一种新型的霍尼韦尔磁阻磁阻传感器

一种新型的霍尼韦尔磁阻磁阻传感器

0磁敏传感器的选择金属磁强检测是一种使用磁强效应对铁磁性材料的应力集中进行检测的新方法。它具有不用施加激励磁场、检测速度快、不受油水等介质的影响、成本低和操作简单的特点,可以对金属套管未来套损进行预测。由于磁记忆信号非常微弱,磁敏传感器的选择就十分重要。就目前国内现有几个厂家的金属磁记忆检测仪的灵敏度、分辨率不是很好,同时在油田套损日益严重的今天,如何将该方法有效应用于工程测井领域,首先磁敏传感器的选择非常关键。霍尼韦尔磁阻传感器HMC1022具有高灵敏度、高分辨率、抗干扰能力强的特点。同时它具有专利的集成置位/复位带,可降低温度漂移效应非线性误差和由于高磁场的存在导致的输出信号的丢失;还具有专利的集成偏置带,可消除硬铁干扰的影响。1hvm102的基本概念和特点1.1环境磁场的施加霍尼韦尔磁阻传感器HMC1022是简单的电阻电桥设备,只需要一个供电电源便可测量磁场。当0～10V的电压连接到桥路上时,传感器开始测量轴线内的环境磁场或施加磁场。磁阻传感器是由在硅片上生成的一个薄层镍铁(或称坡莫合金)薄膜制成,并布置成一个电阻带。存在施加磁场时,电桥电阻的变化使电压输出产生相应的变化。通常施加在薄膜侧的外部磁场,使磁力线产生旋转,并改变其角度,这又使电阻值发生变化(ΔR/R),并造成惠斯通电桥的电压输出的变化。这种镍铁电阻的变化被称作磁阻效应,它直接与电流的方向和磁化矢量有关。1.2脚的soic封装霍尼韦尔磁阻传感器HMC1022是16脚的SOIC封装,体积较小。它是双轴传感器(DieA轴向,DieB轴向),可测量横向、纵向两个方向的磁感应强度信号。1.2.1传感器内部介质内表达的政府内在制造过程中,敏感轴(磁场方向)被设置为沿薄膜长度的方向,这样可使施加在镍铁薄膜的磁场,导致电阻值的最大变化。但是,沿敏感轴大于10高斯的强磁场的影响,会扰乱或翻转薄膜磁化的极性,改变传感器的特性。针对这样的扰动磁场,为了恢复或置位传感器的特性,必须短暂地施加一个强的恢复磁场,这种做法被称作施加置位脉冲或复位脉冲。电桥输出信号的极性取决于此内部薄膜的磁化方向,并且与零磁场输出相对称。置位/复位(S/R)电流带施加置位/复位电流进行脉冲,有三个方面的作用:(1)强迫传感器以高灵敏度模式工作;(2)翻转输出响应曲线的极性;(3)在正常工作期间进行循环,以提高线性度,减少垂直轴的影响和温度影响。1.2.2电桥偏置偏置s当直流电流在偏置电流带内通过时,偏置电流带有以下四种工作模式:(1)可减去不必要的磁场;(2)可将电桥偏置设置为0;(3)电桥输出可驱动偏置电流带,来消除闭环配置内的测量磁场;(4)接到命令时,桥路增益可在系统内自动校准。2hcm1022的设置、复位脉冲电路和处理程序2.1置位/复位脉冲roe的产生和加标系统HMC1022的低功率置位/复位脉冲电路原理图和时序图如图1所示。HMC1022的置位/复位脉冲是由单片机的端口来控制产生的,分别经由低阀值的FET场效应管(NDS9933和NDS8926)接到HMC1022的置位/复位端(8脚和14脚)。这些低阀值的FET场效应晶体管在UGS=2.7V时提供0.3Ω的低接通电阻。置位/复位脉冲不需要连续产生,可以先施加一个置位脉冲,然后施加一个复位脉冲,偏置(OS)为:OS=(U置位+U复位)/2(1)其中:OS为偏置项;U置位为置位读数;U复位为复位读数。该偏置项包括磁阻传感器电桥和接口电子器件的直流偏置,以及磁阻传感器电桥和接口电子器件的温度漂移。在采集的电桥输出读数中应减去此偏置项,每次采集电桥输出数据前,都应进行一次置位和复位、并计算出偏置项(OS)。最终,采集的电桥输出读数(U输出)应用下式进行计算:U输出=U复位-OS(2)2.2采集电桥输出热值的高位低功率置位/复位程序框图如图2所示。