用于油田井口压力监测的无源无线压力传感器

李恺 司长征 韩光 阿迪力江·尼扎米丁

[摘    要] 针对油田井口压力监测应用需求以及无源无线压力传感器在井口压力监测中需解决的问题，设计了差动结构传感器，并采用FEM/BEM方法优化了传感器温度特性，保证了传感器在不同温度下工作的可靠性;采用背部受压封装形式，通过设计多层封装，解决了传感器引线问题，低成本地实现了高量程下的压力测量，并保证了一定的压力传感灵敏度;通过设计保护结构，使传感器适应复杂的测量介质;最终实现了基于声表面波技术的无源无线油田井口压力传感器。

[关键词] 声表面波;无源无线;井口压力;在线监测

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

[中图分类号]  TP315    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2019）17- 0186- 04

1      引    言

压力传感器是工业生产和过程控制中极其重要的一种常用传感器，在石油石化行业有着广泛的应用。为了有效控制石油生产质量，井口压力是必须的监测量，压力传感器在该方面的应用也经历了从机械式压力计人工读表，电子式压力表直至压力变送器自动采集的发展过程，但目前仍然有大部分采油井由于历史原因，没有预埋传感器和线缆，不具备自动采集改造的条件或改造代价过大。针对这一情况，无线压力传感器成为井口压力自动化采集的一个主要发展趋势。目前主流应用的井口无线压力传感器，主要依靠传统压力变送器和无线模块、电池的组合来实现无线压力传感，优点是技术成熟，检测结果可靠，但是由于使用电池进行供电，其采集频率无法进一步提升（一般为10至20分钟采集一次），尚无法达到中石油A11标准建议的15秒采集一次。另一方面，出于安全防爆的考虑，也无法一味增加电池容量。对监测的动态性以及进一步通过物联网大数据实现高价值应用造成了瓶颈。

无源无线传感技术是近年发展起来的一种新型传感技术，其最大的优势在于传感器一侧无须任何的电池供电，因此如果传感器本身不发生损坏，就无须考虑电池寿命等附加问题，同时其采集频次也不再受到电池容量的限制，并且在防爆环境中极易实现本质安全。实现无源无线传感的一种重要方法是声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）传感技术[1]。目前，声表面波无源无线温度传感器已经广泛应用于高压开关柜、电缆接头、高压断路器等电力设备测温系统[2-4]。虽然无线无源温度传感器在电力行业获得了比较成功的应用，其他类型的无源无线传感器，特别是无源无线压力传感器的工业应用仍然非常缺乏，主要原因是大部分研究机构的精力主要集中在胎压传感器上，压力传感器的量程大多小于1MPa，无法满足大部分工业领域的需求（如井口油压大多要求2MPa～6MPa），而国内研究的压力传感器大部分量程范围仅在几百千帕[5-6];另一方面，这些传感器的外形封装和接口也无法满足工业接口的要求。针对这些应用现状，本文设计了差动结构传感器，并采用FEM/BEM方法优化了传感器温度特性，保证了传感器在不同温度下工作的可靠性;采用背部受压封装形式，通过设计多层封装，解决了传感器引线问题，低成本地实现了高量程下的压力测量，并保证了一定的压力传感灵敏度;通过设计保护结构，使传感器适应复杂的测量介质;最终实现了基于声表面波技术的无源无线油田井口压力传感器。

2      基本工作原理和系统总体设计

无源无线油田井口压力监测系统，主要由无源无线油田井口压力传感器和阅读装置组成。阅读装置和无源无线传感器之间通过无线链路完成井口压力信息的传感，阅读装置解析相关信息并可通过LORA等传输技术将数据远传至监测平台。

无源无线传感器不需要电池，其核心技术是SAW谐振器，该技术的原理如图1所示，阅读器通过阅读器天线发射窄带电磁波，该电磁波被传感器天线接收，激励由压电工艺制作的单端口SAW谐振器，通过逆压电效应，叉指换能器（IDT）将传感器天线接收的电磁波转换为SAW。单端口声表面波谐振器的实际谐振频率则由谐振腔的结构以及基片所处的环境影响决定（如被测物处的温度、应变等）。当激励消失之后，带内各频率分量的声表面波会以不同的时间常数自由衰减振荡，只有频率与SAWR固有谐振频率相同的电磁波持续时间最长。IDT通过压电效应将SAW再次转化为电磁波并由天线辐射出来。阅读器接收被测量影响的衰减振荡电磁波后估计出其谐振频率，可实现相关传感量的无线测量。

如引言所述，在系统中主要的难点是压力传感器的设计，在传感器的设计主要解决了如下问题：（1）传感器需要工作在不同的介质温度下，为了传感器的可靠工作，设计了差动传感器结构，并优化了传感器的温度特性;（2）传感器的封装，为满足压力量程和灵敏度的需要，设计了全新的传感器封装形式和引线方法，同时为满足油田实际使用中的复杂介质成分，设计了隔离保护结构，保证传感器的有效长期工作。设计的压力传感器实物如图2所示。

3      SAW敏感器件温度特性优化

油井井口的介质温度并不恒定，如第1节SAW的工作原理所述，如果仅以单个SAW谐振器进行压力测量，则谐振频率必然会受到介质不同工作的影响，导致压力测量结果失真，同时现场还存在其他干扰，仅凭简单的温压联合标定和后期温度补偿无法消除这些影响。为此，每个SAW传感器均采用两个谐振器组成差动结构，两个谐振器布置在基片上的不同位置，并具有相同的溫度特性，将两个谐振器之间的频率差值作为压力测量的依据，从而抵消温度和其他干扰的影响。如图3所示为差动式SAW传感器实物基片。

