李愷 司長征 韓光 阿迪力江·尼扎米丁

[摘? ? 要] 針對油田井口壓力監(jiān)測應(yīng)用需求以及無源無線壓力傳感器在井口壓力監(jiān)測中需解決的問題，設(shè)計了差動結(jié)構(gòu)傳感器，并采用FEM/BEM方法優(yōu)化了傳感器溫度特性，保證了傳感器在不同溫度下工作的可靠性;采用背部受壓封裝形式，通過設(shè)計多層封裝，解決了傳感器引線問題，低成本地實現(xiàn)了高量程下的壓力測量，并保證了一定的壓力傳感靈敏度;通過設(shè)計保護(hù)結(jié)構(gòu)，使傳感器適應(yīng)復(fù)雜的測量介質(zhì);最終實現(xiàn)了基于聲表面波技術(shù)的無源無線油田井口壓力傳感器。

[關(guān)鍵詞] 聲表面波;無源無線;井口壓力;在線監(jiān)測

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 17. 072

[中圖分類號]? TP315? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2019）17- 0186- 04

1? ? ? 引? ? 言

壓力傳感器是工業(yè)生產(chǎn)和過程控制中極其重要的一種常用傳感器，在石油石化行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。為了有效控制石油生產(chǎn)質(zhì)量，井口壓力是必須的監(jiān)測量，壓力傳感器在該方面的應(yīng)用也經(jīng)歷了從機(jī)械式壓力計人工讀表，電子式壓力表直至壓力變送器自動采集的發(fā)展過程，但目前仍然有大部分采油井由于歷史原因，沒有預(yù)埋傳感器和線纜，不具備自動采集改造的條件或改造代價過大。針對這一情況，無線壓力傳感器成為井口壓力自動化采集的一個主要發(fā)展趨勢。目前主流應(yīng)用的井口無線壓力傳感器，主要依靠傳統(tǒng)壓力變送器和無線模塊、電池的組合來實現(xiàn)無線壓力傳感，優(yōu)點是技術(shù)成熟，檢測結(jié)果可靠，但是由于使用電池進(jìn)行供電，其采集頻率無法進(jìn)一步提升（一般為10至20分鐘采集一次），尚無法達(dá)到中石油A11標(biāo)準(zhǔn)建議的15秒采集一次。另一方面，出于安全防爆的考慮，也無法一味增加電池容量。對監(jiān)測的動態(tài)性以及進(jìn)一步通過物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)實現(xiàn)高價值應(yīng)用造成了瓶頸。

無源無線傳感技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)，其最大的優(yōu)勢在于傳感器一側(cè)無須任何的電池供電，因此如果傳感器本身不發(fā)生損壞，就無須考慮電池壽命等附加問題，同時其采集頻次也不再受到電池容量的限制，并且在防爆環(huán)境中極易實現(xiàn)本質(zhì)安全。實現(xiàn)無源無線傳感的一種重要方法是聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）傳感技術(shù)[1]。目前，聲表面波無源無線溫度傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高壓開關(guān)柜、電纜接頭、高壓斷路器等電力設(shè)備測溫系統(tǒng)[2-4]。雖然無線無源溫度傳感器在電力行業(yè)獲得了比較成功的應(yīng)用，其他類型的無源無線傳感器，特別是無源無線壓力傳感器的工業(yè)應(yīng)用仍然非常缺乏，主要原因是大部分研究機(jī)構(gòu)的精力主要集中在胎壓傳感器上，壓力傳感器的量程大多小于1MPa，無法滿足大部分工業(yè)領(lǐng)域的需求（如井口油壓大多要求2MPa～6MPa），而國內(nèi)研究的壓力傳感器大部分量程范圍僅在幾百千帕[5-6];另一方面，這些傳感器的外形封裝和接口也無法滿足工業(yè)接口的要求。針對這些應(yīng)用現(xiàn)狀，本文設(shè)計了差動結(jié)構(gòu)傳感器，并采用FEM/BEM方法優(yōu)化了傳感器溫度特性，保證了傳感器在不同溫度下工作的可靠性;采用背部受壓封裝形式，通過設(shè)計多層封裝，解決了傳感器引線問題，低成本地實現(xiàn)了高量程下的壓力測量，并保證了一定的壓力傳感靈敏度;通過設(shè)計保護(hù)結(jié)構(gòu)，使傳感器適應(yīng)復(fù)雜的測量介質(zhì);最終實現(xiàn)了基于聲表面波技術(shù)的無源無線油田井口壓力傳感器。

