金屬磁記憶傳感器封裝

摘 要

通過分析壓力傳感器和FBG傳感器的結(jié)構(gòu),針對金屬磁記憶傳感器自身特點(diǎn),結(jié)合井下作業(yè)要求,提出了金屬磁記憶傳感器的封裝設(shè)計原則;根據(jù)該原則,設(shè)計出了一種金屬磁記憶傳感器的封裝結(jié)構(gòu),并對其進(jìn)行了有限元模擬分析;對封裝后的金屬磁記憶傳感器實物進(jìn)行了室內(nèi)壓力試驗研究,確定了該設(shè)計的可靠性。
關(guān)鍵詞:金屬磁記憶;傳感器;封裝;壓力試驗

前言

金屬磁記憶檢測技術(shù)是- -種無損檢測技術(shù),不僅能對已成形的缺陷做出判斷,還能根據(jù)對應(yīng)力等因素的檢測,對潛在缺陷的未來發(fā)展趨勢作出準(zhǔn)確的預(yù)測。
經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展,該項技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于石油天然氣管道、航空航天及船舶制造等領(lǐng)域及電站汽輪機(jī)葉片和高壓缸體等方面。
實驗室專門開發(fā)了金屬磁記憶傳感器用于井下套管損傷檢測工藝,所應(yīng)用的井下環(huán)境屬高溫、高壓高含硫復(fù)雜惡劣井況，測量環(huán)境很復(fù)雜,對傳感器的各項性能要求很高,因此,必須尋找有效的封裝方式對磁記憶傳感器進(jìn)行保護(hù),以保證在現(xiàn)場測試環(huán)境中能夠正常工作。

1.磁記憶傳感器的封裝設(shè)計原則

磁記憶檢測技術(shù)在套管損傷檢測中的應(yīng)用還處于初級階段,沒有現(xiàn)成的封裝結(jié)構(gòu)可供使用,因此，需要通過對現(xiàn)有典型傳感器的封裝結(jié)構(gòu)的分析和封裝要求的總結(jié),制定適合磁記憶傳感器的封裝設(shè)計原則。下面對壓力傳感器和光纖光柵( FBG)傳感器進(jìn)行分析。

1.1 壓力傳感器;

壓力傳感器廣泛應(yīng)用于石油化工、爐窯、發(fā)動機(jī)、火藥爆破等領(lǐng)域的壓力測試，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示,由基座、芯片、波紋片、接線柱等構(gòu)成。
壓力傳感器的工作環(huán)境可能會出現(xiàn)腐蝕介質(zhì)、高壓、高溫等,因此壓力傳感器需要解決好腐蝕、壓力、溫度的問題。
壓力傳感器在腐蝕介質(zhì)中工作,因此,需要對外部環(huán)境形成有效的隔離,基座和波紋片之間所形成的便是-一個腔室,能夠阻止外界環(huán)境與壓阻力敏芯片直接接觸,防止腔內(nèi)焊點(diǎn)遭受到腐蝕等破壞同。
為了使壓力傳感器能準(zhǔn)確測試環(huán)境壓力,就要確保外界環(huán)境傳遞到壓阻力敏芯片上的壓力損耗盡可能地小;硅油是一種絕緣性和熱穩(wěn)定性都非常優(yōu)異的液體，粘度系數(shù)也很小,可以像水一樣流動,是一種優(yōu)良的壓力傳遞媒介，在壓力傳感器腔內(nèi)充滿硅油,可以起到良好的壓力傳遞作用。
高溫硅油的膨脹系數(shù)為1. 07(15 C~315 C),當(dāng)壓力傳感器應(yīng)用于高溫環(huán)境時,硅油發(fā)生體積膨脹,壓力傳感器內(nèi)部壓力上升,不利于壓力的精確測量,因此引入波紋片結(jié)構(gòu),通過波紋片結(jié)構(gòu)的伸縮使壓力傳感器達(dá)到內(nèi)外壓力平衡，保證了壓力傳感器的正常工作。

