CN102174885A - 一种钻井用高精度点测陀螺测斜仪的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井用高精度点测陀螺测斜仪的标定方法，包括如下步骤：(1)将带有两个双自由度挠性陀螺和三个石英加速度计的测斜仪固定在三轴转台上，使测斜仪陀螺的三轴构成右手坐标系，其中两轴X轴和Y轴保持水平，第三轴Z轴垂直于地面；(2)进行八位置标定，记录测斜仪陀螺输出的电压信号；(3)将各电压信号带入公式：

，求解陀螺测斜仪的标定参数。本发明利用八位置点测量方法，大大简化了测试过程，数据自动读取和保存，操作简单，计算过程由计算机完成；该方法设计了一套可靠的测斜仪的点测式八位置标定方法，可靠性和实用性强，效率和准确性更高。

Description

一种钻井用高精度点测陀螺测斜仪的标定方法

技术领域

本发明涉及一种陀螺测斜仪标定方法，尤其涉及一种钻井用高精度点测陀螺测斜仪的标定方法。

背景技术

在1g重力场中，力矩反馈试验是最简单、实用的测斜仪陀螺漂移测试方法，有时也称为力矩再平衡法。精密光学分度头、高精度速率转台都可作为这种试验的测试设备。所谓标定就是通过比较陀螺测斜仪的输出值与已知的基准信息确定误差系数，使输出在其取值范围内符合基准信息的过程。

目前未见有相关产品的点测标定方法。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种可靠性和实用性强，效率和准确性高的钻井用高精度点测陀螺测斜仪的标定方法。

本发明提供的一种钻井用高精度点测陀螺测斜仪的标定方法，该方法包括如下步骤：

(1)、将带有两个双自由度挠性陀螺和三个石英加速度计的测斜仪固定在三轴转台上，使测斜仪陀螺的三轴构成右手坐标系，其中两轴X轴和Y轴保持水平，第三轴Z轴垂直于地面；

(2)进行八位置标定，重力加速度指地为+1g：

位置1：将Z轴朝天放置，X轴放置于东向，Y轴放置于北向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为0，Y轴为ω_iecosL，Z轴为-1g；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x1和V_y1；

位置2：将Z轴朝天放置，X轴放置于南向，Y轴放置于东向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为-ω_iecosL，Y轴为0，Z轴为-1g；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x2和V_y2；

位置3：将Z轴朝天放置，X轴放置于西向，Y轴放置于南向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为0，Y轴为-ω_iecosL，Z轴为-1g；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x3和V_y3；

位置4：将Z轴朝天放置，X轴放置于北向，Y轴放置于西向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为ω_iecosL，Y轴为0，Z轴为-1g；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x4和V_y4；

位置5：将Z轴水平指北，X轴放置于朝地放置，Y轴放置于西向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为-ω_iesinL·(+1g)，Y轴为0，Z轴为0；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x5和V_y5；

位置6：将Z轴水平指北，X轴放置于西向，Y轴朝天放置；各轴上的重力加速度分量为：X轴为0，Y轴为ω_iesinL·(-1g)，Z轴为0；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x6和V_y6；

位置7：将Z轴水平指北，X轴朝天放置，Y轴放置于东向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为ω_iesinL·(-1g)，Y轴为0，Z轴为0；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x7和V_y7；

位置8：将Z轴水平指北，X轴放置于东向，Y轴朝地放置；各轴上的重力加速度分量为：X轴为0，Y轴为-ω_iesinL·(+1g)，Z轴为0；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x8和V_y8；

(3)将上述各位置记录测斜仪陀螺输出的电压信号带入如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dx}}=k_x{V}_x=D{\left(x\right)}_F+D{\left(x\right)}_x{a}_x+D{\left(x\right)}_y{a}_y+D{\left(x\right)}_z{a}_z+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iex}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dy}}=k_y{V}_y=D{\left(y\right)}_F+D{\left(y\right)}_x{a}_x+D{\left(y\right)}_y{a}_y+D{\left(y\right)}_z{a}_z+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iey}}\end{array}\right.;$

