存储式测斜仪的研制_倾角_陀螺仪

（四川工商学院 实验中央，四川 成都 611745）

择要：针对目前矿井钻探所用的钻孔轨迹丈量方法存在技能指标高、工序繁芜等问题，研制了由加速度计ADXL206和陀螺仪ADXRS645构成的存储式测斜仪。
以微控器为核心，采取抗滋扰、偏差改动、温度补偿等校正方法。
仿真与测试结果表明，该系统具有丈量精度高、稳定性好、事情韶光长等优点。

0弁言

在地质磨难监测过程中,常常须要通过钻孔剖析地质信息。
钻孔是否按照设计轨迹方向钻进，须要通过实际测孔才能确定。
矿井超前勘探以及精确的定向工程钻探都须要高精度且能全方位丈量钻孔轨迹的设备。
因此，测斜仪是定向钻进工程中必不可缺的一部分。
目前海内利用的高精度随钻测斜系统大多是从国外引进的，价格昂贵，利用未便利，维修本钱高。
为此，本系统采取由基于MEMS芯片的加速度传感器、陀螺仪、高温存储芯片和微掌握器构成的存储式测斜系统，提出软硬件实现方法。

1存储式测斜仪的组成及事理

1.1存储式测斜仪的组成

存储式测斜仪紧张由参数丈量、数据存储、掌握和供电管理四部分构成，如图1所示。
哀求其所有器件均能在环境温度-25~125℃范围内可靠事情。

图1测斜仪整体框图系统哀求测斜仪安装在长30 cm、宽40 cm的探管中，能将方位角、倾角、工具面角、韶光等数据进行保存，测试完成后通过RS232通信将所测数据导出。
哀求在探管下放的过程中，数据丈量模块处于断电状态，当探管下放到指定高度时开始给丈量模块供电，使其将丈量的井斜、方位等信息通过微掌握器进行存储（每组36 B）。
事情约1 min后连续下放，在此过程中再次割断丈量模块电源，以降落功耗和减少系统自身发热。
因此，除丈量、存储模块外，还包括晃动检测（检测是否为低落过程）和继电器掌握主电源（掌握丈量模块电源）模块。

1.2存储式测斜仪的基本事理

图2方位角、倾角示意图根据导航学旋转变换中的欧拉定理，载体在空间中的姿态可用相对付地理坐标系有限次的迁徙改变来表示，每次迁徙改变的角度即为航向角、俯仰角和横滚角，即是钻孔中的方位角、倾角和工具面角［13］。
如图2所示，α为方位角，β为倾角。

加速度计用于丈量倾角，即物体相对水平面的夹角，有单轴、双轴和三轴之分，本设计采取双轴加速度，其倾角测试示意图如3所示，X轴和Y轴相互正交，其倾角β的打算数学关系式如式（1）、式（2）所示。

式中，AXout和AYout为X轴和Y轴的加速度。

陀螺仪是丈量角速率的传感器，丈量方位角须要通过对角速率ω和韶光t的乘积进行积分转换成迁徙改变的角度α，如式（3）所示。

α=∫ωtdt（3）

由上述可知，只要通过传感器丈量出加速度计中的X、Y岔路支路的输出就可丈量出倾角，只要丈量出陀螺仪中的角速率就可丈量出方位角，两者结合即可换算成对应方位的倾斜［45］。

2存储式测斜仪的硬件设计

系统硬件部分的加速度计和陀螺仪采取基于MEMS的ADI公司的ADXL206和ADXRS645，事情温度极限可达175℃；数据存储选用在片512 KB的25LC512，微掌握器选用PIC18F25K80，通信模块选用ADM232，此芯片的事情温度可达125℃，能知足系统哀求。
硬件框图如图4所示。

个中DCDC2经由热保护器（型号：KSD9700~110°）给晃动检测及存储模块供电，下井后持续供电，热保护器的浸染在于当事情温度达到110℃之后割断DCDC2的供电，从而起到保护浸染。
微掌握器选用了PIC18F25K80，事情温度为-40℃~125℃，其内置的12位ADC足以将加速度计、陀螺仪和晃动检测单元的仿照旗子暗记转化为精度足够的数字旗子暗记，而内置的定时器可以作为同步韶光的基准旗子暗记，通过RS232给定时器写入当前韶光来实现实时时钟的功能。
丈量的倾角、方位角、工具面角和韶光等信息存储在外扩的Flash存储器中，在返回地面后，能通过RS232接口将存储的数据传输给上位机。

存储器选用MicroChip公司的SPI接口EEPROM存储器25LC512，该存储器温度范围达-40℃~+150℃，容量为512 KB，按照丈量模块每组数据36 B打算，一共可存储1 820组数据。

3存储式测斜仪的软件设计

软件设计紧张包括位置信息解算程序、数据存储程序、电源管理程序和通信程序。

位置信息解算紧张是通过丈量加速度传感器的输出和陀螺仪的输出仿照旗子暗记通过A/D转换后，经由打算而得。
加速度传感器ADXL206供应X和Y轴的加速度对应的仿照电压VX和VY，0 g对应VS/2，VS取5 V，由数据手册可知对应的X、Y轴的加速度分别为AX和AY，如式（4）、（5）所示。
代入式（1）可求出倾角。

