郝桂青，李健飛

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院 河北 三河 065201)

0 引 言

直流無(wú)刷電機(jī)多應(yīng)用于有液壓動(dòng)力的測(cè)井儀器中，霍爾開(kāi)關(guān)傳感器為無(wú)刷直流電機(jī)提供位置反饋。與電刷換相相比，它克服了噪聲大、易磨壞、壽命短等缺陷[1]。有時(shí)井下溫度比較高，電機(jī)在運(yùn)行中也發(fā)熱，電機(jī)本身溫度會(huì)高達(dá)200 ℃，而常規(guī)的霍爾開(kāi)關(guān)元件的工作溫度范圍為-55～150 ℃，150 ℃的技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到井下無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用要求，很容易由于過(guò)熱而損壞，所以必須要對(duì)霍爾傳感器元件進(jìn)行篩選檢測(cè)，挑選溫度性能指標(biāo)較高的優(yōu)良器件來(lái)使用，以提高電機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性，保證測(cè)井儀器安全順利地完成作業(yè)。

現(xiàn)有無(wú)刷直流電機(jī)上用到的霍爾元件都是對(duì)150 ℃的元件進(jìn)行篩選，靜態(tài)篩選只是簡(jiǎn)單地把元器件加溫烘烤，冷卻之后再上電甄別元件是否失效，沒(méi)有實(shí)時(shí)的加電篩選裝置，這種篩選方法完全靠烘箱和人為經(jīng)驗(yàn)，篩選出的元件可靠性低，存在使用一段時(shí)間后失效的風(fēng)險(xiǎn)，這樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)井儀器中電機(jī)在高溫環(huán)境下出故障，儀器功能失效，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極大。現(xiàn)在國(guó)外雖然也有200 ℃的高溫霍爾開(kāi)關(guān)元件，但由于其為陶瓷封裝，抗震性能不佳，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，目前的固定工藝無(wú)法保證其在高壓強(qiáng)震動(dòng)的井下惡劣環(huán)境中使用。

所以，設(shè)計(jì)一套智能化高溫篩選裝置尤為必要。以下主要介紹該檢測(cè)裝置的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)方法。

1 霍爾開(kāi)關(guān)傳感器工作及測(cè)試原理

1.1 霍爾傳感器工作原理

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器，霍爾傳感器按輸出方式可分為線性型和開(kāi)關(guān)型，本文主要介紹的是用于直流無(wú)刷電機(jī)中的開(kāi)關(guān)型的霍爾傳感器。

霍爾開(kāi)關(guān)屬于有源磁電轉(zhuǎn)換器件[2]，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，以硅為材料，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，是霍爾元件與電子線路一體化的產(chǎn)品，它可方便地把磁輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號(hào)，具有工業(yè)場(chǎng)合實(shí)際應(yīng)用操作簡(jiǎn)單和可靠性高的特點(diǎn)?；魻栭_(kāi)關(guān)一般為3個(gè)管腳[3]，分別為地、電源和輸出腳，一般采用DIP或扁平封裝。

圖1是霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖[4]。它主要由穩(wěn)壓電路、霍爾元件、放大器、整形電路以及開(kāi)路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作，開(kāi)路輸出可使傳感器方便與各種邏輯電路接口。

圖1 霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

圖1中，當(dāng)有磁場(chǎng)作用在傳感器上時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，霍爾元件輸出霍爾電壓，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路。當(dāng)放大后的電壓大于“開(kāi)啟”值時(shí)，施密特整形電路翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，使半導(dǎo)體管VT導(dǎo)通，為開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)磁場(chǎng)減弱時(shí)，霍爾元件輸出的電壓很小，經(jīng)放大器放大后其值也不高于施密特整形電路的“關(guān)閉”閾值，施密特整形器再次翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，使半導(dǎo)體管VT截止，為關(guān)狀態(tài)。

1.2 霍爾開(kāi)關(guān)型傳感器的測(cè)試原理

根據(jù)霍爾開(kāi)關(guān)傳感器的工作原理和電磁場(chǎng)理論可以知道，給霍爾傳感器加上一個(gè)固定變化的交變的磁場(chǎng)，霍爾開(kāi)關(guān)傳感器就會(huì)感應(yīng)變化的磁場(chǎng)而輸出對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)。在軟磁材料制成的鐵芯上纏繞上線圈，對(duì)此線圈加上交變的電流作為磁場(chǎng)的激勵(lì)源，鐵芯和適當(dāng)大小的鐵芯缺口氣隙產(chǎn)生一定強(qiáng)度的磁路，置于鐵芯缺口處的霍爾開(kāi)關(guān)傳感器就會(huì)感應(yīng)到通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，如圖2 所示。

