Фильтр по тематике

Новые МЭМС-акселерометры Safran Colibrys для геофизического оборудования

В статье описаны особенности конструкции, преимущества и способы интеграции акселерометров Safran Colibrys новых серий в оборудование для нефтегазодобычи, каротажа и геологоразведки – MWD/LWD

Новые МЭМС-акселерометры Safran Colibrys для геофизического оборудования

Современное геологоразведочное и технологическое оборудование для нефтегазодобычи уже практически невозможно представить без технических средств определения пространственного положения скважинного инструмента. В общем случае, навигационный модуль содержит блок акселерометров, гироскопов и/или магнитометров со схемой нормирования и преобразования сигналов для дальнейшей передачи по каналам телеметрии. Кластер из акселерометров – датчиков линейного перемещения с тремя взаимно ортогональными осями чувствительности выдаёт первичную информацию о положении, направлении и скорости, которая дополняется и корректируется на основе данных датчиков углового положения, электронных компасов (см. рис. 1).

Одним из заметных мировых производителей микроэлектромеханических систем (МЭМС) акселерометров для тяжёлых условий эксплуатации в широком диапазоне рабочих температур является научно-производственная компания Safran Colibrys, чья продукция уже продолжительное время применяется в навигационном, технологическом, геофизическом оборудовании не только за рубежом, но и в России.

Safran Colibrys – передовое исследовательское и технологическое предприятие. Отпочковавшаяся в 2001 году от Швейцарского института электроники и микроэлектроники как производственное предприятие полного цикла, Colibrys SA сосредоточилась на прикладных исследованиях, разработке и производстве микромеханических акселерометров ёмкостного типа по собственной объёмной технологии 3D MEMS. Это позволило компании в короткие сроки стать квалифицированным поставщиком компонентов для применения в авиационно-космической, военной, железнодорожной, буровой и горнопроходческой технике, в сейсмологических, технологических, охранных системах и в системах промышленной безопасности.

Важным этапом в истории фирмы стало строительство и запуск в эксплуатацию в 2014 году собственного производственного комплекса в г. Ивердон-ле-Бен (Швейцария), что позволило объединить производство чувствительных элементов и специализированных управляющих микросхем для них (ASIC) и перейти, в итоге, к производству датчиков конструкции «система в корпусе». После вхождения в состав высокотехнологичной группы Safran в результате покупки предприятием Safran Electronics & Defense (новое название предприятия Sagem с 2016 г.), компания была переименована в Safran Colibrys SA.

Отечественным потребителям хорошо знакомы акселерометры серий MS9000 и VS9000, причём первые из них, с диапазоном измерений ±1g и ±2g, активно применяются в составе скважинных инклинометров.

На основе анализа откликов разработчиков и опыта эксплуатации акселерометров в составе оборудования производитель усовершенствовал конструкцию и технологию производства датчиков, в результате чего рынку были предложены новые модели: высокоточный виброакселерометр серии VS1000 с диапазоном измерений ±2g…±200g и высокоточный высокотемпературный инклинометр TS1000T с диапазоном измерений ±2g…±10g и верхним пределом рабочей температуры +175°C.

Не будем останавливаться на основных эксплуатационных характеристиках акселерометров предыдущего и нового поколений, поскольку они достаточно подробно изложены в публикациях [1, 2] и в кратких ТУ производителя [3]. Подробнее рассмотрим конструкцию и реально достижимые показатели на примере сопоставимых по диапазону измерений и назначению акселерометра MS9002 и инклинометра TS1002T для диапазона ускорений ±2g.

Конструкция чувствительного элемента не претерпела изменений (см. рис. 2). Это трёхслойная кремниевая сборка, в среднем слое которой сформирован подвижный элемент на упругом подвесе с одной степенью свободы. Его перемещение при приложении внешних воздействий к корпусу датчика вызывает пропорциональное изменение ёмкости в двух плечах приёмника сигнала, которое затем трансформируется в соответствующий уровень напряжения на выходе. Выходной сигнал – ратиометрический, т.е. его амплитуда зависит от уровня напряжения питания. Эту специфику необходимо учитывать при построении источника питания и разработке конструкции измерительного устройства. Выходной каскад TS1002T отличается от выхода MS9002 тем, что выполнен по дифференциальной схеме (см. рис. 3), что положительно повлияло на помехозащищённость.


Существенно изменилась и конструкция датчика (см. рис. 4). Удалось исключить дополнительный микроконтроллер, дискретный датчик температуры, нагрузочный резистор. Весь этот функционал перенесён в специализированную микросхему. Несмотря на то, что чувствительный элемент и керамический корпус датчика остались прежними, существенно изменилась технология крепления компонентов к основанию корпуса, применены новые материалы. В результате улучшено согласование температурных коэффициентов расширения корпуса и компонентов, демпфирование ударных и вибрационных нагрузок, что незамедлительно положительно отразилось на линейности изменения эксплуатационных характеристик в рабочем температурном диапазоне и позволило поднять верхний температурный предел без потери точности и стабильности.

Для оценки достигнутых улучшений проанализируем результаты параллельных измерений характеристик, проведённых в лабораторных условиях на образцах MS9002 и TS1002T.

Полоса пропускания датчика TS1002T увеличена более чем на 25% по сравнению с MS9002 (см. рис. 5). При этом необходимо отметить «консерватизм» производителя: в ТУ заявляется верхняя граница полосы пропускания на уровне не менее 100 Гц (–3 дБ), тогда как фактически достижимое значение составляет не менее 400 Гц (–3 дБ).

