CN103147739B - 一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺imu组合体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于石油测斜仪的光纤陀螺IMU组合体，该IMU组合体是将磁屏蔽圆筒外套、光纤陀螺敏感环模块、数据处理电路模块、光源组件模块和加速度计模块安装在IMU骨架上。该IMU骨架在空间上呈圆筒与框架组合的结构布局。组成光纤陀螺IMU组合的各模块通过IMU骨架上的安装凸台固定安装，使得模块间内部热传导的通径面积最小，结合内部各模块的空间交叉布局、以及外部磁屏蔽套筒的热均衡作用，有效减少了IMU组合体的内部热不均匀性。光纤陀螺IMU组合体具有基准传递结构，可实现IMU安装基准的导出。本发明的光纤陀螺IMU组合用于石油测斜仪时，具有良好的环境适应性和测量精度。

Description

一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU组合体

技术领域

本发明涉及一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU组合体，是利用骨架决定了安装在其上的石油测斜仪所需零件的坐标关系。

背景技术

测斜仪是油井井眼轨迹的主要测量工具，传统的测斜仪主要采用机械陀螺作为角速度传感器测量井斜及方位角、采用加速度计（即加表组件）采集相对惯性空间的信息。随着技术的进步，光纤陀螺型石油测斜仪的研制和应用日益广泛。光纤陀螺技术应用于石油测斜领域，需要重点解决的问题是：

（1）尺寸限制。测斜仪通常为筒形结构，光纤陀螺（即敏感环组件）和加表组件在测斜仪内部的布局既要保证与IMU基准坐标系O-XYZ正交的一致，又要适应测斜仪轴向/径向尺寸比极大的结构特点。

（2）复杂的强磁场应用环境。井下作业的地磁环境复杂，测斜仪必须有相应的抗地磁干扰措施。

（3）长时间高温工作。测斜仪在井下工作时的温度相对较高，测试时间长，要保证IMU单元具有较好的温度适应性，结构设计必须要有与之适应的措施。

（4）坐标基准传递。特殊的应用环境决定了测斜仪必须采用多层嵌套和分段连接的内部结构，做为核心器件的IMU单元，其坐标基准必须能从测斜仪的内层有效传递到仪器的外部。

目前已开发的光纤陀螺石油测斜仪，其IMU组合体存在的主要问题是：（1）不能实现模块化设计，结构复杂、装配工艺性差。（2）不能实现有效的内部热均衡，温度性能不佳。（3）磁屏蔽效果不好，或者磁屏蔽的结构复杂、加工、装配困难。光纤陀螺技术在油井测斜领域的应用，必须考虑上述行业背景和行业应用的特殊性。石油测斜仪用光纤陀螺IMU骨架的结构设计应兼顾IMU单元的技术要求和测斜仪的特点。IMU，Inertial measurement unit，惯性测量单元。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于石油测斜仪的光纤陀螺IMU组合体，该IMU组合体包括了IMU骨架、磁屏蔽圆筒外套、光纤陀螺敏感环模块、数据处理电路模块、光源组件模块和加速度计模块。该IMU组合体实现了模块化的设计，各组件可以单独装配后再安装到IMU骨架上，装配过程简单、可维护性好。双重磁屏蔽防护设计、组件的交叉空间布局和安装凸台设计，保证了IMU组合在复杂井下环境中具备良好的环境适应性和温度性能。所述IMU骨架采用一体成型技术制造，空间呈筒形与框架组合的结构布局，这样的结构布局有利于实现石油测斜仪用IMU骨架的组件化、模块化设计；也使得IMU组合体上的各部件之间的空间交叉布局和光纤走纤通道的合理布局。本发明设计的骨架重量轻、强度高、易于加工和零件装配，能满足井下应用的温度适应性要求。结合安装在外部的磁屏蔽圆筒外套，对井下的复杂地磁条件具有较强的环境适应性。其中，用于石油测斜仪的光纤陀螺敏感环装置适应石油测斜仪应用的要求，结构简单、装配方便，具有磁屏蔽能力和一定的密封性，在批量生产时有利于实现性能的一致性。

其中，用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU骨架包括有Z轴向腔体（1）、X轴向腔体（2）、Y轴向腔体（3）、电路板安装腔体（4）、光源组件安装腔体（5）、加表组件安装腔体（6）和IMU坐标基准导出腔体（7）；

所述骨架在空间上呈圆筒与框架组合的结构布局，即Z轴向腔体（1）为圆筒形结构；X轴向腔体（2）为箱型框架结构；Y轴向腔体（3）为箱型框架结构；电路板安装腔体（4）为箱型框架结构；光源组件安装腔体（5）为箱型框架结构；加表组件安装腔体（6）为箱型框架结构；IMU坐标基准导出腔体（7）为圆筒形结构；

Z轴向腔体（1）的底部加工有第一安装凸台（11），所述第一安装凸台（11）上设有第一固定孔（12）；

Z轴向腔体（1）的第一外筒安装面板（14）上设有第二固定孔（13）、第三固定孔（15）、光纤导引槽（16）；所述光纤导引槽（16）的一端开口与腔体导通，所述光纤导引槽（16）的另一端开口与X轴向腔体（2）的第一走纤通道（23）连续；

X轴向腔体（2）上下为开放式的；X轴向腔体（2）的左侧板（2A）上设有矩形通孔（2C），左侧板（2A）的上端设有第一走纤通道（23），该第一走纤通道（23）与光纤导引槽（16）为连续结构；X轴向腔体（2）的右侧板（2B）的内侧壁上设有第二安装凸台（21），第二安装凸台（21）上开有第四固定孔（22）；

Y轴向腔体（3）左右为开放式的；Y轴向腔体（3）的上侧板（3A）的内侧壁上设有第三安装凸台（31），第三安装凸台（31）上开有第五固定孔（32）；Y轴向腔体（3）的下侧板（3B）的后部为第二外筒安装面板（36），上侧板（3A）的左端部设有凸棱（33），凸棱（33）与上侧板（3A）左端的端面之间留有间隙，该间隙用于第一尾纤通过，形成第二走纤通道（34）；第二走纤通道（34）与第一走纤通道（23）连续；

