智能化霍爾開關傳感器高溫篩選檢測裝置的設計*

郝桂青，李健飛

(中海油田服務股份有限公司油田技術研究院 河北 三河 065201)

0 引 言

直流無刷電機多應用于有液壓動力的測井儀器中，霍爾開關傳感器為無刷直流電機提供位置反饋。與電刷換相相比，它克服了噪聲大、易磨壞、壽命短等缺陷[1]。有時井下溫度比較高，電機在運行中也發(fā)熱，電機本身溫度會高達200 ℃，而常規(guī)的霍爾開關元件的工作溫度范圍為-55～150 ℃，150 ℃的技術指標達不到井下無刷直流電機的應用要求，很容易由于過熱而損壞，所以必須要對霍爾傳感器元件進行篩選檢測，挑選溫度性能指標較高的優(yōu)良器件來使用，以提高電機工作的穩(wěn)定性和可靠性，保證測井儀器安全順利地完成作業(yè)。

現(xiàn)有無刷直流電機上用到的霍爾元件都是對150 ℃的元件進行篩選，靜態(tài)篩選只是簡單地把元器件加溫烘烤，冷卻之后再上電甄別元件是否失效，沒有實時的加電篩選裝置，這種篩選方法完全靠烘箱和人為經(jīng)驗，篩選出的元件可靠性低，存在使用一段時間后失效的風險，這樣會導致測井儀器中電機在高溫環(huán)境下出故障，儀器功能失效，作業(yè)風險極大?，F(xiàn)在國外雖然也有200 ℃的高溫霍爾開關元件，但由于其為陶瓷封裝，抗震性能不佳，經(jīng)過多次試驗，目前的固定工藝無法保證其在高壓強震動的井下惡劣環(huán)境中使用。

所以，設計一套智能化高溫篩選裝置尤為必要。以下主要介紹該檢測裝置的硬件及軟件實現(xiàn)方法。

1 霍爾開關傳感器工作及測試原理

1.1 霍爾傳感器工作原理

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器，霍爾傳感器按輸出方式可分為線性型和開關型，本文主要介紹的是用于直流無刷電機中的開關型的霍爾傳感器。

霍爾開關屬于有源磁電轉換器件[2]，它是在霍爾效應原理的基礎上，以硅為材料，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，是霍爾元件與電子線路一體化的產(chǎn)品，它可方便地把磁輸入信號轉換成實際應用中的電信號，具有工業(yè)場合實際應用操作簡單和可靠性高的特點。霍爾開關一般為3個管腳[3]，分別為地、電源和輸出腳，一般采用DIP或扁平封裝。

圖1是霍爾開關集成傳感器的內(nèi)部結構框圖[4]。它主要由穩(wěn)壓電路、霍爾元件、放大器、整形電路以及開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作，開路輸出可使傳感器方便與各種邏輯電路接口。

圖1 霍爾開關集成傳感器內(nèi)部結構框圖

圖1中，當有磁場作用在傳感器上時，根據(jù)霍爾效應原理，霍爾元件輸出霍爾電壓，該電壓經(jīng)放大器放大后，送至施密特整形電路。當放大后的電壓大于“開啟”值時，施密特整形電路翻轉，輸出高電平，使半導體管VT導通，為開狀態(tài)；當磁場減弱時，霍爾元件輸出的電壓很小，經(jīng)放大器放大后其值也不高于施密特整形電路的“關閉”閾值，施密特整形器再次翻轉，輸出低電平，使半導體管VT截止，為關狀態(tài)。

1.2 霍爾開關型傳感器的測試原理

根據(jù)霍爾開關傳感器的工作原理和電磁場理論可以知道，給霍爾傳感器加上一個固定變化的交變的磁場，霍爾開關傳感器就會感應變化的磁場而輸出對應的開關信號。在軟磁材料制成的鐵芯上纏繞上線圈，對此線圈加上交變的電流作為磁場的激勵源，鐵芯和適當大小的鐵芯缺口氣隙產(chǎn)生一定強度的磁路，置于鐵芯缺口處的霍爾開關傳感器就會感應到通電線圈產(chǎn)生的磁場，如圖2 所示。