上式中：k_x，k_y分别为x轴，y轴的刻度因数；

V_x，V_y分别为x轴，y轴输出电压；

ω_dx，ω_dy分别为x轴，y轴的漂移角速率单位；

a_x、a_y、a_z：分别为当地重力加速度在三个轴上的分量单位；

D(x)_F，D(y)_F：分别为绕三轴转台的外杆轴和内杆轴与比力无关的漂移误差系数；

D(x)_x、D(x)_y、D(x)_z：绕三轴转台的外杆轴与比力成比例的漂移误差系数；

D(y)_x、D(y)_y、D(y)_z：绕三轴转台的内杆轴与比力成比例的漂移误差系数；

ω_iex、ω_iey：为地球自转角速度分别在x轴，y轴上的分量；得出：

位置1：

位置2：

位置3：

位置4：

位置5：

位置6：

位置7：

位置8：

联立：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_y{V}_{y1}=D{\left(y\right)}_F-D{\left(y\right)}_z+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\cos \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y2}=D{\left(y\right)}_F-D{\left(y\right)}_z+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\sin \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y3}=D{\left(y\right)}_F-D{\left(y\right)}_z-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\cos \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y4}=D{\left(y\right)}_F-D{\left(y\right)}_z-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\sin \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y5}=D{\left(y\right)}_F+D{\left(y\right)}_x-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\sin \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y6}=D{\left(y\right)}_F-D{\left(y\right)}_y+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L\cos \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y7}=D{\left(y\right)}_F-D{\left(y\right)}_x+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\sin \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y8}=D{\left(y\right)}_F+D{\left(y\right)}_y-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.;$

求解陀螺测斜仪的标定参数：

θ为陀螺测斜仪X轴与东向的失准角：

$\mathrm{\θ}=a\tan \frac{V_{x1}-V_{x3}}{V_{x4}-V_{x2}};$

β为陀螺测斜仪Y轴与北向的失准角：

$\mathrm{\β}=a\tan \frac{V_{y2}-V_{y4}}{V_{y1}-V_{y3}};$

x轴，y轴的垂直度误差角ε：

ε＝β-θ；

X轴刻度因数：

$K_x=\frac{2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L}{\sqrt{{(V_{x1}-V_{x3})}^2+{(V_{x2}-V_{x4})}^2}}\mathrm{sign}(V_{x4}-V_{x2});$

Y轴刻度因数：

$K_y=\frac{2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L}{\sqrt{{(V_{y1}-V_{y3})}^2+{(V_{y2}-V_{y4})}^2}}\mathrm{sign}(V_{y1}-V_{y3});$

X轴静态误差：

$D{\left(x\right)}_F=\frac{1}{4}{k}_x\underset{i=5}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{xi}};$

Y轴静态误差：

$D{\left(y\right)}_F=\frac{1}{4}{k}_y\underset{i=5}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{yi}};$

陀螺内部的转子组件沿转子轴方向质量不平衡引起的漂移率：

$D{\left(x\right)}_x=\frac{1}{2}{k}_x[(V_{x5}-V_{x7})\cos \mathrm{\θ}+(V_{x8}-V_{x6})\sin \mathrm{\β}]+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L;$

$D{\left(y\right)}_y=\frac{1}{2}{k}_y[(V_{y8}-V_{x6})\cos \mathrm{\β}+(V_{y5}-V_{y7})\sin \mathrm{\θ}]+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L$

正交加速度引起的漂移率：

$D{\left(x\right)}_y=\frac{1}{2}{k}_x[(V_{x8}-V_{x6})\cos \mathrm{\θ}+(V_{y5}-V_{y7})\sin \mathrm{\β}];$

$D{\left(y\right)}_x=\frac{1}{2}{k}_x[(V_{y5}-V_{y7})\cos \mathrm{\β}+(V_{x8}-V_{x6})\sin \mathrm{\θ}]$

与自转轴方向加速度有关的漂移率：

$D{\left(x\right)}_z=D{\left(x\right)}_F-\frac{1}{4}{k}_x\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{xi}}.$

$D{\left(y\right)}_z=D{\left(y\right)}_F-\frac{1}{4}{k}_y\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{yi}}$

与现有技术相比，本发明的钻井用高精度点测陀螺测斜仪的标定方法具有以下的有益效果：

1、本发明利用八位置点测量方法，大大简化了测试过程，数据自动读取和保存，操作简单，计算过程由计算机完成。

2、本发明设计了一套可靠的测斜仪的点测式八位置标定方法，可靠性和实用性强，效率和准确性更高。

3、此方法所用标定位置少，测试时间短，测试成本经济低，标定过后极大的提高了整个系统产品的点测精度。

附图说明

图1为测斜仪固定在三轴转台上的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

一种钻井用高精度点测陀螺测斜仪的标定方法，该方法包括如下步骤：

(1)、将带有两个双自由度挠性陀螺和三个石英加速度计的测斜仪固定在三轴转台上(如图1所示，图中1为测斜仪坐标轴，2为内杆轴，3为中杆轴，4为外杆轴)，使测斜仪陀螺的三轴构成右手坐标系，其中两轴X轴和Y轴保持水平，第三轴Z轴垂直于地面。

(2)进行八位置标定，重力加速度指地为+1g：

位置1：将Z轴朝天放置，X轴放置于东向，Y轴放置于北向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为0，Y轴为ω_iecosL，Z轴为-1g；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x1和V_y1；