电路板安装腔体（4）上下为开放式的；电路板安装腔体（4）的左面为左侧板（4A）、电路板安装腔体（4）的右面为右侧板（4B）；

电路板安装腔体（4）内设有第四安装凸台（41），所述第四安装凸台（41）上开有第七固定孔（42）；

电路板安装腔体（4）的上边与光源组件安装腔体（5）的上边连续处设有第五安装凸台（43），所述第五安装凸台（43）上开有第八固定孔（44）；

电路板安装腔体（4）的下边与光源组件安装腔体（5）的下边连续处设有第六安装凸台（43A），所述第六安装凸台（43A）上开有第九固定孔（44A）；

光源组件安装腔体（5）上下为开放式的；光源组件安装腔体（5）的左面为左侧板（5A）、光源组件安装腔体（5）的右面为右侧板（5B）；右侧板（5B）上设有过线孔（55）和压线孔（56），过线孔（55）和压线孔（56）用于布放和固定电信号引线；

光源组件安装腔体（5）内设有第七安装凸台（51），所述第七安装凸台（51）上开有第十固定孔（52）；

在光源组件安装腔体（5）的左侧板（5A）的侧部加工了第四凸棱（45），第三凸棱（45）与电路板安装腔体（4）的上板面构成了第三走纤通道（46），该第三走纤通道（46）与第二走纤通道（34）接续；

加表组件安装腔体（6）下方为开放式的；加表组件安装腔体（6）上设有上侧板（6D）、左侧板（6A）、右侧板（6B）、前侧板（6C）；上侧板（6D）上开有第十二固定孔（65），上侧板（6D）的内壁上设有第九安装凸台（64）；左侧板（6A）上设有走线孔（63A）；右侧板（6B）上设有走线孔（63）和通孔，右侧板（6B）的内壁上设有第八安装凸台（61），第八安装凸台（61）上设有第十一固定孔（62）；前侧板（6C）的下端端部为圆弧形；

IMU坐标基准导出腔体（7）的定位底面板（72）的中心有过线孔（75），第四外筒安装面板（71）与磁屏蔽圆筒外套的另一端固定连接；IMU坐标基准导出腔体（7）的定位圆周体上设有定位键槽（73）、第十三固定孔（74）；通过第十三固定孔（74）实现IMU骨架与石油测斜仪其它组件端头的连接固定。

其中，用于石油测斜仪器的光纤陀螺敏感环包括有光纤线圈（200）、磁屏蔽外壳（100）、光纤环骨架（300）和光纤导引件（400）；

磁屏蔽外壳（100）由盒体（101）和顶盖（102）两部分组成；盒体（101）的盒体底面板（103）上设有第一凸台通孔（131）、第二凸台通孔（132）、第三凸台通孔（133）、螺钉通孔（134）和圆形通孔（135）；第一凸台通孔（131）用于光纤环骨架（300）上的第一凸台（303A）穿过；第二凸台通孔（132）用于光纤环骨架（300）上的第二凸台（303B）穿过；第三凸台通孔（133）用于光纤环骨架（300）上的第三凸台（303C）穿过；螺钉通孔（134）用于底部螺钉（500）穿过；顶盖（102）的盖体上面板（107）的外缘上设有盖体外凸缘（108），盖体外凸缘（108）与盖体上面板（107）的结构组合为光纤线圈（200）的入纤（201）和尾纤（202）提供了固定挡板和盘纤操作平面；顶盖（102）的下方设有下凸面板（17A）、定位面板（17B）；在下凸面板（17A）的区域里设有矩形通孔（121）、螺钉通孔（122）、圆形通孔（123）、矩形腔（124）；矩形通孔（121）用于光纤导引件（400）中压盖（402）的压头（422）穿过，且使光纤导引件（400）中压盖（402）的挡板（421）置于矩形腔（124）中；螺钉通孔（122）用于顶部螺钉（600）穿过；

光纤环骨架（300）上设有上端面板（302）、下端面板（301）和纤环体（309）；纤环体（309）位于上端面板（302）与下端面板（301）之间；上端面板（302）上设有矩形开口腔（321）、低平台（322）、第一导引槽（305）、第二导引槽（305A）、第一上翼缘（36）、第二上翼缘（36A）；矩形开口腔（321）中安装有光纤导引件（400）的底座（401）；第一导引槽（305）和第一上翼缘（306）用于光纤线圈（200）的光纤入纤（201）进行方向引导；第二导引槽（35A）和第二上翼缘（36A）用于光纤线圈（200）的光纤尾纤（202）进行方向引导；低平台（322）与顶盖（102）底部的间隙配合，实现光纤线圈（200）缠绕的定位。下端面板（301）上设有第一凸台（303A）、第二凸台（303B）、第三凸台（303C）、螺纹孔（307）、导引孔（308）；第一凸台（303A）的中心设有第一固定孔（304A）；第二凸台（303B）的中心设有第二固定孔（304B）；第三凸台（303C）的中心设有第三固定孔（304C）；螺纹孔（307）中放置螺钉实现将光纤环骨架（300）下端与盒体（101）底部的固定安装；导引孔（308）用于线缆通过，该线缆也通过盒体（101）底部的圆形通孔（135）。

光纤导引件（400）由底座（401）和压盖（402）两部分组成；底座（401）和压盖（402）装配后一端形成有导引槽区域（403），另一端形成有灌胶口（404）；底座（401）的上部为倾斜面板（411），该倾斜面板（411）置于压盖（402）下部的倾斜腔（423）中；压盖（402）上设有挡板（421）、压头（422）、倾斜腔（423）；挡板（421）置于顶盖（12）的矩形腔（124）中；压头（422）穿过顶盖（102）的矩形通孔（121）；倾斜腔（423）用于放置底座（401的倾斜端；压盖（402）与底座（401）装配后预留有一用于灌胶封装光纤线圈（200）的灌胶通道；

