CN103134485A

CN103134485A - 一种用于测斜仪的光纤陀螺

Info

Publication number: CN103134485A
Application number: CN2013100706674A
Authority: CN
Inventors: 伍刚; 万放; 王子宇
Original assignee: WUXI WITLINK INFORMATION Ltd
Current assignee: WUXI WITLINK INFORMATION Ltd
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2013-06-05

Abstract

本发明属于油田、勘探、钻探用测量领域，公开了一种用于测斜仪的光纤陀螺仪。光纤陀螺仪包括超辐射发光二极管[1]、光电检测二极管[2]、光源耦合器[3]、光环耦合器[4]、光纤环[5]、起偏器[6]，所述的光纤环[5]为跑道型。本发明通过将光纤陀螺的光纤环[5]设计为跑道型结构，并选择合适的光纤环的长度，既满足精度要求同时又能减小体积；通过增加激光器的输出功率使得光纤陀螺在水平面上四位置寻北的寻北重复性在1度以内。本发明光纤陀螺外径只有32mm，精度0.2°/hr，抗冲击100g，使用温度范围-40°～+75°，寿命55000小时，满足测斜仪要求的高精度，小体积，高抗震性和宽温度范围的特点，光纤陀螺在运输和使用过程中对环境没有任何特殊要求，非常适宜在测斜仪中使用。

Description

一种用于测斜仪的光纤陀螺

技术领域

本发明属于油田、勘探、钻探用测量领域，更具体地涉及一种用于测斜仪的光纤陀螺仪。

背景技术

目前，在石油地质钻井施工中使用的测斜仪主要是磁通门式测斜仪。它采用三轴正交加速度计测量地球重力矢量和三轴正交磁通门测量地磁场矢量。这种测量的局限性在于它要求磁通门周围5米内不能有任何铁磁物质。由于老井有套管，无法给仪器提供良好的无磁环境，因此利用磁通门测量老井的井眼轨迹无法实现。此时必须使用陀螺测斜仪才可以进行稳定可靠的测量。陀螺钻孔测斜仪是一种不受地磁干扰和周围境磁性影响的钻孔轨迹测量仪器，主要用于磁性矿区钻孔、套管、钻杆等进行钻孔轨迹测量，当然也可在其他不受磁干扰的钻孔中进行轨迹测量。

测井用陀螺受其使用环境的影响具有以下特点。首先，是体积要求严格，尤其直径要小，要求形成仪器后适应套管井井径要求，甚至能在开天窗时从钻杆投入；其次，是较强的抗振性，仪器运输、测钻开天窗或投入井底时，不会损坏陀螺本体;另外还有宽温要求，即仪器能在宽温度范围内精度满足设计要求。

目前测斜仪中使用的陀螺主要是动力调谐陀螺。该陀螺的缺点是造价昂贵、制造复杂，尤其是挠性接头十分脆弱，在振动过程中极易断裂，导致陀螺损毁；若加大挠性接头刚度，则精度将大大下降。这是限制其在石油仪器上推广应用的致命弱点。在国内有采用动力调谐陀螺开发陀螺测斜仪的厂家，从目前应用情况看，效果都不甚理想，主要原因是陀螺易损问题没有得到解决。

因此光纤陀螺是一个更好的选择。光纤陀螺仪是根据萨格奈克理论发展起来的。萨格奈克理论的要点是：当光束在一个环形的通道中前进时，如果环形通道本身具有一个转动速度，那么光沿着通道转动的方向前进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向前进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程会产生变化。利用这种光程的变化，如果使不同方向上前进的光之间产生干涉来测量环路的转动速度，这样就可以制造出干涉式光纤陀螺仪。

光纤陀螺使用在石油仪器上克服了以往陀螺的几乎所有缺点，诸如抗振性差、磁场变化、漂移力矩因素多、工作受环境温度影响大等。因此光纤陀螺是十分适用于陀螺测斜仪的方位传感器。但是光纤陀螺为了保证精度，需要采用越来越多的光纤匝数，需要光纤环绕成一个大的圆形，因而导致光纤陀螺体积较大。目前光纤陀螺的直径一般大于70mm，甚至更大。而用于测斜仪的陀螺直径一般要求小于40mm，70mm的陀螺根本无法在测斜仪中使用。

