HMC1022磁阻传感器在磁记忆检测中的应用

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HMC1022磁阻传感器在磁记忆检测中的应用

彭　英

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司　黑龙江大庆)

摘 要:金属磁记忆检测是利用磁记忆效应对铁磁性材料的应力集中区进行无损检测的新方法。磁记忆信号非常微弱,磁敏传感器的选择十分重要。文章介绍了一种新型的霍尼韦尔磁阻传感器HMC1022,它具有高灵敏度、高分辨率、抗干扰能力强的特点。通过在磁记忆检测方面的应用实验,证明可完全满足金属磁记忆检测的需要。关键词:HMC1022;磁阻传感器;磁记忆检测;测井;应用

中图法分类号:P631.8+3 文献标识码:B 文章编号:100429134(2008)0120049203

0　引　言

金属磁记忆检测是利用磁记忆效应对铁磁性材料的应力集中区进行检测的一种新方法。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。

1　磁场测量的基本原理及HMC1022的特点

1.1　磁场测量的基本原理

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[1]。

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　HMC1022的特点

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(Die A 轴向,Die B 轴向),可测量横向、纵向两个方向的磁感应强度信号。1.2.1　置位/复位(S/R )电流带

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　偏置电流带

　第一作者简介:彭　英,女,1971年生,工程师,1991年毕业于大庆石油学院测井专业,现在大庆油田测试技术服务分公司监测技术研发中心从事

测井仪器的研发工作。邮编:163453

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94・　2008年　第22卷　第1期 石　油　仪　器

PETROLEUM INSTRUMENTS

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。

2　H MC1022的置位/复位脉冲电路及程序设计

2.1　HMC1022的置位/复位脉冲电路

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

。

图1　HMC1022的置位/复位脉冲电路原理图和时序图

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U GS =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　置位/复位脉冲电路程序设计

低功率置位/复位程序框图如图2所示。

图2　低功率置位/复位程序框图

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[2]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:MOV A ,XADL1ADD A ,XADL2MOV OS_XADL ,A MOV A ,XADH1ADDC A ,XADH2C LR C RRC A

MOV OS_XADH ,A MOV A ,OS_XADL RRC A

MOV OS_XADL ,A

减去偏置项的采集电桥输出读数的计算:C LR C MOV A ,XADL2SUBB A ,OS_XADL MOV XADL ,A MOV A ,XADH2

SUBB A ,OS_XADH MOV XADH ,A

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05・ 石　油　仪　器

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2008年02月