基于差動變壓器原理的多臂井徑儀探頭技術研究

郝花麗

摘要：在多臂井徑儀總體結(jié)構(gòu)和布局設計的基礎上，針對現(xiàn)有井徑測量儀器采用拉桿電位器將位移量轉(zhuǎn)化成電信號存在的不足，采用了差動變壓器式（LVDT）位移傳感器作為井徑儀的探頭，該傳感器可以克服拉桿電位器存在的不足，改善探測性能。研究了基于差動變壓器式位移傳感的探頭測量原理、硬件結(jié)構(gòu)，確定了探頭的材料選型及繞制方法。在上述工作的基礎上，通過實驗對傳感器進行了標定及探測性能分析，給出了輸出特性曲線，研究表明本文所研制的差動互感位移傳感器可以完成井徑測量。

關鍵詞：多臂井徑儀；差動變壓器原理；探測性能

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）18-0211-03

Research on Multi arm Caliper Probe Based on Differential Transformer Principle

HAO Hua-li

（ Key Laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Ministry of Education ， Xian Shiyou University，Xi an 710065， China）

Abstract：In the based of multi arm caliper instrument overall structure and layout design， aiming at the existing well diameter measuring instrument using rod potentiometer will displacement is transformed into electrical signal in the presence of insufficient， the differential transformer （LVDT） displacement sensor as well diameter tester probe， the sensor can be to overcome the lack of rod potentiometer and improve detection performance. The measuring principle and hardware structure of the probe based on the differential transformer displacement sensor are studied. The material selection and the winding method of the probe are determined. On the basis of the work was given through the experiment on the sensor for the calibration and detection performance analysis of output characteristic curve. The results show that the development of differential transformer displacement sensor can be completed well diameter measurement.

Key words： multi arm caliper； principle of differential transformer； detection performance

井徑儀是一種常用的套損檢測技術，它最大的優(yōu)勢是測量精度高、測量結(jié)果直觀，被廣泛應用于油田當中。多臂井徑儀以其測量臂多，測量精度高的優(yōu)點成為井徑儀的主要發(fā)展方向。多臂井徑儀主要有電子線路和探頭組成，其中探頭探測性能的好壞直接影響井徑檢測性能的優(yōu)劣，所以探頭對井徑儀的重要性可見一般[1]。目前使用的井徑儀的探頭使用的是拉桿電位器將位移量的大小轉(zhuǎn)化為電信號，由于拉桿電位器的測量是一種有磨損的測量，易造成儀器機械摩擦，縮短探頭的使用壽命[2]。差動變壓器式位移傳感器（Linear Variable Differential Transformer，簡稱LVDT ）基于電磁感應原理，可以將被測物體的位移變化轉(zhuǎn)化成次級線圈感應電壓的變化。LVDT具有結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快、線性度好、分辨率高和使用壽命長等優(yōu)點。該傳感器可以取代拉桿電位器完成井徑的測量，特點是測量靈敏度高，反映的井徑大小信息比較詳細和準確[3]。此外該傳感器在工作時與儀器的機械傳動裝置不接觸，故能進行非接觸式位移測量，保證了測量的精度和傳感器的使用壽命[4]。為此，本文結(jié)合井徑儀工作時對探頭探測性能的要求和LVDT設計的基本原理設計了差動變壓器式位移傳感器，并對設計的傳感器進行了標定和性能分析。