以X轴向应用为例,实际应用中的置位/复位脉冲电路程序编制如下:首先,存储区的分配:XADL为X轴向减去偏置项的采集电桥输出读数的低位,XADH为X轴向减去偏置项的采集电桥输出读数的高位;XADL1为X轴向置位的采集电桥输出读数的低位,XADH1为X轴向置位的采集电桥输出读数的高位;XADL2为X轴向复位的采集电桥输出读数的低位,XADH2为X轴向复位的采集电桥输出读数的高位;OS_XADL为X轴向偏置项的低位,OS_XADH为X轴向偏置项的高位。偏置项的计算:MOVA,XADL1ADDA,XADL2MOVOS_XADL,AMOVA,XADH1ADDCA,XADH2CLRCRRCAMOVOS_XADH,AMOVA,OS_XADLRRCAMOVOS_XADL,A减去偏置项的采集电桥输出读数的计算:CLRCMOVA,XADL2SUBBA,OS_XADLMOVXADL,AMOVA,XADH2SUBBA,OS_XADHMOVXADH,A3井下金属磁记忆检测指标的设计对于金属磁记忆检测仪器的硬件设计,重点考虑三个方面:(1)从井下的温度、地磁环境、系统的精度、灵敏度、量程范围、磁记忆的弱信号特性来选择传感器,从提高关键部件的指标来保证整个系统的指标;通过软件补偿传感器非线性误差。(2)传感器驱动电路和信号调理电路,从稳定性和可靠性的角度考虑,尽可能采用集成元件,减少随机性、增强抗干扰能力、并且减少体积、为实现对微弱信号测量奠定了基础。(3)为提高采集数据的准确性,可靠性,定时器建议采用硬件定时,避免软件定时。总之,井下金属套管磁记忆检测仪的研制关键点是仪器的高精度、高灵敏度和克服温度影响,增强抗干扰能力。金属磁记忆检测仪的电路原理框图如图3所示。下面主要介绍金属磁记忆检测仪的前端检测电路部分的设计,通过实验验证霍尼韦尔磁阻传感器HMC1022的实际应用效果。3.1设计金属磁强计前端检测电路的部分(1)磁敏传感器件的选择磁敏传感器是仪器设计的关键元件,由于被检部件的磁场微弱,需选择灵敏度高、分辨率高和抗干扰能力强的磁敏传感器件。由以上的介绍,霍尼韦尔磁阻传感器HMC1022可以满足需要。(2)滤波电路由于漏磁场信号是低频信号,首先电路设计应考虑滤除高频干扰。滤波元件选择LTC1562-2芯片,设计成200kHz的低通滤波器。(3)高精度仪表放大器的确定由于井下条件复杂,传感器与套管井壁的间距不同或套管壁表面的记忆磁场强弱不等,传感器检测信号的大小差异较大。为了保证适当的信号动态范围,放大电路的增益需要可变,也就是增益受CPU单元的控制。由于漏磁场信号微弱,此处放大器选择高精度仪表放大器INA101。此外放大电路还需完成A/D转换器对信号所要求的电平转换任务。放大倍数计算:G=1+40kΩRgG=1+40kΩRg适当的选取Rg,就可以确定放大倍数。例如:Rg=80Ω,放大倍数G约500倍。Rg=40Ω,放大倍数G约1000倍。Rg=33Ω,放大倍数G约1213倍。(4)适当的个数为保证适当的分辨力,A/D转换器要求适当的位数。此处选用逐次逼近的A/D转换器,同时为简化电路选用了8路输入的12位A/D转换器Max197芯片。3.2磁记忆效应检测为了研究该电路的磁记忆检测效果,在实验室进行了检测试件的疲劳实验,然后用该电路与EMS2000磁记忆金属诊断仪对比进行了磁记忆效应的检测。板件材料是Q235,厚度5mm,长度180mm,宽度20mm。检测结果显示:试件在相同载荷、相同方向放置时,两个仪器检测的HPY(0)点虽都与裂纹重合,但检测效果不同。经多次试验验证,应用霍尼韦尔磁阻传感器HMC1022设计的前端检测电路的灵敏度和分辨率高于EMS2000磁记忆金属诊断仪。4采用低场和辅助带霍尼韦尔磁阻传感器HMC1022不仅具有高灵敏度、高分辨率的