金屬磁記憶傳感器封裝

摘 要

通過分析壓力傳感器和FBG傳感器的結構,針對金屬磁記憶傳感器自身特點,結合井下作業要求,提出了金屬磁記憶傳感器的封裝設計原則;根據該原則,設計出了一種金屬磁記憶傳感器的封裝結構,并對其進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行了室內壓力試驗研究,確定了該設計的可靠性。
關鍵詞: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是- -種無損檢測技術,不僅能對已成形的缺陷做出判斷,還能根據對應力等因素的檢測,對潛在缺陷的未來發展趨勢作出準確的預測。
經過半個多世紀的發展,該項技術已經廣泛地應用于石油天然氣管道、航空航天及船舶制造等領域及電站汽輪機葉片和高壓缸體等方面。
實驗室專門開發了金屬磁記憶傳感器用于井下套管損傷檢測工藝,所應用的井下環境屬高溫、高壓高含硫復雜惡劣井況，測量環境很復雜,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行保護,以保證在現場測試環境中能夠正常工作。

1.磁記憶傳感器的封裝設計原則

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

1.1 壓力傳感器;

壓力傳感器廣泛應用于石油化工、爐窯、發動機、火藥爆破等領域的壓力測試，其典型結構如圖1所示,由基座、芯片、波紋片、接線柱等構成。
壓力傳感器的工作環境可能會出現腐蝕介質、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中工作,因此,需要對外部環境形成有效的隔離,基座和波紋片之間所形成的便是-一個腔室,能夠阻止外界環境與壓阻力敏芯片直接接觸,防止腔內焊點遭受到腐蝕等破壞同。
為了使壓力傳感器能準確測試環境壓力,就要確保外界環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定性都非常優異的液體，粘度系數也很小,可以像水一樣流動,是一種優良的壓力傳遞媒介，在壓力傳感器腔內充滿硅油,可以起到良好的壓力傳遞作用。
高溫硅油的膨脹系數為1. 07(15 C~315 C),當壓力傳感器應用于高溫環境時,硅油發生體積膨脹,壓力傳感器內部壓力上升,不利于壓力的精確測量,因此引入波紋片結構,通過波紋片結構的伸縮使壓力傳感器達到內外壓力平衡，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影響、易于與光纖連接便于使用和維護、帶寬寬、耦合性好等諸多優點，而且制作工藝成熟，易于大規模生產。其可以直接測量應變和溫度的變化,也可以間接測量位移、速度、加速度、電場等,目前廣泛應用于石油測井、航空航天.汽車制造、土木工程等領域。
FBG溫度靈敏度系數與封裝材料的線膨脹系數泊松比、彈性模量、結構強度等因素有關口。因此,在選擇封裝材料時，應該充分考慮材料特性對FBG的影響,選擇能促進提高性能的材料和結構，才能達到理想的效果。
用于測量溫度的FBG的封裝結構如圖2所示,利用環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，有利于保護內部不受壓力和腐蝕性液體的影響;鋼管內充滿導熱膏,可以保證導熱的均勻,但要注意填充需在加熱條件下進行，以防止導熱膏中存留大量氣泡影響導熱性能。

1.3 金屬磁記憶傳感器的封裝設計原則

金屬磁記憶傳感器用于石油測井,工作在高溫、高壓、腐蝕介質的環境中,因此,在探索磁記憶傳感器的設計原則時,只對耐溫、耐壓、耐腐蝕的傳感器進行分析。通過對上述壓力傳感器和FBG的分析，可以總結出在壓力環境下工作的傳感器的封裝設計原則:
(1)為傳感器設置保護性外殼,隔離外界環境，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異的傳導介質,以便傳感器在有外界保護的情況下仍能準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行具體設計和封裝時,需要因地制宜地制定不同的封裝設計原則。針對磁記憶傳感器的自身特點，提出如下封裝設計原則:
(1)在高壓環境下工作,需要高強度外殼保護內部傳感器芯片不受傷害,如一-定厚度的金屬結構、高強度環氧膠等。
(2)在腐蝕液體內工作,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,需采用不導磁外殼,防止磁場被屏蔽。
(5)沒有導磁物質屏蔽或干擾,傳感器才能測定磁場大小,所以不需要填充傳導介質。
(6)測井環境存在高溫,因此需選用高溫下性能穩定的結構,如金屬、耐高溫環氧膠等。
根據以上六條封裝設計原則,便可以進行金屬磁記憶傳感器的結構設計工作。