圖2 霍爾元件測(cè)試原理圖

霍爾開(kāi)關(guān)在工作時(shí)接好如圖2所示的電源+5 VDC，當(dāng)外磁場(chǎng)靠近霍爾開(kāi)關(guān)時(shí)，霍爾元件感應(yīng)磁場(chǎng)的變化，輸出腳為低電平；當(dāng)磁鐵離開(kāi)霍爾開(kāi)關(guān)時(shí)，輸出腳變?yōu)楦唠娖健．?dāng)在線圈中輸入交變的信號(hào)時(shí)，霍爾開(kāi)關(guān)器件周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，它就會(huì)輸出隨磁場(chǎng)變化的開(kāi)關(guān)信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)電路和顯示單元可以直觀地顯示出來(lái)，從而可以方便地檢測(cè)出該器件的好壞。在進(jìn)行高溫篩選檢測(cè)時(shí)把通電的線圈、鐵心和待檢測(cè)的霍爾開(kāi)關(guān)傳感器放在烘箱中，設(shè)定好待篩選的溫度，就可以很方便很直觀地進(jìn)行器件的篩選了。

2 智能霍爾傳感器檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 篩選裝置的硬件設(shè)計(jì)

基于上文的測(cè)試原理，考慮到測(cè)試的直觀性和智能化，設(shè)計(jì)出檢測(cè)該器件的篩選裝置如圖3所示。

圖3 高溫霍爾開(kāi)關(guān)傳感器篩選裝置原理框圖

該智能化高溫篩選裝置由激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路模塊、霍爾信號(hào)采集電路模塊、36路霍爾元器件排放電路模塊、CPU實(shí)時(shí)記錄處理模塊、實(shí)時(shí)顯示及報(bào)警電路模塊、通道切換及波形輸出接口模塊及高溫烘箱構(gòu)成。

激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路模塊由正弦波發(fā)生器元件產(chǎn)生200 Hz的正弦勵(lì)磁信號(hào)，幅度為+12 V,電流0.5 A，加到烘箱中的纏繞在鐵芯上的線圈中，作為磁場(chǎng)的激勵(lì)源，用來(lái)模擬電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的周期性變化的磁場(chǎng)信號(hào)。

36路霍爾元器件排放電路模塊里放置要篩選的霍爾元件，用來(lái)接收激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)信號(hào)，輸出的方波開(kāi)關(guān)信號(hào)，再輸入到烘箱外面的霍爾信號(hào)采集電路模塊進(jìn)行采集。該電路的模塊設(shè)計(jì)一次可以篩選36只霍爾器件，該設(shè)計(jì)模塊可以擴(kuò)展，也可以一次性篩選多于36只，通過(guò)改變?cè)撾娐返穆窋?shù)即可改變一次篩選的元件數(shù)量。

CPU實(shí)時(shí)記錄處理電路模塊的CPU處理器由ADUC831單片機(jī)及外圍電路組成，用來(lái)依次循環(huán)監(jiān)測(cè)霍爾信號(hào)采集電路模塊輸出的36路方波信號(hào)，測(cè)量其頻率，記錄到CPU的FLASH里面，每一路霍爾器件分配一定的地址用來(lái)循環(huán)記錄，并且通過(guò)串口發(fā)送到實(shí)時(shí)顯示模塊和上位機(jī)接收文件里。此外，CPU通過(guò)對(duì)測(cè)量的方波頻率與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而可以判斷霍爾器件是否合格。當(dāng)出現(xiàn)不合格器件時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，在實(shí)時(shí)顯示模塊上進(jìn)行高亮頻閃顯示。

實(shí)時(shí)顯示模塊及報(bào)警電路用來(lái)顯示CPU發(fā)來(lái)的每一路霍爾器件的方波頻率信號(hào)，測(cè)試人員可實(shí)時(shí)地觀測(cè)到顯示模塊上高亮頻閃顯示的通道數(shù)，從而知道哪一路器件不合格，進(jìn)而做淘汰處理。

通道切換及波形輸出接口模塊由通道選擇電路和外接示波器組成，可以實(shí)時(shí)顯示所選擇的霍爾元件的輸出波形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該電路采用手動(dòng)撥檔，共分9檔，每檔對(duì)應(yīng)4只霍爾元件的輸出波形，可以讓測(cè)試人員更直觀地進(jìn)行圖形觀測(cè)和記錄。

在具體應(yīng)用中，該175 ℃霍爾器件的智能高溫篩選裝置可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄和實(shí)時(shí)顯示，可以設(shè)定高溫測(cè)試時(shí)間，把測(cè)試的36路霍爾元器件排放電路模塊放到高溫烘箱里，設(shè)定好篩選溫度，到預(yù)定烘烤結(jié)束時(shí)間記錄結(jié)果即可；更可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)通道選擇，實(shí)時(shí)地觀測(cè)想要監(jiān)測(cè)的那個(gè)通道的霍爾元件的輸出波形。