1.2 FBG傳感器

FBG具有不受非線性效應(yīng)影響、易于與光纖連接便于使用和維護(hù)、帶寬寬、耦合性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且制作工藝成熟，易于大規(guī)模生產(chǎn)。其可以直接測量應(yīng)變和溫度的變化,也可以間接測量位移、速度、加速度、電場等,目前廣泛應(yīng)用于石油測井、航空航天.汽車制造、土木工程等領(lǐng)域。
FBG溫度靈敏度系數(shù)與封裝材料的線膨脹系數(shù)泊松比、彈性模量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素有關(guān)口。因此,在選擇封裝材料時，應(yīng)該充分考慮材料特性對FBG的影響,選擇能促進(jìn)提高性能的材料和結(jié)構(gòu)，才能達(dá)到理想的效果。
用于測量溫度的FBG的封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示,利用環(huán)氧膠黏劑和三根鋼條將光纖固定封裝，保證了其受熱膨脹的均勻性;在外部添加一個鋼管，有利于保護(hù)內(nèi)部不受壓力和腐蝕性液體的影響;鋼管內(nèi)充滿導(dǎo)熱膏,可以保證導(dǎo)熱的均勻,但要注意填充需在加熱條件下進(jìn)行，以防止導(dǎo)熱膏中存留大量氣泡影響導(dǎo)熱性能。

1.3 金屬磁記憶傳感器的封裝設(shè)計原則

金屬磁記憶傳感器用于石油測井,工作在高溫、高壓、腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中,因此,在探索磁記憶傳感器的設(shè)計原則時,只對耐溫、耐壓、耐腐蝕的傳感器進(jìn)行分析。通過對上述壓力傳感器和FBG的分析，可以總結(jié)出在壓力環(huán)境下工作的傳感器的封裝設(shè)計原則:
(1)為傳感器設(shè)置保護(hù)性外殼,隔離外界環(huán)境，防止傳感器芯片被壓壞或造成腐蝕、短路。
(2)對于所要測量的物理參量,傳感器芯片與外界之間要充滿性能優(yōu)異的傳導(dǎo)介質(zhì),以便傳感器在有外界保護(hù)的情況下仍能準(zhǔn)確測定外界物理量的大小。
由于不同物理量之間存在很大差異，所以在對不同類型傳感器進(jìn)行具體設(shè)計和封裝時,需要因地制宜地制定不同的封裝設(shè)計原則。針對磁記憶傳感器的自身特點(diǎn)，提出如下封裝設(shè)計原則:
(1)在高壓環(huán)境下工作,需要高強(qiáng)度外殼保護(hù)內(nèi)部傳感器芯片不受傷害,如一-定厚度的金屬結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度環(huán)氧膠等。
(2)在腐蝕液體內(nèi)工作,外殼需要有抗腐蝕能力,如不銹鋼、各種耐腐蝕膠等。
(3)傳感器外殼與套管壁直接接觸、摩擦,需要摩擦系數(shù)低或者耐磨性好的材料做外殼。
(4)磁記憶傳感器以磁場作為測量對象,需采用不導(dǎo)磁外殼,防止磁場被屏蔽。
(5)沒有導(dǎo)磁物質(zhì)屏蔽或干擾,傳感器才能測定磁場大小,所以不需要填充傳導(dǎo)介質(zhì)。
(6)測井環(huán)境存在高溫,因此需選用高溫下性能穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),如金屬、耐高溫環(huán)氧膠等。
根據(jù)以上六條封裝設(shè)計原則,便可以進(jìn)行金屬磁記憶傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

2.磁記憶傳感器的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

由于磁記憶傳感器的封裝結(jié)構(gòu)不需要傳導(dǎo)介質(zhì)，所以其封裝外殼需要滿足強(qiáng)度高、耐磨性好.不導(dǎo)磁、耐腐蝕的要求.根據(jù)這一要求,設(shè)計出了一種磁記憶傳感器封裝結(jié)構(gòu),如圖3所示。
圖3 磁記憶傳感器封裝結(jié)構(gòu)
高強(qiáng)度環(huán)氧膠的邵氏硬度90, 抗壓強(qiáng)度為50 MPa,具有強(qiáng)度高、絕緣性好、耐腐蝕、在高溫下性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),用于封裝磁記憶傳感器.滿足了強(qiáng)度高、不導(dǎo)磁耐腐蝕的要求，但是環(huán)氧膠的耐磨性不好,在與井筒井壁接觸時極易被磨壞,因此,在環(huán)氧膠的外部需要加入一層耐磨性好的物質(zhì)。如圖3 所示,傳感器外殼為無磁不銹鋼,洛氏硬度為92,屈服強(qiáng)度為205MPa,具有良好的耐腐蝕性,不導(dǎo)磁，易于部件的加工制造,可以滿足設(shè)計要求。
應(yīng)用于石油測井的傳感器還有一個重要的要求就是密封性要好,環(huán)氧膠與金屬之間可以很好的粘著在一起,但是與導(dǎo)線外皮之間則粘不牢,起不到密封效果。所以,在試驗過程中設(shè)計了一種特殊結(jié)構(gòu)，用于解決引出導(dǎo)線處的密封問題。導(dǎo)線從橡膠套內(nèi)通過,然后接到傳感器的兩個端子上,將橡膠套的一-半封裝在環(huán)氧膠內(nèi),當(dāng)外界環(huán)境有壓力時,橡膠套露在外面的部分受壓變形,橡膠套與導(dǎo)線外皮,以及橡膠套與環(huán)氧膠之間會越壓越緊,從而起到密封效果。
金屬磁記憶傳感器封裝后的要求是耐壓30 MPa.針對這一設(shè)計要求,進(jìn)行有限元分析,來驗證設(shè)計的可靠性。下面是對傳感器各個部件進(jìn)行的有限元分析。