由于传感器工作的温度范围较宽，如果随意设计传感器的温度特性，虽然依然能够抵消温度特性的影响，但是由于温度引起的频率变化如果过大，将会超出阅读装置的允许采集带宽以及天线的可用带宽，从而导致无法解析数据，同时过大的传感器占用带宽不利于频谱资源的有效利用。鉴于此，需要对敏感元件的温度特性进行优化，优化的目标是在主要温度段内（-40℃～85℃）获得尽量小的频率变化，并在高温段具有负的温度系数以便匹配天线在高温下的频率漂移。SAW传感器的温度特性主要由基片切型、电极材料以及器件拓扑结构决定，我们采用有限元/边界元（FEM/BEM）方法结合广义格林函数，可精确计算完整器件的温度特性。我们使用该方法计算了不同石英切型下的温度系数，其结果如图4所示。

根据不同石英切型的温度系数，我们优化地选择了AT切石英（0，126°，0°），其频率随温度变化的曲线如图5所示，该切型在主要工作温度段（-40℃～85℃）内具有较小的频率漂移，在-40℃～40℃范围内总频率变化小于100ppm，并且在高温段时具有负温度系数，可以很好地和天线的频率变化匹配。如图5所示为传感器的温度特性。

4      传感器封装设计

目前研究的声表面波无源无线压力传感器出于密封和保护SAW基片的考虑，大多采取悬臂梁或简支梁结构安放SAW基片，并通过顶针结构将外部压力传导到基片上。这种方式容易获得较大的压力灵敏度，但是由于应力集中的影响，其量程受到很大的限制。

背部受压的封装方式可使SAW基片直接接触压力源，不需要额外的压力传导机构，其受力方式为均匀受压，没有明显的应力集中，容易实现较大的测量量程，且由于SAW传感器含有器件的一面被封装在内部，天然形成了保护结构，从而无须额外的导力机构，非常适合油田井口的应用需求。

但是背部受压结构中，SAW器件的引线是一个较难解决的问题，如果采用一般的工艺和结构，需要将SAW器件在与封装引脚已有连接线的情况下倒扣过来进行装配，这势必导致两个严重的问题：（1）连接引线需要很长，以便能够翻转SAW基片，从而造成装配完成的传感器的抗振性能很差，连接线极易在运输过程中损坏;（2）由于需要翻转SAW基片，因此基片和基座间的粘接位置很难控制，导致传感器的一致性很差，操作难度高，难以标准化并影响成品率。

针对此问题，我们设计了一种多层转接引线方法，其结构如图6所示，该引线方法采用两片陶瓷片，一片为器件陶瓷片，另一片为引脚陶瓷片，两片陶瓷片上均蚀刻有金属的转接焊盘。装配时先将SAW器件粘接在器件陶瓷片上，并将引线连接至转接焊盘，同样将引脚通过引线连接至引脚陶瓷片的转接焊盘上。然后将两片陶瓷片转接焊盘相对，通过回流焊接在一起，并将边缘密封。通过这种引线方法，同时解决了引线过长和基片粘接一致性的问题，从而实现背部受压封装方式的标准化装配，保证了传感器的量程。

在油田的实际应用环境中，井口的测量介质比较复杂，并且含有一些颗粒杂质，长期使用过程中可能会对SAW器件造成一定的损害，因此我们在SAW器件和介质之间增加了一段隔离保护结构，更好地保证传感器的长期可靠工作，传感器封装的整体结构和实物分别如图7和图8所示。

5      测试与应用

基于Druck PACE6000标准压力源，我们对传感器的灵敏度进行了测试，其结果如图9所示，综合灵敏度约为60KHz/MPa，且具有较好的线性度，满足我们的设计要求。

我们将此无源无线压力传感器送至中国航天上海精密计量测试研究所进行实际压力传感测试，测试结果如图10所示，在大部分测试点上的误差小于0.1MPa，综合误差小于±0.1MPa。

在新疆油田某厂区也对本文所述无源无线压力传感器进行了实际应用，数据通过Lora技术传输至监控平台，传感器运行状况良好，数据稳定。

6      结    论

本文针对油田井口压力监测应用需求以及无源无线压力传感器在井口压力监测中需解决的问题，设计了差动结构传感器，并采用FEM/BEM方法优化了传感器温度特性，保证了传感器在不同温度下工作的可靠性;采用背部受压封装形式，通过设计多层封装，解决了传感器引线问题，低成本地实现了高量程下的压力测量，并保证了一定的压力传感灵敏度（约60KHz/MPa，量程超过3.5MPa）;通过设计保护结构，使传感器适应复杂的测量介质;通过测试和实际应用证明了该传感器可满足油田井口压力监测的实际需要，对于推进数字化油田和油田物联网建设具有重大意义。

主要参考文献

[1]韩韬，吉小军，李平，等.声表面波无线无源传感器[J].上海交通大学学报，2018，52（10）：1314-1323.

[2]汪永为. 用于电力开关柜测温的声表面波无线无源传感阵列研究[D].上海：上海交通大学，2013.

[3]T Han，C Zhang，Yue Hu， et al.Recent Research Results on Wireless Passive Acoustic Sensors for Smart Grids Application[C]//2016 IEEE International Ultrasonics Symposium （IUS），2016：1-5.

[4]吳立远，陈校芸，郑重，等.声表面波传感器在配网设备在线测温中的适用性[J].电气应用，2013，32（z2）：694-697.

[5]刘有群. 脉冲查询式无线声面横波压力传感器系统[C]//2011中国西部声学学术交流会论文集，2011：4.

[6]Along Kang，Jinqiu Lin，Xiaojun Ji，et al.A High-sensitivity Pressure Sensor Based on Surface Transverse Wave[J]. Sensors & Actuators：A Physical，2012，187.