李 忠

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都 610081）

基于PDA和藍(lán)牙的無(wú)纜鉆孔測(cè)斜儀

李 忠

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都 610081）

介紹了一種基于PDA和藍(lán)牙的無(wú)纜鉆孔測(cè)斜儀。該儀器采用三軸磁阻傳感器和兩軸加速度計(jì)傳感器作為測(cè)量元件,適用于無(wú)磁干擾的鉆孔測(cè)斜;采用自動(dòng)存儲(chǔ)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,取消了測(cè)井電纜的配置;以PDA為核心,開(kāi)發(fā)了基于W indowsMobile 6.0平臺(tái)的測(cè)斜軟件;以藍(lán)牙代替數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)測(cè)斜儀和PDA的無(wú)線通訊傳輸。該儀器具有精度高、可靠性好、質(zhì)量輕、配套設(shè)備少和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),極大的減輕了野外作業(yè)強(qiáng)度,提高了效率,同時(shí)也大幅度降低了使用單位配置成本。

鉆孔測(cè)斜儀;PDA;藍(lán)牙

0 引言

常規(guī)的鉆孔測(cè)斜儀系統(tǒng)由測(cè)斜儀探頭、測(cè)井電纜、絞車(chē)、控制系統(tǒng)、數(shù)字采集器和筆記本計(jì)算機(jī)等幾部分組成,其中測(cè)井電纜既是連接測(cè)斜儀探頭與數(shù)字采集器的導(dǎo)線,也是提升測(cè)斜儀的牽引繩,筆記本計(jì)算機(jī)則進(jìn)行測(cè)斜數(shù)據(jù)的采集和處理等。測(cè)井電纜、絞車(chē)和控制系統(tǒng)的配置既增加了成本,同時(shí)也極大的增大了測(cè)斜儀系統(tǒng)的質(zhì)量,特別是目前的鉆孔深度較深,需要配備的電纜長(zhǎng)度較長(zhǎng),一般均需配備1000 m甚至更長(zhǎng),加上絞車(chē)和電機(jī),質(zhì)量有好幾百千克,野外搬遷、運(yùn)輸困難,特別是許多車(chē)輛無(wú)法開(kāi)到工作現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)臺(tái),其搬遷全靠人力,往往需要10來(lái)人才能將整套系統(tǒng)搬運(yùn)至機(jī)臺(tái),費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

為了減輕現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度,同時(shí)降低使用單位配置成本,我所特別研制開(kāi)發(fā)了基于PDA和藍(lán)牙的無(wú)纜鉆孔測(cè)斜儀。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主體包括測(cè)斜儀探頭和PDA(掌上電腦） (如圖1所示）,配套設(shè)備包括鋼絲繩、絞車(chē)和深度計(jì)。全套系統(tǒng)簡(jiǎn)單,輕便,非常適合野外作業(yè)需求,儀器的下放和提升用鋼絲繩或鉆具進(jìn)行,而鋼絲繩和絞車(chē)不需要另行配備,直接利用機(jī)臺(tái)上現(xiàn)有設(shè)備即可;深度計(jì)可用簡(jiǎn)易的帶計(jì)數(shù)功能的孔口滑輪代替。

圖1 基于PDA和藍(lán)牙的無(wú)纜鉆孔測(cè)斜儀

取消測(cè)井電纜,充分利用機(jī)臺(tái)現(xiàn)有的鋼絲繩和絞車(chē),極大的降低了系統(tǒng)質(zhì)量,減輕了搬運(yùn)工作強(qiáng)度,在測(cè)斜時(shí)需要搬運(yùn)的東西僅包括測(cè)斜儀探頭和孔口滑輪,該工作僅需2人即可完成,同時(shí)也大幅度節(jié)約了配置成本。

1.2 儀器主要特點(diǎn)

