Автор: В.В.Радин, компания Авитон

Акселерометры COLIBRYS для геофизики

По материалам научно-практической конференции
“Актуальные вопросы сервисных услуг нефтегазодобывающим
предприятиям при геофизических исследованиях и работах
в скважинах” (ОК “Орбита”, 4–11 сентября 2011 г.)

Высокие технологии сегодня активно и успешно используются в процессах подземного бурения. При этом важнейшее значение приобретают технические решения, способствующие существенному снижению капитальных затрат при освоении месторождений. Например, применение акселерометров в системах контроля бурения позволяет точно определять ориентацию и глубину пробуренных скважин, направлять бурильную головку в заданный район, проводить сейсмические измерения.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – это устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. С помощью данных технологий электроника приобретает способность “чувствовать”. Сегодня рынок МЭМС-устройств находится в стадии интенсивного развития и становится все более требовательным к характеристикам продукта. Компания Colibrys является одной из ведущих мировых компаний в производстве высокоточных и высоконадежных МЭМС-акселерометров. Акселерометры компании Colibrys предназначены для работы в тяжелых условиях окружающей среды (сильные удары, вибрации, экстремальные температуры, электромагнитные поля) и успешно применяются в геофизических исследованиях, например при работах в скважинах.

Офис и производство Colibrys расположены в Швейцарии, в городе Нёвшатель. В этом году компания перешагнула 10-летний рубеж в своем развитии. Базой для создания Colibrys послужила некоммерческая научно-исследовательская организация CSEM (Швейцарский центр электроники и микротехнологии), у которой к моменту основания Colibrys уже был накоплен 25-летний опыт в разработках МЭМС-технологий (рис. 1).

Рис. 1. Производственный цез компании Colibrys

Ядром акселерометра является емкостный микромеханический твердотельный кремниевый датчик. Базовая технология производства акселерометров Colibrys основана на обработке трех кремниевых пластин. Центральная пластина обеспечивает упругий подвес измерительной массы, которая также является центральным электродом емкостного датчика. Верхняя и нижняя пластины составляют внешние неподвижные электроды датчика. Все три пластины сплавляются вместе (рис. 2). Этот процесс обеспечивает не только отличный баланс между тремя подложками в системе, но и позволяет создать герметичную полость для системы с подпружиненной массой. Процесс сварки происходит при высокой температуре (>1000 °C) и низком давлении, чтобы обеспечить оптимальное поглощение газа и управление полосой пропускания.

Рис. 2. Схема компоновки трех кремниевых пластин

Ускорение или наклон, приложенные к измерительной оси, изменяют силы, действующие на подпружиненную массу, принуждая ее смещаться относительно неподвижных электродов, что приводит к изменению емкостей датчика. Дифференциальное изменение емкостей датчика измеряется специализированной микросхемой. Как только происходит изменение емкости, восстанавливающая электростатическая сила начинает действовать на измерительную массу, стремясь вернуть ее в центральное (равновесное) положение. Выходной сигнал датчика определяется на основе сигнала коррекции, необходимого для поддержки измерительной массы в центральном положении. Сигнал коррекции прямо пропорционален ускорению, приложенному к датчику. Датчики, построенные по такой схеме с обратной связью, обеспечивают лучшую линейность, чем другие конструкции датчиков.

Основными отраслями применения продукции Colibrys являются геофизика, аэрокосмическая отрасль и многочисленные промышленные приложения. При геофизических исследованиях высокая стабильность датчиков позволяет сократить количество требуемых измерений, необходимых для точного мониторинга скважины, и, следовательно, сократить затраты на проведение каротажа.

Все датчики Colibrys можно разделить на инерциальные, сейсмические, вибрационные и датчики наклона. Разделение сделано из опыта применения компании Colibrys. Для каждого из направлений проводятся разработки с целью улучшения характеристик датчиков.

Инерциальные датчики Colibrys представлены сериями MS8000 и MS9000 (рис. 3). Диапазон измерений варьируется от ±2 до ±250 g. Для каждой серии выпускается версия HS с повышенной ударопрочностью. Датчики версии HS работают без потери стабильности при нагрузках до 20 000 g. Семейство выпускается в малогабаритном керамическом корпусе LCC 20 (8,9 x 8,9 мм) либо LCC 48 (14,2 x 14,2 мм). Датчик работает со стабильной погрешностью в несколько тысячных долей g в течение длительного времени. Рабочий диапазон температур от –55 до +125 °C. Долгосрочный дрейф нуля не превышает 0,1% рабочего диапазона. Для дополнительного улучшения работы устройства потребители имеют возможность калибровать датчик в отношении температуры окружающего воздуха с помощью встроенного термодатчика.

Рис. 3. Датчик MS9000. Вид изнутри

Типичным представителем семейства датчиков вибраций Colibrys является акселерометр MS7000 (рис. 4). Датчик MS7000 был изначально разработан и изготовлен для нужд нефтегазовой отрасли. Устройство применяется для измерения вибрации или угла наклона. Основным преимуществом датчика является низкая долгосрочная систематическая погрешность. Изделие характеризуется низким температурным коэффициентом даже без температурной компенсации и низким потреблением энергии. Датчик заключен в корпус TO8 с 12 контактами, что обеспечивает полную герметичность. Рабочий диапазон температур составляет от –40 до +125 °C. Устойчивость к ударам – до 6000 g без потери качества измерений.