光纤线圈（200）的一端称为入纤（201），光纤线圈（200）的另一端称为尾纤（202），光纤线圈（200）缠绕在光纤环骨架（300）的纤环体（309）上。

本发明设计的光纤陀螺IMU组合体的优点在于：

①本发明IMU骨架空间呈筒形与框架组合的结构布局，这样的结构布局有利于实现石油测斜仪用IMU的组件化、模块化设计；且重量轻、强度高、易于加工。

②在筒形与框架外部安装磁屏蔽圆筒外套（坡莫合金材料），提高了光纤陀螺IMU骨架在井下复杂地磁环境的环境适应性。

③本发明IMU骨架采用一体化加工成型，便于零件装配，这里的零件是指构成IMU单元所必须的器件，可以是光纤陀螺、加表、电路板、光源组件等。

④本发明IMU骨架坐标保持与IMU坐标系相同便于敏感环、加表组件沿坐标轴的安装，提高了测量精度，同时也使得骨架便于工业化加工生产。

⑤本发明IMU骨架采用空间呈筒形与框架组合的结构布局，以及在骨架的两端与测斜仪其它部件固定连接的结构。在各个腔体的上通过加工有安装功能的凸台结构，使得IMU单元所需零件装配简单，各零件相互之间的传热通道保持最小，这有利于IMU单元的热均衡。

⑥本发明IMU骨架外部安装的磁屏蔽圆筒外套可以加工为一体件，也可以加工为分段件进行套接在骨架上，在抗磁扰方面上具有结构简单、加工方便、便于装配的特点。

⑦本发明磁屏蔽外壳采用坡莫合金加工，具有抗磁扰。磁屏蔽外壳的盒体和顶盖形成密封的圆筒形结构，其体积尺寸小，且装配方便。

⑧本发明通过在磁屏蔽外壳的顶盖上设置光纤导引件，并通过光纤导引件上的灌胶口进行注胶，使得安装在磁屏蔽外壳内的光纤线圈和光纤环骨架的封装更为方便及简单，不但提高了光纤陀螺敏感环的封装精度，而且密封性更好。

⑨本发明通过在光纤环骨架的上端面板加工对称的导引槽结构，能够保证敏感环批量生产时的性能一致性。

⑩本发明通过在光纤环骨架上缠绕有光纤线圈，构成了敏感环的装配基础；磁屏蔽外壳通过螺钉固定到骨架上；光纤导引件安装在环骨架和磁屏蔽外壳之间，提供了尾纤的导引槽空间，该导引槽和加工在光纤环骨架上端面的导引槽结构一起，提供了一个固定曲率且光滑过渡的尾纤导引通道，有利于保持光纤敏感环的性能一致性，同时也有利于批量生产。

附图说明

图1是本发明光纤陀螺IMU组合体的结构图。

图2是本发明光纤陀螺IMU骨架的正视面结构图。

图2A是图1的后视图。

图2B是图1的右视图。

图2C是图1的左视图。

图2D是图1的仰视图。

图2E是图1的俯视图。

图3是图1的俯视角度的结构图。

图3A是图1的仰视角度的结构图。

图3B是加表组件安装腔体部分的放大结构图。

图4是图1A的俯视角度的结构图。

图4A是图1A的仰视角度的结构图。

图5是本发明X轴向光纤陀螺敏感环装置的外部结构图。

图5A是本发明X轴向光纤陀螺敏感环装置另一视角的外部结构图。

图5B是本发明X轴向光纤陀螺敏感环装置的分解图。

图6是本发明磁屏蔽外壳的顶盖的结构图。

图6A是本发明磁屏蔽外壳的盒体的结构图。

图7是本发明光纤骨架的结构图。

图8是本发明光纤导引件的结构图。

图8A是本发明光纤导引件另一视角的结构图。

图8B是本发明光纤导引件的分解图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明的一种用于石油测斜仪的光纤陀螺IMU组合体，该IMU组合体包括了IMU骨架81、磁屏蔽圆筒外套82、光纤陀螺敏感环模块、数据处理电路模块84、光源组件模块85和加速度计模块86。为了方便说明石油测斜仪所需零件安装在本发明IMU骨架81上的位置，将石油测斜仪所需零件进行了名称定义。所述数据处理电路模块84包括有数据第一处理电路板、数据第二处理电路板、数据第三处理电路板；所述光源组件模块85中有光源器件和光源驱动电路板85A；所述加速度计模块86中有三个加速度计和加表处理电路板86A，三个加速度计是指X轴加速度计、Y轴加速度计、Z轴加速度计；所述光纤陀螺敏感环模块包括有结构相同的X轴光纤陀螺敏感环83B、Y轴光纤陀螺敏感环83C和Z轴光纤陀螺敏感环83A。

参见图2、图2A～图2E、图3、图3A、图3B、图4、图4A所示，本发明的一种用于石油测斜仪的光纤陀螺IMU骨架，该骨架包括有Z轴向腔体1、X轴向腔体2、Y轴向腔体3、电路板安装腔体4、光源组件安装腔体5、加表组件安装腔体6和IMU坐标基准导出腔体7；所述的七个腔体在空间上呈圆筒与框架组合的结构布局，这样的结构布局保证了石油测斜仪对IMU坐标基准传递的要求。

本发明设计的骨架外面安装有磁屏蔽圆筒外套82，利用磁屏蔽圆筒外套82实现对磁的阻隔。

Z轴向腔体1内安装Z轴光纤陀螺敏感环83A；

X轴向腔体2内安装X轴光纤陀螺敏感环83B；

Y轴向腔体3内安装Y轴光纤陀螺敏感环83C；

电路板安装腔体4内安装有数据处理电路模块84；

光源组件安装腔体5内安装有光源组件模块85；

加表组件安装腔体6内安装有加表组件模块86。

（一）Z轴向腔体1

参见图2、图2A、图3、图3A所示，Z轴向腔体1为圆筒形结构。

Z轴向腔体1的底部加工有第一安装凸台11，所述第一安装凸台11上设有第一固定孔12，通过所述第一固定孔12用于实现将Z轴光纤陀螺敏感环安装在Z轴向腔体1内。

Z轴向腔体1的第一外筒安装面板14上设有第二固定孔13、第三固定孔15、光纤导引槽16；所述光纤导引槽16的一端开口与腔体导通，所述光纤导引槽16的另一端开口与X轴向腔体2的第一走纤通道23连续；所述光纤导引槽16沿着Z轴向腔体1的外筒弧形且轴向开槽。

