曾自強(qiáng) 王玉菡 高建華

(1.川慶鉆探測(cè)井公司 重慶) (2.重慶理工大學(xué) 重慶)

基于重力加速度傳感器與磁通門(mén)的測(cè)井測(cè)斜儀

曾自強(qiáng)1王玉菡2高建華1

(1.川慶鉆探測(cè)井公司 重慶) (2.重慶理工大學(xué) 重慶)

文章介紹了測(cè)井測(cè)斜儀中的重力加速度傳感器與磁通門(mén)的測(cè)量原理及測(cè)斜儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了井斜角、方位角、相對(duì)方位角的數(shù)學(xué)模型,并給出了信號(hào)處理電路。

重力加速度;磁通門(mén);井斜;方位;相對(duì)方位

0 引 言

測(cè)斜技術(shù)是一種確定物體在空間的傾斜和傾向的專門(mén)技術(shù),廣泛應(yīng)用于各種工程,而在實(shí)際工程中應(yīng)用最多的是地球重力加速度計(jì)傳感器。這種方法以地球重力場(chǎng)為垂直方向,磁北為北,水平東為東來(lái)確立一個(gè)大地三維空間坐標(biāo),在這個(gè)坐標(biāo)中,利用傳感器可以確立物體的傾角及方位?，F(xiàn)代測(cè)井中也是利用這個(gè)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)下井儀器傾角的實(shí)時(shí)測(cè)量。測(cè)井儀器中通常采用的是3+3組合,即三個(gè)加速度計(jì)和三個(gè)磁通門(mén)磁力計(jì)。

1 測(cè)量原理

1.1 重力加速度計(jì)傳感器測(cè)量原理[1、2]

石英撓性重力加速度計(jì)傳感器構(gòu)造如圖1所示。

圖1 石英加速度傳感器構(gòu)造圖

傳感器由表頭和伺服電路組成。表頭由敏感加速度質(zhì)量組件、繞性梁、電容傳感器和殼體組成。伺服電路由前置放大器和功率放大器組成。敏感加速度的質(zhì)量組件由石英動(dòng)極板及力發(fā)生器線圈組成,并由石英撓性梁彈性支承,其穩(wěn)定性極高。固定于殼體的兩個(gè)石英定極板與動(dòng)極板構(gòu)成差動(dòng)結(jié)構(gòu),兩極面均鍍金屬膜形成電極。由兩組對(duì)稱E形磁路與線圈構(gòu)成的永磁動(dòng)圈式力發(fā)生器,互為推挽結(jié)構(gòu),大大提高了磁路的利用率和抗干擾性。當(dāng)有加速度作用于其軸向時(shí),質(zhì)量組件敏感被測(cè)加速度,使電容傳感器產(chǎn)生相應(yīng)輸出,經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成比例電流輸入力發(fā)生器,使其產(chǎn)生一電磁力與質(zhì)量組件的慣性力精確平衡,迫使質(zhì)量組件隨被加速的載體而運(yùn)動(dòng),此時(shí),流過(guò)力發(fā)生器的電流,即精確反映了被測(cè)加速度值。

1.2 磁通門(mén)傳感器測(cè)量原理[3、4]

圖2 磁通門(mén)傳感器構(gòu)造圖

磁通門(mén)傳感器的基本原理服從法拉第電磁感應(yīng)定律,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由激勵(lì)線圈、高導(dǎo)磁率鐵芯和感應(yīng)線圈組成。激勵(lì)電流I(t)產(chǎn)生激勵(lì)磁場(chǎng),鐵心處于周期性飽和狀態(tài)。鐵心處于飽和狀態(tài)時(shí)磁導(dǎo)率下降,在低頻或不變的弱磁場(chǎng)環(huán)境下,感應(yīng)線圈上的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V(t)中只包含電流頻率的奇次倍諧波;當(dāng)有個(gè)與鐵心軸向平行的環(huán)境磁場(chǎng)時(shí),由于磁導(dǎo)率變化使輸出中含有電流頻率偶次倍的諧波,且這個(gè)偶次諧波的幅值正比于軸向上的磁場(chǎng)分量。為了提高精度,常常采用差分輸出,使激勵(lì)電流產(chǎn)生的奇次諧波分量被抵消掉,而偶次諧波則被疊加。

1.3 測(cè)斜儀構(gòu)造

測(cè)斜儀是測(cè)井儀器串中專門(mén)用于測(cè)量?jī)x器井斜和方位的儀器。它由傳感器、電子線路和儀器外殼組成。傳感器中包含3個(gè)相互正交的加速度傳感器、磁力計(jì)和一個(gè)溫度傳感器。加速度傳感器和磁力計(jì)用來(lái)計(jì)算井斜和方位,溫度傳感器用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控儀器內(nèi)的溫度。傳感器的放置如圖3所示。