2? ? ? 基本工作原理和系統(tǒng)總體設(shè)計

無源無線油田井口壓力監(jiān)測系統(tǒng)，主要由無源無線油田井口壓力傳感器和閱讀裝置組成。閱讀裝置和無源無線傳感器之間通過無線鏈路完成井口壓力信息的傳感，閱讀裝置解析相關(guān)信息并可通過LORA等傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至監(jiān)測平臺。

無源無線傳感器不需要電池，其核心技術(shù)是SAW諧振器，該技術(shù)的原理如圖1所示，閱讀器通過閱讀器天線發(fā)射窄帶電磁波，該電磁波被傳感器天線接收，激勵由壓電工藝制作的單端口SAW諧振器，通過逆壓電效應(yīng)，叉指換能器（IDT）將傳感器天線接收的電磁波轉(zhuǎn)換為SAW。單端口聲表面波諧振器的實際諧振頻率則由諧振腔的結(jié)構(gòu)以及基片所處的環(huán)境影響決定（如被測物處的溫度、應(yīng)變等）。當(dāng)激勵消失之后，帶內(nèi)各頻率分量的聲表面波會以不同的時間常數(shù)自由衰減振蕩，只有頻率與SAWR固有諧振頻率相同的電磁波持續(xù)時間最長。IDT通過壓電效應(yīng)將SAW再次轉(zhuǎn)化為電磁波并由天線輻射出來。閱讀器接收被測量影響的衰減振蕩電磁波后估計出其諧振頻率，可實現(xiàn)相關(guān)傳感量的無線測量。

如引言所述，在系統(tǒng)中主要的難點是壓力傳感器的設(shè)計，在傳感器的設(shè)計主要解決了如下問題：（1）傳感器需要工作在不同的介質(zhì)溫度下，為了傳感器的可靠工作，設(shè)計了差動傳感器結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化了傳感器的溫度特性;（2）傳感器的封裝，為滿足壓力量程和靈敏度的需要，設(shè)計了全新的傳感器封裝形式和引線方法，同時為滿足油田實際使用中的復(fù)雜介質(zhì)成分，設(shè)計了隔離保護(hù)結(jié)構(gòu)，保證傳感器的有效長期工作。設(shè)計的壓力傳感器實物如圖2所示。

3? ? ? SAW敏感器件溫度特性優(yōu)化

油井井口的介質(zhì)溫度并不恒定，如第1節(jié)SAW的工作原理所述，如果僅以單個SAW諧振器進(jìn)行壓力測量，則諧振頻率必然會受到介質(zhì)不同工作的影響，導(dǎo)致壓力測量結(jié)果失真，同時現(xiàn)場還存在其他干擾，僅憑簡單的溫壓聯(lián)合標(biāo)定和后期溫度補(bǔ)償無法消除這些影響。為此，每個SAW傳感器均采用兩個諧振器組成差動結(jié)構(gòu)，兩個諧振器布置在基片上的不同位置，并具有相同的溫度特性，將兩個諧振器之間的頻率差值作為壓力測量的依據(jù)，從而抵消溫度和其他干擾的影響。如圖3所示為差動式SAW傳感器實物基片。

由于傳感器工作的溫度范圍較寬，如果隨意設(shè)計傳感器的溫度特性，雖然依然能夠抵消溫度特性的影響，但是由于溫度引起的頻率變化如果過大，將會超出閱讀裝置的允許采集帶寬以及天線的可用帶寬，從而導(dǎo)致無法解析數(shù)據(jù)，同時過大的傳感器占用帶寬不利于頻譜資源的有效利用。鑒于此，需要對敏感元件的溫度特性進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的目標(biāo)是在主要溫度段內(nèi)（-40℃～85℃）獲得盡量小的頻率變化，并在高溫段具有負(fù)的溫度系數(shù)以便匹配天線在高溫下的頻率漂移。SAW傳感器的溫度特性主要由基片切型、電極材料以及器件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定，我們采用有限元/邊界元（FEM/BEM）方法結(jié)合廣義格林函數(shù)，可精確計算完整器件的溫度特性。我們使用該方法計算了不同石英切型下的溫度系數(shù)，其結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)不同石英切型的溫度系數(shù)，我們優(yōu)化地選擇了AT切石英（0，126°，0°），其頻率隨溫度變化的曲線如圖5所示，該切型在主要工作溫度段（-40℃～85℃）內(nèi)具有較小的頻率漂移，在-40℃～40℃范圍內(nèi)總頻率變化小于100ppm，并且在高溫段時具有負(fù)溫度系數(shù)，可以很好地和天線的頻率變化匹配。如圖5所示為傳感器的溫度特性。

