金属磁记忆传感器封装

金属磁记忆传感器封装

摘 要

通过分析压力传感器和FBG传感器的结构,针对金属磁记忆传感器自身特点,结合井下作业要求,提出了金属磁记忆传感器的封装设计原则;根据该原则,设计出了一种金属磁记忆传感器的封装结构,并对其进行了有限元模拟分析;对封装后的金属磁记忆传感器实物进行了室内压力试验研究,确定了该设计的可靠性。
关键词:金属磁记忆;传感器;封装;压力试验

前言

金属磁记忆检测技术是- -种无损检测技术,不仅能对已成形的缺陷做出判断,还能根据对应力等因素的检测,对潜在缺陷的未来发展趋势作出准确的预测。
经过半个多世纪的发展,该项技术已经广泛地应用于石油天然气管道、航空航天及船舶制造等领域及电站汽轮机叶片和高压缸体等方面。
实验室专门开发了金属磁记忆传感器用于井下套管损伤检测工艺,所应用的井下环境属高温、高压高含硫复杂恶劣井况，测量环境很复杂,对传感器的各项性能要求很高,因此,必须寻找有效的封装方式对磁记忆传感器进行保护,以保证在现场测试环境中能够正常工作。

1.磁记忆传感器的封装设计原则

磁记忆检测技术在套管损伤检测中的应用还处于初级阶段,没有现成的封装结构可供使用,因此，需要通过对现有典型传感器的封装结构的分析和封装要求的总结,制定适合磁记忆传感器的封装设计原则。下面对压力传感器和光纤光栅( FBG)传感器进行分析。

1.1 压力传感器;

压力传感器广泛应用于石油化工、炉窑、发动机、火药爆破等领域的压力测试，其典型结构如图1所示,由基座、芯片、波纹片、接线柱等构成。
压力传感器的工作环境可能会出现腐蚀介质、高压、高温等,因此压力传感器需要解决好腐蚀、压力、温度的问题。
压力传感器在腐蚀介质中工作,因此,需要对外部环境形成有效的隔离,基座和波纹片之间所形成的便是-一个腔室,能够阻止外界环境与压阻力敏芯片直接接触,防止腔内焊点遭受到腐蚀等破坏同。
为了使压力传感器能准确测试环境压力,就要确保外界环境传递到压阻力敏芯片上的压力损耗尽可能地小;硅油是一种绝缘性和热稳定性都非常优异的液体，粘度系数也很小,可以像水一样流动,是一种优良的压力传递媒介，在压力传感器腔内充满硅油,可以起到良好的压力传递作用。
高温硅油的膨胀系数为1. 07(15 C~315 C),当压力传感器应用于高温环境时,硅油发生体积膨胀,压力传感器内部压力上升,不利于压力的精确测量,因此引入波纹片结构,通过波纹片结构的伸缩使压力传感器达到内外压力平衡，保证了压力传感器的正常工作。

1.2 FBG传感器

FBG具有不受非线性效应影响、易于与光纤连接便于使用和维护、带宽宽、耦合性好等诸多优点，而且制作工艺成熟，易于大规模生产。其可以直接测量应变和温度的变化,也可以间接测量位移、速度、加速度、电场等,目前广泛应用于石油测井、航空航天.汽车制造、土木工程等领域。
FBG温度灵敏度系数与封装材料的线膨胀系数泊松比、弹性模量、结构强度等因素有关口。因此,在选择封装材料时，应该充分考虑材料特性对FBG的影响,选择能促进提高性能的材料和结构，才能达到理想的效果。
用于测量温度的FBG的封装结构如图2所示,利用环氧胶黏剂和三根钢条将光纤固定封装，保证了其受热膨胀的均匀性;在外部添加一个钢管，有利于保护内部不受压力和腐蚀性液体的影响;钢管内充满导热膏,可以保证导热的均匀,但要注意填充需在加热条件下进行，以防止导热膏中存留大量气泡影响导热性能。

1.3 金属磁记忆传感器的封装设计原则

金属磁记忆传感器用于石油测井,工作在高温、高压、腐蚀介质的环境中,因此,在探索磁记忆传感器的设计原则时,只对耐温、耐压、耐腐蚀的传感器进行分析。通过对上述压力传感器和FBG的分析，可以总结出在压力环境下工作的传感器的封装设计原则:
(1)为传感器设置保护性外壳,隔离外界环境，防止传感器芯片被压坏或造成腐蚀、短路。
(2)对于所要测量的物理参量,传感器芯片与外界之间要充满性能优异的传导介质,以便传感器在有外界保护的情况下仍能准确测定外界物理量的大小。
由于不同物理量之间存在很大差异，所以在对不同类型传感器进行具体设计和封装时,需要因地制宜地制定不同的封装设计原则。针对磁记忆传感器的自身特点，提出如下封装设计原则:
(1)在高压环境下工作,需要高强度外壳保护内部传感器芯片不受伤害,如一-定厚度的金属结构、高强度环氧胶等。
(2)在腐蚀液体内工作,外壳需要有抗腐蚀能力,如不锈钢、各种耐腐蚀胶等。
(3)传感器外壳与套管壁直接接触、摩擦,需要摩擦系数低或者耐磨性好的材料做外壳。
(4)磁记忆传感器以磁场作为测量对象,需采用不导磁外壳,防止磁场被屏蔽。
(5)没有导磁物质屏蔽或干扰,传感器才能测定磁场大小,所以不需要填充传导介质。
(6)测井环境存在高温,因此需选用高温下性能稳定的结构,如金属、耐高温环氧胶等。
根据以上六条封装设计原则,便可以进行金属磁记忆传感器的结构设计工作。