圖3 測(cè)斜儀構(gòu)造圖

2 數(shù)學(xué)模型[5～8]

為了獲取儀器的井斜和方位,我們需要建立兩個(gè)坐標(biāo)系:儀器坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系,如圖4所示。儀器坐標(biāo)系以儀器軸向?yàn)閆′,儀器一號(hào)極板為X′,儀器二號(hào)極板為Z軸,三者之間相互垂直。重力加速度G在3個(gè)方向上的分量為gx,gy,gz;地磁場(chǎng)M在3個(gè)磁通門(mén)傳感器上的分量為mx,my,mz。向量G和M在儀器坐標(biāo)系中是變化的。地理坐標(biāo)系由磁北為X正向、水平東向的Y正向和G的反方向Z組成,它們之間彼此正交。傾角θ為儀器軸線與垂向的夾角,圖中為OZ與OZ′所成的夾角。方位角α為儀器的軸線在水平面上的投影與正北方向的順時(shí)針夾角,圖中為平面OZZ′與水平面OXY的交線OO1和地理坐標(biāo)系中的正北方向OX的夾角。β為相對(duì)方位,反映的是儀器自身的旋轉(zhuǎn)程度,在圖中為平面OZZ′與平面OX′Y′的交線OO2順時(shí)針和OX′所成的夾角。

圖4 坐標(biāo)圖

2.1 傾角計(jì)算方法

重力g在地理坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(0,0,-g),g根據(jù)空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換規(guī)則,我們可以把地理坐標(biāo)變到儀器坐標(biāo),可得如下變換:

根據(jù)上面的式子我們可以得到關(guān)于gx,gy,gz的3個(gè)式子:

2.2 方位計(jì)算方法

令磁場(chǎng)H在OX上的分量為h,在OZ軸上的分量為h,則有H(h,0,h),同理可得到方位角。

若H1＜0,H2＞0,則270°＜α＜360°

象限圖如圖5所示。

圖5 象限圖

3 信號(hào)處理電路

測(cè)井井斜儀器中包含4個(gè)電路部分,如圖 6所示。

電源板 電源部分給儀器提供+5 V和±12 V電壓;

控制板 控制板是整個(gè)儀器的核心部分,起著控制作用,控制著儀器與地面系統(tǒng)的通訊、模擬信號(hào)的獲取和地址編碼;

圖6 信號(hào)處理電路框圖

模擬板 模擬板對(duì)傳感器傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行濾波、多路選擇和A/D轉(zhuǎn)換,主要包括6道濾波電路,1個(gè)多路開(kāi)關(guān)電路,1個(gè)采樣保持電路,1個(gè)數(shù)據(jù)采集電路和一些輔助電路;

遙測(cè)板 該電路負(fù)責(zé)與地面系統(tǒng)的通訊。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于地球重力場(chǎng)和磁力場(chǎng)的測(cè)斜技術(shù)具有簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)、精度高、易維修的特點(diǎn)。在實(shí)際測(cè)井應(yīng)用中與其它儀器組合取得了很好的效果。但是這種儀器由于傳感器精密度高,所以不能劇烈震動(dòng)和碰撞,也不能與強(qiáng)磁性物質(zhì)放在一起,以免影響傳感器精度,尤其是在儀器進(jìn)行調(diào)校時(shí),周圍嚴(yán)禁強(qiáng)磁場(chǎng)的存在。而且這種傳感器是整體器件,如果出現(xiàn)問(wèn)題只能返廠維修。這種測(cè)斜儀還需定期在特制的校驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行校驗(yàn),以確定儀器的工作狀態(tài),將誤差控制在一定范圍內(nèi),如果超出范圍,將需要對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)整。

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Orientation tool for well logging based on gravity acceleration sensor and fluxgate.

Zeng Ziqiang,Wang Yuhan and Gao Jianhua.

In this paper,the measurement principle of gravity acceleration sensor and fluxgate in well logging are introduced,and structure design are elaborated.The mathematical formula of computing well deviation,azimuth,relative bearing are deduced.At the same time,the circuit of singal process is introduced.

Gravity acceleration;Fluxgate;Deviation;Azimuth;Relative bearng

P631.8+1

B

1004-9134(2011)04-0038-03

曾自強(qiáng),男,1979年生,工程師,2002年畢業(yè)于西安石油大學(xué)測(cè)控技術(shù)及儀器專業(yè),現(xiàn)在川慶鉆探測(cè)井公司從事儀器維修工作。郵編:400020

2011-03-01編輯姜 婷)

PI,2011,25(4):38～40