CN102235166A - 一种加速度传感器与磁传感器同轴正交调整的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加速度传感器与磁传感器同轴正交调整的方法，利用地球重力和地球磁场对三轴磁传感器的正交性以及三轴加速度传感器和三轴磁传感器的同轴进行调整，先保证要调整加速度轴向与重力方向完全一致；然后矫正台在水平方向转动，通过观察磁传感器的读数的方法调整磁传感器，直到在转动过程中，磁传感器的读数波动在一定范围内；这样依次调整x，y，z轴，就保证三轴加速度传感器和三轴磁传感器的同轴，由于三轴加速度是正交的，三轴磁传感器自然也是正交的。本发明保证了加速度传感器和磁传感器的三轴同轴性，精度在0.2％，并且其监测的方位角精度控制在0.5°以内。

Description

一种加速度传感器与磁传感器同轴正交调整的方法

技术领域：

本发明涉及石油仪器领域，尤其涉及一种对加速度传感器与磁传感器同轴正交要求非常高的仪器的同轴正交调整方法。

背景技术：

在石油钻井过程中，为了进行轨迹控制要进行轨迹测量，这就是“测斜”。所使用的仪器就称为“测斜仪”。每隔一定长度的井段测一个点，这些井段称为“测段”，这些点称为测点。测斜仪在每个点上测得的参数有三个，即井深、井斜角和井斜方位角。这三个参数就是轨迹的基本参数。按照发展顺序，有如下测斜仪：

1)、照相测斜仪原理：

利用小孔成像的光学原理，在工作时灯泡发光，将罗盘内测角装置的影像通过透镜成像在胶片上，使胶片感光，提出仪器后通过洗像液使胶片显影并读取数据；

2)、电子测斜仪原理：

单多点电子测斜仪采用三轴磁力仪和三轴或两轴重力加速度计测量井眼方位角和井斜角，每一个测点可以分别记录三个重力矢量、三个磁通门参数、探管温度、电池电压和井眼其它参数，并储存在探管的存储器内，提出仪器后再经过计算机或控制器把存储器里的数据进行回放、打印。随钻电子测斜仪的工作原理与单多点电子测斜仪基本一样，只不过不需要提出仪器便可通过其它传输通道将井底测量点的数据随时传输至地面的处理终端。

对于电子测斜仪而言，加速度传感器和磁传感器同轴正交的调整至关重要，同轴正交的精度决定着测量的倾角和方位角的精度。

在利用地磁来测量方位角的仪器中，需要三轴加速度传感器和三轴磁传感器采集的数据进行计算。为了保证方位角计算的精度，除了加速度传感器及磁传感器的精度、稳定性等对传感器硬件的严格要求之外，还需要对传感器做如下高精度微调：

A)三轴加速度传感器的正交性调整；

B)三轴磁传感器的正交性调整；

C)三轴加速度传感器和三轴磁传感器的同轴调整。

在三轴加速度传感器的正交性已经调整完毕的前提下，如何对三轴磁传感器的正交性以及三轴加速度传感器和三轴磁传感器的同轴进行调整，是现有技术亟待解决的问题。

发明内容：

本发明目的是用来弥补现有技术的不足，而提供一种对三轴磁传感器的正交性以及三轴加速度传感器和三轴磁传感器的同轴进行调整的方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

1、一种加速度传感器与磁传感器同轴正交调整的方法，其特征在于，该方法是通过以下步骤来实现的：

(1)、将杆子悬垂

将待调整的装有加速度传感器的杆子置于矫正台上，保证杆子能够保持悬垂，并且将水平仪放置与杆子垂直的剖面上，观察水平仪的气泡是否处于中央位置，以此来验证杆子是否处于悬垂状态；

(2)、将加速度传感器的Z轴与杆子的夹角调整为0，按以下步骤进行相应的调节：

(201)、将加速度传感器Z轴尽量调整成与地球重力方向平行的位置，水平旋转矫正台，观察加速度传感器X轴或者Y轴的读数与Z轴垂直的轴向；

(202)、分别记下加速度传感器X轴读数和加速度传感器Y轴读数；

(203)、对加速度传感器的Z轴进行微调，计算出每次微调后X轴读数与Y轴读数的平方和开方后的读数后，进行比较每次的读数计算结果，直到在水平旋转一周过程中X轴读数与Y轴读数平方和开方后的读数波动不超过重力加速度G的0.1％，此时加速度的Z轴与杆子夹角小于0.1°；

