壓力傳感器原理及使用注意事項(xiàng)

王銘傳 何滔

摘要：目前在現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工中，百分之九十以上使用的無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀器是以鉆井液為介質(zhì)，控制、感受鉆井液壓力脈沖變化進(jìn)行編碼譯碼的無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀器。這一類型的無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀器從鉆井液中接收立管壓力變化，并對(duì)感受的壓力數(shù)值按照一定原則進(jìn)行解碼的過(guò)程是整個(gè)工作過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)之一。因此在這個(gè)環(huán)節(jié)中測(cè)量壓力變化的儀器--壓力傳感器起到至關(guān)重要的作用。我們學(xué)習(xí)了解壓力傳感器的工作原理，以及使用時(shí)的注意事項(xiàng)將有助于我們更好地完成現(xiàn)場(chǎng)施工。

關(guān)鍵詞：壓力、傳感器、敏感元件、轉(zhuǎn)換原件、壓力變化

引言：

無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀器利用壓力傳感器感受測(cè)量井下壓力變化實(shí)現(xiàn)井下各種參數(shù)從井下到地面設(shè)備的傳輸，這個(gè)過(guò)程是儀器隨鉆測(cè)量中的關(guān)鍵部分。在鉆井施工過(guò)程中，現(xiàn)在施工環(huán)境各式各樣，因而在不同施工環(huán)境不同工況的施工現(xiàn)場(chǎng)選擇適合的壓力傳感器和對(duì)壓力傳感器的正確安裝使用是確保順利施工的重要條件。本文首先介紹壓力傳感器的工作原理，而后介紹壓力傳感器在現(xiàn)場(chǎng)施工中使用的注意事項(xiàng)，以幫助儀器施工人員正確有效的應(yīng)用壓力傳感器。

1壓力傳感器工作原理：

1.1壓力傳感器的組成

壓力傳感器一般由敏感軟件、轉(zhuǎn)換元件兩部分組成。敏感元件是指直接感受或響應(yīng)被測(cè)量的部分轉(zhuǎn)換元件是指將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)部分。壓力信號(hào)通過(guò)這兩部分后轉(zhuǎn)變成電信號(hào)在傳輸處去。

壓力傳感器的種類繁多，下面以這類傳感器中的應(yīng)變片壓力傳感器為例具體介紹它的工作原理。

1.2應(yīng)變片壓力傳感器原理與應(yīng)用：

在了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過(guò)高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過(guò)于復(fù)雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。

電阻應(yīng)變片的工作原理：金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。

我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻的變化（通常是測(cè)量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變壓力。

以上就是我所介紹的有關(guān)壓力傳感器的原理和應(yīng)用，通過(guò)這次作業(yè)，使我對(duì)傳感器有了更深的認(rèn)識(shí)，對(duì)以后學(xué)習(xí)會(huì)有很大幫助。

2壓力傳感器使用注意事項(xiàng)：

壓力傳感器作為高精度壓力測(cè)量?jī)x器，其內(nèi)部具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的各種精密元件，這些精密元件按照一定的組合方式，組合在一起。要想保證傳感器的正常工作，就需要保證傳感器這些內(nèi)部元件的正常工作，以及各個(gè)元器件之間連接正常完好。因此壓力傳感器在進(jìn)行使用時(shí)必須要做好防砸、防震等的防護(hù)工作。另外因?yàn)閴毫鞲衅魇菍毫π盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)在傳輸出去，因此也要注意對(duì)壓力傳感器進(jìn)行防電接地工作。

2.1壓力傳感器防砸、防震工作

在施工過(guò)程中，由于需要使用壓力傳感器對(duì)井下壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，所以就需要將壓力傳感器安裝在井隊(duì)立管上。因此壓力傳感器難免就會(huì)暴露在井隊(duì)工作人員施工作業(yè)的操作區(qū)域之內(nèi)，存在砸，碰等安全隱患。所以在安裝壓力傳感器時(shí)一定要做好防砸防震工作，盡量選擇不影響井隊(duì)工作的地方，不再井隊(duì)施工容易磕碰的地方。實(shí)例分析如下：

例一：委內(nèi)瑞拉MFC-125井使用森納士壓力傳感器。施工過(guò)程中施工員首先將壓力傳感器安裝在立管支管多個(gè)接頭之中的一個(gè)上邊，正常鉆進(jìn)一天后，井隊(duì)使用大錘對(duì)壓力傳感器附近由任進(jìn)行施工敲打時(shí)，把傳感器從中間連接處震斷，導(dǎo)致信號(hào)中斷無(wú)法正常工作。后來(lái)儀器施工員更換傳感器位置，將傳感器安裝在立管主管上，從而順利的完成了施工任務(wù)。

2.2壓力傳感器防電接地工作

壓力傳感器是將需要檢測(cè)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供地面設(shè)備接收的電氣信號(hào)的精密儀器，因此當(dāng)傳感器接地不好，或與傳感器連接的設(shè)備帶電時(shí)，將直接影響壓力傳感器的測(cè)量結(jié)果。所以在施工時(shí)我們要對(duì)壓力傳感器做好接地工作，并使用萬(wàn)用表對(duì)各個(gè)連接設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，確保電壓在規(guī)定范圍之內(nèi)。實(shí)例分析如下：

例二：委內(nèi)瑞拉CJS-177井進(jìn)行施工時(shí)，由于現(xiàn)在儀器操作間使用的是臨時(shí)租用的當(dāng)?shù)匕l(fā)電機(jī)，接地不好，操作間具有20V左右的接地電壓，導(dǎo)致在關(guān)泵立管壓力為零的狀態(tài)下，地面設(shè)備接收的壓力傳感器壓力值是145PIS左右，使儀器不能正常工作。對(duì)壓力傳感器進(jìn)行接地，把傳感器外殼與井架子立管連接，降低帶電的影響，把關(guān)泵的壓力傳感器壓力值降到合格的范圍之內(nèi)，從而到達(dá)施工需求。

結(jié)論：

壓力傳感器是現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀器工作中不可缺少的重要部分。正確的掌握壓力傳感器的工作原理，以及安裝使用方法將會(huì)有助于我們現(xiàn)場(chǎng)施工中更高效的完成施工任務(wù)。使我們施工人員能更好的應(yīng)對(duì)情況復(fù)雜多變的施工現(xiàn)場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王華祥、張淑英 主編. 傳感器原理及應(yīng)用. 天津：天津大學(xué)出版社，2006