)奈粩?shù)。此處選用逐次逼近的A/D轉(zhuǎn)換器,同時(shí)為簡化電路選用了8路輸入的12位A/D轉(zhuǎn)換器Max197芯片。3.2磁記憶效應(yīng)檢測(cè)為了研究該電路的磁記憶檢測(cè)效果,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了檢測(cè)試件的疲勞實(shí)驗(yàn),然后用該電路與EMS2000磁記憶金屬診斷儀對(duì)比進(jìn)行了磁記憶效應(yīng)的檢測(cè)。板件材料是Q235,厚度5mm,長度180mm,寬度20mm。檢測(cè)結(jié)果顯示:試件在相同載荷、相同方向放置時(shí),兩個(gè)儀器檢測(cè)的HPY(0)點(diǎn)雖都與裂紋重合,但檢測(cè)效果不同。經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證,應(yīng)用霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1022設(shè)計(jì)的前端檢測(cè)電路的靈敏度和分辨率高于EMS2000磁記憶金屬診斷儀。4采用低場(chǎng)和輔助帶霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1022不僅具有高靈敏度、高分辨率的