DSU3數(shù)字檢波器檢測(cè)維修技術(shù)研究

張 棟 王春田 趙 忠

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 北京) (2.畢節(jié)學(xué)院 貴州貴陽)(3.勝利石油管理局物探公司 山東東營(yíng))

DSU3數(shù)字檢波器檢測(cè)維修技術(shù)研究

張 棟1、2王春田3趙 忠3

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 北京) (2.畢節(jié)學(xué)院 貴州貴陽)(3.勝利石油管理局物探公司 山東東營(yíng))

隨著地震勘探技術(shù)對(duì)地震儀器和檢波器的要求的不斷提高,數(shù)字檢波器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在高密度地震勘探生產(chǎn)中,生產(chǎn)過程中損壞的數(shù)字檢波器的維修工作也擺在我們面前,文章對(duì)數(shù)字檢波器的結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了分析,然后通過開發(fā)DSUT408測(cè)試系統(tǒng)功能確定故障點(diǎn),通過對(duì)各類故障的分析研究,對(duì)損壞的數(shù)字檢波器進(jìn)行了維修,到目前為止,已成功修復(fù)部分損壞的數(shù)字檢波器,有效地提高了維修效率,為生產(chǎn)施工提供了技術(shù)支持。

408-DSU3數(shù)字檢波器;MEMS;LP板;機(jī)體;修復(fù)

0 引 言

數(shù)字檢波器采用MEMS微電子機(jī)電結(jié)構(gòu),直接輸出數(shù)字信號(hào)。具有失真小、動(dòng)態(tài)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)、高保真矢量場(chǎng)、感應(yīng)器傾斜校正等特點(diǎn),具有良好的幅頻和相頻特性。數(shù)字檢波器主要應(yīng)用于高精度地震勘探和多波多分量勘探,并取得了較好的勘探效果,但在數(shù)字檢波器的使用過程中,由于使用環(huán)境以及一些客觀因素使得三分量數(shù)字檢波器的損壞率居高不下。2009年初,勝利物探公司在高密度三維地震先導(dǎo)試驗(yàn)項(xiàng)目中使用408UL數(shù)字檢波器4 600個(gè),施工結(jié)束后故障數(shù)字檢波器共269個(gè)。技術(shù)人員通過對(duì)數(shù)字檢波器的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行分析,掌握了一定的數(shù)字檢波器的維修、檢測(cè)方法,并修復(fù)了部分損壞的數(shù)字檢波器[1、2]。

1 DSU3數(shù)字檢波器結(jié)構(gòu)及原理分析[3]

基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的新型數(shù)字加速度檢波器和普通速度檢波器從傳感器的結(jié)構(gòu)和性能上有很大差別?；贛EMS數(shù)字檢波器采用加速傳感器,工作在諧振頻率之下,而常規(guī)動(dòng)圈式檢波器采用速度傳感器,工作在諧振頻率之上,這個(gè)差別使得這兩種類型的檢波器有著完全不同的尺寸和性能?；谖C(jī)電系統(tǒng)的傳感器仍然是模擬傳感器,在控制回路中,由特定用途的集成電路芯片(ASIC)將輸出進(jìn)行數(shù)字化。這種數(shù)字傳感器比現(xiàn)在用的傳感器小的多。MEMS加速度傳感器本質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是寬帶線性振幅和相位響應(yīng),頻率響應(yīng)范圍在0～800 Hz,振幅畸變不超過±1%,時(shí)間畸變不超過±20μs。MEMS的諧振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地震波頻帶(1 kHz)。這個(gè)性能使記錄低頻成分不衰減,以及記錄與重力加速度有關(guān)的直流電成為可能。重力矢量為靈敏度校準(zhǔn)和傾角測(cè)量提供了一個(gè)有用的參考(3C傳感器)。在測(cè)量高頻時(shí)MEMS數(shù)字檢波器的背景噪音低于常規(guī)檢波器與終端組合的背景噪音。這種寬帶特征為提高地震數(shù)據(jù)的垂向分辨率提供了保障,其取決于信號(hào)的最大和最小頻率的比值(Fmax/Fmin=2n,n為倍頻成數(shù))。

