磁阻角度传感器在石油井径测井仪中的应用.pdf

石油仪器 P E T R oL E UM I N S T RU ME NI S 2 0 1 2年 6月 开发设计 磁阻角度传感器在石油井径测井仪中的应用 陈国栋 宋滨滨 王建红 中海油田服务股份有限公司油田技术事业部河北 燕郊 摘 要文章讲述 了基于磁 阻效应的磁 阻角度传感器的- 7 - 作原理。介 绍了角度的相关计算方法以及磁 阻角度传感器在井 径测 井仪 中的应 用。 关 键 词 磁 阻效应 ；传感 器 ；角度 ；坡 莫合 金 中图法 分类号 P 6 3 1 ． 8 1 文献标识 码 B 文章编号 1 0 0 4 9 1 3 4 2 0 1 2 0 3 0 0 1 0 0 2 0 引 言 随着传感器技术的发展 ， 角度传感器成为仪表测 量、工业 自动化、航空航海领域的一种重要传感器 。 基于磁 阻效应的磁 阻角度传感器以其体积小 ，功耗 低 ，测量精度高，抗干扰能 力强 ，温度漂移小等优 点 ， 在各个行业中得到了广泛的应用 。 在石油测井行 业中， 可以利用磁阻角度传感器作为井径测井仪的核 心传感器 ，采用非接触测量角度的方式来测量井径 ， 解决传统井径测井仪采用接触式机械测量臂带动滑动 电位器的测量方式所导致 的高温特性差 、测量精度 低 、不易密封、在恶劣环境下作业时性能不稳定的问 题 。 本文突破了传统的设计思路 ，提出了一种基于磁 阻角度传感器的新型的井径测井仪。 1 磁 阻传感器的工作原理 1 ． 1 磁 阻效应 某些金属或半导体在磁场中阻抗发生变化的现象 叫磁阻效应 。 对如图 1 所示的半导体薄片施加恒定的 直流电流， 。当薄片置于图示所示的磁场 中时 ，半导 体 内的载流子将受到图示洛仑兹 力 的作用而发生偏 转，导致m、 端产生电荷积聚 ，因而产生霍尔电场 。 此时 ，载流子将受到电场力 的作用，方向与洛仑兹 力方向相反。 如果某一速度的载流子所受到的电场力 ． 和洛仑兹力 正好抵消 ，那么小于该速度的载流子 将发生偏转 ， 因而沿外加电场方向运动的载流子数 目 将减少，使该方向的电阻增大 ，表现为磁阻效应 。通 常用电阻率的相对改变量来表示磁阻 MR 一 一P B-- PO P P o 上式中P e 和P o 分别为有磁场和无磁场时的电阻率 。 图 I 磁阻效应原理 1 ． 2 磁阻传感器的工作原理及测量方法 磁阻传感器一般采用坡莫合金， 其相对磁阻变化 为 2 ％～ 3 ％。磁 阻传 感器 的工作原理及典型的 Ma g n e t o R e s i s t i v e 响应 曲线如图 2所示 。 a 磁 阻 传 感器 的工 作原 理 b 磁 阻响 应 曲线 图2 磁阻传感器工作原理及相应曲线 当没有外加磁场时 ，磁阻传感器有 一个 内部磁 场 ， 该磁场与传感器的几何形状 、材质和工艺等参数 相关。若此时给磁阻传感器施加一个外加磁场，则在 外部磁场和内部磁场的共同作用下， 产生一个与电流 方 向之间夹角为 的内部磁化向量 。此时传感器的 阻值将发生变化，阻抗变化 的函数关系如式 2 所 示 [ 1 ] r ， 一p 0 i n 2 6 一R0 - t - A Rs i n 2 第一作者简介 陈国栋，男，1 9 6 3 年生，高级工程师，1 9 8 6 年毕业于华东石油学院矿场地球物理专业，目前在中海油田服务股份有限公司从事 测井仪器的研发工作 。邮编0 6 5 2 0 1 2 01 2年 第 2 6卷 第 3期 陈国栋等 磁阻角度传感器在石油井径测井仪中的应用 式 2 中， p o 、△ p 是传感器的材料 电阻常数。 、 a 、6 分别为磁阻传感器 的长、高和宽。一般情况下 ， 1 b a。 当外部磁场适中 大于或等于 5 0 O e r s t a d 时 ， 坡奠合金的内部磁化向量和外部磁场方向一致 ， 进入 饱和模式l 2 ] 。在这种模式下 ， 就是外部磁场方向与 电流方向之间的夹角 ， 传感器的磁 阻效应的大小只与 外部磁场的方 向有关，而与磁场强度无关 。图 3 a 所示为采用双惠斯通电桥结构的磁阻角度传感器示意 图 ，桥 A和桥 B呈 4 5 。 夹角安装在一个薄片上 ，每个 惠斯通电桥采用了4个完全相同的磁 阻传感器 。 