DSU3数字检波器检测维修技术研究

张 栋 王春田 赵 忠

(1.中国地质大学 北京) (2.毕节学院 贵州贵阳)(3.胜利石油管理局物探公司 山东东营)

DSU3数字检波器检测维修技术研究

张 栋1、2王春田3赵 忠3

(1.中国地质大学 北京) (2.毕节学院 贵州贵阳)(3.胜利石油管理局物探公司 山东东营)

随着地震勘探技术对地震仪器和检波器的要求的不断提高,数字检波器已经广泛应用在高密度地震勘探生产中,生产过程中损坏的数字检波器的维修工作也摆在我们面前,文章对数字检波器的结构及原理进行了分析,然后通过开发DSUT408测试系统功能确定故障点,通过对各类故障的分析研究,对损坏的数字检波器进行了维修,到目前为止,已成功修复部分损坏的数字检波器,有效地提高了维修效率,为生产施工提供了技术支持。

408-DSU3数字检波器;MEMS;LP板;机体;修复

0 引 言

数字检波器采用MEMS微电子机电结构,直接输出数字信号。具有失真小、动态范围大、抗干扰能力强、高保真矢量场、感应器倾斜校正等特点,具有良好的幅频和相频特性。数字检波器主要应用于高精度地震勘探和多波多分量勘探,并取得了较好的勘探效果,但在数字检波器的使用过程中,由于使用环境以及一些客观因素使得三分量数字检波器的损坏率居高不下。2009年初,胜利物探公司在高密度三维地震先导试验项目中使用408UL数字检波器4 600个,施工结束后故障数字检波器共269个。技术人员通过对数字检波器的结构和原理进行分析,掌握了一定的数字检波器的维修、检测方法,并修复了部分损坏的数字检波器[1、2]。

1 DSU3数字检波器结构及原理分析[3]

基于微机电系统(MEMS)的新型数字加速度检波器和普通速度检波器从传感器的结构和性能上有很大差别。基于MEMS数字检波器采用加速传感器,工作在谐振频率之下,而常规动圈式检波器采用速度传感器,工作在谐振频率之上,这个差别使得这两种类型的检波器有着完全不同的尺寸和性能。基于微机电系统的传感器仍然是模拟传感器,在控制回路中,由特定用途的集成电路芯片(ASIC)将输出进行数字化。这种数字传感器比现在用的传感器小的多。MEMS加速度传感器本质的优点是宽带线性振幅和相位响应,频率响应范围在0～800 Hz,振幅畸变不超过±1%,时间畸变不超过±20μs。MEMS的谐振频率远远高于地震波频带(1 kHz)。这个性能使记录低频成分不衰减,以及记录与重力加速度有关的直流电成为可能。重力矢量为灵敏度校准和倾角测量提供了一个有用的参考(3C传感器)。在测量高频时MEMS数字检波器的背景噪音低于常规检波器与终端组合的背景噪音。这种宽带特征为提高地震数据的垂向分辨率提供了保障,其取决于信号的最大和最小频率的比值(Fmax/Fmin=2n,n为倍频成数)。

1.1 408-DSU3主要功能

408-DSU3数字检波器包括LP板和机体两部分。MEMS与ASIC电路实现地震信号的数字化的输出。功能如下:(1)接收来自主LAU的命令;(2)重复大线上的数据包;(3)数字化地震数据;(4)采样传输到从LAU;(5)对仪器和野外测试产生模拟信号;(6)在EEPROM里存储408-DSU3地址;(7)通过LED闪烁代码告知408-DSU3基本状态。

1.2 LP板原理分析

LP板是一块高度集成的电路板,负责电源支持和数据传输。

电源电路部分:当检波器加电后,电源站把直流12 V通过电源升压电路产生48 V,S80输出电压即为48 V,通过鬼对技术接入,再通过保护电路供电给各模块。

传输电路部分:传输电路由两个大线接口单元、四个传输线圈和三个晶振组成。大线接口P1、P2是四芯的塑料插座,是检波器与电缆的接口单元,完成数据和信号的传输工作。传输线圈T1/T2、T3/T4分别控制P1和P2。

