压力传感器原理及使用注意事项

王铭传 何滔

摘要：目前在现场钻井施工中，百分之九十以上使用的无线随钻测斜仪器是以钻井液为介质，控制、感受钻井液压力脉冲变化进行编码译码的无线随钻测斜仪器。这一类型的无线随钻测斜仪器从钻井液中接收立管压力变化，并对感受的压力数值按照一定原则进行解码的过程是整个工作过程中最重要的环节之一。因此在这个环节中测量压力变化的仪器--压力传感器起到至关重要的作用。我们学习了解压力传感器的工作原理，以及使用时的注意事项将有助于我们更好地完成现场施工。

关键词：压力、传感器、敏感元件、转换原件、压力变化

引言：

无线随钻测斜仪器利用压力传感器感受测量井下压力变化实现井下各种参数从井下到地面设备的传输，这个过程是仪器随钻测量中的关键部分。在钻井施工过程中，现在施工环境各式各样，因而在不同施工环境不同工况的施工现场选择适合的压力传感器和对压力传感器的正确安装使用是确保顺利施工的重要条件。本文首先介绍压力传感器的工作原理，而后介绍压力传感器在现场施工中使用的注意事项，以帮助仪器施工人员正确有效的应用压力传感器。

1压力传感器工作原理：

1.1压力传感器的组成

压力传感器一般由敏感软件、转换元件两部分组成。敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分转换元件是指将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。压力信号通过这两部分后转变成电信号在传输处去。

压力传感器的种类繁多，下面以这类传感器中的应变片压力传感器为例具体介绍它的工作原理。

1.2应变片压力传感器原理与应用：

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

金属电阻应变片的内部结构：它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变压力。

以上就是我所介绍的有关压力传感器的原理和应用，通过这次作业，使我对传感器有了更深的认识，对以后学习会有很大帮助。

2压力传感器使用注意事项：

压力传感器作為高精度压力测量仪器，其内部具有结构复杂的各种精密元件，这些精密元件按照一定的组合方式，组合在一起。要想保证传感器的正常工作，就需要保证传感器这些内部元件的正常工作，以及各个元器件之间连接正常完好。因此压力传感器在进行使用时必须要做好防砸、防震等的防护工作。另外因为压力传感器是将压力信号转换成电信号在传输出去，因此也要注意对压力传感器进行防电接地工作。

2.1压力传感器防砸、防震工作

在施工过程中，由于需要使用压力传感器对井下压力进行实时的测量，所以就需要将压力传感器安装在井队立管上。因此压力传感器难免就会暴露在井队工作人员施工作业的操作区域之内，存在砸，碰等安全隐患。所以在安装压力传感器时一定要做好防砸防震工作，尽量选择不影响井队工作的地方，不再井队施工容易磕碰的地方。实例分析如下：

例一：委内瑞拉MFC-125井使用森纳士压力传感器。施工过程中施工员首先将压力传感器安装在立管支管多个接头之中的一个上边，正常钻进一天后，井队使用大锤对压力传感器附近由任进行施工敲打时，把传感器从中间连接处震断，导致信号中断无法正常工作。后来仪器施工员更换传感器位置，将传感器安装在立管主管上，从而顺利的完成了施工任务。

2.2压力传感器防电接地工作

压力传感器是将需要检测的压力信号转换成可供地面设备接收的电气信号的精密仪器，因此当传感器接地不好，或与传感器连接的设备带电时，将直接影响压力传感器的测量结果。所以在施工时我们要对压力传感器做好接地工作，并使用万用表对各个连接设备进行测量，确保电压在规定范围之内。实例分析如下：

例二：委内瑞拉CJS-177井进行施工时，由于现在仪器操作间使用的是临时租用的当地发电机，接地不好，操作间具有20V左右的接地电压，导致在关泵立管压力为零的状态下，地面设备接收的压力传感器压力值是145PIS左右，使仪器不能正常工作。对压力传感器进行接地，把传感器外壳与井架子立管连接，降低带电的影响，把关泵的压力传感器压力值降到合格的范围之内，从而到达施工需求。

结论：

压力传感器是现场无线随钻测斜仪器工作中不可缺少的重要部分。正确的掌握压力传感器的工作原理，以及安装使用方法将会有助于我们现场施工中更高效的完成施工任务。使我们施工人员能更好的应对情况复杂多变的施工现场。

参考文献：

[1]王华祥、张淑英 主编. 传感器原理及应用. 天津：天津大学出版社，2006