(1）儀器采用進(jìn)口三軸磁阻傳感器和兩軸加速度計(jì)作為測(cè)量敏感元件,精度高,穩(wěn)定性好,適用于無(wú)磁干擾的鉆孔測(cè)斜。

(2）測(cè)斜儀探頭內(nèi)置充電鋰電池和存儲(chǔ)器,利用鋰電池供電,利用存儲(chǔ)器進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),徹底取消了測(cè)井電纜。

(3）采用PDA取代筆記本計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)斜操作和控制,提高了儀器的便攜性,同時(shí)也降低了配置成本。

(4）PDA與測(cè)斜儀探頭之間的通訊采用藍(lán)牙連接,減少了數(shù)據(jù)電纜的插拔和使用,提高了野外操作的簡(jiǎn)便性。

(5）儀器測(cè)量方式為自動(dòng)存儲(chǔ)式,其工作方式是:在地面上由PDA向測(cè)斜儀探頭發(fā)送測(cè)量指令后,探頭內(nèi)的單片機(jī)即開(kāi)始按設(shè)定的采樣間隔自動(dòng)采集測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行保存,儀器下放到達(dá)需要測(cè)量的孔段,讓其保持靜止穩(wěn)定狀態(tài),采用PDA記錄下當(dāng)前時(shí)間,然后將儀器再下放到另一個(gè)測(cè)點(diǎn),靜止穩(wěn)定,記錄其時(shí)間,以此方法,直到完成所有測(cè)點(diǎn)的測(cè)量,然后將儀器從孔內(nèi)提出,與掌上電腦(PDA）通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行連接,利用PDA中的測(cè)量軟件將數(shù)據(jù)讀出、進(jìn)行相應(yīng)處理即可,可在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)快速獲得測(cè)斜結(jié)果。

1.3 儀器主要技術(shù)指標(biāo)

頂角0～70°±0.5°;方位角0～360°±3°(3°≤頂角≤70°）;工作溫度-10～75℃;耐壓:15 MPa;外型尺寸“33 mm×1000 mm。

2 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)斜儀探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括傳感器、測(cè)量電路、鋰電池和藍(lán)牙模塊。

圖2 基于PDA和藍(lán)牙的無(wú)纜鉆孔測(cè)斜儀探頭結(jié)構(gòu)圖

2.1 傳感器

傳感器選用的是國(guó)外進(jìn)口集成的傳感器(如圖3所示）,它包括兩軸加速度計(jì)和三軸磁阻傳感器,其精度高,穩(wěn)定性好,磁場(chǎng)測(cè)量范圍±2 Gauss,磁場(chǎng)分辨率<1 mGauss,加速度計(jì)量程±90°,分辨率< 0.02°,工作溫度范圍為-40～85℃,傳感器內(nèi)部配有溫度傳感器,具有溫度自補(bǔ)償?shù)墓δ?供電電壓7～15 V(DC）,輸出為RS232串口數(shù)字信號(hào),波特率1200～38400可調(diào)。

圖3 傳感器

2.2 測(cè)量電路

測(cè)量電路包括單片機(jī)、存儲(chǔ)器以及通信接口電路,單片機(jī)采用AT89S52,存儲(chǔ)器采用AMD的AM29F040B,通信接口電路采用RS232C串行通信方式傳送數(shù)據(jù),串行口電平轉(zhuǎn)換采用MAX3232芯片,圖4為測(cè)量電路板實(shí)物圖。

圖4 測(cè)量電路板實(shí)物

2.3 藍(lán)牙通信電路

藍(lán)牙是一種低功耗、短距離無(wú)線通信技術(shù),能在包括移動(dòng)電話、PDA、無(wú)線耳機(jī)、筆記本電腦和相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線信息交換。藍(lán)牙技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是:(1）可以方便地建立無(wú)線連接,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線電纜連接;(2）移植性較強(qiáng),適用面廣; (3）安全性較高,每一臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備的地址全球唯一; (4）藍(lán)牙設(shè)備功耗低,成本也較低,與其他通信設(shè)備相比,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)較為容易。

藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15,工作在全球通用的2.4 GHz頻帶(即用于工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)的全球公用頻段,又稱IS M頻段）,帶寬為1 Mb/s,并采用時(shí)分雙工的傳輸機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。通過(guò)芯片上的無(wú)線接收器,配有藍(lán)牙技術(shù)的電子產(chǎn)品能夠在10 m的距離內(nèi)彼此相通,傳輸速度可以達(dá)到每秒鐘1 M字節(jié)。以往紅外線接口的傳輸技術(shù)需要電子裝置在視線之內(nèi)的距離,而現(xiàn)在有了藍(lán)牙技術(shù),這樣的麻煩也可以免除了。

藍(lán)牙通信電路是為儀器測(cè)量電路和掌上電腦之間進(jìn)行無(wú)線通信,省去了以往的電纜連接,更方便野外的使用。藍(lán)牙通信電路是在藍(lán)牙模塊的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā),以滿足本儀器的要求。選用的是斯圖曼公司的BlueRS+MF3藍(lán)牙芯片,BlueRS+ MF3有如下特點(diǎn):外置天線,工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段,支持多種波特率(1200～921600 b/s）,工作速率最高可達(dá)2178 kb/s,低工作電壓(3.3 V）,低功耗等。圖5為該電路板實(shí)物圖。

圖5 藍(lán)牙通信電路板

3 測(cè)量原理

當(dāng)探管處于不同位置的鉆孔中時(shí),磁阻傳感器的3個(gè)敏感軸會(huì)根據(jù)周?chē)艌?chǎng)的不同而輸出相應(yīng)的模擬量,通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及程序計(jì)算,可計(jì)算出傳感器所在位置的方位角度,從而得到所測(cè)鉆孔軌跡,鉆孔頂角的計(jì)算則利用兩軸加速度計(jì)的輸出,進(jìn)行矢量合成計(jì)算。

磁力計(jì)測(cè)出地磁場(chǎng)H分別在測(cè)斜儀X軸、Y軸和Z軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度X、Y、Z,加速度計(jì)測(cè)量出X軸的傾斜角(橫滾角）R和Y軸的傾斜角(俯仰角）P,在無(wú)羅差的情況下,運(yùn)用下列旋轉(zhuǎn)方程式可以將X、Y和Z磁場(chǎng)強(qiáng)度讀數(shù)換算回到水平面(XH,YH）:

式中:X——磁阻傳感器X軸向的地磁場(chǎng)強(qiáng)度; Y——磁阻傳感器Y軸向的地磁場(chǎng)強(qiáng)度;Z——磁阻傳感器Z軸向的地磁場(chǎng)強(qiáng)度;XH——磁場(chǎng)強(qiáng)度X軸向水平投影;YH——磁場(chǎng)強(qiáng)度Y軸向水平投影; R——加速度計(jì)橫滾角;P——加速度計(jì)俯仰角。

4 基于PDA的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用惠普iPAQ112型號(hào)PDA作為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái),軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Visual basic.net 2005的智能設(shè)備應(yīng)用程序開(kāi)發(fā),PDA的操作系統(tǒng)是W in-dowsMobile 6.0(屬于W indows CE的高級(jí)版本）。PDA提供藍(lán)牙虛擬串口服務(wù)(其虛擬的串口為COM5）,一旦與其它藍(lán)牙設(shè)備建立了連接,就可以用串口的方式進(jìn)行藍(lán)牙通訊。本系統(tǒng)的PDA藍(lán)牙作為主設(shè)備,主動(dòng)發(fā)起連接,而測(cè)斜儀探頭端的藍(lán)牙模塊作為從設(shè)備,始終處于被搜索,被連接的狀態(tài)。

軟件功能主要包括:儀器聯(lián)機(jī)、清除數(shù)據(jù)、測(cè)量計(jì)時(shí)和數(shù)據(jù)處理等。

4.1 儀器聯(lián)機(jī)