2 机体结构及原理分析

机体是由三个基于MEMS技术的数字加速度计(X、Y、Z)和专用集成电路ASIC组成,负责X、Y、Z三个分量的数据采集工作。三个数字加速度计在机体内X、Y、Z方向各一个,呈相互垂直状态分布。MEMS是微机电系统的缩写,采用以硅为主的材料通过激光刻蚀而成,它的工作原理是通过薄硅片振动膜在压力下变形,影响其表面的压敏电阻走线,这种变化可以把压力转换成电信号,实现地震数据的采集功能。ASIC是通过保持固定的电容把反馈的电压以数字信号输出。

3 DSU3数字检波器技术研究[4]

3.1 检测系统简介

在室内检修中,我们利用DSUT408测试系统对408UL整个采集链以及数字采集单元的各项指标进行测试。该系统由一台PC机、一个电源站(LAUL)、一个参考站(DSU3)、一个测试架以及相匹配的测试电缆组成。

3.2 检测技术研究

利用DSUT408的“识别采集链功能”和“指标测试功能”来确定故障点,排除损坏的408-DSU3检波器。指标测试流程图如图1所示。

图1 指标测试流程图

将待测的采集链与参考站相连,通过测试台是否显示站号和不同显示判断故障原因,根据二分法进一步对问题站进行定位,更换相应的采集站和线段。数字采集链经过故障点排除和单站指标测试后,即可检测到损坏的检波器,根据其故障情况分为两类:①站号不显示;②指标不合格。针对这两种损坏情况,根据408-DSU3检波器的结构及原理分析,LP板的损坏是站号不显示的主要原因。机体的损坏是指标不合格的主要原因。为了验证判断的正确性,我们将损坏检波器的LP板和机体分离,分别把测试合格的机体和LP板组合在一起直接进行测试,在测试过程中,发现LP板和机体信息不匹配,把两个好站打开,LP板和机体对换组合进行测试,同样出现信息不匹配的显示。

对这种现象进行分析研究发现,LP板和机体的序列号是一一对应的,机体内的EEPROM信息是唯一的,当更换了LP板,而未进行信息匹配时则会出现错误显示。我们通过对DSUT408测试系统的研究应用,可利用维修助手功能解决这个问题。该功能通过更换故障部件(LP板或机体),再将信息从机体内复制到LP板内存完成,根据维修助手操作提示即可完成信息的匹配。维修助手为检修人员判断LP板和机体是否完好提供了依据。

4 DSU3数字检波器维修技术与应用

4.1 维修步骤及方法

经过一系列检测流程,即可判别完好与损坏的LP板和机体。下面介绍以LP板损坏为例,利用维修助手功能来修复采集站的步骤。

(1)将故障LP板拆除,更换完好的LP板,与测试合格的机体组装在一起。

(2)通过维修助手功能,使LP板和机体信息匹配。

(3)进行指标测试,指标测试合格,此检波器修复完成。

机体损坏的维修方法就是更换故障机体,与测试合格的LP板组装在一起,然后重复步骤(2)、(3),即可修复。

我们根据检修记录总结了一套DSU3-408检波器修复流程图如图2所示。

4.2 LP板和机体维修技术的分析

4.2.1 LP板故障分析与维修

LP板的损坏与DSU数字检波器的工作环境有直接的关系。由于为了消除地表干扰,检波器长期埋置于地下工作,采集链通过插针与插针插座直接接触,进行信号的传输。目前使用的DSU数字检波器不具备长时间防潮功能,利用三个垫圈进行防水密封,其中包括两个小0型垫圈和LP板下的大0型垫圈,垫圈的老化、变形造成了密封的缺陷,是引起受潮的主要原因。LP板长时间处于这种环境中,水汽潮气很容易侵入。总结出LP板的损坏情况具体为以下几个方面。

