基于霍尔传感器的钻孔深度测量仪_尹宗保
DOI：10．13347/j．cnki．mkaq．2014．02．029
基于霍尔传感器的钻孔深度测量仪
尹宗保，葛玉丽，姜洪杰，陈军
（郑州光力科技股份有限公司，河南郑州450001）
摘要：介绍一种新的钻机测深方法，首先通过霍尔传感器检测磁化后钻杆的工作状态，检测并
记录钻杆往返次数和时间；然后通过上位机软件以图表形式还原打钻过程；最后通过累加每次行
程的距离确定钻机打钻的深度。
关键词：霍尔传感器；磁化；软件还原；钻机；测深；钻孔深度
中图分类号：TD679文献标志码：B文章编号：1003－496X（2014）02－0092－03
Drilling Depth Measuring Instrument Based on Hall Sensor
YIN Zongbao，GE Yuli，JIANG Hongjie，CHEN Jun
（Zhengzhou Guangli Tech Development Co．，Ltd．，Zhengzhou450001，China）
Abstract：This article introduces a new drilling measuring method．By detecting the operating condition of magnetized drill pipe by Hall sensor，the study detects and records round trips and time of drill pipe and restores the drilling process in chart by using the upper－computer software．Through adding up the distance of each trip can determine drilling depth．
Key words：Hall sensor；magnetization；software restore；driller；depth measurement；drill depth
目前钻孔深度的检测主要有3种方法，第1种
是人工统计法：为传统测量方法，通过人为统计打进
钻杆的数量来计算钻孔深度，即根据打入钻杆的数
量乘以钻杆长度，然后进行累加求和计算出钻孔深
度；此方法缺点是存在人为误差，浪费人力资源，且
存在劳资双方争议。第2种是测试钻机液压法：根
据测量钻机液压泵站的几个的压力变化来判断当前
钻机情况进行统计；此方法测量需要的测量参数较
多，成本较高。第3种是采用霍尔传感器检测钻机
往返次数来确定打入钻杆数量，然后确定打钻深度；
通过检测霍尔传感器组信号值变化来实现钻机往返
运动的检测，然后由微处理器将数据记录并还原，最
终计算出打钻深度。
1钻孔深度测量仪电路设计
1．1钻孔深度测量仪的结构和工作原理
霍尔传感器是一种基于霍尔效应的传感器［1］，
当泄露磁场通过霍尔传感器时霍尔传感器会因磁场
强弱而输出高低信号；在本测量仪中磁励磁装置将
钻杆磁化，当携带永磁励磁装置的动力头靠近霍尔
传感器组时，传感器组检测到由弱变强的信号，判断
此时为前进状态，当传感器信号达到最大值时完成
1个推进，记录当前所用时长的时间△T
1；当携带永
磁励磁装置的动力头远离霍尔传感器组时，传感器
组检测到由强变弱的信号，判断此时为后退状态，当
传感器信号达到最小值完成1个退杆，记录当前所
用时长的时间△T2；通过记录以上数据综合判断当
前为打钻或退杆，并记录下1个行程；打钻结束后通
记录下打钻行程次数计算打钻深度；此种方法能够
方便快捷计算打钻深度，避免人为误差，安装简单。
图1为测量仪电路硬件结构图，主要由永磁励磁装置、霍尔传感器组、信号处理电路、微控制器模
块、人机交互模块和USB输出模块等几部分组成。
微控制器采用自带AD的STM32F103ＲCT6的32位
微处理器，霍尔传感器采用一组线性霍尔元件围绕
钻杆成环形分布，其目的为了消除钻杆偏移造成的
数据不稳定
。
图1测量仪电路硬件结构图
1．2霍尔传感组模块
单个霍尔元件沿钻杆周向的覆盖面积有限，为
·29
·（第45卷第2期）设计·开发
保证全方位检测钻杆通过时的磁通量变化，需要霍尔传感器组在钻杆周围成环形分布，其具体个数N h 应满足下式要求
［2］
：
N h =CINT ［S p /S s ］
式中：S p 为布置霍尔元件环面的周长；S s 为单
个霍尔元件的周向覆盖区域；CINT ［*
］
为舍入取整函数。
根据试验在测定仪中采用的霍尔元件个数为
12个，围绕钻杆均匀排布。霍尔传感器型号为A1302，该传感器是连续型比例式线性霍尔效应传感器，其静态输出电压为电源电压50%，供电电压为5V ，单个A1302有效信号范围为2．5 5V 。霍尔传感器组前级处理电路使用加法电路设计，
霍尔元件驱动和信号处理电路如图2［2］
。
图2霍尔元件驱动和信号处理电路
霍尔传感器组的总输出端U i 为所有霍尔元件输出之和
［2］
：
U i =（e 1+e 2+…+e 12）/12
电源基准源电压：U f =2．5V 运放U 13B 的放大倍数：
K 1=（Ｒ14+Ｒ15）/Ｒ14=1．2
运放输出电压为：U 0=K 1?（U i －U f ）
根据系统使用的ADC 转换器基准为3V ，以上数据计算在本系统中霍尔传感器组经运放输出最大值为U 0=3V ，符合实际使用要求。1．3控制器模块
STM32F103ＲCT6使用高性能的AＲM Corte-x TM
－M332位的ＲISC 内核，工作频率为72MHz ，内
