CN102808613B - 一种磁阻井径测井仪角度传感器的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁阻井径测井仪角度传感器的标定方法，以达到对磁阻角度传感器进行精确标定的目的。所述标定方法是基于磁阻角度传感器的，所述传感器包括磁阻双桥和多级永磁环，所述多级永磁环固定在一个转轴上，磁阻双桥设置在转轴的一端；步骤a、确定一个所述传感器的起始位置，并测量所述传感器在所述起始位置时，两个桥臂的输出电压Ua1和Ub1；步骤b、将所述传感器转动半个周期，并测量所述传感器在转动后的位置时，两个桥臂的输出电压Ua2和Ub2；步骤c、根据步骤a和b的测量结果，获得所述传感器两个桥臂的零位输出电压和角度初始值。该标定方法简单、精确，效果满足井径测井仪器标定的精度要求。

Description

一种磁阻井径测井仪角度传感器的标定方法

技术领域

本发明涉及一种磁阻井径测井仪角度传感器的标定方法。

背景技术

现有的井径测井仪由两部分组成。一部分是反映井径变化的井下机械结构，一部分是地面记录部分；其中井下机械结构包括把机械位移变成电信号的转换装置。常见的井径仪有三或四个臂，在弹簧的作用下末端张开紧贴井壁。随着井径的变化，臂的末端也随着张开或合拢，同时带动电位器滑臂移动。于是井径的变化就变成了电阻的变化。当通过电缆给电位器供电时，变化的电阻间电位差就反映了井径的变化。地面记录部分记录电位差变化，事先经过井径规刻度，这个变化就是井径大小。现有的测量井径变化通常采用电位器做传感器的。

采用连杆式电位器作为传感器，其缺点为需要进行内外压力平衡设计，且线性程度差，不耐腐蚀(比如H₂S)，由于采用皮囊结构，在现场作业时出现故障的几率较高。

角度传感器在应用中，一般都需要进行初始位置、输出电信号的零位的标定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对磁阻井径测井仪角度传感器的特点提出的一种简单而又行之有效的标定方法，以达到对磁阻角度传感器进行精确标定的目的。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种磁阻井径测井仪角度传感器的标定方法，所述传感器包括磁阻双桥和多级永磁环，所述多级永磁环固定在一个转轴上，磁阻双桥设置在转轴的一端；所述磁阻双桥的两个桥臂设置在同一平面内，且所述平面与多级永磁环所在的平面平行，并且两个桥臂相位差为45°。

所述标定方法包括：

步骤a、确定一个所述传感器的起始位置，并测量所述传感器在所述起始位置时，两个桥臂的输出电压Ua1和Ub1；

步骤b、将所述传感器转动半个周期，并测量所述传感器在转动后的位置时，两个桥臂的输出电压Ua2和Ub2；

步骤c、根据步骤a和b的测量结果，获得所述传感器两个桥臂的零位输出电压和角度初始值。

进一步地，步骤c中

桥A的零位输出电压：

桥B的零位输出电压：

角度初始值为 $\mathrm{\δ}0=\frac{1}{2}\arctan \frac{{\mathrm{Ub}}_s-\mathrm{Ub}0}{{\mathrm{Ua}}_s-\mathrm{Ua}0}.$

其中，Ua_s和Ub_s为井径臂角度处于零位时，桥A和桥B的输出电压。

进一步地，所述每个桥臂包括4个电阻，所述4个电阻两两串联后再并联，所述并联电路接在电源与地之间，两个串联支路的分压作为所述桥臂的电压输出端。

进一步地，所述同一桥臂内的4个电阻阻值相同，且磁阻灵敏度相同。

进一步地，所述传感器还包括两个运算放大器，所述两个运算放大器分别连接在磁阻双桥两个桥臂的电压输出端。

进一步地，所述传感器还包括两个处理电路，所述两个处理电路分别串联在两个运算放大器的信号输出端，所述处理电路用于消除固有零位偏差或进行电位转换。

进一步地，两个运算放大器为放大倍数相同的运算放大器。

与现有技术相比，应用本发明实施例的磁阻井径测井仪角度传感器为无接触式传感器，不需要压力平衡，没有累积误差，测量精度高，输出的电信号随转动的角度呈现三角函数关系(正弦和余弦)，利用该关系，通过转动半个周期的角度，对传感器进行标定。该标定方法简单、精确，效果满足井径测井仪器标定的精度要求。

附图说明

图1为本发明实施例的磁阻井径测井仪角度传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例的传感器输出信号波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1-2所示，本发明实施例的角度传感器主要包括磁阻双桥和多级永磁环。

其中多级永磁环固定在一个转轴上，磁阻双桥设置在转轴的一端，所述磁阻双桥包括两个桥臂：桥A和桥B，所述角度传感器还包括两个运算放大器和两个处理电路，所述桥A和桥B设置在与多级永磁环所在平面平行的平面内，并且相位差为45°，桥A包括4个电阻：R1、R2、R3和R4，桥B包括4个电阻：R1’、R2’、R3’和R4’。每个桥臂上的4个电阻两两串联后再并联，所述并联电路接在电源与地之间，两个串联支路的分压作为所述桥臂的电压输出端，两个运算放大器分别连接在桥A和桥B的电压输出端，两个处理电路分别连接在两个运算放大器的信号输出端，所述处理电路用于消除固有零位偏差或进行电位转换。