第二固定孔13为沿骨架的径向进行加工的孔，用于实现将IMU组件与石油测斜仪的其它部件进行连接固定。

第三固定孔15为沿骨架的径向进行加工的孔，用于固定磁屏蔽圆筒外套。

本发明设计的Z轴向腔体1通过在底部设置沿IMU坐标系O-XYZ中Z轴方向的空间平面，即第一安装凸台11，并将Z轴光纤陀螺敏感环固定在其上，从而实现沿IMU基准坐标系的坐标传递。为了导出Z轴光纤陀螺敏感环的尾纤（即第一尾纤），通过光纤导引槽16实现将第一尾纤引出，且延续至X轴向腔体2的第一走纤通道23。

（二）X轴向腔体2

参见图2、图2A、图3、图3A所示，X轴向腔体2为一体化加工成型的箱型框架结构。

X轴向腔体2上下为开放式的；X轴向腔体2的左侧板2A上设有矩形通孔2C，左侧板2A的上端设有第一走纤通道23，该第一走纤通道23与光纤导引槽16为连续结构，用于实现将Z轴光纤陀螺敏感环的尾纤进行限位和导出；X轴向腔体2的右侧板2B的内侧壁上设有第二安装凸台21，第二安装凸台21上开有第四固定孔22。第二安装凸台21用于固定X轴光纤陀螺敏感环。

在本发明中，X轴向腔体2为沿IMU坐标O-XYZ系的X向设置，故左侧板2A和右侧板2B沿骨架的轴向设置，保证了安装在X轴向腔体2内的X轴光纤陀螺敏感环的坐标传递。

（三）Y轴向腔体3

参见图2、图2A、图3、图3A所示，Y轴向腔体3为一体化加工成型的箱型框架结构。该箱型框架包括有上侧板3A、下侧板3B、前侧板3C和后侧板3D。

Y轴向腔体3左右为开放式的；Y轴向腔体3的上侧板3A的内侧壁上设有第三安装凸台31，第三安装凸台31上开有第五固定孔32。第三安装凸台31用于固定Y轴光纤陀螺敏感环。Y轴向腔体3的下侧板3B的后部为第二外筒安装面板36（做为磁屏蔽套筒的定位面），第二外筒安装面板36用于与磁屏蔽圆筒外套通过螺钉固定。上侧板3A的左端部设有凸棱33，凸棱33与上侧板3A左端的端面之间留有间隙，该间隙用于第一尾纤通过，形成第二走纤通道34。第二走纤通道34与第一走纤通道23接续或称为通道的连续。

在本发明中，Y轴向腔体3为沿IMU坐标O-XYZ系的Y向设置，故上侧板3A和下侧板3B沿骨架的径向设置，保证了安装在Y轴向腔体3内的Y轴光纤陀螺敏感环的坐标传递。

在本发明中，Z轴向腔体1、X轴向腔体2和Y轴向腔体3中设计的安装凸台（11、21、31）在空间上成正交布置，即满足IMU坐标O-XYZ系（三轴坐标系）的设置，从而保证了安装在各个腔体（1、2、3）内的光纤陀螺敏感环之间的正交直角坐标系关系。

在本发明中，Z轴向腔体1中安装的Z轴向光纤陀螺敏感环的尾纤、X轴向腔体2中安装的X轴向光纤陀螺敏感环的尾纤和Y轴向腔体3中安装的Y轴向光纤陀螺敏感环的尾纤以连续的走纤通道进行光纤布局。

（四）电路板安装腔体4

参见图2、图2A、图3、图3A所示，电路板安装腔体4为一体化加工成型的箱型框架结构。

电路板安装腔体4上下为开放式的；电路板安装腔体4的左面为左侧板4A、电路板安装腔体4的右面为右侧板4B。

电路板安装腔体4内设有第四安装凸台41，所述第四安装凸台41上开有第七固定孔42；该第四安装凸台41用于起支撑数据第一处理电路板，且通过在第七固定孔42内放置螺钉将数据第一处理电路板固定于电路板安装腔体4内。

电路板安装腔体4的上边与光源组件安装腔体5的上边连续处设有第五安装凸台43，所述第五安装凸台43上开有第八固定孔44。通过在第八固定孔44内放置螺钉实现将数据第二处理电路板固定在第五安装凸台43上。

电路板安装腔体4的下边与光源组件安装腔体5的下边连续处设有第六安装凸台43A，所述第六安装凸台43A上开有第九固定孔44A。通过在第九固定孔44A内放置螺钉实现将数据第三处理电路板固定在第六安装凸台43A上。

在电路板安装腔体4的左侧板4A的侧部加工了第三凸棱45，第三凸棱45与电路板安装腔体4的上板面构成了第三走纤通道46，该第三走纤通道46与第二走纤通道34（设置在第三安装凸台3上）接续。

（五）光源组件安装腔体5

参见图2、图2A、图3、图3A所示，光源组件安装腔体5为一体化加工成型的箱型框架结构。

光源组件安装腔体5上下为开放式的；光源组件安装腔体5的左面为左侧板5A、光源组件安装腔体5的右面为右侧板5B。右侧板5B上设有过线孔55和压线孔56，过线孔55和压线孔56用于布放和固定电信号引线。

光源组件安装腔体5内设有第七安装凸台51，所述第七安装凸台51上开有第十固定孔52；该第七安装凸台51用于起支撑光源驱动电路板，且通过在第十固定孔52内放置螺钉将第四电路板固定于光源组件安装腔体5内。

在光源组件安装腔体5的左侧板5A的侧部加工了第四凸棱45，第三凸棱45与电路板安装腔体4的上板面构成了第三走纤通道46，该第三走纤通道46与第二走纤通道34（设置在第三安装凸台3上）接续。

在光源组件安装腔体5的左侧板5A的侧部加工了第四凸棱53，第四凸棱53与光源组件安装腔体5的上板面构成了第四走纤通道54，该第四走纤通道54与第三走纤通道46（设置在电路板安装腔体4上）接续。