1.1 408-DSU3主要功能

408-DSU3數(shù)字檢波器包括LP板和機(jī)體兩部分。MEMS與ASIC電路實(shí)現(xiàn)地震信號(hào)的數(shù)字化的輸出。功能如下:(1)接收來自主LAU的命令;(2)重復(fù)大線上的數(shù)據(jù)包;(3)數(shù)字化地震數(shù)據(jù);(4)采樣傳輸?shù)綇腖AU;(5)對(duì)儀器和野外測(cè)試產(chǎn)生模擬信號(hào);(6)在EEPROM里存儲(chǔ)408-DSU3地址;(7)通過LED閃爍代碼告知408-DSU3基本狀態(tài)。

1.2 LP板原理分析

LP板是一塊高度集成的電路板,負(fù)責(zé)電源支持和數(shù)據(jù)傳輸。

電源電路部分:當(dāng)檢波器加電后,電源站把直流12 V通過電源升壓電路產(chǎn)生48 V,S80輸出電壓即為48 V,通過鬼對(duì)技術(shù)接入,再通過保護(hù)電路供電給各模塊。

傳輸電路部分:傳輸電路由兩個(gè)大線接口單元、四個(gè)傳輸線圈和三個(gè)晶振組成。大線接口P1、P2是四芯的塑料插座,是檢波器與電纜的接口單元,完成數(shù)據(jù)和信號(hào)的傳輸工作。傳輸線圈T1/T2、T3/T4分別控制P1和P2。

2 機(jī)體結(jié)構(gòu)及原理分析

機(jī)體是由三個(gè)基于MEMS技術(shù)的數(shù)字加速度計(jì)(X、Y、Z)和專用集成電路ASIC組成,負(fù)責(zé)X、Y、Z三個(gè)分量的數(shù)據(jù)采集工作。三個(gè)數(shù)字加速度計(jì)在機(jī)體內(nèi)X、Y、Z方向各一個(gè),呈相互垂直狀態(tài)分布。MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)的縮寫,采用以硅為主的材料通過激光刻蝕而成,它的工作原理是通過薄硅片振動(dòng)膜在壓力下變形,影響其表面的壓敏電阻走線,這種變化可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào),實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的采集功能。ASIC是通過保持固定的電容把反饋的電壓以數(shù)字信號(hào)輸出。

3 DSU3數(shù)字檢波器技術(shù)研究[4]

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在室內(nèi)檢修中,我們利用DSUT408測(cè)試系統(tǒng)對(duì)408UL整個(gè)采集鏈以及數(shù)字采集單元的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。該系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)、一個(gè)電源站(LAUL)、一個(gè)參考站(DSU3)、一個(gè)測(cè)試架以及相匹配的測(cè)試電纜組成。

3.2 檢測(cè)技術(shù)研究

利用DSUT408的“識(shí)別采集鏈功能”和“指標(biāo)測(cè)試功能”來確定故障點(diǎn),排除損壞的408-DSU3檢波器。指標(biāo)測(cè)試流程圖如圖1所示。

圖1 指標(biāo)測(cè)試流程圖

將待測(cè)的采集鏈與參考站相連,通過測(cè)試臺(tái)是否顯示站號(hào)和不同顯示判斷故障原因,根據(jù)二分法進(jìn)一步對(duì)問題站進(jìn)行定位,更換相應(yīng)的采集站和線段。數(shù)字采集鏈經(jīng)過故障點(diǎn)排除和單站指標(biāo)測(cè)試后,即可檢測(cè)到損壞的檢波器,根據(jù)其故障情況分為兩類:①站號(hào)不顯示;②指標(biāo)不合格。針對(duì)這兩種損壞情況,根據(jù)408-DSU3檢波器的結(jié)構(gòu)及原理分析,LP板的損壞是站號(hào)不顯示的主要原因。機(jī)體的損壞是指標(biāo)不合格的主要原因。為了驗(yàn)證判斷的正確性,我們將損壞檢波器的LP板和機(jī)體分離,分別把測(cè)試合格的機(jī)體和LP板組合在一起直接進(jìn)行測(cè)試,在測(cè)試過程中,發(fā)現(xiàn)LP板和機(jī)體信息不匹配,把兩個(gè)好站打開,LP板和機(jī)體對(duì)換組合進(jìn)行測(cè)試,同樣出現(xiàn)信息不匹配的顯示。