(3)、将磁传感器的Z轴与杆子的夹角调整为0

通过以下步骤进行调整：

(301)、将磁传感器在水平旋转矫正台旋转一周后，记录Z轴的读数在旋转过程中的最大值及最小值；

(302)、再次旋转使Z轴的读数达到最大值时，停止旋转，开始对磁传感器的Z轴进行调整，应该顺着地球磁力线方向对磁传感器的Z轴进行调整，直到Z轴的读数等于最大值和最小值的均值；同理，也可在Z轴的读数达到最小值处停止，逆着地球磁力线方向对磁传感器的Z轴进行调整；

(303)、重复上述步骤(301)、(302)的旋转过程及其调整过程，直到在水平旋转一周过程中磁传感器Z轴的读数波动不超过总读数的0.1％，此时Z轴与杆子的夹角小于0.1°；

(4)、调整加速度传感器和磁传感器的X轴方向

先将加速度传感器的X轴调整到与地球重力方向一致，然后通过旋转的方式调整磁传感器的X轴，由于加速度传感器的正交性已经满足，加速度传感器Z轴已经与杆子悬垂时的方向一致，加速度传感器的X轴和Y轴必然与杆子的方向垂直，加速度传感器X轴调整完毕后，按照以下步骤进行调整：

(401)、将磁传感器在水平旋转矫正台旋转一周后，记录X轴的读数在旋转过程中的最大值及最小值；

(402)、再次旋转使X轴的读数达到最大值时，停止旋转，开始对磁传感器的X轴进行调整，应该顺着地球磁力线方向对磁传感器的X轴进行调整，直到X轴的读数等于最大值和最小值的均值；同理，也可在X轴的读数达到最小值处停止，逆着地球磁力线方向对磁传感器的X轴进行调整；

(403)、重复上述步骤(401)、(402)的旋转过程及其调整过程，直到在水平旋转一周过程中磁传感器X轴的读数波动不超过总读数的0.1％，此时X轴与杆子的夹角小于0.1°，由于磁传感器X轴的调整流程与磁传感器的Z轴调整流程一致，该步骤仅对加速度传感器的X轴调整到与地球重力方向一致的流程进行说明；

(5)、调整加速度传感器和磁传感器的Y轴方向

先将加速度传感器的Y轴调整到与地球重力方向一致，然后通过旋转的方式调整磁传感器的Y轴，由于杆子已经转到水平方向了，仅需自转杆子，观察加速度传感器的X轴，直到X轴上的读数为0，加速度传感器Y轴调整完毕后，即可按照以下步骤调整磁传感器的Y轴：

(501)、将磁传感器在水平旋转矫正台旋转一周后，记录Y轴的读数在旋转过程中的最大值及最小值；

(502)、再次旋转使Y轴的读数达到最大值时，停止旋转，开始对磁传感器的Y轴进行调整，应该顺着地球磁力线方向对磁传感器的Y轴进行调整，直到Y轴的读数等于最大值和最小值的均值；同理，也可在Y轴的读数达到最小值处停止，逆着地球磁力线方向对磁传感器的Y轴进行调整；

(503)、重复上述步骤(501)、(502)的旋转过程及其调整过程，直到在水平旋转一周过程中磁传感器X轴的读数波动不超过总读数的0.1％，此时Y轴与杆子的夹角小于0.1°。

本发明一种加速度传感器与磁传感器同轴正交调整的方法，保证了加速度传感器和磁传感器的三轴同轴性，精度在0.2％，在加速度传感器正交的前提下，三轴同轴性保证了磁传感器的正交性，磁传感器的三轴正交性可以通过转向差来检验，在稳定的磁环境下，通过上述方法调整的三轴磁传感器的转向差控制在0.3％以内，加速度传感器和磁传感器的同轴性可以通过测量方位角来检验，并且其监测的方位角精度控制在0.5°以内。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明中加速度传感器、磁传感器与杆子的摆放图

图2为本发明中地球磁场磁力线分布图

图3为本发明中加速度传感器的Z轴与杆子的夹角调整图

图4为本发明中磁传感器的Z轴与杆子的夹角调整图

图5为本发明中磁传感器的Z轴与杆子的夹角调整图

图6为本发明中加速度传感器的X轴与地球重力方向调整图

图7为本发明中杆子自转示意图

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

一种加速度传感器与磁传感器同轴正交调整的方法，该方法是通过以下步骤来实现的：

如图1所示：设加速度传感器的Z轴与杆子的夹角为α，磁传感器的Z轴与杆子的夹角为β，选择没有外界磁干扰的纯地磁环境进行调整，由于只有地磁，虽然磁力线在理论上会随着地球自转和时间而有微小的改变，但在实际应用中可以忽略，可以做如下假设，在调整Z轴的过程中，磁力线没有发生变化，地球磁场磁力线如图2分布：

