梁 冰，張友明

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163412)

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·經(jīng)驗(yàn)交流·

差動(dòng)變壓器式位移傳感器原理及應(yīng)用分析

梁 冰，張友明

(大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163412)

位移傳感器是井徑儀的關(guān)鍵部件，隨著井徑測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的拉桿電位器式位移傳感器由于存在諸多缺陷，已不再適用。這里介紹了差動(dòng)變壓器式位移傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用方法，并以31DH/±8 mm型差動(dòng)變壓器的性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了該傳感器的應(yīng)用效果，證明了該種傳感器具有耐高溫、線性度好、分辨率高及使用方便等特點(diǎn)，是井徑儀的首選傳感器。關(guān)鍵詞：差動(dòng)變壓器；位移傳感器；井徑儀

0 引 言

井徑儀[1]是油田套管狀況檢測(cè)的主要手段之一，對(duì)油田生產(chǎn)起到了重要作用。近年來(lái)井徑儀逐漸采用差動(dòng)變壓器式位移傳感器，代替了多年來(lái)使用的拉桿電位器式位移傳感器，拉桿電位器式位移傳感器因溫度、精度、線性度以及耐磨性等方面的缺陷，應(yīng)用中存在測(cè)量誤差大，重復(fù)性差，信號(hào)漂移嚴(yán)重、壽命短等問(wèn)題。差動(dòng)變壓器式位移傳感器具有耐高溫、線性度好、分辨率高及使用方便等特點(diǎn)是井徑儀較為理想的傳感器。

1 差動(dòng)變壓器式位移傳感器結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用方法

差動(dòng)變壓器式位移傳感器是利用差動(dòng)變壓器原理制造的。它可以把直線移動(dòng)的機(jī)械位移量變換為電量的變化。廣泛應(yīng)用于各種位移量(或能轉(zhuǎn)換為位移的各種物理量，如：伸長(zhǎng)、膨脹、應(yīng)變、壓力等)的測(cè)量中。

1．1 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，差動(dòng)變壓器由初級(jí)繞組N1和兩個(gè)次級(jí)繞組N2-1，N2-2組成，但鐵芯是可以移動(dòng)的。初級(jí)線圈作激勵(lì)用，相當(dāng)于變壓器原邊，而次級(jí)線圈由兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的線圈反相串接而成，構(gòu)成變壓器副邊。為防止雜散磁場(chǎng)干擾，常加導(dǎo)磁材料外殼做屏蔽。

圖1 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)

1．2 工作原理

差動(dòng)變壓器的工作原理可用變壓器原理來(lái)解釋，所不同的是：一般變壓器是閉合磁路，而差動(dòng)變壓器是開(kāi)磁路，一般變壓器原、副邊間的互感是常數(shù)，而差動(dòng)變壓器原、副邊之間的互感隨鐵芯的移動(dòng)而作相應(yīng)變化。差動(dòng)變壓器正是以互感變化為基礎(chǔ)進(jìn)行工作的。

若忽略線圈寄生電容及鐵芯損耗，則差動(dòng)變壓器等效電路[2]如圖2所示：

圖2 差動(dòng)變壓器等效原理圖

根據(jù)變壓器原理，輸出電動(dòng)勢(shì)差可表示為：

(1)

運(yùn)用電磁學(xué)理論及畢奧-沙伐定律進(jìn)一步推導(dǎo)[3]可得：

(2)

式中：

E2：差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì);

e1:激勵(lì)電壓;

N1，N2：初級(jí)線圈、次級(jí)線圈匝數(shù);

L，l2: 初級(jí)線圈、次級(jí)線圈長(zhǎng)度;

L1、R1：初級(jí)線圈電感、電阻;

Aa： 鐵芯截面積;

μ0，μr:空氣、鐵芯磁導(dǎo)率;

ω：激勵(lì)電壓圓頻率;

Δx：鐵芯位移量。

對(duì)一個(gè)具體的差動(dòng)變壓器來(lái)說(shuō)，N1，N2，L，l2，Aa是固定值，R1，L1，μ0，μr也可看成是常數(shù)；所以，上式表明，差動(dòng)輸出電壓E2是ω，e1的函數(shù)，若激勵(lì)頻率ω、激勵(lì)電壓也選定，輸出電壓E2將只與鐵芯位移量有關(guān)且是正比例關(guān)系。