位置2：将Z轴朝天放置，X轴放置于南向，Y轴放置于东向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为-ω_iecosL，Y轴为0，Z轴为-1g；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x2和V_y2；

位置3：将Z轴朝天放置，X轴放置于西向，Y轴放置于南向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为0，Y轴为-ω_iecosL，Z轴为-1g；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x3和V_y3；

位置4：将Z轴朝天放置，X轴放置于北向，Y轴放置于西向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为ω_iecosL，Y轴为0，Z轴为-1g；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x4和V_y4；

位置5：将Z轴水平指北，X轴放置于朝地放置，Y轴放置于西向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为-ω_iesinL·(+1g)，Y轴为0，Z轴为0；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x5和V_y5；

位置6：将Z轴水平指北，X轴放置于西向，Y轴朝天放置；各轴上的重力加速度分量为：X轴为0，Y轴为ω_iesinL·(-1g)，Z轴为0；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x6和V_y6；

位置7：将Z轴水平指北，X轴朝天放置，Y轴放置于东向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为ω_iesinL·(-1g)，Y轴为0，Z轴为0；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x7和V_y7；

位置8：将Z轴水平指北，X轴放置于东向，Y轴朝地放置；各轴上的重力加速度分量为：X轴为0，Y轴为-ω_iesinL·(+1g)，Z轴为0；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x8和V_y8。如下表所示：

重力加速度指地为+1g

(3)将上述各位置记录测斜仪陀螺输出的电压信号带入如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dx}}=k_x{V}_x=D{\left(x\right)}_F+D{\left(x\right)}_x{a}_x+D{\left(x\right)}_y{a}_y+D{\left(x\right)}_z{a}_z+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iex}}\\ {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dy}}=k_y{V}_y=D{\left(y\right)}_F+D{\left(y\right)}_x{a}_x+D{\left(y\right)}_y{a}_y+D{\left(y\right)}_z{a}_z+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{iey}}\end{array}\right.;$

上式中：k_x，k_y分别为x轴，y轴的刻度因数；

V_x，V_y分别为x轴，y轴输出电压；

ω_dx，ω_dy分别为x轴，y轴的漂移角速率单位；

a_x、a_y、a_z：分别为当地重力加速度在三个轴上的分量单位；

D(x)_F，D(y)_F：分别为绕三轴转台的外杆轴和内杆轴与比力无关的漂移误差系数；

D(x)_x、D(x)_y、D(x)_z：绕三轴转台的外杆轴与比力成比例的漂移误差系数；

D(y)_x、D(y)_y、D(y)_z：绕三轴转台的内杆轴与比力成比例的漂移误差系数；

ω_iex、ω_iey：为地球自转角速度分别在x轴，y轴上的分量；得出：

位置1：

位置2：

位置3：

位置4：

位置5：

位置6：

位置7：

位置8：

联立：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_y{V}_{y1}=D{\left(y\right)}_F-D{\left(y\right)}_z+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\cos \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y2}=D{\left(y\right)}_F-D{\left(y\right)}_z+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\sin \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y3}=D{\left(y\right)}_F-D{\left(y\right)}_z-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\cos \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y4}=D{\left(y\right)}_F-D{\left(y\right)}_z-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\sin \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y5}=D{\left(y\right)}_F+D{\left(y\right)}_x-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\sin \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y6}=D{\left(y\right)}_F-D{\left(y\right)}_y+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L\cos \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y7}=D{\left(y\right)}_F-D{\left(y\right)}_x+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L\sin \mathrm{\β}\\ k_y{V}_{y8}=D{\left(y\right)}_F+D{\left(y\right)}_y-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.;$

求解陀螺测斜仪的标定参数：

θ为陀螺测斜仪X轴与东向的失准角：

$\mathrm{\θ}=a\tan \frac{V_{x1}-V_{x3}}{V_{x4}-V_{x2}};$

β为陀螺测斜仪Y轴与北向的失准角：

$\mathrm{\β}=a\tan \frac{V_{y2}-V_{y4}}{V_{y1}-V_{y3}};$

x轴，y轴的垂直度误差角ε：

ε＝β-θ；

X轴刻度因数：

$K_x=\frac{2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L}{\sqrt{{(V_{x1}-V_{x3})}^2+{(V_{x2}-V_{x4})}^2}}\mathrm{sign}(V_{x4}-V_{x2});$

Y轴刻度因数：

$K_y=\frac{2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\cos L}{\sqrt{{(V_{y1}-V_{y3})}^2+{(V_{y2}-V_{y4})}^2}}\mathrm{sign}(V_{y1}-V_{y3});$

X轴静态误差：

$D{\left(x\right)}_F=\frac{1}{4}{k}_x\underset{i=5}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{xi}};$

Y轴静态误差：

$D{\left(y\right)}_F=\frac{1}{4}{k}_y\underset{i=5}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{yi}};$