在本发明中，光源组件安装腔体5与电路板组件安装腔体4的结构类似，并共用部分结构体，即电路板组件安装腔体4的左侧板4A与光源组件安装腔体5的左侧板5A为接续结构，电路板组件安装腔体4的右侧板4B与光源组件安装腔体5的右侧板5B为接续结构；第四走纤通道54与第三走纤通道46接续。

（六）加表组件安装腔体6

参见图2、图2A、图2B、图3、图3A所示，加表组件安装腔体6为一体化加工成型的箱型框架结构。该箱型框架包括有上侧板6D、左侧板6A、右侧板6B、前侧板6C。

上侧板6D上开有第十二固定孔65，上侧板6D的内壁上设有第九安装凸台64，第九安装凸台64上固定安装加速度计底板，所述加速度计底板上正交安装了三个加速度计，通过在第十二固定孔65内放置螺钉实现加速度计固定。

左侧板6A上设有走线孔63A。

右侧板6B上设有走线孔63和通孔，右侧板6B的内壁上设有第八安装凸台61，第八安装凸台61上设有第十一固定孔62，第八安装凸台61上固定安装加表组件，通过在第十一固定孔62内放置螺钉实现加表组件固定。

前侧板6C的下端端部为圆弧形，前侧板6C用于与磁屏蔽圆筒外套进行吻合。通过螺钉实现固定。

加表组件安装腔体6下方为开放式的；左侧板6A上开有过线孔63A，右侧板6B上开有过线孔63。

左侧板和右侧板上的走线孔提供引导信号引线的穿过通道。

在本发明中，加表组件安装腔体6上设计的第八安装凸台61与前述的安装凸台（11、21、31）之间保持正交直角系关系，共同构成了石油测斜仪IMU组件的坐标基准。

在本发明中，X轴向腔体2、Y轴向腔体3、电路板安装腔体4、光源组件安装腔体5、加表组件安装腔体6的外部套接有磁屏蔽圆筒外套。

（七）IMU坐标基准导出腔体7

参见图2、图2A、图3、图3A所示，IMU坐标基准导出腔体7为圆筒形结构。

IMU坐标基准导出腔体7的定位底面板72的中心有过线孔75（过线孔75用于线缆穿过），第四外筒安装面板71与磁屏蔽圆筒外套的另一端固定连接。IMU坐标基准导出腔体7的定位圆周体上设有定位键槽73、第十三固定孔74；第十三固定孔74可实现IMU骨架与石油测斜仪其它组件端头的连接固定。

定位底面板72上安装有石油测斜仪的零件，该零件的安装方向需要与油测斜仪实现径向（Y轴向）定位安装；该零件通过定位键与定位键槽73的键配合，可实现IMU组件的圆周定位和IMU坐标基准传递。

本发明设计的石油测斜仪用IMU骨架采用一体成型技术制造，各个腔体构成了筒形与框架组合的结构，使得骨架具有强度大、重量轻、易于加工的优点。石油测斜仪所需零件都通过各个腔体上的安装凸台（11、21、31、41、43、43A、51、61、64）与IMU骨架安装连接，具有最小的传热通道，利于实现热均衡。其中，第一安装凸台11、第二安装凸台21、第三安装凸台31、第八安装凸台61之间的相互垂直，保证了敏感环（三个敏感环即分布在XYZ三轴上的）和加表组件安装时具有确定的正交直角坐标关系，并且，通过IMU坐标基准导出腔体7可以实现IMU组件坐标基准的导出。磁屏蔽圆筒外套与IMU骨架上的安装面板（14、35、66、71）实现分段固定，具有加工简便、易于安装的特点。

参见图5、图5A、图5B所示，本发明的一种用于石油测斜仪的光纤陀螺敏感环装置，该敏感环装置包括有磁屏蔽外壳1、光纤线圈2、光纤环骨架3和光纤导引件4。其中光纤线圈2的一端称为入纤21，光纤线圈2的另一端称为尾纤22，光纤线圈2根据油井测斜领域使用需要的圈数缠绕在光纤环骨架3的纤环体39上。

（八）磁屏蔽外壳1

参见图5、图5A、图5B、图6、图6A所示，本发明设计的磁屏蔽外壳100由盒体101和顶盖102两部分组成。磁屏蔽外壳100采用坡莫合金材料加工，具有抗磁扰。

参见图5A、图6A所示，盒体101的盒体底面板103上设有第一凸台通孔131、第二凸台通孔132、第三凸台通孔133、螺钉通孔134和圆形通孔135；第一凸台通孔131用于光纤环骨架300上的第一凸台33A穿过；第二凸台通孔132用于光纤环骨架300上的第二凸台33B穿过；第三凸台通孔133用于光纤环骨架300上的第三凸台33C穿过；螺钉通孔134用于底部螺钉500穿过；圆形通孔135用于将敏感环通过螺钉或者销钉与IMU骨架固定。IMU，Inertial measurement unit，惯性测量单元。

参见图5、图5B、图6所示，顶盖102的盖体上面板107的外缘上设有盖体外凸缘108，盖体外凸缘108与盖体上面板107的结构组合为光纤线圈200的入纤201和尾纤202提供了固定挡板和盘纤操作平面。顶盖102的下方设有下凸面板17A、定位面板17B；在下凸面板17A的区域里设有矩形通孔121、螺钉通孔122、圆形通孔123、矩形腔124；矩形通孔121用于光纤导引件400中压盖402的压头422穿过，且使光纤导引件400中压盖402的挡板421置于矩形腔124中；螺钉通孔122用于顶部螺钉600穿过；圆形通孔123用于光纤线圈200的两端即入纤201和尾纤202穿过。定位面板17B用于与盒体101的盒体内圆周面106接触定位，盖体外圆周面105用于与盒体101的盒体上缘104接触定位。

在本发明中，磁屏蔽外壳100的盒体底面板103和光纤环骨架300的下端面板301之间通过底部螺钉500连接固定。盒体上缘104与光纤环骨架300的第一上翼缘306和第二上翼缘306A之间通过间隙配合实现径向定位。顶盖102通过顶部螺钉600与光纤环骨架300的上端面板32固定。

