壓力傳感器原理及使用注意事項

王銘傳 何滔

摘要：目前在現(xiàn)場鉆井施工中，百分之九十以上使用的無線隨鉆測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行編碼譯碼的無線隨鉆測斜儀器。這一類型的無線隨鉆測斜儀器從鉆井液中接收立管壓力變化，并對感受的壓力數(shù)值按照一定原則進行解碼的過程是整個工作過程中最重要的環(huán)節(jié)之一。因此在這個環(huán)節(jié)中測量壓力變化的儀器--壓力傳感器起到至關重要的作用。我們學習了解壓力傳感器的工作原理，以及使用時的注意事項將有助于我們更好地完成現(xiàn)場施工。

關鍵詞：壓力、傳感器、敏感元件、轉(zhuǎn)換原件、壓力變化

引言：

無線隨鉆測斜儀器利用壓力傳感器感受測量井下壓力變化實現(xiàn)井下各種參數(shù)從井下到地面設備的傳輸，這個過程是儀器隨鉆測量中的關鍵部分。在鉆井施工過程中，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)場選擇適合的壓力傳感器和對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)場施工中使用的注意事項，以幫助儀器施工人員正確有效的應用壓力傳感器。

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被測量的部分轉(zhuǎn)換元件是指將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。壓力信號通過這兩部分后轉(zhuǎn)變成電信號在傳輸處去。

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

1.2應變片壓力傳感器原理與應用：

在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機構。

金屬電阻應變片的內(nèi)部結構：它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大，同時應變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調(diào)零電路過于復雜。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。

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

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

以上就是我所介紹的有關壓力傳感器的原理和應用，通過這次作業(yè)，使我對傳感器有了更深的認識，對以后學習會有很大幫助。

2壓力傳感器使用注意事項：

壓力傳感器作為高精度壓力測量儀器，其內(nèi)部具有結構復雜的各種精密元件，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，以及各個元器件之間連接正常完好。因此壓力傳感器在進行使用時必須要做好防砸、防震等的防護工作。另外因為壓力傳感器是將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號在傳輸出去，因此也要注意對壓力傳感器進行防電接地工作。

2.1壓力傳感器防砸、防震工作

在施工過程中，由于需要使用壓力傳感器對井下壓力進行實時的測量，所以就需要將壓力傳感器安裝在井隊立管上。因此壓力傳感器難免就會暴露在井隊工作人員施工作業(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一定要做好防砸防震工作，盡量選擇不影響井隊工作的地方，不再井隊施工容易磕碰的地方。實例分析如下：

例一：委內(nèi)瑞拉MFC-125井使用森納士壓力傳感器。施工過程中施工員首先將壓力傳感器安裝在立管支管多個接頭之中的一個上邊，正常鉆進一天后，井隊使用大錘對壓力傳感器附近由任進行施工敲打時，把傳感器從中間連接處震斷，導致信號中斷無法正常工作。后來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。

2.2壓力傳感器防電接地工作

壓力傳感器是將需要檢測的壓力信號轉(zhuǎn)換成可供地面設備接收的電氣信號的精密儀器，因此當傳感器接地不好，或與傳感器連接的設備帶電時，將直接影響壓力傳感器的測量結果。所以在施工時我們要對壓力傳感器做好接地工作，并使用萬用表對各個連接設備進行測量，確保電壓在規(guī)定范圍之內(nèi)。實例分析如下：

例二：委內(nèi)瑞拉CJS-177井進行施工時，由于現(xiàn)在儀器操作間使用的是臨時租用的當?shù)匕l(fā)電機，接地不好，操作間具有20V左右的接地電壓，導致在關泵立管壓力為零的狀態(tài)下，地面設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。對壓力傳感器進行接地，把傳感器外殼與井架子立管連接，降低帶電的影響，把關泵的壓力傳感器壓力值降到合格的范圍之內(nèi)，從而到達施工需求。

結論：

壓力傳感器是現(xiàn)場無線隨鉆測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有助于我們現(xiàn)場施工中更高效的完成施工任務。使我們施工人員能更好的應對情況復雜多變的施工現(xiàn)場。

參考文獻：

[1]王華祥、張淑英 主編. 傳感器原理及應用. 天津：天津大學出版社，2006