陀螺内部的转子组件沿转子轴方向质量不平衡引起的漂移率：

$D{\left(x\right)}_x=\frac{1}{2}{k}_x[(V_{x5}-V_{x7})\cos \mathrm{\θ}+(V_{x8}-V_{x6})\sin \mathrm{\β}]+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L;$

$D{\left(y\right)}_y=\frac{1}{2}{k}_y[(V_{y8}-V_{x6})\cos \mathrm{\β}+(V_{y5}-V_{y7})\sin \mathrm{\θ}]+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L$

正交加速度引起的漂移率：

$D{\left(x\right)}_y=\frac{1}{2}{k}_x[(V_{x8}-V_{x6})\cos \mathrm{\θ}+(V_{y5}-V_{y7})\sin \mathrm{\β}];$

$D{\left(y\right)}_x=\frac{1}{2}{k}_x[(V_{y5}-V_{y7})\cos \mathrm{\β}+(V_{x8}-V_{x6})\sin \mathrm{\θ}]$

与自转轴方向加速度有关的漂移率：

$D{\left(x\right)}_z=D{\left(x\right)}_F-\frac{1}{4}{k}_x\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{xi}}.$

$D{\left(y\right)}_z=D{\left(y\right)}_F-\frac{1}{4}{k}_y\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{yi}}$

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种钻井用高精度点测陀螺测斜仪的标定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)、将带有两个双自由度挠性陀螺和三个石英加速度计的测斜仪固定在三轴转台上，使测斜仪陀螺的三轴构成右手坐标系，其中两轴X轴和Y轴保持水平，第三轴Z轴垂直于地面；

(2)进行八位置标定，重力加速度指地为+1g：

位置1：将Z轴朝天放置，X轴放置于东向，Y轴放置于北向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为0，Y轴为ω_iecosL，Z轴为-1g；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x1和V_y1；

位置2：将Z轴朝天放置，X轴放置于南向，Y轴放置于东向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为-ω_iecosL，Y轴为0，Z轴为-1g；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x2和V_y2；

位置3：将Z轴朝天放置，X轴放置于西向，Y轴放置于南向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为0，Y轴为-ω_iecosL，Z轴为-1g；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x3和V_y3；

位置4：将Z轴朝天放置，X轴放置于北向，Y轴放置于西向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为ω_iecosL，Y轴为0，Z轴为-1g；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x4和V_y4；

位置5：将Z轴水平指北，X轴朝地放置，Y轴放置于西向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为-ω_iesinL·(+1g)，Y轴为0，Z轴 为0；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x5和V_y5；

位置6：将Z轴水平指北，X轴放置于西向，Y轴朝天放置；各轴上的重力加速度分量为：X轴为0，Y轴为ω_iesinL·(-1g)，Z轴为0；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x6和V_y6；

位置7：将Z轴水平指北，X轴朝天放置，Y轴放置于东向；各轴上的重力加速度分量为：X轴为ω_iesinL·(-1g)，Y轴为0，Z轴为0；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x7和V_y7；

位置8：将Z轴水平指北，X轴放置于东向，Y轴朝地放置；各轴上的重力加速度分量为：X轴为0，Y轴为-ω_iesinL·(+1g)，Z轴为0；记录测斜仪陀螺输出的电压信号V_x8和V_y8；

(3)将上述各位置记录测斜仪陀螺输出的电压信号带入如下公式：

上式中：k_x，k_y分别为x轴，y轴的刻度因数；

V_x，V_y分别为x轴，y轴输出电压；

ω_dx，ω_dy分别为x轴，y轴的漂移角速率单位；

a_x、a_y、a_z：分别为当地重力加速度在三个轴上的分量；

D(x)_F，D(y)_F：分别为绕三轴转台的外杆轴和内杆轴与比力无关的漂移误差系数；

D(x)_x、D(x)_y、D(x)_z：绕三轴转台的外杆轴与比力成比例的漂移误差系数；

D(y)_x、D(y)_y、D(y)_z：绕三轴转台的内杆轴与比力成比例的漂 移误差系数；

ω_iex、ω_iey：为地球自转角速度分别在x轴，y轴上的分量；得出：

位置1： 

位置2： 

位置3： 

位置4： 

位置5： 

位置6： 

位置7： 

位置8： 

联立： 

求解陀螺测斜仪的标定参数：

θ为陀螺测斜仪X轴与东向的失准角：

β为陀螺测斜仪Y轴与北向的失准角：

x轴，y轴的垂直度误差角ε：

ε＝β-θ；

X轴刻度因数：

Y轴刻度因数：

X轴静态误差：

Y轴静态误差： 

陀螺内部的转子组件沿转子轴方向质量不平衡引起的漂移率：

正交加速度引起的漂移率：

与自转轴方向加速度有关的漂移率：

。

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