磁阻角度传感器在石油井径测井仪中的应用

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1、石油仪器PETRoLEUMINSTRUMENIS2012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：P631．81文献标识码：B文章编号：1004—9134(2012)03—0010—02上式中Pe和Po分别为有磁场和无磁场时的电阻率。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

2、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图I磁阻效应原理心传感器，采用非接触测量角度的方式来测量井径，1．2磁阻传感器的工作原理及测量方法解决传统井径测井仪采用接触式机械测量臂带动滑动磁阻传感器一般采用坡莫合金，其相对磁阻变化电位器的测量方式所导致的高温特性差、测量精度为2％～3％。磁阻传感器的工作原理及典型的低、不易密封、在恶劣环境下作业时性能不稳定的问(Magneto—Resistive)响应曲线

3、如图2所示。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(a)磁阻传感器的工作原理(b)磁阻响应曲线直流电流，。当薄片置于图示所示的磁场中时，半导图2磁阻传感器工作原理及相应曲线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。当没有外加磁场时，磁阻传感器有一个内部磁此时，载流子将受到电场力的作用，方向与洛仑兹场，该磁场与传感器的几何形状、材质和工艺等参数力方向相反

4、。如果某一速度的载流子所受到的电场力相关。若此时给磁阻传感器施加一个外加磁场，则在．和洛仑兹力正好抵消，那么小于该速度的载流子外部磁场和内部磁场的共同作用下，产生一个与电流将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数目方向之间夹角为的内部磁化向量。此时传感器的将减少，使该方向的电阻增大，表现为磁阻效应。通阻值将发生变化，阻抗变化的函数关系如式(2)所常用电阻率的相对改变量来表示磁阻：示[1]=r，MR一一PB-PO——()一p0+in26一R0-t-ARsin(2)PPo第一作者简介：陈国栋，男，1963年生，高级工程师，1986年毕业于华东石油学院矿场地球物

5、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：0652012012年第26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，po、△p是传感器的材料电阻常数。、A的输出与角度的函数关系式如式(6)所示：a、6分别为磁阻传感器的长、高和宽。一般情况下，12trt一COS2(6)1>b>>a。由于桥B与桥A呈45。夹角，所以同理可求得桥当外部磁场适中(大于或等于50Oerstad)时，B的输出电压与角度的函数关系式如式(7)所示：坡奠合金的内部磁化向量和外部磁场方向一致，进入ub一in2(7)饱和模式l2]。在这种模式下，就

6、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上式中，为电桥的供电电压，由式(6)和式外部磁场的方向有关，而与磁场强度无关。图3(a)(7)可计算出值如式(8)所示：所示为采用双惠斯通电桥结构的磁阻角度传感器示意一~-arctan(8)二(Ja图，桥A和桥B呈45。夹角安装在一个薄片上，每个通过以上关系式，便可通过测量容易测量的电压惠斯通电桥采用了4个完全相同的磁阻传感器。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0～180。。2磁阻角度传感器在井径测井仪中的应用目前，磁场技术

7、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(a)磁阻角度传感器结构图感应强度在100pT至100mT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。

8、

9、表1传感器适用范围．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

10、0。如果给电桥施加一个外加磁场，当外磁