CC BY
1538 I датчики
МЭМС-акселерометры Colibrys
и их применение в геофизике
Алексей ГОЛОщАПОВ
gol_a@aviton.spb.ru
Высокие технологии сегодня активно используются во всех отраслях промышленности. Становится все больше интеллектуальных систем и процессов, основанных на большом количестве данных, необходимых для вычислений и выполнения алгоритма работы устройств и механизмов. Источниками измерительной информации служат разнообразные датчики, преобразующие различные физические величины в электронный вид. Развитие науки и техники привело к созданию технологий, позволивших осуществить новый подход к решению существующих задач и создать средства для осуществления ранее невозможных приложений. Одной из таких новых технологий стали микромеханические системы.
Введение
Микроэлектромеханические системы (МЭМС, англ. — MEMS) — это устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. С помощью МЭМС-технологий способность «чувствовать» приобретают микросхемы и сходная с ними по размеру электроника. Сегодня технологии МЭМС-устройств находятся в стадии интенсивного развития, все сильнее возрастают требования к характеристикам устройств, а спектр их применений постоянно расширяется.
Компания Colibrys получила широкую известность в сфере производства высокоточных и высоконадежных МЭМС-акселерометров — датчиков, измеряющих проекцию ускорения объекта относительно гравитационного ускорения.
Акселерометры Colibrys специально разработаны для тяжелых условий окружающей среды (например, сильные удары, вибрация, экстремальные значения температуры, электромагнитные поля).
Устройство акселерометра
Основным элементом 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. Эта масса также является центральным электродом емкостного датчика. Верхняя и нижняя пластины составляют внешние неподвижные электроды датчика. Все три пластины сплавляются вместе (рис. 1). Этот процесс обеспечи-
Чувствительный элемент
Рис. 1. Схема компоновки чувствительного элемента акселерометра
вает не только отличный баланс между тремя подложками в системе, но также позволяет создать герметичную полость для системы с подпружиненной массой. Процесс сварки происходит при высокой температуре (>1000 и низком давлении, это позволяет обеспечить оптимальное поглощение газа и управление полосой пропускания.
Принцип действия акселерометра
Ускорение, приложенное к измерительной оси, изменяет силы, действующие на подпружиненную массу, что принуждает ее смещаться относительно неподвижных электродов. Это приводит к изменению емкостей датчика. Дифференциальное измерение емкостей датчика осуществляет специализированная микросхема. 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 датчики другой конструкции.
Бурение
В бурении широко используются высокие технологии, особенно в условиях относительно больших вибраций, действия экстремальной температуры и коррозии. Сущность бурения заключается в создании скважин в различных грунтах на земле или на дне моря (рис. 2) с использованием ряда методов в зависимости от формы или строения грунта. Бурение главным образом предпринимают для дальнейшей разведки, контроля или эксплуатации скважин.
Существуют различные типы технологий бурения, такие как обычное или наклонное, с получением, например, мелкого скального щебня или буровой пробы (керна).
Бурение при разработке месторождений
Главная цель этих буровых работ состоит в том, чтобы отобрать образцы грунта на глубине до 500 м: необходимо точно оценить строение грунта для дальнейшей возможной разработки скважины и ее эксплуатации. Бурение также широко используется для дегазации угольных пластов.
датчики | 39
Рис. 2. Прибрежная (морская) буровая платформа
Затраты на бурение могут составлять почти половину от полной стоимости эксплуатации месторождения, имеющего обычно несколько сотен пробуренных скважин.
В таких случаях используются датчики, точно определяющие ориентацию и глубину пробуренных скважин: это позволяет создать точную карту месторождения.
Бурение для добычи нефти и газа
Акселерометры используются в различных технологиях добычи нефти и газа:
• При стандартном статическом контроле скважин с целью оценить и картографировать существующую скважину сразу после бурения или по прошествии некоторого времени.
• В динамическом направленном бурении, когда требуется достичь больших подземных участков с локальной платформы (например, с океанской) или подвести к стволу скважины большую часть резервуара (например, горизонтальное бурение через продуктивный горизонт).
• При измерении во время бурения, которое выполняется в жестких условиях окружающей среды и при котором необходимо направлять бурильную головку в заданный район. Для этих измерений требуются прочные, высокоточные и стойкие к высокой температуре датчики.
• В технологии получения сейсморазведочных построений нижней части стволов скважин и пересечений, где применяются микроэлектромеханические сейсмические датчики, имеющие высокую разрешающую способность. Это означает, что возможно точно определить расположение залежей до глубины более 5000 м. Для того чтобы попасть в район ожидаемого размещения резервуара, нужно осуществить точно направленное бурение.
горизонтально направленное бурение
Этот метод используется для направленного бурения с поверхности земли под реками или широкими дорогами для создания туннелей, прокладки водопроводных труб, телекоммуникационных или силовых кабелей, коллекторных сетей и газопроводов в городских районах. В этих случаях для достижения высокой точности требуются датчики, обладающие высокой стабильностью.