2.磁记忆传感器的封装结构设计与分析

由于磁记忆传感器的封装结构不需要传导介质，所以其封装外壳需要满足强度高、耐磨性好.不导磁、耐腐蚀的要求.根据这一要求,设计出了一种磁记忆传感器封装结构,如图3所示。
图3 磁记忆传感器封装结构
高强度环氧胶的邵氏硬度90, 抗压强度为50 MPa,具有强度高、绝缘性好、耐腐蚀、在高温下性能稳定等优点,用于封装磁记忆传感器.满足了强度高、不导磁耐腐蚀的要求，但是环氧胶的耐磨性不好,在与井筒井壁接触时极易被磨坏,因此,在环氧胶的外部需要加入一层耐磨性好的物质。如图3 所示,传感器外壳为无磁不锈钢,洛氏硬度为92,屈服强度为205MPa,具有良好的耐腐蚀性,不导磁，易于部件的加工制造,可以满足设计要求。
应用于石油测井的传感器还有一个重要的要求就是密封性要好,环氧胶与金属之间可以很好的粘着在一起,但是与导线外皮之间则粘不牢,起不到密封效果。所以,在试验过程中设计了一种特殊结构，用于解决引出导线处的密封问题。导线从橡胶套内通过,然后接到传感器的两个端子上,将橡胶套的一-半封装在环氧胶内,当外界环境有压力时,橡胶套露在外面的部分受压变形,橡胶套与导线外皮,以及橡胶套与环氧胶之间会越压越紧,从而起到密封效果。
金属磁记忆传感器封装后的要求是耐压30 MPa.针对这一设计要求,进行有限元分析,来验证设计的可靠性。下面是对传感器各个部件进行的有限元分析。

2.1建立模型

使用Solidworks的三维建模功能创建传感器结构模型.如图4所示,结构尺寸分别为:传感器壳体130 mm X14 mm X15 mm(长X宽X高);环氧胶封装结构70 mmX9 mmX13 mm(长X宽X高);橡胶套15 mmX12 mmX6 mm(长X大径X小径)。

2.2 定义材料属性

(1)传感器外壳用304无磁不锈钢加工而成，它具有优良的耐腐蚀性.易于部件的加工制造,抗拉强度为520MPa,条件屈服强度为202MPa,设定腔体内壁为约束条件.外加载荷为30MPa。
(2)高强度环氧树脂灌封胶的抗压强度为50MPa,具有强度高、绝缘性好、耐腐蚀、在高温下性能稳定等优点,设定外壁为约束条件,外加载荷为30MPa。
(3)橡胶套为超弹性元件,有不可压缩性,利用罚函数法和Lagrange乘子法确定罚有限单元法和混合插值有限单元法,进而通过有限元软件对其进行分析。橡胶弹性模量6MPa,泊松比0.49,屈服强度9MPa,设定陷入环氧胶部分外壁为约束条件.外加载荷为30 MPa。

2.3网格划分

利用SW自身携带的具有智能网格划分功能的simulationxpress组块,直接利用该组件对模型进行智能网格划分,能够快速划分网格单元,划分过程快速、可靠。

2.4分析结果

(1)传感器外壳的有限元分析结果如图5所示，腔体内壁边界的应力最大，大小为34.4MPa,远远小于屈服强度205 MPa,可算出安全系数S=205/34.4=5.89,属于较大安全系数,满足安全方面的要求;传感器外壳两端位置形变最大,变形量为2.06X10-3mm,属微小形变。综合应力和变形两方面的分析,可以得出传感器外壳设计满足要求。
(2)环氧胶封装结构的有限元分析结果如图6所示，上表面裸露在外部环境中,边界处应力最大，大小为45.3MPa,小于环氧树脂灌封胶的抗压强50MPa;上表面中心线位置的形变最大,变形量7.76X108mm,属微小形变。综合应力和变形两方面的分析,可得出环氧树脂灌封胶满足设计要求。
(3)橡胶套的有限元分析结果如图7所示,橡胶套内壁顶部边界应力最大,大小为2.97MPa,小于屈服强度9 MPa,可算出最小安全系数S= 9/2.97=3.03,属于较大安全系数,满足安全要求;图7所示的橡胶套顶部平面形变最大，位移大小为0.77 mm,在弹性范围之内。综合应力和变形两方面的分析,可得出橡胶套的设计满足要求的结论。

2.5小结

综上,通过对磁记忆传感器各部件进行有限元分析得到一个验证性的结论:封装后的磁记忆传感器可以承受30 MPa压力,满足测井需要。

3结论

通过对压力传感器, FBG传感器的分析,总结出磁记忆传感器的封装设计原则;根据磁记忆传感器的封装设计原则,进行了具体的结构设计和有限元分析;在室内,对封装后的磁记忆传感器进行了压力试验,试验压力为30MPa,试验结果表明用该方法封装磁记忆传感器满足测井需要,可以用于现场测井。

参考文献：

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