a 磁 阻 角度 传 感 器 结 构 图 ／ | | ． l ／，／ b磁 阻传 感 器 输 出信 号 波 形 图 3 磁阻角度传感器结构图及输出波形 若供给惠斯通电桥的工作电压为 ， 在没有外加 磁场 的作用时 ，理想情况下两个桥臂通过相等 的电 流 ，此时 和 均为 0 。如果给 电桥施加一个外加磁 场 ， 当外磁场方向与惠斯通电桥臂电流方 向之间的夹 角发生变化时 ，由于磁阻传感器的磁阻效应 ，四个桥 臂阻值将发生变化 ， 从而导致电桥不平衡 ， 输出电压 信号。 假设此时外加磁场方 向与 电流方向的夹角为 ， 以桥 A为例 ，则通过式 2 可求出此时桥 A的各个 传感器的阻值如式 3 和式 4 所示 R1 R3 Ro ARs i n 3 R 2 一 R 4 R o A R s in I } R o A R c o s 4 此时可求得桥 A的输出 如式 5 所示 一 一U 一 蕊 ／ 3 一 R 4 5 将 式 3 和式 4 带人式 5 中便可得到桥 A的输出 与角度的函数关系式如式 6 所示 一 1 2t rt C O S 2 6 由于桥 B与桥 A呈 4 5 。 夹角 ， 所以同理可求得桥 B的输 出电压 与角度的函数关系式如式 7 所示 ub 一 i n 2 7 上式中， 为 电桥 的供电电压 ，由式 6 和式 7 可计算出 值如式 8 所示 一 - a r c t a n 8 二 Ja 通过以上关 系式， 便可通过测量容易测量的电压 信号 和 来测量角度信号 。 桥 A和桥 B的电压输 出曲线如图 3 b 所示。由双惠斯通 电桥组成的角 度传感器的角度测量范围为 0～ 1 8 0 。 。 2 磁 阻角度传 感器在 井径测 井仪 中的应 用 目前， 磁场技术领域里最重要的传感器有感应线 圈、霍尔传感器 、磁阻传感器、磁通门以及超导量子 干涉传感器 。表 l 所示是各种传感器的适用范围。从 表 1 可以看出，磁阻传感器具有较宽的频带 ，适合磁 感应强度在 1 0 0 p T至 1 0 0 mT范围内的磁场测量 。影 响传感器性能和稳定性 的主要因素是温度漂移 ， 磁阻 角度传感器内部特有惠斯通 电桥结构 ， 桥臂阻值变化 的一致性有效地解决了温度漂移的问题。 表 1 传感器适用范围 井径测井仪是通过测量仪器臂与仪器轴之间的夹 角 ， 从而计算出所测井径的仪器 ， 其上下两个臂的长 度均可以变化，其结构示意图如图 4所示 。 图4 基于磁阻角度传感器的井径测井仪原理图 下转 第 1 4页 1 4 石油仪器 P E T RoL E U M I NS T RU ME N I S 2 0 1 2年 6月 3 - 3 时间响应实验 由于微梁传感器依靠微梁感受环境温度变化产生 变形 ，而实验装置又需要密封 ，以保证在水中承压测 量。由于实验用微梁传感器在 5 0℃以上响应变差 ， 所以实验时传感器由冰水混合物 0℃中转移至 5 0 ℃水浴中，监测到温升至 3 3℃时间约为 8 S ，时间常 数较 大 。 4 基于微梁传感器的存储式高精度井温仪设 计 由于微梁传感器内有多条光路 ， 因此为保证能够 将各器件容纳在仪器中， 设计了如图 6 所示的传感器 结构，传感器底面为温度敏感区，在光路中增加了一 片反射镜， 将激光偏转射人左侧竖直放置的位敏传感 器上，可以减小传感器尺寸，完成封装的传感器尺寸 为2 8 mmx 8 0 mm，可以放置在q b 3 8 mm仪器中。 绳 帽 电路 舱 压 力 微 梁温 度 传 感器 传感 器 图 6 基于微梁温度传感器的井温仪结构示意图 由于常规存储式仪器为了标定方便 ，一般将压 力传感器部分放置在仪器最下端 ，温度传感器放在 仪器中间 。而微梁传感器在封装后底面对温度变化 较为敏感 ，因此考虑将微梁温度传感器放置在仪器 下端 ，而将压力传感器放置在仪器 中部 。由于微梁 温度传感器时间常数较大 ， 不宜进行连续剖面测试 ， 上接 第 1 1 页 测井的时候 ， 上下臂与仪器轴之间的夹角随着井 眼的变化而变化 ， 此时，安装在仪器臂底部的两个磁 体随着仪器臂动 ， 从而穿过磁阻传感器上的磁场发生 变化，表现为磁阻传感器阻值的变化 。 通过惠斯通电 桥将电阻值的变化转换为电压的变化 ， 从而通过电压 便可求出夹角的大小 ，再由夹 角的大小可 以通过式 9 和式 1 0 求出所测井径 。 