2.2 篩選裝置的軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)智能化篩選，其軟件結(jié)構(gòu)包括主程序、信號(hào)采集子程序、顯示子程序、通道識(shí)別子程序、數(shù)據(jù)存貯子程序、報(bào)警子程序及定時(shí)中斷、串口中斷、A/D中斷等。主程序框圖如圖4所示。

篩選裝置上電后，單片機(jī)先進(jìn)行I/O口及中斷向量的配置賦值、存儲(chǔ)空間的清零等初始化處理后，開(kāi)中斷，當(dāng)有中斷發(fā)生時(shí)，單片機(jī)開(kāi)始進(jìn)入相應(yīng)中斷的處理程序，并不斷地監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)I/O口的狀態(tài)，對(duì)監(jiān)測(cè)到的通道進(jìn)行處理。如果是自動(dòng)監(jiān)測(cè)命令，則調(diào)顯示子程序，把霍爾輸出的波形顯示到LCD顯示屏上，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；如果是手動(dòng)監(jiān)測(cè)命令，則只會(huì)對(duì)采集到的霍爾元件的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；如果沒(méi)有接到測(cè)試結(jié)束命令，則一直反復(fù)進(jìn)行以上的采集、顯示、存儲(chǔ)過(guò)程，進(jìn)行篩選檢測(cè)工作。在檢測(cè)的過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)霍爾輸出的結(jié)果不是占空比固定的方波，則啟動(dòng)報(bào)警子程序進(jìn)行報(bào)警處理。檢測(cè)完成后，還可以對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出查看，進(jìn)行篩選比對(duì)。

圖4 主程序流程圖

3 篩選檢測(cè)裝置的使用效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證篩選檢測(cè)裝置的使用效果，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)同一型號(hào)的多個(gè)電機(jī)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在該對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，一臺(tái)電機(jī)采用經(jīng)過(guò)篩選的霍爾元件，另一臺(tái)采用未經(jīng)過(guò)篩選的霍爾元件，一同放于高溫高壓實(shí)驗(yàn)裝置中，環(huán)境壓力140 MPa，電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，帶同一類型大小的負(fù)載運(yùn)行6 h，記錄不同溫度下測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 采用篩選或未篩選的霍爾元件的高溫電機(jī)溫度性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出，采用經(jīng)過(guò)篩選的霍爾元件的電機(jī)，在經(jīng)過(guò)3次不同溫度下連續(xù)6 h的工作后，均未出現(xiàn)異常；而采用未篩選的霍爾元件的電機(jī)，在溫度高于175 ℃后性能就開(kāi)始不穩(wěn)定，出現(xiàn)損壞，而到達(dá)200 ℃后均出現(xiàn)問(wèn)題。霍爾元件經(jīng)過(guò)篩選后溫度性能一致性好，保證了電機(jī)的高溫性能，從而提高了測(cè)井儀器運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，減少了故障率，提高了儀器井下作業(yè)的成功率。

對(duì)于耐溫175 ℃的測(cè)井儀器，可以從150 ℃低指標(biāo)器件中挑選性能優(yōu)良的霍爾開(kāi)關(guān)元件來(lái)使用，完全可以保證井下儀器電機(jī)的可靠性。但對(duì)于耐溫高達(dá)200 ℃及以上的儀器不建議采用從耐溫150 ℃的元件中篩選，應(yīng)該積極尋求溫度指標(biāo)更高的霍爾元件，或改良陶瓷封裝的高溫霍爾元件在電機(jī)中的安裝工藝，甚至采用無(wú)霍爾反饋的無(wú)刷直流電機(jī)，來(lái)解決耐溫200 ℃以上測(cè)井儀器中電機(jī)的耐溫問(wèn)題，不建議利用篩選裝置從低指標(biāo)的霍爾元件中進(jìn)行篩選。

4 結(jié)束語(yǔ)

該篩選檢測(cè)裝置可以對(duì)被篩選元件進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)測(cè)試，在整個(gè)過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)地觀測(cè)元件的工作狀況，并記錄測(cè)試結(jié)果，做到了批量篩選。與常規(guī)靜態(tài)篩選對(duì)比，既節(jié)約了人工成本和測(cè)試時(shí)間，又保證了篩選的質(zhì)量，解決了井下高溫潛油無(wú)刷電機(jī)霍爾元件的選型難題。采用該篩選檢測(cè)裝置篩選出來(lái)的霍爾元件，大大提高了直流無(wú)刷電機(jī)的溫度性能，從而提高了儀器的穩(wěn)定性和可靠性，避免了因器件失效導(dǎo)致的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)地層測(cè)試和井壁取心儀器的多次高溫井作業(yè)驗(yàn)證，采用篩選后的霍爾元件的無(wú)刷直流電機(jī)在作業(yè)中運(yùn)行平穩(wěn)，儀器液壓動(dòng)力系統(tǒng)穩(wěn)定，作業(yè)效果良好。