Рис. 4. Датчик MS7000. Вид изнутри

Другим представителем семейства является датчик VS9000, который характеризуется широкой пропускной способностью и низким потреблением энергии. Этот продукт отличается высокой стабильностью в сочетании с низким уровнем шума и низким смещением температурного коэффициента.

Сейсмические датчики Colibrys представлены семейством Si-Flex. Линейка Si-Flex может заменить традиционные геофоны или сейсмометры и представляет собой новое направление “цифровых геофонов”. Датчики характеризуются крайне низкими шумовыми показателями. Многокристальная конструкция смонтирована на печатной плате.

Компания Авитон является официальным дистрибьютором Colibrys на территории России, осуществляет полную техническую поддержку поставляемой продукции, проводит консультации со специалистами завода-производителя, предоставляет каталоги, документацию, международные и отечественные сертификаты. Возможны как единичные поставки образцов, так и комплексные заказы продукции.

Руководство по выбору изделий

Датчик	Диапазон	Основной параметр	Корпус	Размер	Основные свойства
Сейсмические датчики
SF1500S.A / SN.A	±3 g	Шум: 300·10–9		Одноосевая плата	Одноосевые МЭМС-сервоакселерометры с самым низким уровнем шумов
SF2005S.A / SN.A	±4,5 g	Шум: 800·10–9		Одноосевая плата
Вибрационные измерения
VS9000.D	От ±2 до ±200 g	Полоса пропускания: >1 кГц при –5%	LCC20	8,9 x 8,9 мм	Датчик без обратной связи с отличной стабильностью смещения и широкой полосой пропускания
Инерциальные датчики
MS8000.D	От ±2 до ±100 g	Стабильность смещения: 10–3 g	LCC48	14 x 14 мм	Датчик без обратной связи с отличной стабильностью смещения для жестких условий эксплуатации (–55 … +125 °С)
HS8000.D	±2, ±30, ±100 g	Ударопрочность: >20 000 g	LCC48	14 x 14 мм
MS9000.D	От ±2 до ±200 g	Стабильность смещения: 10–3 g	LCC20	8,9 x 8,9 мм
новый RS9010.A	±10 g	Высокопроизводительный датчик движения	LCC20	8,9 x 8,9 мм	Отличная стабильность смещения и чувствительности для систем курсовертикали
Датчики наклона
MS8002.D	±2 g	Мощность: <2 мВт	LCC48	14 x 14 мм	Высокое разрешение, высокая температурная стабильность и низкое потребление (–55 … +125°С)
MS9000.D	От ±1 до ±2 g	Малогабаритный	LCC20	8,9 x 8,9 мм
новыйRS9003.A	±3 g	Высокая точность	LCC20	8,9 x 8,9 мм	Суммарная долговременная стабильность смещения и чувствительности менее 10–3 g

Сейсмические датчики SF1500S.A / SN.A, SF2005S.A / SN.A

Передовые емкостные МЭМС-акселерометры в сочетании с улучшенной электроникой являются ключом к построению высокопроизводительных акселерометров для систем измерения сильной сейсмической активности (землетрясения). Эти датчики с их исключительно низким шумом и широким динамическим диапазоном являются лучшими в своем классе и дают уникальную возможность заменить традиционные геофоны и сейсмометры.

• Области применения: научный мониторинг сильных землетрясений, мониторинг технического состояния объектов, гражданское строительство, внутренняя безопасность, сейсморазведка.

Датчики вибрации VS9000.D

Датчики с переменной емкостью могут выгодно заменить традиционные пьезорезистивные решения во многих применениях. Для заданного диапазона ускорений и полосы частот емкостные датчики обеспечивают более низкий шум и значительно лучшую долговременную и температурную стабильность.

• Области применения: железные дороги, тестирование автотранспортных средств, транспорт, системы мониторинга состояния и использования объектов, приборостроение.

Инерциальные датчики RS9010.A^новый, MS9000.D, MS8000.D, HS8000.D

Долговременная стабильность и высокая надежность наших емкостных МЭМС-акселерометров, специально разработанных для жестких условий эксплуатации, и систем, критичных по безопасности, раз за разом удовлетворяют все возрастающие запросы инерциальных измерительных систем и систем курсовертикали для гражданских и военных применений.

• Области применения: авиация, космос, ракеты и высокоточное вооружение, курсовертикали, наземная и морская навигация, беспилотные летательные аппараты, направленное бурение и железнодорожный транспорт.

Датчики наклона RS9003.A^новый, MS9002.D, MS9001.D, MS8002.D

Датчики с переменной емкостью по причине свойственных им высокого разрешения, высокой температурной стабильности и низкого потребления полностью соответствуют требованиям приложений, требующих датчика наклона.

• Области применения: стабилизация платформ (антенны, камеры, радара, турели), датчики наклона (орудия, дальномера, компаса, указателя севера), направленное бурение и каротаж.

Colibrys также обладает опытом производства, соответствующими ноу-хау и гибкостью, чтобы подогнать в индивидуальном порядке свои продукты под ваши требования, а также обеспечить своевременную и надежную поставку продукции со своего склада.

Для получения консультаций, запроса образцов и приобретения компонентов обращайтесь к официальному дистрибутору компании Colibrys компании Авитон.

Параметрический подбор датчиков Colibrys