发明内容

1、本发明的目的。

本发明的目的是为了克服现有的因为精度要求导致光纤陀螺直径过大，无法在测斜仪中使用而提出的一种用于测斜仪的光纤陀螺。

2、本发明所采用的技术方案。

用于测斜仪的光纤陀螺，包括超辐射发光二极管1、光电检测二极管2、光源耦合器3、光环耦合器4、光纤环5、起偏器6，所述的光纤环5为跑道型；超辐射发光二极管1 发出的偏振光输入光源耦合器3的①端口，由光源耦合器3分成两路偏振光，其中沿直通臂传输并由光源耦合器3的③端口输出的偏振光通过起偏器6输入到光环耦合器4的①端口，光环耦合器4将输入的线偏振光分成两路分别从其③、④端口输出；光环耦合器4的③、④端口输出的线偏振光分别沿跑道型光纤环5的顺时针和逆时针方向传输，然后从光环耦合器4的③、④端口返回并在光环耦合器4中发生相干叠加，相干叠加后的线偏振光又被光环耦合器4分成两路并分别从光环耦合器4的①、②端口输出，光环耦合器4的①端口输出的线偏振光中包含两路光：一路为从光环耦合器4的③端口进入跑道型光纤环5，并沿顺时针方向传输的线偏振光，另一路从光环耦合器4的④端口进入跑道型光纤环5，沿逆时针方向传输的线偏振光，这两路光都经过4的直通臂和耦合臂各一次；从光环耦合器4的①端口输出的线偏振光通过起偏器6输入到光源耦合器3的③端口，光源耦合器3将③端口输入的线偏振光信号分成两路，其中一路通过其②端口输入光电检测二极管2；当跑道型光纤环5静止时，从光环耦合器4的①端口出发，分别沿顺时针、逆时针方向传输的两路线偏振光返回光环耦合器4的①端口时所经过的光程是相同的；当跑道型光纤环5转动时，从光环耦合器4的①端口出发，分别沿顺时针、逆时针方向传输的两路线偏振光返回光环耦合器4的①端口时所经过的光程是不相同的，从而光电检测二极管2接收到的光信号强度不同，由此则可以计算出光纤环5转动的角速度。

优选的跑道型光纤环5为熊猫保偏光纤，波长850nm，光纤包层80um，涂覆层165um，跑道型光纤环5采用四级对称绕法。

优选的跑道型光纤环5的长度为1km，跑道型光纤环5绕制的张力是10克，光学指标是衰减小于1dB/km,消光比大于25dB。

3、本发明的有益效果。

本发明通过将光纤陀螺的光纤环设计为跑道型结构，并选择合适的光纤环的长度，既满足精度要求同时又能减小体积的光纤陀螺。光纤陀螺外径只有32mm，精度0.2°/hr，抗冲击100g，使用温度范围-40°～+75°，寿命55000小时，满足测斜仪要求的高精度，小体积，高抗震性和宽温度范围的特点，光纤陀螺在运输和使用过程中对环境没有任何特殊要求，非常适宜在测斜仪中使用。

附图说明

图1是涉型全光纤陀螺仪的光路结构。

图2是光纤陀螺仪的光纤环骨架。

图3光纤陀螺仪的机构件。

具体实施方式

实施例1

光纤的选择和绕制方式也非常重要。我们选择的光纤是熊猫保偏光纤，波长850nm，光纤包层80um，涂覆层165um。为了提高光纤陀螺抗温度变化，光纤采用四级对称绕法。同时为了提高陀螺仪的灵敏度，需要增加光纤的长度，通过测算，光纤环的最优长度为1km。为了增加光纤环的抗振动性能，光纤环需要刷胶，选择合适的胶也非常重要，胶不合适会导致消光比下降。光纤环绕制的张力是另外一个重要指标，最优选择光纤环的张力是10克。最终跑道型光纤环的光学指标是衰减小于1dB/km,消光比大于25dB.

实施例2

光纤的选择和绕制方式也非常重要。选择的光纤是熊猫保偏光纤，波长850nm，光纤包层80um，涂覆层165um。为了提高光纤陀螺抗温度变化，光纤采用四级对称绕法。同时为了提高陀螺仪的灵敏度，需要增加光纤的长度，通过测算，光纤环的最优长度为1km。为了增加光纤环的抗振动性能，光纤环需要刷胶，选择合适的胶也非常重要，胶不合适会导致消光比下降。光纤环绕制的张力是另外一个重要指标，最优选择光纤环的张力是10克。最终跑道型光纤环的光学指标是衰减小于1dB/km,消光比大于25dB.

根据干涉式光纤陀螺的原理，如果光纤环5所绕成的面积越大，则陀螺仪越灵敏，测量精度越高，但是体积也越大，但是小体积是测斜仪所必须的。因此，把光纤环5设计成跑道型而非圆形，将光纤环缠绕在跑道型骨架上形成跑道型光纤环如图2所示。光纤的选择和绕制方式也非常重要。选择的光纤是熊猫保偏光纤，波长850nm，光纤包层80um，涂覆层165um。为了提高光纤陀螺抗温度变化，光纤采用四级对称绕法。同时为了提高陀螺仪的灵敏度，需要增加光纤的长度，但是长度增加又导致产品成本提高，光纤环消光比下降，插损增大，绕制难度增大，所以必须合理的选择光纤长度。通过测算，最终选择光纤环的长度为1km。为了增加光纤环的抗振动性能，光纤环需要刷胶，选择合适的胶也非常重要，胶不合适会导致消光比下降。光纤环绕制的张力是另外一个重要指标，我们选择光纤环的张力是10克。最终跑道型光纤环的光学指标是衰减小于1dB/km,消光比大于25dB.