對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn),LP板和機(jī)體的序列號(hào)是一一對(duì)應(yīng)的,機(jī)體內(nèi)的EEPROM信息是唯一的,當(dāng)更換了LP板,而未進(jìn)行信息匹配時(shí)則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤顯示。我們通過對(duì)DSUT408測(cè)試系統(tǒng)的研究應(yīng)用,可利用維修助手功能解決這個(gè)問題。該功能通過更換故障部件(LP板或機(jī)體),再將信息從機(jī)體內(nèi)復(fù)制到LP板內(nèi)存完成,根據(jù)維修助手操作提示即可完成信息的匹配。維修助手為檢修人員判斷LP板和機(jī)體是否完好提供了依據(jù)。

4 DSU3數(shù)字檢波器維修技術(shù)與應(yīng)用

4.1 維修步驟及方法

經(jīng)過一系列檢測(cè)流程,即可判別完好與損壞的LP板和機(jī)體。下面介紹以LP板損壞為例,利用維修助手功能來修復(fù)采集站的步驟。

(1)將故障LP板拆除,更換完好的LP板,與測(cè)試合格的機(jī)體組裝在一起。

(2)通過維修助手功能,使LP板和機(jī)體信息匹配。

(3)進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試,指標(biāo)測(cè)試合格,此檢波器修復(fù)完成。

機(jī)體損壞的維修方法就是更換故障機(jī)體,與測(cè)試合格的LP板組裝在一起,然后重復(fù)步驟(2)、(3),即可修復(fù)。

我們根據(jù)檢修記錄總結(jié)了一套DSU3-408檢波器修復(fù)流程圖如圖2所示。

4.2 LP板和機(jī)體維修技術(shù)的分析

4.2.1 LP板故障分析與維修

LP板的損壞與DSU數(shù)字檢波器的工作環(huán)境有直接的關(guān)系。由于為了消除地表干擾,檢波器長(zhǎng)期埋置于地下工作,采集鏈通過插針與插針插座直接接觸,進(jìn)行信號(hào)的傳輸。目前使用的DSU數(shù)字檢波器不具備長(zhǎng)時(shí)間防潮功能,利用三個(gè)墊圈進(jìn)行防水密封,其中包括兩個(gè)小0型墊圈和LP板下的大0型墊圈,墊圈的老化、變形造成了密封的缺陷,是引起受潮的主要原因。LP板長(zhǎng)時(shí)間處于這種環(huán)境中,水汽潮氣很容易侵入?？偨Y(jié)出LP板的損壞情況具體為以下幾個(gè)方面。

圖2 408-DSU3修復(fù)流程圖

(1)LP板受潮腐蝕

少量的潮氣、水汽首先從插針插座入侵LP板,此時(shí)若不及時(shí)維護(hù),LP板的腐蝕會(huì)伴隨插針插座腐蝕現(xiàn)象而產(chǎn)生。在加電使用中可直接造成插座的燒毀,嚴(yán)重的可導(dǎo)致LP板的燒毀。

解決方法:要求檢修人員在年檢或日常檢修中,及時(shí)更換墊圈,清理安置墊圈的凹槽。腐蝕的插座和LP板可用專用清潔劑擦拭烘干,更換元器件,最后用專用保護(hù)劑Varnish刷在電路板上,起到防水防潮保護(hù)電路板的作用。腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重的,則暫時(shí)無法修復(fù)。

(2)元器件的松動(dòng)脫落。檢波器在受外力重創(chuàng)時(shí),LP板上突?；蚴沁吘壍脑骷菀资艿接绊?包括電感、晶振和線圈等元件。其中電感的損壞尤為嚴(yán)重,此電感是貼片式電感,其中的骨架材料是塑料的,在外力作用下容易斷裂導(dǎo)致器件損壞而導(dǎo)致LP板損壞。

解決方法:對(duì)僅因?yàn)樵骷芡饬ψ饔妹撀涞默F(xiàn)象,需要更換新的元器件,更換完畢后還要用玻璃膠再次固定,同時(shí)在使用和運(yùn)輸中應(yīng)該注意防震。

(3)LP板表面無明顯腐蝕現(xiàn)象,仍無站號(hào)顯示。

檢波器長(zhǎng)時(shí)間埋于地下工作,元器件受潮后導(dǎo)致其材料產(chǎn)生腐蝕或是腐蝕LP板內(nèi)部的電子線路,電子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)發(fā)生故障如短路、點(diǎn)接觸不良等現(xiàn)象。