圖2 霍爾元件測試原理圖

霍爾開關在工作時接好如圖2所示的電源+5 VDC，當外磁場靠近霍爾開關時，霍爾元件感應磁場的變化，輸出腳為低電平；當磁鐵離開霍爾開關時，輸出腳變?yōu)楦唠娖?。當在線圈中輸入交變的信號時，霍爾開關器件周圍就會產(chǎn)生交變的磁場，它就會輸出隨磁場變化的開關信號，經(jīng)檢測電路和顯示單元可以直觀地顯示出來，從而可以方便地檢測出該器件的好壞。在進行高溫篩選檢測時把通電的線圈、鐵心和待檢測的霍爾開關傳感器放在烘箱中，設定好待篩選的溫度，就可以很方便很直觀地進行器件的篩選了。

2 智能霍爾傳感器檢測裝置的設計

2.1 篩選裝置的硬件設計

基于上文的測試原理，考慮到測試的直觀性和智能化，設計出檢測該器件的篩選裝置如圖3所示。

圖3 高溫霍爾開關傳感器篩選裝置原理框圖

該智能化高溫篩選裝置由激勵信號產(chǎn)生電路模塊、霍爾信號采集電路模塊、36路霍爾元器件排放電路模塊、CPU實時記錄處理模塊、實時顯示及報警電路模塊、通道切換及波形輸出接口模塊及高溫烘箱構成。

激勵信號產(chǎn)生電路模塊由正弦波發(fā)生器元件產(chǎn)生200 Hz的正弦勵磁信號，幅度為+12 V,電流0.5 A，加到烘箱中的纏繞在鐵芯上的線圈中，作為磁場的激勵源，用來模擬電機轉動時產(chǎn)生的周期性變化的磁場信號。

36路霍爾元器件排放電路模塊里放置要篩選的霍爾元件，用來接收激勵信號產(chǎn)生的交變磁場信號，輸出的方波開關信號，再輸入到烘箱外面的霍爾信號采集電路模塊進行采集。該電路的模塊設計一次可以篩選36只霍爾器件，該設計模塊可以擴展，也可以一次性篩選多于36只，通過改變該電路的路數(shù)即可改變一次篩選的元件數(shù)量。

CPU實時記錄處理電路模塊的CPU處理器由ADUC831單片機及外圍電路組成，用來依次循環(huán)監(jiān)測霍爾信號采集電路模塊輸出的36路方波信號，測量其頻率，記錄到CPU的FLASH里面，每一路霍爾器件分配一定的地址用來循環(huán)記錄，并且通過串口發(fā)送到實時顯示模塊和上位機接收文件里。此外，CPU通過對測量的方波頻率與設定值進行比較，從而可以判斷霍爾器件是否合格。當出現(xiàn)不合格器件時產(chǎn)生報警信號，在實時顯示模塊上進行高亮頻閃顯示。

實時顯示模塊及報警電路用來顯示CPU發(fā)來的每一路霍爾器件的方波頻率信號，測試人員可實時地觀測到顯示模塊上高亮頻閃顯示的通道數(shù)，從而知道哪一路器件不合格，進而做淘汰處理。

通道切換及波形輸出接口模塊由通道選擇電路和外接示波器組成，可以實時顯示所選擇的霍爾元件的輸出波形進行監(jiān)測。該電路采用手動撥檔，共分9檔，每檔對應4只霍爾元件的輸出波形，可以讓測試人員更直觀地進行圖形觀測和記錄。

在具體應用中，該175 ℃霍爾器件的智能高溫篩選裝置可實現(xiàn)實時記錄和實時顯示，可以設定高溫測試時間，把測試的36路霍爾元器件排放電路模塊放到高溫烘箱里，設定好篩選溫度，到預定烘烤結束時間記錄結果即可；更可以在實驗過程中通過通道選擇，實時地觀測想要監(jiān)測的那個通道的霍爾元件的輸出波形。