设计好的光纤环5和相应的信号调理电路安装在陀螺机构7中，如图3所示。陀螺机构件外径为32mm，从而满足测斜仪小尺寸的要求，陀螺机构件7上部是一个M10的螺纹孔71，用来引出信号、电源线，螺纹用来和测斜仪的其它部分吻合。陀螺机构件7两端是两个定位孔72，定位孔的目的是用来安装定位栓，光纤陀螺用于测斜中时，需要进行四方位寻北操作，此时陀螺需要沿自身轴旋转四个角度，0度,90度，180度，270度，需要用一个精确的步进电机带动，定位孔设计的目的就是方便电机带动，同时定位孔也能指明陀螺的敏感轴方向。陀螺机构件7的底端为支撑柱73。

陀螺测斜仪的本质是利用陀螺寻北，陀螺寻北需要陀螺能够精确检测地球的自转，此时对陀螺的输出噪声有很高的要求，而对陀螺的漂移要求比较低。为了减小陀螺输出噪声，需要增加光纤环的长度，另外，增加激光器的输出功率是另外一个可行途径。因此，我们选择出功率大的激光器来减小陀螺的输出噪声。通过这两个方法，最终让光纤陀螺在水平面上四位置寻北的寻北重复性在1度以内，完全满足测斜仪指标要求。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用于测斜仪的光纤陀螺，其特征在于：包括超辐射发光二极管[1]、光电检测二极管[2]、光源耦合器[3]、光环耦合器[4]、光纤环[5]、起偏器[6]，所述的光纤环[5]为跑道型光纤环；超辐射发光二极管[1] 发出的偏振光输入光源耦合器[3]的①端口，由光源耦合器[3]分成两路偏振光，其中沿直通臂传输并由光源耦合器[3]的③端口输出的偏振光通过起偏器[6]输入到光环耦合器[4]的①端口，光环耦合器[4]将输入的线偏振光分成两路分别从其③、④端口输出；光环耦合器[4]的③、④端口输出的线偏振光分别沿跑道型光纤环[5]的顺时针和逆时针方向传输，然后从光环耦合器[4]的③、④端口返回并在光环耦合器[4]中发生相干叠加，相干叠加后的线偏振光又被光环耦合器[4]分成两路并分别从光环耦合器[4]的①、②端口输出，光环耦合器[4]的①端口输出的线偏振光中包含两路光：一路为从光环耦合器[4]的③端口进入跑道型光纤环[5]，并沿顺时针方向传输的线偏振光，另一路从光环耦合器[4]的④端口进入跑道型光纤环[5]，沿逆时针方向传输的线偏振光，这两路光都经过4的直通臂和耦合臂各一次；从光环耦合器[4]的①端口输出的线偏振光通过起偏器[6]输入到光源耦合器[3]的③端口，光源耦合器[3]将③端口输入的线偏振光信号分成两路，其中一路通过其②端口输入光电检测二极管[2]；当跑道型光纤环[5]静止时，从光环耦合器[4]的①端口出发，分别沿顺时针、逆时针方向传输的两路线偏振光返回光环耦合器[4]的①端口时所经过的光程是相同的；当跑道型光纤环[5]转动时，从光环耦合器[4]的①端口出发，分别沿顺时针、逆时针方向传输的两路线偏振光返回光环耦合器[4]的①端口时所经过的光程是不相同的，从而光电检测二极管[2]接收到的光信号强度不同，由此则可以计算出光纤环5转动的角速度。

2.根据权利要求1所述的用于测斜仪的光纤陀螺，其特征在于：所述的跑道型光纤环[5]为熊猫保偏光纤。

3.根据权利要求2所述的用于测斜仪的光纤陀螺，其特征在于：所述的熊猫保偏光纤波长850nm，光纤包层80um，涂覆层165um。

4.根据权利要求1-3任一所述的用于测斜仪的光纤陀螺，其特征在于：所述的跑道型光纤环[5]采用四级对称绕法。

5.根据权利要求4所述的用于测斜仪的光纤陀螺，其特征在于：所述的跑道型光纤环[5]的长度为1km。

6.根据权利要求5所述的用于测斜仪的光纤陀螺，其特征在于：所述的跑道型光纤环[5]绕制的张力是10克。

7.根据权利要求6所述的用于测斜仪的光纤陀螺，其特征在于：所述的跑道型光纤环[5]的光学指标是衰减小于1dB/km,消光比大于25dB。

8.根据权利要求7所述的用于测斜仪的光纤陀螺，其特征在于：所述的跑道型光纤环[5]和信号调理电路安装在陀螺机构件[7]中，陀螺机构件外径为32mm，陀螺机构件[7]上部是一个M10的螺纹孔[71]，陀螺机构件[7]两端是两个定位孔[72]，陀螺机构件[7]的底端为支撑柱[73]。