根据 t a n 0 ／ - ，t 一 9 ，可以求 出所测 井的直径为 D 2 L 1 0 式中，R o 为仪器的半径 。在井径测井仪中 ，0 和 的范围为 0～ 9 0 。 。 由于磁阻传感器具有体积小、灵敏度高、可靠性 高、易于安装等特点，所以以磁阻传感器作为核心传 其精度高优点适于进行定点测试 ，用于井温 试井资 料 的录取 ，因此在仪器上设计了温度 、压 力 2路参 数 ，并没有考虑 C C L参数 。仪器设计结构如 图 6所 示 ，由绳 帽、电路舱 、压力传感器舱 、微梁温度传 感器舱几部分构成 。 5 结束语 微梁温度传感器是一种新兴的微型传感器件 ， 拥 有极高 的温度分辨率 。通过大量的室内实验以及分 析，对微梁传感器的特性有了更加深人的了解。认为 利用该传感器设计的仪器适于在 5 0℃以内的水井中 进行使用 ， 利用其分辨率很高的特点 ， 有望为井温试 井提供更加准确的基础资料 。 参 考 文 献 [ 1 ]S i n g a ma n e n i S ，L e Mi e u x M C ，L a n g H P ，e t a 1 ． B i ma t e r i a l mi c r o c a n t i l e v e r s a s a h y b r i d s e n s i n g p l a t f o r m [ J ] ． A d v a n c e d Ma t e r i a l s ，2 0 0 8 ，2 0 4 【 2 ]L i K，L i u H，Z h a n g Q C ，e t a 1 ．C o n f o r ma t i o n a l t r a n s i t i o n o f p o l y a c r y l i c a c i d d e t e c t e d b y mi c r o c a n t i l e v e r s e n s i n g[ J ] ． C h i n e s e P h y s i c s L e t t e r s ，2 0 0 7 ，2 4 6 3 】薛长国，李凯，朱娟娟，等． 微梁传感研究谷胱甘肽转 硫酶抗原抗体特异结合 [ J 1 ． 实验力学，2 0 0 7 ，2 2 3 [ 4 ] H i l l K ，D u t t a P ，Z a r e b a A，e t a 1 ． Mo r p h o l o g i c a l a n d c h e mi c a l o pt i mi z a t i o n o f mi c r o c a n t i l e v e r s u r f a c e s f o r t h yr o i d s y s t e m b i o s e n s i n g a n d b e y o n d[ J ] ． An a l C h i m A c t a ，2 0 0 8 ，2 5 1 收稿日期2 0 1 1 - 1 2 1 7 编辑 高红霞 ≯ t tj 0 、 t ＼ 0 、 s≯‘ t； 、 0 j 、 感器部件的井径测井仪可以用于复杂井况的测井作业。 3 结论 以磁阻角度传感器为核心传感器的井径测井仪采 用了非接触臂式的测量方法 ， 其特有的惠斯通电路解 决了温度漂移以及线性补偿等问题 。 在 日益复杂的石 油测井行业， 新型的井径测井仪将起着举足轻重的作 用 。 参 考 文 献 【 1 】 H o n e r w e l 1 ． Ma g n e t o r e s i s t i v e S e n s o r s I n d u s tr y P o s i t i o n a n d S o l i d S t a t e S e n s i n g ． 2 0 0 3 资料 [ 2 ]Ho n e r w e l 1 ． Ma g n e t i c Di s p l a c e me n t S e n s o r s HMC1 5 0 1 ／ 1 5 1 2 ． 2 0 0 9 资料 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 8 2 4 编辑 姜婷