置高速存储器（高达128K 字节的闪存和20K 字节的SＲAM ），丰富的增强I /O 端口和联接到2条APB 总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC 、3个通用16位定时器和1个PWM 定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C 接口和SPI 接口、3个USAＲT 接口、1个USB 接口和1个CAN 接口等［3］，适合制作便携测量仪。其ADC 采样速率可达14M ，其转换精度为：1．2mV ，能够满足采样要求；其中ADC 采用DMA 方式进行采样，定时
读取信号值。2
测量仪软件设计
图3为软件设计流程图
。
图3软件流程图
仪器在上电启动后，首先初始化整个系统，对
·
39·设计·
开发
（2014－02）
STM32F103ＲCT6进行IO 口、看门狗、Flash 、ADC 和USB 口设置，设置采样周期为0．5s ；然后进入等待按键或USB 命令，若为按键命令进行打钻，开始打钻后在采样周期记录传感器组的值，判断当前采样值是否为本次测量中最大或最小数据，并对数据和
时间进行存档，
当打钻结束后记录结束时间。若在待机过程中有USB 链接并有上位机软件，仪器会自动链接并等待上位机命令，通过USB 口将数据传输
到上位机，通过上位机将数据整理后以图形形式表现出来，并计算行程次数和总的钻孔深度。3
试验结果
图4为试验数据处理图。通过USB
口将测定
图4数据处理图
仪与上位机连接，将测定仪所测的数据传输到上位
机，以时间轴t 为横坐标，测量信号经控制模块中的ADC 转换值为纵坐标，在上位机中划出对应的关系图形，
当控制模块检测到ADC 从小于100变化到大于3300为1个行程，计数1次。已知每个行程最
大距离为l a =0．5m ，微控制器记录行程次数累计，测量钻孔深度为；实际钻孔深度为21．5m ，测量误差为2%，以上数据充分说明测定仪具有很高的测试精度。4
结
语
以霍尔传感器检测磁化的钻杆行进状态为依据，提供了一种方便快捷的钻孔深度测量仪，能够方便每班打钻工人对打钻情况的进行记录，经过多次实验，仪器能够准确测量钻孔深度，表现了良好的仪器性能。参考文献：
［1］刘畅生，寇宝明，钟龙．霍尔传感器实用手册［M ］
．北京：中国电力出版社，
2009：35．［2］谭继强．钢丝绳安全监测原理与技术［M ］．北京：科学
出版社，
2009：42－43．［3］陈启军，余有灵，张伟，等．嵌入式系统及应用：基于
Cortex －M3和STM32F103系列微控制器的系统设计
与开发［
M ］．上海：同济大学出版社，2011：362．作者简介：尹宗保（1981－），男，河南郑州人，本科，2005年毕业于河南理工大学，从事煤矿安全测量仪器开发工作。
（收稿日期：2013－04－19；责任编辑：李力欣檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺檺
）
（上接第91页）
构等做改动的前提下，仅通过加入低成本的降色温
滤光薄膜实现了矿灯用LED 光源组的相关色温的降低，使现有矿灯产品的光性能达到了新行业标准的要求。主要目的在于论证使用滤光方法改善矿灯光源相关色温的可行性，没有刻意的对滤光薄膜的成分进行过于细致的研究。如果设计制作针对性更强更合理的滤光薄膜，应该能够得到更好的结果。参考文献：
［1］Schlotter P ，Schmidt Ｒ，Sohneider J．Luminescence con-version of blue light emitting diodes ［J ］
．Appl．Phys．A ：Materials Science ＆Processing ，1997，64（4）：417－418．
［2］Francis L T ，Ｒao P P ，Thomas M ，et al．New orange －
red emitting phosphor La3NbO7：Eu
3+
under blue exci-
tation ［J ］．Materials letters ，2012，81：142－144．
［3］Guzik M ，Tomaszewicz E ，Kaczmarek S M ，et al．Spec-troscopic investigations of Cd0．25Gd0．50+0．25WO4：Eu 3+A new promising red phosphor ［J ］．Journal of Non －Crystalline Solids ，
2010，356：1902－1907．［4］
Lee G H ，Kang S．Solid －solution red phosphors for white LEDs ［J ］．Journal of Luminescence ，2011，131：2582－2588．
［5］Shen J K ，Chang S J ，Kao C H ，et al．White －light e-mission from near UV InGaN －GaN LED chip precoated with blue /green /red phosphors ［J ］．IEEE Photonics Technology Letters ，
2003，15（1）：18－20．作者简介：张宇佳（1985－），女，辽宁沈阳人，硕士，2011年毕业于南开大学，从事煤炭仪器仪表科研与检测工作。
（收稿日期：2013－05－03；责任编辑：李力欣）
·
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·（第45卷第2期）
设计·开发