(1)、将杆子悬垂

将待调整的装有加速度传感器的杆子置于矫正台上，保证杆子能够保持悬垂，可以通过将水平仪放置在与杆子垂直的剖面，观察水平仪的气泡是否处于中央来保证杆子是否处于悬垂状态；

(2)、将加速度传感器的Z轴与杆子的夹角α调整为0

将加速度传感器Z轴尽量调整成与地球重力方向平行，水平旋转矫正台，观察加速度传感器X或者Y轴的读数(与Z轴垂直的轴向)，记加速度传感器X轴的读数为ax，加速度传感器Y轴的读数为ay，由于加速度传感器的三轴是正交的，X轴与Y轴组成的平面记为XY，如图3所示，有如下等式成立：

$\sqrt{{\mathrm{ax}}^2+{\mathrm{ay}}^2}=G*\mathrm{Sin}\left(\mathrm{\α}\right)$ 其中G为重力加速度；

微调加速度传感器Z轴，直到在水平旋转一周过程中的读数波动不超过G的0.1％，此时加速度的Z轴与杆子的夹角α小于0.1°；

(3)、将磁传感器的Z轴与杆子的夹角β调整为0

由于磁传感器的Z轴与杆子的夹角β，水平旋转矫正台，观察磁传感器Z轴的读数，设磁力线与水平面的夹角为H，则磁传感器Z轴的读数，记为mz，在旋转过程中，mz按照如下正弦函数变化：

mz＝Sin(90-H+k*β)*M    其中k∈[-1，1]，M为磁力线合成总量；

mz的最大值为：max(mz)＝Sin(90-H+β)*M，此时的相对位置如图4所示。

mz的最小值为：min(mz)＝Sin(90-H-β)*M，此时的相对位置如图5所示。

在旋转一周后，记录mz在旋转过程中的最大值及最小值；

再次旋转，mz达到最大值时，停止旋转，开始对磁传感器的Z轴进行调整，如图4所示，应该顺着地球磁力线方向对磁传感器的Z轴进行调整，直到mz＝Sin(90-H)*M，(即为mz最大值和最小值的均值)；同理，也可在mz达到最小值处停止，逆着地球磁力线方向对磁传感器的Z轴进行调整；

重复上述旋转过程，重复上述调整过程，直到在水平旋转一周过程中磁传感器Z轴的读数波动不超过总读数的0.1％；

(4)、调整加速度传感器和磁传感器的X轴方向

与调整Z轴方向的过程类似，先将加速度传感器的X轴调整到与地球重力方向一致，然后通过旋转的方式调整磁传感器的X轴，

由于加速度传感器的正交性已经满足，在加速度传感器Z轴已经与杆子悬垂时的方向一致，加速度传感器的X轴和Y轴必然与杆子的方向垂直，可以通过下述两步达到将加速度传感器的X轴调整到与地球重力方向一致，如图6：

A)通过矫正台，将杆子向水平方向旋转，旋转90°；

B)自转杆子，观察加速度传感器的Y轴读数，直到ay＝0；

加速度传感器X轴调整完毕后，即可按照步骤(3)的内容，类似的调整磁传感器的X轴，由于磁传感器X轴的调整流程与磁传感器的Z轴调整流程一致，该步骤仅对加速度传感器的X轴调整到与地球重力方向一致的流程进行说明；

(5)、调整加速度传感器和磁传感器的Y轴方向

与调整X轴方向的过程类似，先将加速度传感器的Y轴调整到与地球重力方向一致，然后通过旋转的方式调整磁传感器的Y轴，由于杆子已经转到水平方向了，仅需自转杆子，观察加速度传感器的X轴，直到ax＝0，如图7所示，加速度传感器Y轴调整完毕后，即可按照步骤(3)的内容，类似的调整磁传感器的Y轴。

本发明一种加速度传感器与磁传感器同轴正交调整的方法，保证了加速度传感器和磁传感器的三轴同轴性，精度在0.2％，在加速度传感器正交的前提下，三轴同轴性保证了磁传感器的正交性，磁传感器的三轴正交性可以通过转向差来检验，在稳定的磁环境下，通过上述方法调整的三轴磁传感器的转向差控制在0.3％以内，加速度传感器和磁传感器的同轴性可以通过测量方位角来检验，并且其监测的方位角精度控制在0.5°以内。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种加速度传感器与磁传感器同轴正交调整的方法，其特征在于，该方法是通过以下步骤来实现的：