AX=(VX－2.5)×3.2/mV/g（4）

AY=(VY－2.5)×3.2/mV/g（5）

设计倾角丈量精度为0.1°，丈量范围为-80°~+80°，则A/D采样的分辨率为3.2 mg/LSB，如式(6)所示。
±1 g对应的加速度计输出电压为2.3 V~2.7 V，A/D选择的输入电压范围为±320 mV。

Δg=1g×(sin80－sin(80－0.1))=3.2 mg（6）

陀螺仪ADXRS645供应角速率ω对应的仿照电压值输出Vout，0°/s对应2.5 V，通过丈量其仿照电压值可以转化为角速率，转换方法如式(7)所示。
角速率ω转换为角度α的方法如式(3)，详细软件实现方法是对角速率ω乘以程序运行一次所需的韶光Δt，如此循环，然后对每次乘积进行累加，结果即为转过的角度α［68］。
由此可完成±180°的方位角丈量。

ω=(Vout－2.5)/1mV/°/s（7）

数据存储紧张是对所测得的倾角、方位角、韶光等信息进行存储，每次需完成36 B的数据存储。
软件中采取由构造体和一维组构成的线性表进行数据存储。

typedef struct FRAM_adddata

{uint32_t add;//地址

uint32_t dat;//数据

}FRAM_ADDDATA;

FRAM_ADDDATA Fram_Tabl［36］;

4实验测试与结果剖析

系统软硬件设计好后，对系统进行了测试。
首先测试加速度计偏差，加速度计倾角为0°时，用毫伏表测得VX=2.498 V，VY=2.500 3 V，X轴存在约50 mg、Y轴存在1 g的失落调偏差，采取两点法测失落调和放大器增益，进行校准。
下面以X轴为例解释校准方法，在X轴取两点，置于+1 g和-1 g的场中，测得输出如式（8）和（9）所示，个中AOFF为失落调［910］。

A+1g=AOFF+(1g×Gain)（8）

A－1g=AOFF－(1g×Gain)（9）

由（8）、（9）两式可确定失落调AOFF和增益Gain，如式(10)、(11)所示。

将丈量结果减去失落调，然后将所得结果除以增益，即为实际值，如式（12）所示。
调度了软件算法，末了测得在0°时VX=2.500 01 V，VY=2.500 02 V。

同理，可校正陀螺仪的失落调引起的偏差和灵敏度失落配引起的偏差。

将仪器置于80℃的杜瓦瓶中进行测试，根据需求持续事情8 h，分别设置方位为60°、80°、150°；倾角10°、30°、60°等进行测试，将所测数据通过串口依次读出，其数据如表1所示。

由表1中数据可知，方位角和倾角的相对偏差均小于即是0.3%，有较高的精度。

同时，对数据存储的稳定性进行了测试，将环境温度提高到110℃，持续事情，依次间隔5 min读取一次，数据连续，无出错数据。

5结论

本文设计的由基于MEMS器件的加速度传感器、陀螺仪、高速存储器和微掌握器构成的存储式测斜仪，能事情在-25℃~+125℃的环境中，软件上利用滤波算法对两个传感器的数据进行滤波领悟，办理失落调等引起的偏差，同时也办理了加速度计丈量动态角度不准确等问题。
所设计的测斜仪具有精度高、适应环境温度高、体积小、功耗低等优点。

参考文献

［1］ 詹世玉. 随钻丈量系统设计［J］. 自动化与仪器仪表,2011（2）:134135，138.

［2］ 于小波,杨超. 随钻井斜监测预警系统研究［J］. 石油机器,2011,39（3）:4749.

［3］ 张杰. 基于MEMS陀螺仪和加速度计的动态倾角传感器［J］. 机器设计与制造,2012（9）:141143.

［4］ 李成文,杨军祥,王纯委，等.新一代直升机综合核心处理机技能研究与实现［J］.电子技能运用,2014,40(12):121124.

［5］ 应科炜,吴文贡,汤达斌,等. ADXRS角速率检测陀螺仪事理及运用［J］. 传感器天下,2006,12（1）:4244，41.

［6］ 曾勇,杨涛,岳高铭. 基于MEMS微加速度计的振动测试仪［J］. 传感器与微系统,2007,26（6）:7576，89.

［7］ 张玉波,毕洪波,魏春明,等. 高精度随钻测斜仪的设计［J］. 电子技能运用,2007,33（10）:7880.

［8］ 袁磊. 电子式随钻测斜仪器的研制及运用［J］. 石油机器,2013,41（7）:7881.

［9］ 雷晓荣,程建远. YZG05/30矿用钻孔轨迹记录仪及其运用［J］. 煤田地质与勘探,2015，43（4）:120122.

［10］ 温锋,李锦明.基于FPGA的激光陀螺旗子暗记高速解调滤波设计［J］.电子技能运用,2014,40(1):9092,96.