儀器聯(lián)機(jī)是將PDA和測(cè)斜儀探頭通過(guò)藍(lán)牙虛擬串口服務(wù)進(jìn)行連接,連接成功后,PDA發(fā)送指令讀取測(cè)斜儀探頭內(nèi)已測(cè)量鉆孔的個(gè)數(shù)和剩余存儲(chǔ)空間等基本信息,為測(cè)量準(zhǔn)備工作提供參考。

4.2 清除數(shù)據(jù)

因井下儀器的存儲(chǔ)器容量有限,最多能存儲(chǔ)9 h的連續(xù)數(shù)據(jù),因此在開(kāi)始新的鉆孔測(cè)斜前,需要對(duì)已獲得測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行清除,以確保下一個(gè)鉆孔測(cè)斜時(shí)有足夠的空間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.3 測(cè)量計(jì)時(shí)

儀器測(cè)量時(shí),井下探頭按設(shè)定時(shí)間間隔自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ),PDA記錄各測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)的時(shí)間,通過(guò)時(shí)間來(lái)對(duì)應(yīng)井下儀器的數(shù)據(jù)。該功能流程主要包括輸入鉆孔編號(hào)、發(fā)送測(cè)量指令、記錄各測(cè)斜點(diǎn)時(shí)間、輸入測(cè)點(diǎn)孔深等,其流程如圖6所示。

4.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是測(cè)量軟件的主要部分,其基本流程是通過(guò)提取測(cè)量記時(shí)文件中的各測(cè)斜點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間關(guān)系,來(lái)讀取相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的測(cè)斜原始數(shù)據(jù),并進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理,獲得測(cè)斜結(jié)果,其基本流程如圖7所示。

5 結(jié)語(yǔ)

基于PDA和藍(lán)牙的無(wú)纜鉆孔測(cè)斜儀,減少了測(cè)井電纜和筆記本計(jì)算機(jī)的配置,具有精度高、可靠性好、質(zhì)量輕、配套設(shè)備少和野外操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),極大的減輕了野外作業(yè)強(qiáng)度,提高了效率,同時(shí)也大幅度降低了使用單位配置成本,具有良好的市場(chǎng)前景。該系統(tǒng)已在多個(gè)鉆孔中進(jìn)行應(yīng)用,獲得了用戶的好評(píng)。

圖6 測(cè)量計(jì)時(shí)流程圖

圖7 數(shù)據(jù)處理流程圖

[1] 王佃明,郭啟鋒,黃磊博,等.存儲(chǔ)式鉆孔測(cè)量?jī)x的研制與應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程）,2008,35(7）.

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A No-cable Borehole Inclinometer Based on PDA and Bluetooth

LI Zhong(The Institute of Exploration Technology, CAGS,Chengdu Sichuan 610081,China）

This paper introduces a no-cable borehole inclinometer based on PDA and bluetooth,which uses triaxial semi-conductormagnetometer and two-axis accelerometer sensor as the measuring element and is suitable for non-magnetic inter-ference borehole.Automatic storage approach is used formeasurement data acquisition without cable logging configuration; taking PDA as the core,a measurement software based onW indowsMobile 6.0 is developed;wireless communication be-tween inclinometer and PDA is realized by bluetooth instead of the data cable.The instrument has advantagesof high preci-sion,good reliability,lightweight,less supporting equipment and easyoperation,can greatly reduce the fieldwork intensi-tywith higher efficiency and significantly reduce the configuration costs.

borehole inclinometer;PDA;bluetooth

P634.7

:A

:1672-7428(2010）05-0049-04

2010-01-26

李忠(1972-）,男(漢族）,四川遂寧人,中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所高級(jí)工程師,探礦工程專業(yè),碩士,從事鉆孔測(cè)斜儀及巖土工程監(jiān)測(cè)儀器、儀表研究開(kāi)發(fā)和技術(shù)服務(wù)工作,四川省成都市一環(huán)路北二段1號(hào),lizhong_iet@126.com。