1．3 差動(dòng)變壓器應(yīng)用方法

如圖3所示是差動(dòng)變壓器式位移傳感器應(yīng)用于井徑儀的原理框圖。其工作過(guò)程是：井徑儀測(cè)量臂探測(cè)套管的內(nèi)徑變化，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將這個(gè)變化按比例轉(zhuǎn)換成垂直方向的位移，并傳遞給位移傳感器，傳感器將該位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大、整流輸出一個(gè)正比于位移量的直流電平，最后送后級(jí)系統(tǒng)記錄或顯示，從而達(dá)到測(cè)量套管內(nèi)徑變化的目的。

圖3 應(yīng)用方法示意圖

1．3．1 激勵(lì)電源

如圖4、5所示分別是某傳感器e1和ω對(duì)E2、靈敏度K的關(guān)系曲線[3]。如圖4所示，e1越高，相同位移量引起的E2也越高，即傳感器靈敏度越大，但e1也不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)使變壓器線圈發(fā)熱而引起較大的信號(hào)漂移，應(yīng)根據(jù)情況選取合適值；如圖5所示，ω與傳感器靈敏度呈非線性關(guān)系，在某頻率段，靈敏度與頻率幾乎無(wú)關(guān)，頻率過(guò)高或過(guò)低靈敏度均會(huì)下降。

圖4 E2與激勵(lì)電壓關(guān)系

圖5 靈敏度與激勵(lì)頻率關(guān)系

所以，要求激勵(lì)電源[4]輸出電壓必須穩(wěn)定，而頻率只要選取合適，小范圍的波動(dòng)對(duì)差動(dòng)輸出電壓影響不大。

1．3．2 精密整流電路

精密整流電路[5]是有關(guān)檢測(cè)精度的另一關(guān)鍵，以往多由分立元件構(gòu)成，電路復(fù)雜，精度也不高；為此選用了專用的任意波形真有效值-直流轉(zhuǎn)換器來(lái)構(gòu)成精密整流電路，該集成芯片可計(jì)算任何復(fù)雜波形的真有效值，且有很高的精度和寬的動(dòng)態(tài)范圍，在0～2 V真有效值輸入時(shí)，最大非線性度為0.04%，附加誤差為0.1%，這是分立元件和模塊電路所無(wú)法達(dá)到的；另外，它允許激勵(lì)波形有一定的失真，這在一定程度上也簡(jiǎn)化了激勵(lì)源設(shè)計(jì)。

2 傳感器性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及分析

31DH/±8 mm型傳感器是某廠生產(chǎn)的一種的高溫、大量程、高精度傳感器，其主要技術(shù)指標(biāo)是：

外 徑：8 mm，帶回復(fù)彈簧；

耐 溫：175℃；

測(cè)量范圍：±8 mm，線性度0.5%。

下面就其線性度、分辨能力、耐溫性能等主要指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，按圖3 所示制作了實(shí)驗(yàn)用激勵(lì)電源及檢測(cè)電路，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：激勵(lì)電壓幅度3 V，頻率3 kHz，差

動(dòng)放大器增益為1；檢測(cè)實(shí)驗(yàn)選用螺旋測(cè)微儀來(lái)作位移發(fā)生器，位移精度可達(dá)1 μm。

2．1 線性度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及分析

以傳感器零點(diǎn)為中心，以滿量程的5%(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是10%)為步進(jìn)量，從-8 mm到+8 mm，測(cè)得的數(shù)據(jù)和曲線圖見(jiàn)表1和圖6。

表1 線性度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖6 線性度實(shí)驗(yàn)曲線

由曲線圖可看出，在±8 mm 的量程范圍內(nèi)，位移與輸出電壓有良好的線性關(guān)系，經(jīng)計(jì)算，線性度分別為0.14%、0.143%、0.11%、0.10%，均小于0.5%，靈敏度為114.3 mV/mm、114 mV/mm、115.6 mV/mm、100.1 mV/mm。

2．2 溫度實(shí)驗(yàn)及分析

為了檢驗(yàn)傳感器及檢測(cè)電路的溫度性能，傳感器及電路同時(shí)被放入烘箱，測(cè)得的數(shù)據(jù)及相應(yīng)曲線見(jiàn)表2和圖7(以#1傳感器為例)。