（九）光纤环骨架3

参见图5、图5A、图5B、图7所示，本发明设计的光纤环骨架300为一体成型结构件，光纤环骨架300上设有上端面板302、下端面板301和纤环体309。为了实现减轻重量，纤环体309为中空结构。

上端面板302上设有矩形开口腔321、低平台322、第一导引槽305、第二导引槽305A、第一上翼缘306、第二上翼缘306A；矩形开口腔321中安装有光纤导引件400的底座401；第一导引槽305和第一上翼缘306用于光纤线圈200的光纤入纤201进行方向引导；第二导引槽305A和第二上翼缘306A用于光纤线圈200的光纤尾纤202进行方向引导；低平台322与顶盖102底部的间隙配合，实现光纤线圈200缠绕的定位。

下端面板301上设有第一凸台303A、第二凸台303B、第三凸台303C、螺纹孔307、导引孔308；第一凸台303A的中心设有第一固定孔304A；第二凸台303B的中心设有第二固定孔304B；第三凸台303C的中心设有第三固定孔304C；螺纹孔307中放置螺钉实现将光纤环骨架300下端与盒体101底部的固定安装；导引孔308用于线缆通过，该线缆也通过盒体101底部的圆形通孔135。

纤环体309位于上端面板302与下端面板301之间，纤环体309上缠绕光纤线圈200。纤环体309的中部为空心结构。

本发明设计的光纤环骨架300，其下端面板301具有的三个凸台及凸台上的固定孔，提供了本发明所述敏感环装置的固定和安装基准。所述安装基准是指敏感环装置在IMU骨架上进行安装时，通过凸台来决定是在IMU骨架的哪个轴（X轴、Y轴和Z轴）上。上端面板302加工有以矩形开口腔对称分布的光纤导引槽结构，保证光纤线圈的入纤和尾纤具有固定的弯曲半径和引出位置。

（十）光纤导引件4

参见图5、图5B、图8、图8A、图8B所示，本发明设计的光纤导引件400由底座401和压盖402两部分组成。底座401和压盖402装配后一端形成有导引槽区域403，另一端形成有灌胶口404。

底座401的上部为倾斜面板411，该倾斜面板411置于压盖402下部的倾斜腔423中；压盖402与底座401装配后预留有一用于灌胶封装光纤线圈200的灌胶通道，灌胶通道的端部为灌胶口404。底座401安装在光纤骨架300的上端面板302的矩形开口腔321中。

压盖402上设有挡板421、压头422、倾斜腔423；挡板421置于顶盖102的矩形腔124中；压头422穿过顶盖102的矩形通孔121；倾斜腔423用于放置底座401的倾斜端。

本发明设计的光纤导引件400通过底座401和压盖402配合后形成一个曲率圆滑过渡的灌胶通道，以及端部的导引槽区域403，提供了光纤线圈引出敏感环封装的光滑过渡通径。实现了底座（401）嵌入所述环骨架上端面（302），压盖（402）嵌入所述磁屏蔽顶盖（102），装配后构成了一个曲率圆滑过渡的导引槽空间（403），与前述的光纤导引槽结构（305）一起，提供了尾纤引出敏感环封装的光滑过渡通径。从光纤导引件4的灌胶口44向所述灌胶通道、导引槽区域403内灌胶，能够方便的实现了对光纤线圈的密封，保证了光纤线圈的密封性能，也能提供敏感环良好的温度使用环境。

本发明的一种石油测斜仪用的光纤陀螺敏感环装置，所述装置包括了封闭的磁屏蔽外壳、光纤环骨架、光纤线圈，以及用于导出光纤的光纤导引件。光纤环骨架上缠绕有光纤线圈，构成了整个装置的装配基础；磁屏蔽外壳通过螺钉固定到骨架上；光纤导引件安装在环骨架和磁屏蔽外壳之间，提供了尾纤的导引槽空间，该导引槽和加工在光纤环骨架上端面的导引槽结构一起，提供了一个固定曲率且光滑过渡的尾纤导引通道，有利于保持光纤敏感环的性能一致性。

在所述磁屏蔽外壳的上端面加工有凸起的外缘，和上端面板一起构成了尾纤挡板和盘纤面，自光纤导引件穿出的尾纤在所述盘纤面上盘绕整理后可以平滑的引伸到石油测斜仪IMU骨架上。本发明所述的石油测斜仪用光纤陀螺敏感环装置，外形尺寸小而光纤长度长；采用光纤导引件和导引槽对光纤进行固定和引出，保证了批量生产时的性能一致性；采用磁屏蔽外壳保证了对井下复杂地磁环境的适应能力。

本发明设计的一种石油测斜仪用光纤陀螺IMU骨架，在所述IMU骨架的两端有与石油测斜仪其它部件固定连接的结构。IMU骨架对所需固定安装的石油测斜仪所需零件都加工有安装凸台结构，所述安装凸台的结构设计，使得相互之间的传热通道保持最小，有利于IMU装配体的热均衡。在所述IMU骨架上，设计了用于安装外部磁屏蔽套筒的圆周面，外部磁屏蔽套筒可以以分段套接（或者一个圆筒）的方式固定在骨架上，具有结构简单、加工方便、便于装配的优点。IMU骨架内部的凸台结构可以保证石油测斜仪所需零件之间的正交安装且参考坐标系（O-XYZ）保持一致性；在IMU骨架的另一端端部，设计了用于基准传递的定位键槽结构，可以能将上述参考坐标系所定义的基准传递至IMU组件外部。本发明所述的IMU骨架，克服了石油测斜仪的大轴向/径向尺寸比限制、实现了陀螺和加表组件的正交布置；磁屏蔽和热均衡设计满足了IMU组件的环境适应性要求，定位键槽的设计保证了石油测斜仪对IMU基准传递的要求。采用所述IMU骨架装配的石油测斜仪，在实际应用中表现出了较好的井下环境适应性和测量精度。

本发明是一种石油测斜仪用光纤陀螺IMU组合，包括了IMU骨架、磁屏蔽套筒、光纤陀螺敏感环模块、处理电路模块、光源组件模块、加速度计模块、以及用于IMU正交坐标系传递的基准传递结构。所述的IMU骨架是整个组合的安装基础，采用筒形空间框架结构，保证了各模块在IMU内部的空间交叉布局，既有利于减轻重量、提高强度，又形成了光纤走纤通道的合理布局。IMU组合的的各组成部分都采用模块化设计思想，易于加工和装配；并且与IMU骨架之间仅通过安装凸台接触固定，最大限度的减少了接触传热的通径面积。

