智能化霍尔开关传感器高温筛选检测装置的设计*

郝桂青，李健飞

(中海油田服务股份有限公司油田技术研究院 河北 三河 065201)

0 引 言

直流无刷电机多应用于有液压动力的测井仪器中，霍尔开关传感器为无刷直流电机提供位置反馈。与电刷换相相比，它克服了噪声大、易磨坏、寿命短等缺陷[1]。有时井下温度比较高，电机在运行中也发热，电机本身温度会高达200 ℃，而常规的霍尔开关元件的工作温度范围为-55～150 ℃，150 ℃的技术指标达不到井下无刷直流电机的应用要求，很容易由于过热而损坏，所以必须要对霍尔传感器元件进行筛选检测，挑选温度性能指标较高的优良器件来使用，以提高电机工作的稳定性和可靠性，保证测井仪器安全顺利地完成作业。

现有无刷直流电机上用到的霍尔元件都是对150 ℃的元件进行筛选，静态筛选只是简单地把元器件加温烘烤，冷却之后再上电甄别元件是否失效，没有实时的加电筛选装置，这种筛选方法完全靠烘箱和人为经验，筛选出的元件可靠性低，存在使用一段时间后失效的风险，这样会导致测井仪器中电机在高温环境下出故障，仪器功能失效，作业风险极大。现在国外虽然也有200 ℃的高温霍尔开关元件，但由于其为陶瓷封装，抗震性能不佳，经过多次试验，目前的固定工艺无法保证其在高压强震动的井下恶劣环境中使用。

所以，设计一套智能化高温筛选装置尤为必要。以下主要介绍该检测装置的硬件及软件实现方法。

1 霍尔开关传感器工作及测试原理

1.1 霍尔传感器工作原理

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，霍尔传感器按输出方式可分为线性型和开关型，本文主要介绍的是用于直流无刷电机中的开关型的霍尔传感器。

霍尔开关属于有源磁电转换器件[2]，它是在霍尔效应原理的基础上，以硅为材料，利用集成封装和组装工艺制作而成，是霍尔元件与电子线路一体化的产品，它可方便地把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，具有工业场合实际应用操作简单和可靠性高的特点。霍尔开关一般为3个管脚[3]，分别为地、电源和输出脚，一般采用DIP或扁平封装。

图1是霍尔开关集成传感器的内部结构框图[4]。它主要由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路以及开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开路输出可使传感器方便与各种逻辑电路接口。

图1 霍尔开关集成传感器内部结构框图

图1中，当有磁场作用在传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。当放大后的电压大于“开启”值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使半导体管VT导通，为开状态；当磁场减弱时，霍尔元件输出的电压很小，经放大器放大后其值也不高于施密特整形电路的“关闭”阈值，施密特整形器再次翻转，输出低电平，使半导体管VT截止，为关状态。

1.2 霍尔开关型传感器的测试原理

根据霍尔开关传感器的工作原理和电磁场理论可以知道，给霍尔传感器加上一个固定变化的交变的磁场，霍尔开关传感器就会感应变化的磁场而输出对应的开关信号。在软磁材料制成的铁芯上缠绕上线圈，对此线圈加上交变的电流作为磁场的激励源，铁芯和适当大小的铁芯缺口气隙产生一定强度的磁路，置于铁芯缺口处的霍尔开关传感器就会感应到通电线圈产生的磁场，如图2 所示。

图2 霍尔元件测试原理图

霍尔开关在工作时接好如图2所示的电源+5 VDC，当外磁场靠近霍尔开关时，霍尔元件感应磁场的变化，输出脚为低电平；当磁铁离开霍尔开关时，输出脚变为高电平。当在线圈中输入交变的信号时，霍尔开关器件周围就会产生交变的磁场，它就会输出随磁场变化的开关信号，经检测电路和显示单元可以直观地显示出来，从而可以方便地检测出该器件的好坏。在进行高温筛选检测时把通电的线圈、铁心和待检测的霍尔开关传感器放在烘箱中，设定好待筛选的温度，就可以很方便很直观地进行器件的筛选了。

2 智能霍尔传感器检测装置的设计

2.1 筛选装置的硬件设计

基于上文的测试原理，考虑到测试的直观性和智能化，设计出检测该器件的筛选装置如图3所示。

图3 高温霍尔开关传感器筛选装置原理框图

该智能化高温筛选装置由激励信号产生电路模块、霍尔信号采集电路模块、36路霍尔元器件排放电路模块、CPU实时记录处理模块、实时显示及报警电路模块、通道切换及波形输出接口模块及高温烘箱构成。

激励信号产生电路模块由正弦波发生器元件产生200 Hz的正弦励磁信号，幅度为+12 V,电流0.5 A，加到烘箱中的缠绕在铁芯上的线圈中，作为磁场的激励源，用来模拟电机转动时产生的周期性变化的磁场信号。