Каротаж скважин
Каротаж (от франц. carottage) — это исследование горных пород в буровых скважинах электрическими, магнитными, радиоактивными, акустическими и другими методами. Цели проведения каротажа могут быть различны.
Сейсморазведка используется для мониторинга месторождения и в геофизике (контроль землетрясения), поскольку измерение угла наклона необходимо для оценки подземной стабильности грунта в течение времени.
В зависимости от вида выполняемых измерений нужны датчики различного класса и типа, такие как сейсмические, датчики вибраций или угла наклона. Все эти применения характеризуются жесткими условиями окружающей среды (вибрация и удары) и высокой температурой, что предоставляет широкие возможности для использования МЭМС-технологий.
Технологии бурения
При бурении новых скважин в более 50% случаев используют следующие методы:
• управляемые системы бурения с гидравлическим забойным двигателем;
• управляемые системы роторного бурения (рис. 3).
Рис. 3. Управляемая система роторного бурения
Другие технологии бурения применяются в зависимости от конфигурации грунта и его строения, а также диаметра или глубины скважины.
Основные методы:
• буровые с непосредственным проталкиванием (давлением) без вращения;
• буровой ротор, вращаемый квадратной или шестигранной трубой на буровой площадке;
• привод, расположенный на поверхности и обеспечивающий вращение и циркуляцию в верхней части бурильной колонны;
• акустическая система, использующая в основном энергию вибрации для перемещения бурильной колонны;
• ударная система, использующая вращение и энергию удара;
• вращательное бурение с применением воздушной струи. На рис. 4 показана буровая установка.
Рис. 4. Буровая установка
40 датчики
Применение датчиков в бурении
В зависимости от метода бурения и требований к измерениям требуются акселерометры, которые могут иметь одну из трех главных конфигураций.
направление бурильной головки
Цель состоит в том, чтобы активно направлять бурильную головку в конечную позицию бурения. Эта операция подобна наведению летящего объекта, и система наведения включает инерциальный измерительный блок, состоящий из трех гироскопов и трех акселерометров, для непрерывного отслеживания положения головки во время бурения.
Бурение осуществляется в агрессивной окружающей среде, поэтому измерения проводятся в условиях интенсивной вибрации и ударов. Датчики для этих приложений должны быть устойчивы к таким воздействиям, чтобы обеспечить максимально точные, насколько это возможно, измерения.
измерение угла наклона во время каротажа
В зависимости от ожидаемой точности и напряженности магнитного поля в конкретном месте возможно использование двух методов для определения угла наклона и азимута в нижней части скважины.
Самый простой метод предусматривает использование трехкоор-динатного магнитометра и трехкоординатного акселерометра и позволяет определить ориентацию бурильной головки.
Более сложное устройство включает трехкоординатный гироскопический модуль в дополнение к магнитометрам и акселерометрам для контроля вращения во время каротажных работ.
Во всех этих устройствах повышенная стабильность датчиков позволяет уменьшить количество точек измерения, необходимых для точного мониторинга скважины, а значит, можно снизить затраты на проведение каротажа.
Сейсмические измерения
В особых случаях точные сейсмические измерения могут быть выполнены под землей. Это делается для того, чтобы исключить влияние человеческого фактора и повысить точность полученных данных. Этот метод используется, например, для перекрестных скважин, сейсмических измерений в процессе бурения, при мониторинге месторождения при извлечении нефти и газа и при мониторинге землетрясений. Для выполнения этих точных измерений требуются датчики с очень низким уровнем шума: на уровне сейсмоприемников (геофонов).
Акселерометры для бурения компании ^ПЬ^
Компания СоНЬ^ предлагает широкий набор акселерометров для измерения угла наклона, вибрации, а также инерционных и сейсмических акселерометров, которые соответствуют требованиям к датчикам, применяемым при бурении. Модели серий RS9000, MS9000 (рис. 5в) и VS9000 могут использоваться как инерциальные датчики для наведения бурильных головок, измерения вибрации или угла наклона. Эти изделия рассчитаны на различный диапазон ускорений и предназначены для измерения параметров при бурении скважины и ее ствола в результате этих работ.
Рис. 5. Акселерометры компании Colibrys серий: а) MS7000; б) MS8000; в) MS9000
Жесткие условия окружающей среды
Акселерометры серий MS9000 и VS9000 обладают стандартной стойкостью к удару до 6000g с минимальным влиянием на их технические характеристики. Датчики также относительно нечувствительны к внешним вибрациям. Для случаев особо сильных ударов разработаны датчики, выдерживающие нагрузки более 20 000g. Это изделия серий Ш8000 и ГО9000.
широкий температурный диапазон
Все датчики рассчитаны на диапазон от -55 до +125 °С. Некоторые акселерометры сохраняли свою работоспособность и при температуре до +150 °С, хотя это формально не заявлено в качестве допустимого значения характеристики.
высокая стабильность
Акселерометры СоНЬ^ имеют большой запас устойчивости: датчики серии RS9000 обладают крайне высокой долговременной стабильностью (номинально до 100 ррт или лучше) при жестких условиях окружающей среды и выдерживают вибрационные воздействия до 150 м^^2.