图2 408-DSU3修复流程图

(1)LP板受潮腐蚀

少量的潮气、水汽首先从插针插座入侵LP板,此时若不及时维护,LP板的腐蚀会伴随插针插座腐蚀现象而产生。在加电使用中可直接造成插座的烧毁,严重的可导致LP板的烧毁。

解决方法:要求检修人员在年检或日常检修中,及时更换垫圈,清理安置垫圈的凹槽。腐蚀的插座和LP板可用专用清洁剂擦拭烘干,更换元器件,最后用专用保护剂Varnish刷在电路板上,起到防水防潮保护电路板的作用。腐蚀现象严重的,则暂时无法修复。

(2)元器件的松动脱落。检波器在受外力重创时,LP板上突兀或是边缘的元器件容易受到影响,包括电感、晶振和线圈等元件。其中电感的损坏尤为严重,此电感是贴片式电感,其中的骨架材料是塑料的,在外力作用下容易断裂导致器件损坏而导致LP板损坏。

解决方法:对仅因为元器件受外力作用脱落的现象,需要更换新的元器件,更换完毕后还要用玻璃胶再次固定,同时在使用和运输中应该注意防震。

(3)LP板表面无明显腐蚀现象,仍无站号显示。

检波器长时间埋于地下工作,元器件受潮后导致其材料产生腐蚀或是腐蚀LP板内部的电子线路,电子结构系统发生故障如短路、点接触不良等现象。

解决方法:通过对DSU电路部分分析,找出故障元器件。在不加电的状态下,用电表测试VLL1和VLL2,应表现为直通,测量成对线圈T1/T2、T3/T4脚间阻值应为直通。在加电状态下测试S80有48 V输出。根据以上原则,判断损坏元件,对损坏元件更换即可。

4.2.2 机体故障分析与维修

图3 MEMS内部结构示意图

机体的损坏即为加速度计的损坏。机体内的三个数字加速度计是用特殊材料和机体一次性封装成型,加速度计的核心元件MEMS如图3所示。内部结构的振动膜像梳齿一样,通过压力变形来实现采集功能,它的一个比较明显的缺点是抗震抗冲击特性较差,由于震动就可能遭到永久性损坏。

解决方法:对于振动膜轻微变形移位的数字检波器,可以通过轻轻敲击数字检波器的尾椎部分,使梳状结构的MEMS复位,少部分可修复。对于振动膜已经完全受损,则无法修复。

5 结 论

通过对DSU数字检波器实际检修过程的不断学习摸索,利用现有技术手册和检测设备,总结了一套数字检波器检测维修流程,对数字检波器损坏的部分进行判断。通过分析电路原理,可以修复部分LP板,并对不同的DSU3检波器未损坏LP板和机体进行重新组合装配并进行信息匹配,组成完好的DSU3检波器采集链[5]。通过检修程序的应用,成功维修损坏的

408-DSU3检波器198个。针对数字检波器的结构特点,我们能做的工作还很少,需要我们检修人员不断的摸索努力。在这里我想把我们在检修过程中的一些经验成果展现给大家,为408-DSU3检波器的检修起到抛砖引玉的作用,希望物探仪器检修同行多提宝贵意见。

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

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

[3] 李剑峰,黄 卫.基于微机电系统的数字检波器研制和性能分析[J].石油物探,2005,44(5)

[4] 易碧金,穆群英.当前地震勘探仪器的应用技术分析[J].地球物理学进展,2004,19(4)

[5] 张丙和.新型三分量数字检波器DSU3[J].石油仪器,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

张 栋,男,1969年生,高级工程师,2005年毕业于中国石油勘探研究院获博士学位,现在胜利石油管理局长期从事物探工作,并在中国地质大学博士后流动站,从事物探资料采集技术及仪器研究工作,贵州毕节学院兼职教授。邮编:257100

2010-01-11编辑梁保江)

PI,2010,24(1):20～22

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