其中同一桥臂内的4个电阻阻值相同，且磁阻灵敏度相同，但桥A和桥B的电阻阻值可以不相同，即R1＝R2＝R3＝R4，R1’＝R2’＝R3’＝R4’，但R1≠R1’。

在应用中，磁阻双桥、运算放大器和处理电路部分安装在一经过精密设计得耐压壳体内，多级永磁环以转轴方式固定在壳体外，随与之相连的臂进行相应转动，进行转动角度的测量。

本发明的实施例能够精确测量井径测井仪转动的角度，并且结构简单，操作容易，可靠性强，精度高。

本发明主要是在井径测井仪器中应用，同样可以应用在其他的仪器设备中，主要是对磁阻角度传感器进行零位和初始值的标定，以达到进行角度准确测量的目的。

根据图1和图2所示结构磁阻角度传感器的工作原理，桥A和桥B在同一平面上且严格相差45°角，当有一外部磁场平行于桥所在的平面施加到桥A和桥B上时，根据磁阻电桥的测量原理，在供电的情况下，磁场方向按图示所示变化，桥A输出的电压信号Ua为2倍变化角度的余弦值，桥B输出的电压信号Ub为2倍变化角度的正弦值。变化角度即为：

其角度的测量范围为180°。

由于传感器输出的电信号都或多或少的有一个固定的零位偏差，同时，在安装和调试时都有一个起始位置，在传感器安装完成后，需要对零位偏差和角度初始值进行准确标定。

对角度传感器进行标定的方法是：根据以上描述的传感器的工作原理，输出的电信号为随角度变化成三角函数关系，从三角函数的性质可以知道，我们首先确定好一个起始位置，测量其桥A和桥B的输出电压为Ua1和Ub1，再将角度在设计的测量范围内转动半个周期，测量其桥A和桥B的输出电压为Ua2和Ub2，通过以下公式即可得到该传感器的零位输出电压和角度初始值。

桥A的零位输出电压：

桥B的零位输出电压：

角度初始值为 $\mathrm{\δ}0=\frac{1}{2}\arctan \frac{{\mathrm{Ub}}_s-\mathrm{Ub}0}{{\mathrm{Ua}}_s-\mathrm{Ua}0}.$

其中，Ua_s和Ub_s为井径臂角度处于零位时，桥A和桥B的输出电压。

井径测井仪进行测井作业时，井径的大小会不断变化，则固定在井径臂一端的多极磁环的要随之转动，其所具有的磁场方向将发生改变，这时处在其磁场内的角度传感器将敏感到其方向的变化，并以与2倍角度成三角函数的关系输出相应的电压信号Ua和Ub，通过公公式可计算出其所在的角度值则井径臂张开的实际角度为G＝G1-G0。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种磁阻井径测井仪角度传感器的标定方法，其特征在于，所述传感器包括磁阻双桥和多级永磁环，所述多级永磁环固定在一个转轴上，磁阻双桥设置在转轴的一端；所述磁阻双桥的两个桥臂设置在同一平面内，且所述平面与多级永磁环所在的平面平行，并且两个桥臂相位差为45°；

所述标定方法包括：

步骤a、确定一个所述多级永磁环的起始位置，并测量所述多级永磁环在所述起始位置时，两个桥臂的输出电压Ua1和Ub1；

步骤b、将所述多级永磁环转动半个周期，并测量所述多级永磁环在转动后的位置时，两个桥臂的输出电压Ua2和Ub2；

步骤c、根据步骤a和b的测量结果，获得所述传感器两个桥臂的零位输出电压和角度初始值。

2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，步骤c中

桥A的零位输出电压：

桥B的零位输出电压：

角度初始值为 $\mathrm{\δ}0=\frac{1}{2}\arctan \frac{{\mathrm{Ub}}_s-\mathrm{Ub}0}{{\mathrm{Ua}}_s-\mathrm{Ua}0};$

其中，Ua_s和Ub_s为井径臂角度处于零位时，桥A和桥B的输出电压。

3.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述每个桥臂包括4个电阻，所述4个电阻两两串联后再并联，所述并联电路接在电源与地之间，两个串联支路的分压作为所述桥臂的输出电压。

4.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于，所述同一桥臂内的4个电阻阻值相同，且磁阻灵敏度相同。

5.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述传感器还包括两个运算放大器，所述两个运算放大器分别连接在磁阻双桥两个桥臂的电压输出端。

6.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于，所述传感器还包括两个处理电路，所述两个处理电路分别串联在两个运算放大器的信号输出端，所述处理电路用于消除固有零位偏差或进行电位转换。

7.根据权利要求5所述的标定方法，其特征在于，两个运算放大器为放大倍数相同的运算放大器。