4? ? ? 傳感器封裝設(shè)計

目前研究的聲表面波無源無線壓力傳感器出于密封和保護(hù)SAW基片的考慮，大多采取懸臂梁或簡支梁結(jié)構(gòu)安放SAW基片，并通過頂針結(jié)構(gòu)將外部壓力傳導(dǎo)到基片上。這種方式容易獲得較大的壓力靈敏度，但是由于應(yīng)力集中的影響，其量程受到很大的限制。

背部受壓的封裝方式可使SAW基片直接接觸壓力源，不需要額外的壓力傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)，其受力方式為均勻受壓，沒有明顯的應(yīng)力集中，容易實現(xiàn)較大的測量量程，且由于SAW傳感器含有器件的一面被封裝在內(nèi)部，天然形成了保護(hù)結(jié)構(gòu)，從而無須額外的導(dǎo)力機(jī)構(gòu)，非常適合油田井口的應(yīng)用需求。

但是背部受壓結(jié)構(gòu)中，SAW器件的引線是一個較難解決的問題，如果采用一般的工藝和結(jié)構(gòu)，需要將SAW器件在與封裝引腳已有連接線的情況下倒扣過來進(jìn)行裝配，這勢必導(dǎo)致兩個嚴(yán)重的問題：（1）連接引線需要很長，以便能夠翻轉(zhuǎn)SAW基片，從而造成裝配完成的傳感器的抗振性能很差，連接線極易在運輸過程中損壞;（2）由于需要翻轉(zhuǎn)SAW基片，因此基片和基座間的粘接位置很難控制，導(dǎo)致傳感器的一致性很差，操作難度高，難以標(biāo)準(zhǔn)化并影響成品率。

針對此問題，我們設(shè)計了一種多層轉(zhuǎn)接引線方法，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，該引線方法采用兩片陶瓷片，一片為器件陶瓷片，另一片為引腳陶瓷片，兩片陶瓷片上均蝕刻有金屬的轉(zhuǎn)接焊盤。裝配時先將SAW器件粘接在器件陶瓷片上，并將引線連接至轉(zhuǎn)接焊盤，同樣將引腳通過引線連接至引腳陶瓷片的轉(zhuǎn)接焊盤上。然后將兩片陶瓷片轉(zhuǎn)接焊盤相對，通過回流焊接在一起，并將邊緣密封。通過這種引線方法，同時解決了引線過長和基片粘接一致性的問題，從而實現(xiàn)背部受壓封裝方式的標(biāo)準(zhǔn)化裝配，保證了傳感器的量程。

在油田的實際應(yīng)用環(huán)境中，井口的測量介質(zhì)比較復(fù)雜，并且含有一些顆粒雜質(zhì)，長期使用過程中可能會對SAW器件造成一定的損害，因此我們在SAW器件和介質(zhì)之間增加了一段隔離保護(hù)結(jié)構(gòu)，更好地保證傳感器的長期可靠工作，傳感器封裝的整體結(jié)構(gòu)和實物分別如圖7和圖8所示。

5? ? ? 測試與應(yīng)用

基于Druck PACE6000標(biāo)準(zhǔn)壓力源，我們對傳感器的靈敏度進(jìn)行了測試，其結(jié)果如圖9所示，綜合靈敏度約為60KHz/MPa，且具有較好的線性度，滿足我們的設(shè)計要求。

我們將此無源無線壓力傳感器送至中國航天上海精密計量測試研究所進(jìn)行實際壓力傳感測試，測試結(jié)果如圖10所示，在大部分測試點上的誤差小于0.1MPa，綜合誤差小于±0.1MPa。

在新疆油田某廠區(qū)也對本文所述無源無線壓力傳感器進(jìn)行了實際應(yīng)用，數(shù)據(jù)通過Lora技術(shù)傳輸至監(jiān)控平臺，傳感器運行狀況良好，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

6? ? ? 結(jié)? ? 論

本文針對油田井口壓力監(jiān)測應(yīng)用需求以及無源無線壓力傳感器在井口壓力監(jiān)測中需解決的問題，設(shè)計了差動結(jié)構(gòu)傳感器，并采用FEM/BEM方法優(yōu)化了傳感器溫度特性，保證了傳感器在不同溫度下工作的可靠性;采用背部受壓封裝形式，通過設(shè)計多層封裝，解決了傳感器引線問題，低成本地實現(xiàn)了高量程下的壓力測量，并保證了一定的壓力傳感靈敏度（約60KHz/MPa，量程超過3.5MPa）;通過設(shè)計保護(hù)結(jié)構(gòu)，使傳感器適應(yīng)復(fù)雜的測量介質(zhì);通過測試和實際應(yīng)用證明了該傳感器可滿足油田井口壓力監(jiān)測的實際需要，對于推進(jìn)數(shù)字化油田和油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)具有重大意義。

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