2.2 篩選裝置的軟件設計

為了實現(xiàn)智能化篩選，其軟件結構包括主程序、信號采集子程序、顯示子程序、通道識別子程序、數(shù)據(jù)存貯子程序、報警子程序及定時中斷、串口中斷、A/D中斷等。主程序框圖如圖4所示。

篩選裝置上電后，單片機先進行I/O口及中斷向量的配置賦值、存儲空間的清零等初始化處理后，開中斷，當有中斷發(fā)生時，單片機開始進入相應中斷的處理程序，并不斷地監(jiān)測對應I/O口的狀態(tài)，對監(jiān)測到的通道進行處理。如果是自動監(jiān)測命令，則調(diào)顯示子程序，把霍爾輸出的波形顯示到LCD顯示屏上，并對數(shù)據(jù)進行存儲；如果是手動監(jiān)測命令，則只會對采集到的霍爾元件的數(shù)據(jù)進行存儲；如果沒有接到測試結束命令，則一直反復進行以上的采集、顯示、存儲過程，進行篩選檢測工作。在檢測的過程中，如果發(fā)現(xiàn)霍爾輸出的結果不是占空比固定的方波，則啟動報警子程序進行報警處理。檢測完成后，還可以對存儲的數(shù)據(jù)讀出查看，進行篩選比對。

圖4 主程序流程圖

3 篩選檢測裝置的使用效果驗證

為了驗證篩選檢測裝置的使用效果，在相同的實驗條件下對同一型號的多個電機進行對比實驗。在該對比實驗中，一臺電機采用經(jīng)過篩選的霍爾元件，另一臺采用未經(jīng)過篩選的霍爾元件，一同放于高溫高壓實驗裝置中，環(huán)境壓力140 MPa，電機轉速為3 000 r/min，帶同一類型大小的負載運行6 h，記錄不同溫度下測試的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 采用篩選或未篩選的霍爾元件的高溫電機溫度性能對比實驗結果

從表1可以看出，采用經(jīng)過篩選的霍爾元件的電機，在經(jīng)過3次不同溫度下連續(xù)6 h的工作后，均未出現(xiàn)異常；而采用未篩選的霍爾元件的電機，在溫度高于175 ℃后性能就開始不穩(wěn)定，出現(xiàn)損壞，而到達200 ℃后均出現(xiàn)問題?；魻栐?jīng)過篩選后溫度性能一致性好，保證了電機的高溫性能，從而提高了測井儀器運行的穩(wěn)定性和可靠性，減少了故障率，提高了儀器井下作業(yè)的成功率。

對于耐溫175 ℃的測井儀器，可以從150 ℃低指標器件中挑選性能優(yōu)良的霍爾開關元件來使用，完全可以保證井下儀器電機的可靠性。但對于耐溫高達200 ℃及以上的儀器不建議采用從耐溫150 ℃的元件中篩選，應該積極尋求溫度指標更高的霍爾元件，或改良陶瓷封裝的高溫霍爾元件在電機中的安裝工藝，甚至采用無霍爾反饋的無刷直流電機，來解決耐溫200 ℃以上測井儀器中電機的耐溫問題，不建議利用篩選裝置從低指標的霍爾元件中進行篩選。

4 結束語

該篩選檢測裝置可以對被篩選元件進行全程動態(tài)測試，在整個過程中，可以實時地觀測元件的工作狀況，并記錄測試結果，做到了批量篩選。與常規(guī)靜態(tài)篩選對比，既節(jié)約了人工成本和測試時間，又保證了篩選的質量，解決了井下高溫潛油無刷電機霍爾元件的選型難題。采用該篩選檢測裝置篩選出來的霍爾元件，大大提高了直流無刷電機的溫度性能，從而提高了儀器的穩(wěn)定性和可靠性，避免了因器件失效導致的作業(yè)風險。經(jīng)過地層測試和井壁取心儀器的多次高溫井作業(yè)驗證，采用篩選后的霍爾元件的無刷直流電機在作業(yè)中運行平穩(wěn)，儀器液壓動力系統(tǒng)穩(wěn)定，作業(yè)效果良好。