Это одни из первых акселерометров с разомкнутым контуром, которые изготовлены по технологии МЭМС. Они хорошо работают в тех случаях, когда требуется стабильность в жестких условиях окружающей среды и при температуре до +125 °С.
В дополнение к датчикам MS7000 (рис. 5а) были выпущены новые акселерометры серий MS/VS9000. Эти изделия имеют керамический корпус LCC20 и полностью функционально эквивалентны MS7000, при этом имеют меньшие габариты и обеспечивают гибкость в создаваемой конструкции измерительного устройства.
Все датчики СоНЬ^ работают от одного питающего напряжения от 2,5 до 5,5 В с низким потреблением тока: < 0,5 мА при 5 В. Выходом акселерометра является аналоговое напряжение, изменяющееся в диапазоне от 0,5 до 4,5 В для всего диапазона изменения ускорений.
На рис. 6 показано внутреннее устройство датчика MS8000.
Рис. 6. Внутреннее устройство датчика MS8000
Каждый акселерометр, помимо чувствительного элемента, содержит интегрированную схему ASIC с низким энергопотреблением для обработки сигнала, микроконтроллер для хранения коэффициентов компенсации и датчик температуры, дающий возможность лучше компенсировать, если это потребуется, изменения температуры.
Существенным является условие обеспечения стабильного электропитания акселерометров, так как любая нестабильность питания непосредственно влияет на выходной сигнал, внося неточности. Датчики полностью автономны и размещены в стандартных керамических LCC-корпусах (датчики MS7000 — в корпусе TO), обеспечивающих полную герметичность устройства в течение длительного срока службы.
датчики
41
Заключение
МЭМС-акселерометры применяются все чаще, они заменяют существующие, более дорогие и хрупкие электромеханические устройства. Движущей силой этого процесса является потребность в устройствах, обеспечивающих такие же или даже лучшие характеристики. Эти устройства отличаются более низкой ценой, меньшим энергопотреблением, более компактны, но значительно более надежны.
Успех МЭМС-акселерометров класса high-end производства Colibrys обусловлен их уникальной способностью работать в жестких условиях, которые характеризуются экстремальной температурой, вибрацией или ударными нагрузками. Такие датчики находят свое применение в различных отраслях промышленности: энергетической, оборонной, авиакосмической и приборостроительной. ■
новости I рынок
Учебный центр maxon motor на базе МГТУ им. Баумана
В 2014 г. исполняется 10 лет работы на российском рынке швейцарской компании maxon motor, являющейся ведущим мировым производителем прецизионных электроприводов и компонентов для построения привода.
Компания «АВИТОН» и maxon motor еще в 2008 г. приняли решение о целенаправленном развитии сотрудничества с профильными кафедрами втузов России для подготовки специалистов-инженеров с использованием современных технологий и методов. Первым шагом стало открытие учебного центра в Санкт-Петербурге на базе БГТУ ВОЕНМЕХ, который готовит молодых специалистов, будущих разработчиков и инженеров.
В год 10-летия maxon motor в России «АВИТОН» планирует открытие учебного центра в Москве на базе МГТУ им. Н. Э. Баумана, одного из старейших технических вузов России, который ведет подготовку специалистов практически по всему спектру современного машино- и приборостроения. Цели создания учебного центра:
• развитие и внедрение современных технологий;
• развитие международного сотрудничества;
• решение практических задач в области робототехники. Учебный центр maxon motor ставит перед собой следующие задачи:
• ознакомление широкого круга специалистов и студентов с продукцией и технологиями maxon motor;
maxon motor
driven by precision
• приобретение студентами и специалистами практического опыта работы с приводами;
• привлечение слушателей в целях их обучения и повышения квалификации;
• проведение лабораторных и исследовательских работ.
Программа открытия учебного центра при МГТУ им. Н. Э. Баумана будет интересной и полезной специалистам робототехнической отрасли и приборостроения, представителям специализированных факультетов и кафедр отраслевых вузов.
В официальной части открытия учебного центра запланированы доклады представителей МГТУ им. Баумана и БГТУ ВОЕНМЕХ, выступление председателя правления компании maxon motor, презентации компаний RoBoy (Швейцария) и «Андроидная техника» (Россия), занимающихся разработкой и созданием антропоморфных роботов с использованием технологий и решений maxon motor.
Открытие учебного центра maxon motor состоится 4 марта 2014 г. на кафедре «Робототехнические Системы» НУЦ «Робототехника» МГТУ им. Н. Э. Баумана.
По вопросам участия в мероприятии обращайтесь в отдел маркетинга компании «АВИТОН»: (812) 702-10-01.
www.aviton.spb.ru
OMNIMATE® Sample Service.
Сервис бесплатных образцов за 72 часа.
Закажите сейчас свой персональный образец проду и мы доставим его в течение 72 часов.
Подробности на сайте: www.weidmueller.ru