1 基于LVDT傳感技術的多臂井徑儀測量機理

本文研究的井徑儀探頭是基于40臂井徑儀，該儀器由40個獨立活動的機械探測臂與各自相對應的LVDT位移傳感器組合構(gòu)成儀器的探測部分，特點是測量靈敏度高，反映的井徑大小信息比較直觀、詳細和準確。如圖1是多臂井徑儀的結(jié)構(gòu)圖，主要有上、下扶正器，測量臂，電路部分等。圖2是位移傳感器在井徑儀中的安裝機械結(jié)構(gòu)圖，虛線部分為臂的收攏狀態(tài)，實線為張開位置，探測臂張開或者收攏是以探測臂和傳感器接頭的接觸點（圖2中A點）做圓周運動，根據(jù)測井需求，當探測臂完全撐開時，探測臂測量的井徑是96mm，與此同時，測量臂張開角度為34度。多臂井徑儀位移傳感器鐵芯與多臂井徑儀測量臂相連接，井徑儀工作時，彈簧使探測臂緊貼井壁，當井壁表面有變化時，探測臂隨井壁的變化而收張，從而帶動鐵芯移動，使得位移傳感器的輸出電壓信號也隨之變化[1]。

2 LVDT的測量原理

LVDT傳感器是一種建立在電磁感應基礎上，利用線圈的互感變化原理來實現(xiàn)非電量電測的傳感器。傳感器測頭檢測到被測物體的位移，通過測桿帶動銜鐵產(chǎn)生移動，從而使線圈的互感系數(shù)發(fā)生變化，互感信號再通過引線接入測量電路進行測量。這就是LVDT的測量原理[5]。因為像變壓器的工作原理，且多采用差動形式，故稱為差動變壓器。差動變壓器式位移傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其包含一個初級線圈、兩個次級線圈、可動鐵芯、線圈骨架、外殼等[6]。

1次級線圈 2初級線圈 3外殼 4次級線圈 5線圈骨架 6鐵芯

差動變壓器式傳感器一方面感知被測位移量的變化，另一方面又是變壓器，它有兩個輸入，分別是初級繞組的激勵電壓和被測位移量；一個輸出。差動變壓器的兩個次級繞組反向串聯(lián)，在忽略線圈的寄生電容及鐵芯損耗的理想情況下，其等效電路如圖4所示。圖中是初級繞組的激勵電壓；，是初級繞組電感和電阻；，分別為初級和兩級繞組間的互感；，，，分別為兩次級繞組電感和電阻[7]。

根據(jù)變壓器原理，當初級繞組的激勵電壓為時，一次線圈中產(chǎn)生的復數(shù)電流值為：

式中：是激勵電壓的角頻率；是激勵電壓的復數(shù)值。

根據(jù)電磁感應定律，次級繞組中感應電動勢分別是：

差動變壓器輸出電壓為：

由公式可以看出輸出電動勢為兩次級線圈互感之差的函數(shù)。當鐵芯在中間位置時，若兩個次級線圈的參數(shù)及磁路尺寸相等，則，所以。當鐵芯偏離中間位置時，，由于輸出采用差動形式，所以

在一定的范圍內(nèi)，，差值與鐵芯位移成比例[8]。

3 基于LVDT原理的多臂井徑儀探頭設計

3.1 材料選擇

因為差動互感式位移傳感器的設計是基于電磁感應原理，且工作在井下高溫高壓的環(huán)境，所以該傳感器的各個構(gòu)件材料的選型要具有一定的環(huán)境適應性。為提高傳感器耐高溫高壓的特性，研制中的選材如下：根據(jù)傳感器工作頻率屬于低頻段，故各繞組的電感線圈均采用高強度漆包線，形成兩個對稱的線圈。為減少介質(zhì)損耗，選用優(yōu)質(zhì)骨架和外殼，我們選用的是無磁304材料，該材料具有耐高溫和無磁性的特性，采用優(yōu)良的生產(chǎn)工藝把骨架和所繞漆包線兩者固化為一整體，這樣不會產(chǎn)生斷線，開裂等故障。根據(jù)應用的需要，需選擇屏蔽罩。當線圈加屏蔽罩后，必會增加線圈的損耗，降低線圈的品質(zhì)因數(shù)，故屏蔽罩的尺寸不能過大或過小。鐵芯采用波膜合金，波膜合金作為一種良好的磁性材料，其特點就是電阻率大、導磁系數(shù)高、飽和磁感應強度高以及時間和溫度的穩(wěn)定性好[1]。