2.1建立模型

使用Solidworks的三維建模功能創(chuàng)建傳感器結(jié)構(gòu)模型.如圖4所示,結(jié)構(gòu)尺寸分別為:傳感器殼體130 mm X14 mm X15 mm(長X寬X高);環(huán)氧膠封裝結(jié)構(gòu)70 mmX9 mmX13 mm(長X寬X高);橡膠套15 mmX12 mmX6 mm(長X大徑X小徑)。

2.2 定義材料屬性

(1)傳感器外殼用304無磁不銹鋼加工而成，它具有優(yōu)良的耐腐蝕性.易于部件的加工制造,抗拉強(qiáng)度為520MPa,條件屈服強(qiáng)度為202MPa,設(shè)定腔體內(nèi)壁為約束條件.外加載荷為30MPa。
(2)高強(qiáng)度環(huán)氧樹脂灌封膠的抗壓強(qiáng)度為50MPa,具有強(qiáng)度高、絕緣性好、耐腐蝕、在高溫下性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),設(shè)定外壁為約束條件,外加載荷為30MPa。
(3)橡膠套為超彈性元件,有不可壓縮性,利用罰函數(shù)法和Lagrange乘子法確定罰有限單元法和混合插值有限單元法,進(jìn)而通過有限元軟件對其進(jìn)行分析。橡膠彈性模量6MPa,泊松比0.49,屈服強(qiáng)度9MPa,設(shè)定陷入環(huán)氧膠部分外壁為約束條件.外加載荷為30 MPa。

2.3網(wǎng)格劃分

利用SW自身攜帶的具有智能網(wǎng)格劃分功能的simulationxpress組塊,直接利用該組件對模型進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分,能夠快速劃分網(wǎng)格單元,劃分過程快速、可靠。

2.4分析結(jié)果

(1)傳感器外殼的有限元分析結(jié)果如圖5所示，腔體內(nèi)壁邊界的應(yīng)力最大，大小為34.4MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度205 MPa,可算出安全系數(shù)S=205/34.4=5.89,屬于較大安全系數(shù),滿足安全方面的要求;傳感器外殼兩端位置形變最大,變形量為2.06X10-3mm,屬微小形變。綜合應(yīng)力和變形兩方面的分析,可以得出傳感器外殼設(shè)計滿足要求。
(2)環(huán)氧膠封裝結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果如圖6所示，上表面裸露在外部環(huán)境中,邊界處應(yīng)力最大，大小為45.3MPa,小于環(huán)氧樹脂灌封膠的抗壓強(qiáng)50MPa;上表面中心線位置的形變最大,變形量7.76X108mm,屬微小形變。綜合應(yīng)力和變形兩方面的分析,可得出環(huán)氧樹脂灌封膠滿足設(shè)計要求。
(3)橡膠套的有限元分析結(jié)果如圖7所示,橡膠套內(nèi)壁頂部邊界應(yīng)力最大,大小為2.97MPa,小于屈服強(qiáng)度9 MPa,可算出最小安全系數(shù)S= 9/2.97=3.03,屬于較大安全系數(shù),滿足安全要求;圖7所示的橡膠套頂部平面形變最大，位移大小為0.77 mm,在彈性范圍之內(nèi)。綜合應(yīng)力和變形兩方面的分析,可得出橡膠套的設(shè)計滿足要求的結(jié)論。

2.5小結(jié)

綜上,通過對磁記憶傳感器各部件進(jìn)行有限元分析得到一個驗證性的結(jié)論:封裝后的磁記憶傳感器可以承受30 MPa壓力,滿足測井需要。

3結(jié)論

通過對壓力傳感器, FBG傳感器的分析,總結(jié)出磁記憶傳感器的封裝設(shè)計原則;根據(jù)磁記憶傳感器的封裝設(shè)計原則,進(jìn)行了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元分析;在室內(nèi),對封裝后的磁記憶傳感器進(jìn)行了壓力試驗,試驗壓力為30MPa,試驗結(jié)果表明用該方法封裝磁記憶傳感器滿足測井需要,可以用于現(xiàn)場測井。

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總結(jié)

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