(1)、将杆子悬垂

将待调整的装有加速度传感器的杆子置于矫正台上，保证杆子能够保持悬垂，并且将水平仪放置与杆子垂直的剖面上，观察水平仪的气泡是否处于中央位置，以此来验证杆子是否处于悬垂状态；

(2)、将加速度传感器的Z轴与杆子的夹角调整为0，按以下步骤进行相应的调节：

(201)、将加速度传感器Z轴尽量调整成与地球重力方向平行的位置，水平旋转矫正台，观察加速度传感器X轴或者Y轴的读数与Z轴垂直的轴向；

(202)、分别记下加速度传感器X轴读数和加速度传感器Y轴读数；

(203)、对加速度传感器的Z轴进行微调，计算出每次微调后X轴读数与Y轴读数的平方和开方后的读数后，进行比较每次的读数计算结果，直到在水平旋转一周过程中X轴读数与Y轴读数平方和开方后的读数波动不超过重力加速度G的0.1％，此时加速度的Z轴与杆子夹角小于0.1°；

(3)、将磁传感器的Z轴与杆子的夹角调整为0

通过以下步骤进行调整：

(301)、将磁传感器在水平旋转矫正台旋转一周后，记录Z轴的读数在旋转过程中的最大值及最小值；

(302)、再次旋转使Z轴的读数达到最大值时，停止旋转，开始对磁传感器的Z轴进行调整，应该顺着地球磁力线方向对磁传感器的Z轴进行调整，直到Z轴的读数等于最大值和最小值的均值；同理，也可在Z轴的读数达到最小值处停止，逆着地球磁力线方向对磁传感器的Z轴进行调整；

(303)、重复上述步骤(301)、(302)的旋转过程及其调整过程，直到在水平旋转一周过程中磁传感器Z轴的读数波动不超过总读数的0.1％，此时Z轴与杆子的夹角小于0.1°；

(4)、调整加速度传感器和磁传感器的X轴方向

先将加速度传感器的X轴调整到与地球重力方向一致，然后通过旋转的方式调整磁传感器的X轴，由于加速度传感器的正交性已经满足，加速度传感器Z轴已经与杆子悬垂时的方向一致，加速度传感器的X轴和Y轴必然与杆子的方向垂直，加速度传感器X轴调整完毕后，按照以下步骤进行调整：

(401)、将磁传感器在水平旋转矫正台旋转一周后，记录X轴的读数在旋转过程中的最大值及最小值；

(402)、再次旋转使X轴的读数达到最大值时，停止旋转，开始对磁传感器的X轴进行调整，应该顺着地球磁力线方向对磁传感器的X轴进行调整，直到X轴的读数等于最大值和最小值的均值；同理，也可在X轴的读数达到最小值处停止，逆着地球磁力线方向对磁传感器的X轴进行调整；

(403)、重复上述步骤(401)、(402)的旋转过程及其调整过程，直到在水平旋转一周过程中磁传感器X轴的读数波动不超过总读数的0.1％，此时X轴与杆子的夹角小于0.1°，由于磁传感器X轴的调整流程与磁传感器的Z轴调整流程一致，该步骤仅对加速度传感器的X轴调整到与地球重力方向一致的流程进行说明；

(5)、调整加速度传感器和磁传感器的Y轴方向

先将加速度传感器的Y轴调整到与地球重力方向一致，然后通过旋转的方式调整磁传感器的Y轴，由于杆子已经转到水平方向了，仅需自转杆子，观察加速度传感器的X轴，直到X轴上的读数为0，加速度传感器Y轴调整完毕后，即可按照以下步骤调整磁传感器的Y轴：

(501)、将磁传感器在水平旋转矫正台旋转一周后，记录Y轴的读数在旋转过程中的最大值及最小值；

(502)、再次旋转使Y轴的读数达到最大值时，停止旋转，开始对磁传感器的Y轴进行调整，应该顺着地球磁力线方向对磁传感器的Y轴进行调整，直到Y轴的读数等于最大值和最小值的均值；同理，也可在Y轴的读数达到最小值处停止，逆着地球磁力线方向对磁传感器的Y轴进行调整；

(503)、重复上述步骤(501)、(502)的旋转过程及其调整过程，直到在水平旋转一周过程中磁传感器X轴的读数波动不超过总读数的0.1％，此时Y轴与杆子的夹角小于0.1°。

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