2.磁記憶傳感器的封裝結構設計與分析

由于磁記憶傳感器的封裝結構不需要傳導介質，所以其封裝外殼需要滿足強度高、耐磨性好.不導磁、耐腐蝕的要求.根據這一要求,設計出了一種磁記憶傳感器封裝結構,如圖3所示。
圖3 磁記憶傳感器封裝結構
高強度環氧膠的邵氏硬度90, 抗壓強度為50 MPa,具有強度高、絕緣性好、耐腐蝕、在高溫下性能穩定等優點,用于封裝磁記憶傳感器.滿足了強度高、不導磁耐腐蝕的要求，但是環氧膠的耐磨性不好,在與井筒井壁接觸時極易被磨壞,因此,在環氧膠的外部需要加入一層耐磨性好的物質。如圖3 所示,傳感器外殼為無磁不銹鋼,洛氏硬度為92,屈服強度為205MPa,具有良好的耐腐蝕性,不導磁，易于部件的加工制造,可以滿足設計要求。
應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,環氧膠與金屬之間可以很好的粘著在一起,但是與導線外皮之間則粘不牢,起不到密封效果。所以,在試驗過程中設計了一種特殊結構，用于解決引出導線處的密封問題。導線從橡膠套內通過,然后接到傳感器的兩個端子上,將橡膠套的一-半封裝在環氧膠內,當外界環境有壓力時,橡膠套露在外面的部分受壓變形,橡膠套與導線外皮,以及橡膠套與環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.針對這一設計要求,進行有限元分析,來驗證設計的可靠性。下面是對傳感器各個部件進行的有限元分析。

2.1建立模型

使用Solidworks的三維建模功能創建傳感器結構模型.如圖4所示,結構尺寸分別為:傳感器殼體130 mm X14 mm X15 mm(長X寬X高);環氧膠封裝結構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，它具有優良的耐腐蝕性.易于部件的加工制造,抗拉強度為520MPa,條件屈服強度為202MPa,設定腔體內壁為約束條件.外加載荷為30MPa。
(2)高強度環氧樹脂灌封膠的抗壓強度為50MPa,具有強度高、絕緣性好、耐腐蝕、在高溫下性能穩定等優點,設定外壁為約束條件,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,進而通過有限元軟件對其進行分析。橡膠彈性模量6MPa,泊松比0.49,屈服強度9MPa,設定陷入環氧膠部分外壁為約束條件.外加載荷為30 MPa。

2.3網格劃分

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

2.4分析結果

(1)傳感器外殼的有限元分析結果如圖5所示，腔體內壁邊界的應力最大，大小為34.4MPa,遠遠小于屈服強度205 MPa,可算出安全系數S=205/34.4=5.89,屬于較大安全系數,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。綜合應力和變形兩方面的分析,可以得出傳感器外殼設計滿足要求。
(2)環氧膠封裝結構的有限元分析結果如圖6所示，上表面裸露在外部環境中,邊界處應力最大，大小為45.3MPa,小于環氧樹脂灌封膠的抗壓強50MPa;上表面中心線位置的形變最大,變形量7.76X108mm,屬微小形變。綜合應力和變形兩方面的分析,可得出環氧樹脂灌封膠滿足設計要求。
(3)橡膠套的有限元分析結果如圖7所示,橡膠套內壁頂部邊界應力最大,大小為2.97MPa,小于屈服強度9 MPa,可算出最小安全系數S= 9/2.97=3.03,屬于較大安全系數,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。綜合應力和變形兩方面的分析,可得出橡膠套的設計滿足要求的結論。

2.5小結

綜上,通過對磁記憶傳感器各部件進行有限元分析得到一個驗證性的結論: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結論

通過對壓力傳感器, FBG傳感器的分析,總結出磁記憶傳感器的封裝設計原則;根據磁記憶傳感器的封裝設計原則,進行了具體的結構設計和有限元分析;在室內,對封裝后的磁記憶傳感器進行了壓力試驗,試驗壓力為30MPa,試驗結果表明用該方法封裝磁記憶傳感器滿足測井需要,可以用于現場測井。

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