36路霍尔元器件排放电路模块里放置要筛选的霍尔元件，用来接收激励信号产生的交变磁场信号，输出的方波开关信号，再输入到烘箱外面的霍尔信号采集电路模块进行采集。该电路的模块设计一次可以筛选36只霍尔器件，该设计模块可以扩展，也可以一次性筛选多于36只，通过改变该电路的路数即可改变一次筛选的元件数量。

CPU实时记录处理电路模块的CPU处理器由ADUC831单片机及外围电路组成，用来依次循环监测霍尔信号采集电路模块输出的36路方波信号，测量其频率，记录到CPU的FLASH里面，每一路霍尔器件分配一定的地址用来循环记录，并且通过串口发送到实时显示模块和上位机接收文件里。此外，CPU通过对测量的方波频率与设定值进行比较，从而可以判断霍尔器件是否合格。当出现不合格器件时产生报警信号，在实时显示模块上进行高亮频闪显示。

实时显示模块及报警电路用来显示CPU发来的每一路霍尔器件的方波频率信号，测试人员可实时地观测到显示模块上高亮频闪显示的通道数，从而知道哪一路器件不合格，进而做淘汰处理。

通道切换及波形输出接口模块由通道选择电路和外接示波器组成，可以实时显示所选择的霍尔元件的输出波形进行监测。该电路采用手动拨档，共分9档，每档对应4只霍尔元件的输出波形，可以让测试人员更直观地进行图形观测和记录。

在具体应用中，该175 ℃霍尔器件的智能高温筛选装置可实现实时记录和实时显示，可以设定高温测试时间，把测试的36路霍尔元器件排放电路模块放到高温烘箱里，设定好筛选温度，到预定烘烤结束时间记录结果即可；更可以在实验过程中通过通道选择，实时地观测想要监测的那个通道的霍尔元件的输出波形。

2.2 筛选装置的软件设计

为了实现智能化筛选，其软件结构包括主程序、信号采集子程序、显示子程序、通道识别子程序、数据存贮子程序、报警子程序及定时中断、串口中断、A/D中断等。主程序框图如图4所示。

筛选装置上电后，单片机先进行I/O口及中断向量的配置赋值、存储空间的清零等初始化处理后，开中断，当有中断发生时，单片机开始进入相应中断的处理程序，并不断地监测对应I/O口的状态，对监测到的通道进行处理。如果是自动监测命令，则调显示子程序，把霍尔输出的波形显示到LCD显示屏上，并对数据进行存储；如果是手动监测命令，则只会对采集到的霍尔元件的数据进行存储；如果没有接到测试结束命令，则一直反复进行以上的采集、显示、存储过程，进行筛选检测工作。在检测的过程中，如果发现霍尔输出的结果不是占空比固定的方波，则启动报警子程序进行报警处理。检测完成后，还可以对存储的数据读出查看，进行筛选比对。

图4 主程序流程图

3 筛选检测装置的使用效果验证

为了验证筛选检测装置的使用效果，在相同的实验条件下对同一型号的多个电机进行对比实验。在该对比实验中，一台电机采用经过筛选的霍尔元件，另一台采用未经过筛选的霍尔元件，一同放于高温高压实验装置中，环境压力140 MPa，电机转速为3 000 r/min，带同一类型大小的负载运行6 h，记录不同温度下测试的实验数据如表1所示。

表1 采用筛选或未筛选的霍尔元件的高温电机温度性能对比实验结果

从表1可以看出，采用经过筛选的霍尔元件的电机，在经过3次不同温度下连续6 h的工作后，均未出现异常；而采用未筛选的霍尔元件的电机，在温度高于175 ℃后性能就开始不稳定，出现损坏，而到达200 ℃后均出现问题。霍尔元件经过筛选后温度性能一致性好，保证了电机的高温性能，从而提高了测井仪器运行的稳定性和可靠性，减少了故障率，提高了仪器井下作业的成功率。

对于耐温175 ℃的测井仪器，可以从150 ℃低指标器件中挑选性能优良的霍尔开关元件来使用，完全可以保证井下仪器电机的可靠性。但对于耐温高达200 ℃及以上的仪器不建议采用从耐温150 ℃的元件中筛选，应该积极寻求温度指标更高的霍尔元件，或改良陶瓷封装的高温霍尔元件在电机中的安装工艺，甚至采用无霍尔反馈的无刷直流电机，来解决耐温200 ℃以上测井仪器中电机的耐温问题，不建议利用筛选装置从低指标的霍尔元件中进行筛选。

4 结束语

该筛选检测装置可以对被筛选元件进行全程动态测试，在整个过程中，可以实时地观测元件的工作状况，并记录测试结果，做到了批量筛选。与常规静态筛选对比，既节约了人工成本和测试时间，又保证了筛选的质量，解决了井下高温潜油无刷电机霍尔元件的选型难题。采用该筛选检测装置筛选出来的霍尔元件，大大提高了直流无刷电机的温度性能，从而提高了仪器的稳定性和可靠性，避免了因器件失效导致的作业风险。经过地层测试和井壁取心仪器的多次高温井作业验证，采用筛选后的霍尔元件的无刷直流电机在作业中运行平稳，仪器液压动力系统稳定，作业效果良好。