为适应井下作业的复杂地磁环境，本发明的光纤陀螺IMU组合采用了双重磁屏蔽防护：IMU组合内部的光纤陀螺敏感环组件采用磁屏蔽外壳进行封装，同时在IMU组合外部采用分段式磁屏蔽套筒进行屏蔽。结合IMU组合的内部模块呈空间交叉布局的条件，分段式磁屏蔽套筒又起到了迅速实现组合内部热均衡的作用，有利于提高光纤陀螺IMU组合在石油测斜仪上应用时的温度性能。

本发明的石油测斜仪用光纤陀螺IMU组合具有基准传递结构，可以将IMU组合内部由光纤陀螺组件和加速度计组件所定义的正交直角坐标系传递到测斜仪外部，所述的基准传递结构为定位键槽，并且不仅仅包括定位键槽。

本发明所述的光纤陀螺IMU组合，克服了石油测斜仪的大轴向/径向尺寸比限制、实现了光纤陀螺敏感环和加表组件的正交布置；磁屏蔽和热均衡设计满足了IMU组件的环境适应性要求；定位键槽的设计满足石油测斜仪对IMU基准传递的要求，在实际应用中表现出了较好的井下环境适应性和测量精度。

Claims (10)

1.一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU组合体，该IMU组合体包括了光纤陀螺敏感环模块、数据处理电路模块(84)、光源组件模块(85)和加速度计模块(86)；其特征在于：还包括有IMU骨架(81)、磁屏蔽圆筒外套(82)；

所述光纤陀螺敏感环模块包括有三个结构相同的光纤陀螺敏感环，即X轴光纤陀螺敏感环(83B)、Y轴光纤陀螺敏感环(83C)和Z轴光纤陀螺敏感环(83A)；

所述光纤陀螺敏感环包括有光纤线圈(200)、磁屏蔽外壳(100)、光纤环骨架(300)和光纤导引件(400)；

磁屏蔽外壳(100)由盒体(101)和顶盖(102)两部分组成；盒体(101)的盒体底面板(103)上设有第一凸台通孔(131)、第二凸台通孔(132)、第三凸台通孔(133)、B螺钉通孔(134)和圆形通孔(135)；第一凸台通孔(131)用于光纤环骨架(300)上的第一凸台(303A)穿过；第二凸台通孔(132)用于光纤环骨架(300)上的第二凸台(303B)穿过；第三凸台通孔(133)用于光纤环骨架(300)上的第三凸台(303C)穿过；B螺钉通孔(134)用于底部螺钉(500)穿过；顶盖(102)的盖体上面板(107)的外缘上设有盖体外凸缘(108)，盖体外凸缘(108)与盖体上面板(107)的结构组合为光纤线圈(200)的入纤(201)和尾纤(202)提供了固定挡板和盘纤操作平面；顶盖(102)的下方设有下凸面板(17A)、定位面板(17B)；在下凸面板(17A)的区域里设有矩形通孔(121)、A螺钉通孔(122)、圆形通孔(123)、矩形腔(124)；矩形通孔(121)用于光纤导引件(400)中压盖(402)的压头(422)穿过，且使光纤导引件(400)中压盖(402)的挡板(421)置于矩形腔(124)中；A螺钉通孔(122)用于顶部螺钉(600)穿过；

光纤环骨架(300)上设有上端面板(302)、下端面板(301)和纤环体(309)；纤环体(309)位于上端面板(302)与下端面板(301)之间；上端面板(302)上设有矩形开口腔(321)、低平台(322)、第一导引槽(305)、第二导引槽(305A)、第一上翼缘(306)、第二上翼缘(36A)；矩形开口腔(321)中安装有光纤导引件(400)的底座(401)；第一导引槽(305)和第一上翼缘(306)用于光纤线圈(200)的光纤入纤(201)进行方向引导；第二导引槽(305A)和第二上翼缘(36A)用于光纤线圈(200)的光纤尾纤(202)进行方向引导；低平台(322)与顶盖(102)底部的间隙配合，实现光纤线圈(200)缠绕的定位；下端面板(301)上设有第一凸台(303A)、第二凸台(303B)、第三凸台(303C)、螺纹孔(307)、导引孔(308)；第一凸台(303A)的中心设有第一固定孔(304A)；第二凸台(303B)的中心设有第二固定孔(304B)；第三凸台(303C)的中心设有第三固定孔(304C)；螺纹孔(307)中放置螺钉实现将光纤环骨架(300)下端与盒体(101)底部的固定安装；导引孔(308)用于线缆通过，该线缆也通过盒体(101)底部的圆形通孔(135)；

光纤导引件(400)由底座(401)和压盖(402)两部分组成；底座(401)和压盖(402)装配后一端形成有导引槽区域(403)，另一端形成有灌胶口(404)；底座(401)的上部为倾斜面板(411)，该倾斜面板(411)置于压盖(402)下部的倾斜腔(423)中；压盖(402)上设有挡板(421)、压头(422)、倾斜腔(423)；挡板(421)置于顶盖(102)的矩形腔(124)中；压头(422)穿过顶盖(102)的矩形通孔(121)；倾斜腔(423)用于放置底座(401的倾斜端；压盖(402)与底座(401)装配后预留有一用于灌胶封装光纤线圈(200)的灌胶通道；

光纤线圈(200)的一端称为入纤(201)，光纤线圈(200)的另一端称为尾纤(202)，光纤线圈(200)缠绕在光纤环骨架(300)的纤环体(309)上；

所述IMU骨架(81)包括有Z轴向腔体(1)、X轴向腔体(2)、Y轴向腔体(3)、电路板安装腔体(4)、光源组件安装腔体(5)、加表组件安装腔体(6)和IMU坐标基准导出腔体(7)；