3.2 LVDT傳感器線圈的繞組方法

確定了傳感器的材料選型、各個構(gòu)件的尺寸后，下一步就是動手繞制線圈，制作傳感器。繞制時，先把銅線烘熱，戴上手套將銅線裹住再繞。這樣銅線冷卻后就可以箍緊線圈管，不會導致松脫。線圈的繞組采用平行繞法，如圖5所示。

初級線圈繞組采用首尾串聯(lián)接法，左端的次級線圈的同名端與初級線圈的地端相連，則位移傳感器有三個連線端，分別為：位移傳感器的信號線，位移傳感器的激勵源和位移傳感器地線。

3.3 位移傳感器激勵信號選擇

在本試驗中，給傳感器激勵線圈提供交流激勵信號。根據(jù)傳感器的基本原理和輸出—輸入特性，激勵信號的頻率大小會影響到傳感器的線性度、靈敏度等特性指標。在理想條件下，差動變壓器的靈敏度K正比于激勵信號頻率f，但是由于實際中的諸多因素，比如傳感器結(jié)構(gòu)不對稱、鐵損、漏磁等的影響，靈敏度K隨激勵信號頻率f的關系曲線如圖6所示[1]。由圖可見，在頻率f從零開始增加的起始階段，靈敏度隨著頻率的增加而增加，到達一定值后靈敏度趨于定值，或下降。當f處于中間時，不僅靈敏度K具有較大的穩(wěn)定值，并且傳感器輸出、輸入信號的相位也基本相同（或相反）。此類傳感器所用激勵電源頻率，一般在 400Hz—10kHz 范圍之內(nèi)[1]。本設計的實驗中擬給傳感器的激勵信號是：5V、5kHz的正弦波。

4 傳感器校準實驗

根據(jù)上面所提出的位移傳感器結(jié)構(gòu)設計方法，圖7為本次設計的位移傳感器外觀圖，圖中紅線為位移傳感器電源激勵線，黑線為地線，綠線為信號線。

在實驗的過程中，將圖7所示的位移傳感器固定在工作臺上，移動測桿從-5mm處到5mm處（設定偏離中心位置左為負，右為正），每隔1mm記錄一次輸出電壓值，記錄數(shù)據(jù)。用穩(wěn)壓電源提供激勵信號，然后通過示波器讀取各位移對應的輸出電壓值并記錄。實驗得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

利用MATLAB首先繪制實際測量的輸出信號電壓和偏離線圈中心位移關系如圖8所示。由圖可得出輸出電壓信號和位移成線性關系，但是由電壓值得不出位移的方向，故對實測的輸出電壓信號進行相敏檢波來進行方向校正。對實際測量的輸出信號電壓進行方向校準后，校準后的線性輸出電壓與偏離中心位移關系如圖9所示。通過計算得到傳感器靈敏度為0.04055V/mm，非線性誤差為0.15%，符合井徑儀的應用指標要求。

由表1中的實驗數(shù)據(jù)可以看出在和范圍內(nèi)位移點對應的電壓輸出值并不相等，二者有微小的差值，這是由于在實際設計過程中并不能保證兩次級線圈的結(jié)構(gòu)、繞制完全一樣。在鐵芯位于中心位置時，按照理論知電壓的輸出值應該為0，但實際測量值并不為0，即存在零點殘余電壓。導致零點殘余電壓的因素較多，比如：物理結(jié)構(gòu)的問題（材料、工藝差異）、導磁體安裝、鐵芯的長度和勵信號頻率大小等。零點殘余電壓比較難克服，它的存在會影響測量精度。

5 結(jié)論

按照多臂井徑儀探頭的應用要求，確定出傳感器性能的指標，基于LVDT傳感技術研制了位移傳感器，得出線性度、靈敏度等的測量計算結(jié)果。結(jié)果表明該傳感器滿足井徑儀性能指標要求，可以比較詳細和準確的反映套管變形信息。 通過本設計的研究，也可以為在惡劣環(huán)境中使用的傳感器的設計提供一些設計思路，有一定的實際意義。

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