解決方法:通過對(duì)DSU電路部分分析,找出故障元器件。在不加電的狀態(tài)下,用電表測(cè)試VLL1和VLL2,應(yīng)表現(xiàn)為直通,測(cè)量成對(duì)線圈T1/T2、T3/T4腳間阻值應(yīng)為直通。在加電狀態(tài)下測(cè)試S80有48 V輸出。根據(jù)以上原則,判斷損壞元件,對(duì)損壞元件更換即可。

4.2.2 機(jī)體故障分析與維修

圖3 MEMS內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)體的損壞即為加速度計(jì)的損壞。機(jī)體內(nèi)的三個(gè)數(shù)字加速度計(jì)是用特殊材料和機(jī)體一次性封裝成型,加速度計(jì)的核心元件MEMS如圖3所示。內(nèi)部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)膜像梳齒一樣,通過壓力變形來實(shí)現(xiàn)采集功能,它的一個(gè)比較明顯的缺點(diǎn)是抗震抗沖擊特性較差,由于震動(dòng)就可能遭到永久性損壞。

解決方法:對(duì)于振動(dòng)膜輕微變形移位的數(shù)字檢波器,可以通過輕輕敲擊數(shù)字檢波器的尾椎部分,使梳狀結(jié)構(gòu)的MEMS復(fù)位,少部分可修復(fù)。對(duì)于振動(dòng)膜已經(jīng)完全受損,則無法修復(fù)。

5 結(jié) 論

通過對(duì)DSU數(shù)字檢波器實(shí)際檢修過程的不斷學(xué)習(xí)摸索,利用現(xiàn)有技術(shù)手冊(cè)和檢測(cè)設(shè)備,總結(jié)了一套數(shù)字檢波器檢測(cè)維修流程,對(duì)數(shù)字檢波器損壞的部分進(jìn)行判斷。通過分析電路原理,可以修復(fù)部分LP板,并對(duì)不同的DSU3檢波器未損壞LP板和機(jī)體進(jìn)行重新組合裝配并進(jìn)行信息匹配,組成完好的DSU3檢波器采集鏈[5]。通過檢修程序的應(yīng)用,成功維修損壞的

408-DSU3檢波器198個(gè)。針對(duì)數(shù)字檢波器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),我們能做的工作還很少,需要我們檢修人員不斷的摸索努力。在這里我想把我們?cè)跈z修過程中的一些經(jīng)驗(yàn)成果展現(xiàn)給大家,為408-DSU3檢波器的檢修起到拋磚引玉的作用,希望物探儀器檢修同行多提寶貴意見。

[1] SERCEL Company.408UL User′s Manual.2003(資料)

[2] SERCEL Company.428UL User′s Manual.2008(資料)

[3] 李劍峰,黃 衛(wèi).基于微機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)字檢波器研制和性能分析[J].石油物探,2005,44(5)

[4] 易碧金,穆群英.當(dāng)前地震勘探儀器的應(yīng)用技術(shù)分析[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2004,19(4)

[5] 張丙和.新型三分量數(shù)字檢波器DSU3[J].石油儀器,2005,19(4)

DSU3 digital geophone test and repair.

Zhang Dong,Wang Chuntian and Zhao Zhong.

Seismic exploration development requires geophone more capable and performs better.Digital geophone is an advanced geophone.It has been used in some high density seismic exploration project.Some digital geophones have been damaged in use.How to repair the bad digital geophone is a big problem.By analyzing the digital geophones theory and structure,digital geophone test and repair procedure are found.Up to now,we have repaired some digital geophones.

408-DSU3 digital;MEMS;LP board;repair

P631.4+36

B

1004-9134(2010)01-0020-03

張 棟,男,1969年生,高級(jí)工程師,2005年畢業(yè)于中國(guó)石油勘探研究院獲博士學(xué)位,現(xiàn)在勝利石油管理局長(zhǎng)期從事物探工作,并在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)博士后流動(dòng)站,從事物探資料采集技術(shù)及儀器研究工作,貴州畢節(jié)學(xué)院兼職教授。郵編:257100

2010-01-11編輯梁保江)

PI,2010,24(1):20～22

·儀器設(shè)備·