Уровень собственных шумов датчика TS1002T составляет 7 мкg/√Гц (СКЗ), что почти в 2,5 раза ниже, чем у датчика предыдущего поколения MS9002, который в аналогичных условиях может продемонстрировать значение не лучше, чем 18 мкg/√Гц (СКЗ) (см. рис. 6).

Радикально улучшены показатели нелинейности сигнала датчиков нового поколения в диапазоне измеряемых ускорений при воздействии вибрации (см. рис. 7). При этом также уменьшился разброс показателей отдельных образцов в выборке.

Показатели температурной зависимости смещения нуля и чувствительности (масштабного коэффициента) в датчиках новых серий стали практически линейными, с малым наклоном относительно горизонтальной оси и сохраняют свою линейность вплоть до верхнего рабочего предела в +175°C, тогда как у датчиков предыдущего поколения аппроксимирующая кривая демонстрирует резкий спад при приближении к верхней границе рабочих температур (см. рис. 8).

Благодаря применению новой специализированной управляющей микросхемы в составе датчиков новых серий, реализована возможность обмена управляющими и диагностическими сигналами в виде логических уровней между внешним контроллером и датчиком, а сам датчик получил расширенный функционал. В частности, появилась функция встроенного самотестирования с выдачей результата диагностики в виде логического уровня. Эта функция активируется как при штатном включении – при подаче питающего напряжения, так и принудительно – по сигналу сброса. О выходе питающего напряжения за допустимые пределы и о перегрузке чувствительного элемента сигнализирует высокий логический уровень на выводе ERR. При приложении к датчику ускорения, превышающего его номинал, встроенная ASIC также производит циклический сброс схемы управления до тех пор, пока чувствительный элемент сигнализирует о перегрузке. Функциональное назначение выводов датчиков TS1000T, VS1000 приведено в таблице.

Схема включения акселерометров нового поколения достаточно проста и требует минимального количества внешних компонентов (см. рис. 9).

С учётом ратиометрического выходного сигнала особенно важно обеспечить стабильность источника питающего напряжения и фильтрацию помех по цепям питания. Сама плата с датчиком с помощью шлейфа, при условии обеспечения защиты от электромагнитных помех, может быть физически обособлена от схемы обработки и вынесена в точку измерения. Блок-схема интеграции акселерометра в измерительную систему приведена на рисунке 10.

Габариты датчиков позволяют создать 3-осевой блок измерения ускорений для размещения в цилиндрическом отсеке с внутренним диаметром ~28 мм. Эскиз такого технического решения приведён на рисунке 11.

Опыт применения инерциальных МЭМС-датчиков показывает важность алгоритмической компенсации «сырых» результатов измерений. Вычислительные мощности современных микроконтроллеров позволяют производить эти операции «на борту» – в блоке обработки первичной информации и передавать по телеметрическому каналу уже подготовленные, скомпенсированные данные.

Производитель в кратких ТУ на акселерометр TS1000T [3] приводит пример такой программной компенсации для 2-осевой системы полиномом 3-го порядка с использованием данных встроенного датчика температуры. Процедура обработки включает два этапа: компенсацию неидеальности датчика с учётом температуры и удаление ошибок и формирование углового вектора (см. рис. 12). Показано, что результатом преобразований является практически достижимая точность определения угла наклона не хуже, чем ±0,05° в гарантированном диапазоне рабочих температур –40…+150°C (см. рис. 13). Эта процедура позволяет автоматически учесть изменения в процессе работы устройства таких эксплуатационных характеристик датчика, как дрейф нулевого сигнала, температурная зависимость масштабного коэффициента, нелинейность показаний чувствительного элемента, а также влияние перекрёстных помех в многоосных системах.

Разработчики геофизических измерительных систем смогут найти привлекательными для применения в своих новых разработках виброакселерометры серии VS1000, выполненные на однотипном с TS1000T чувствительном элементе и имеющие аналогичные схему управления и конструкцию.

Особенностью ёмкостных МЭМС-акселерометров является возможность измерения спектра регистрируемого сигнала начиная с постоянной составляющей, т.е. от 0 Гц, что в отдельных применениях может быть существенно для точной диагностики. Верхняя граница полосы пропускания акселерометров серии VS1000 составляет от 1150 до 7000 Гц (–3 дБ) для разных моделей, что соответствует классу C с динамическим диапазоном 90 дБ [4].

Компания Safran Colibrys SA заявляет о своём намерении в ближайшем будущем вернуться на рынок коммерческих сейсмических акселерометров с новым МЭМС-датчиком класса B, имеющим динамический диапазон 110 дБ. Эти датчики должны прийти на смену востребованной в прошлом линейке Si-Flex SF1600, SF2006 и 3-осевым сборкам в ударопрочном корпусе на их основе.

Литература

  1. Балман Д., Пономарёв Ю. МЭМС-акселерометры компании Colibrys – прорыв в область высоких температур. Электроника: Наука Технология Бизнес. 2016. №3.
  2. Бекмачев А. Инерциальные МЭМС-датчики и модули европейских производителей. Обзор новинок. Электроника: Наука Технология Бизнес. 2014. №2.
  3. 30S.TS1000TA.C.10.16. TS1000T – Preliminary datasheet. Single axis analog accelerometer. Safran Colibrys SA. www.safran-colibrys.com.
  4. 30S.VS1000.D.08.16. VS1000 – Preliminary datasheet. Single axis analog accelerometer. Safran Colibrys SA. www.safran-colibrys.com.


Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!

Комментарии
Рекомендуем

  Подписывайтесь на наш канал в Telegram и читайте новости раньше всех! Подписаться