所述骨架在空间上呈圆筒与框架组合的结构布局，即Z轴向腔体(1)为圆筒形结构；X轴向腔体(2)为箱型框架结构；Y轴向腔体(3)为箱型框架结构；电路板安装腔体(4)为箱型框架结构；光源组件安装腔体(5)为箱型框架结构；加表组件安装腔体(6)为箱型框架结构；IMU坐标基准导出腔体(7)为圆筒形结构；

Z轴向腔体(1)的底部加工有第一安装凸台(11)，所述第一安装凸台(11)上设有第一固定孔(12)；

Z轴向腔体(1)的第一外筒安装面板(14)上设有第二固定孔(13)、第三固定孔(15)、光纤导引槽(16)；所述光纤导引槽(16)的一端开口与腔体导通，所述光纤导引槽(16)的另一端开口与X轴向腔体(2)的第一走纤通道(23)连续；

X轴向腔体(2)上下为开放式的；X轴向腔体(2)的左侧板(2A)上设有矩形通孔(2C)，左侧板(2A)的上端设有第一走纤通道(23)，该第一走纤通道(23)与光纤导引槽(16)为连续结构；X轴向腔体(2)的右侧板(2B)的内侧壁上设有第二安装凸台(21)，第二安装凸台(21)上开有第四固定孔(22)；

Y轴向腔体(3)左右为开放式的；Y轴向腔体(3)的上侧板(3A)的内侧壁上设有第三安装凸台(31)，第三安装凸台(31)上开有第五固定孔(32)；Y轴向腔体(3)的下侧板(3B)的后部为第二外筒安装面板(36)，上侧板(3A)的左端部设有凸棱(33)，凸棱(33)与上侧板(3A)左端的端面之间留有间隙，该间隙用于第一尾纤通过，形成第二走纤通道(34)；第二走纤通道(34)与第一走纤通道(23)连续；

电路板安装腔体(4)上下为开放式的；电路板安装腔体(4)的左面为左侧板(4A)、电路板安装腔体(4)的右面为右侧板(4B)；

电路板安装腔体(4)内设有第四安装凸台(41)，所述第四安装凸台(41)上开有第七固定孔(42)；

电路板安装腔体(4)的上边与光源组件安装腔体(5)的上边连续处设有第五安装凸台(43)，所述第五安装凸台(43)上开有第八固定孔(44)；

电路板安装腔体(4)的下边与光源组件安装腔体(5)的下边连续处设有第六安装凸台(43A)，所述第六安装凸台(43A)上开有第九固定孔(44A)；

光源组件安装腔体(5)上下为开放式的；光源组件安装腔体(5)的左面为左侧板(5A)、光源组件安装腔体(5)的右面为右侧板(5B)；右侧板(5B)上设有过线孔(55)和压线孔(56)，过线孔(55)和压线孔(56)用于布放和固定电信号引线；

光源组件安装腔体(5)内设有第七安装凸台(51)，所述第七安装凸台(51)上开有第十固定孔(52)；

在光源组件安装腔体(5)的左侧板(5A)的侧部加工了第四凸棱(45)，第三凸棱(45)与电路板安装腔体(4)的上板面构成了第三走纤通道(46)，该第三走纤通道(46)与第二走纤通道(34)接续；

加表组件安装腔体(6)下方为开放式的；加表组件安装腔体(6)上设有上侧板(6D)、左侧板(6A)、右侧板(6B)、前侧板(6C)；上侧板(6D)上开有第十二固定孔(65)，上侧板(6D)的内壁上设有第九安装凸台(64)；左侧板(6A)上设有走线孔(63A)；右侧板(6B)上设有走线孔(63)和通孔，右侧板(6B)的内壁上设有第八安装凸台(61)，第八安装凸台(61)上设有第十一固定孔(62)；前侧板(6C)的下端端部为圆弧形；

IMU坐标基准导出腔体(7)的定位底面板(72)的中心有过线孔(75)，第四外筒安装面板(71)与磁屏蔽圆筒外套的另一端固定连接；IMU坐标基准导出腔体(7)的定位圆周体上设有定位键槽(73)、第十三固定孔(74)；通过第十三固定孔(74)实现IMU骨架与石油测斜仪其它组件端头的连接固定。

2.根据权利要求1所述的一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU组合体，其特征在于：所述光纤导引槽(16)沿着Z轴向腔体(1)的外筒弧形且轴向开槽。

3.根据权利要求1所述的一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU组合体，其特征在于：Z轴向腔体(1)上的安装凸台、X轴向腔体(2)上的安装凸台和Y轴向腔体(3)上的安装凸台在空间上成正交布置，满足IMU坐标O-XYZ系的设置。

4.根据权利要求1所述的一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU组合体，其特征在于：第一安装凸台(11)、第二安装凸台(21)、第三安装凸台(31)、第八安装凸台(61)之间的相互垂直，保证了敏感环和加表组件安装时具有确定的正交直角坐标关系，并且，通过IMU坐标基准导出腔体(7)实现IMU组件坐标基准的导出。

5.根据权利要求1所述的一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU组合体，其特征在于：IMU坐标基准导出腔体(7)上设置的定位键槽(73)实现了石油测斜仪沿IMU基准坐标系的坐标传递。

6.根据权利要求1所述的一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU组合体，其特征在于：磁屏蔽外壳(100)采用坡莫合金材料加工。

7.根据权利要求1所述的一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU组合体，其特征在于：光纤环骨架(300)的纤环体(309)为中空结构。

8.根据权利要求1所述的一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU组合体，其特征在于：光纤环骨架(300)和下端面板(301)上设有的三个凸台及凸台上的固定孔，提供了所述敏感环装置的固定和安装基准。

9.根据权利要求1所述的一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU组合体，其特征在于：光纤导引件(400)通过底座(401)和压盖(402)配合后形成一个曲率圆滑过渡的灌胶通道，以及端部的导引槽区域(403)，提供了光纤线圈引出敏感环封装的光滑过渡通径；通过所述灌胶通道进行灌胶保证了光纤线圈的密封性能。

10.根据权利要求1所述的一种用于石油测斜仪器的光纤陀螺IMU组合体，其特征在于：磁屏蔽圆筒外套(82)采用坡莫合金材料加工；磁屏蔽圆筒外套(82)可以加工成结构相同的三段。