表2 溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖7 溫度實(shí)驗(yàn)曲線

P1，P2分別是小位移(約2 mm)和滿量程(約8 mm)時(shí)溫度實(shí)驗(yàn)曲線，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知，在小位移時(shí)，溫度40℃～180℃對(duì)應(yīng)輸出為229～224 mV，即ΔV=5 mV,換算成位移量為0.026 mm；滿量程時(shí)，溫度40℃～180℃時(shí)，ΔV=9 mV,換算成位移量為0.052 mm?？梢?jiàn)溫度對(duì)測(cè)量誤差的影響很小。

2．3 分辨能力實(shí)驗(yàn)及分析

為了檢測(cè)傳感器對(duì)小位移的分辨情況，對(duì)#1傳感器進(jìn)行了步進(jìn)20 μm的小位移實(shí)驗(yàn)，為直觀起見(jiàn)，直接用某廠生產(chǎn)的位移檢測(cè)儀二次儀表作試驗(yàn)裝置，該儀表激勵(lì)電壓、頻率同上述實(shí)驗(yàn)，并直接顯示位移量，精度1 μm。表3和圖8所示是部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相應(yīng)曲線。

由實(shí)驗(yàn)可知，位移每變化20 μm，輸出變化平均值也約為20 μm，所以，傳感器對(duì)20 μm位移量有較好的分辨能力。

表3 分辨能力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖8 分辨能力實(shí)驗(yàn)曲線

由上述實(shí)驗(yàn)可知，傳感器在±8 mm范圍內(nèi)能達(dá)到0.5%的線性度，在不大于180℃環(huán)境中有較小的溫漂誤差，對(duì)20 μm的位移量有較好的分辨能力。若井徑儀傳動(dòng)比為10：1，則動(dòng)態(tài)范圍為0～160 mm(僅用傳感器單方向)，分辨能力可達(dá)0.2 mm，在40℃～180℃范圍內(nèi)，滿量程誤差不大于0.52 mm,完全能滿足實(shí)際需要。為了保證上述指標(biāo)性能，差動(dòng)變壓器式位移傳感器在制作工藝上還要注意雙繞組的對(duì)稱性、繞組之間耦合程度、磁芯的材質(zhì)及外殼體的屏蔽等。

3 結(jié) 語(yǔ)

差動(dòng)變壓器式位移傳感器在較寬的測(cè)量范圍內(nèi)有很高分辨能力，靈敏度高，輸出信號(hào)幅度大，與之配套使用的二次儀表相應(yīng)的比較簡(jiǎn)單，抗干擾能力也強(qiáng)；溫度系數(shù)較小，因此適用于環(huán)境溫度變化的場(chǎng)所；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此與其他結(jié)構(gòu)形式的傳感器相比售價(jià)較低，是井徑儀的較理想的傳感器，有很好的應(yīng)用前景。

[1] 原海涵．石油地球物理測(cè)井[M]．北京：石油工業(yè)出版社，1992：222-225.

[2] 嚴(yán)鐘豪．非電量電測(cè)技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989：114-116.

[3] 劉迎春，葉湘濱．傳感器原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]．北京：人民郵電出版社，2006：49-82.

[4] [美] Abrahan I．Pressman/Keith Billings/Taylor Morey 著，王志強(qiáng)，肖文勛，虞 龍，譯．開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2013:72-98.

[5] 呂俊芳．傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用[M]．北京：航空航天大學(xué)出版社，2010：122-129.

Principle and Application Analysis of Differential Transformer Displacement Sensor

LIANG Bing, ZHANG Youming

(DaqingLoggingandTestingServicesCompanyResearchandDevelopmentCentre,Daqing,Heilongjiang163412,China)

Displacement sensor is the key part of the caliper, with the development of the caliper measurement technology, traditional lever potentiometer displacement sensor, because of many defects, is no longer applicable.The paper introduces the basic principle,structure, application method of the differential transformer type displacement sensor,With the 31DH/±8 mm model differential transformer type displacement sensor performance test experiment as the foundation, the application effect of the sensor is analyzed in detail, which prove that this kind of sensor has high temperature resistance, good linearity, high resolution and convenient use, etc, is the first selection of caliper sensors.

differential transformer ;displacement sensor;caliper

梁 冰，男，1970年生，工程師，2001年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè)，現(xiàn)在從事工程測(cè)井儀器的研發(fā)工作。E-mail:Dlts_liangbing@petrochina.com.cn

TE5

A

2096-0077(2016)05-0083-04

2016-01-12 編輯：韓德林)