CN103161444A - 相对方位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在测井等领域中测量仪器的单芯片对相对方位进行测量的方法，该方法包括：1）采用以双轴加速度芯片为基础的相对方位测量传感器获取油井中套管或油管中各个方向的角度参数；各个方向的角度参数是模拟电压信号；2）采用A/D模数转换器将步骤1）所得到的模拟电压信号转换为数字信号；3）采用微处理器将步骤2）所得到的数字信号进行运算处理，得到相对方位测量传感器的相对方位。本发明提供了一种成本低，价格低廉、节约空间、抗震性能好、灵敏度高的测量方法。

Description

相对方位测量方法

技术领域

本发明属于传感器测量领域，涉及一种相对方位测量方法，尤其涉及一种在测井等领域中测量仪器的单芯片对相对方位进行测量的方法。

背景技术

在测井中，以往的每个仪器在一个深度上只有一个测量参数已经不能满足对井下井况的了解。于是在某些仪器上增加了多个测量传感器，对油井各个方向的参数进行测量。如此，便可清楚了解某一深度点各个方向的具体参数。

但是，即使是了解了某一深度点的各个方向的具体参数，也只能了解各个参数的排列方式，不能确定各个参数的排列方向，因为不能保证测量过程中仪器不转动。这时就需要一个测量参数来反映仪器在井中的转动情况。

众所周知，测量方向用指南针的原理很容易，但是如果在套管或者油管中测量，套管或油管是顺磁性物质，对地磁产生的影响较大，故不能应用。陀螺仪可以很准确地反映出仪器姿态和转动情况，但是陀螺仪的价格，抗震性能，体积等方面因素，不能考虑用在普通仪器上作为一个辅助测量参数。

鉴于此，需要研究出一种既方便又廉价的相对方位测量方案。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种用来反映井下仪器的转动状况的测量井下仪器的相对方位测量方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种相对方位测量方法，其特殊之处在于：所述相对方位测量方法包括以下步骤：

1）采用以双轴加速度芯片为基础的相对方位测量传感器获取油井中套管或油管中各个方向的角度参数；所述各个方向的角度参数是模拟电压信号；

2）采用A/D模数转换器将步骤1）所得到的模拟电压信号转换为数字信号；

3）采用微处理器将步骤2）所得到的数字信号进行运算处理，得到相对方位测量传感器的相对方位。

本发明提供了一种相对方位测量方法，该方法采用双轴加速度传感器测量XY轴的重力加速度分量，通过A/D数模转换，微处理器将数字信号经过分析后的运算方法得到相对方位。由于双轴加速度传感器一般输出的是模拟电压信号，如果用模拟电路来做信号运算处理，模拟电路运算的精度很难保证。相反如果用数字信号处理，数字信号运算的精度是很高的，并且非常灵活方便，仅仅只需简单的编程即可。具体而言，本发明具有以下优点：

1、成本低，价格低廉。本发明只需要一个双轴加速度芯片就可以测量仪器的相对方位，而A/D转换和数字信号运算，都通过仪器自身带的处理器可处理。

2、节约空间。加速度传感器的体积很小，只需要在仪器中某处开出很小空间便可安装。

3、抗震性能好。加速度传感器的抗震性能良好，可以承受2000g的震动。

4、灵敏度高。仪器在倾斜1度时便可测量，在倾斜90度时，精度可以在0.5度以内。

附图说明

图1是本发明所采用的双轴加速度传感器的输出特性示意图；

图2是本发明利用加速度传感器的输出计算出相对方位的三角关系示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种相对方位测量方法，该相对方位测量方法包括以下步骤：

1）采用以双轴加速度芯片为基础的相对方位测量传感器获取油井中套管或油管中各个方向的角度参数；所述各个方向的角度参数是模拟电压信号；

2）采用A/D模数转换器将步骤1）所得到的模拟电压信号转换为数字信号；

3）采用微处理器将步骤2）所得到的数字信号进行运算处理，得到相对方位测量传感器的相对方位。

本发明采用的相对方位测量传感器是双轴加速度芯片，在套管中不能用磁的方式测量方位，也不能在普通仪器上涌陀螺测量方位，那么只能考虑用重力的方式测量方位。把加速度芯片平行安装在仪器的某个横截面上，当仪器倾斜时，重力在这个截面的投影的方向，这个方向将不随仪器转动而改变方向，并与芯片的X轴（Y轴）成一定的角度，当仪器转动时这个角度就会随之而改变，通过测量这个角度，即可获知仪器的相对方位。

双轴加速度芯片输出为模拟电压信号，一个信号为X轴上的加速度信号，一个信号为Y轴上的加速度信号。用A/D模数转换，将模拟信号转换为数字信号。而这两个加速度信号在传感器做匀速直线运动或者静止时，所输出的信号就随着传感器的倾斜度而改变，也就是说，芯片输出的信号是重力加速度在传感器XY轴上的分量。在芯片非水平放置的情况下，这两个信号随着芯片转动而变化，并且芯片转动一周的角度和这两个的信号的大小是一一对应的关系。因而通过相应的分析，得到它们之间对应的数学关系，便可通过测量传感器的两个输出信号，便可获得传感器的转动情况。因而，采用微处理器将数字信号运算处理，便可得到相对方位。

本方法采用双轴加速度传感器测量XY轴的重力加速度分量，通过A/D数模转换，微处理器将数字信号经过分析后的运算方法得到相对方位。

具体而言，本发明所提供的相对方位测量方法的具体工作方式是：

1、用A/D数模转换将双轴加速度传感器的电压转为数字信号

由于双轴加速度传感器一般输出的是模拟电压信号，如果用模拟电路来做信号运算处理，模拟电路运算的精度很难保证。相反如果用数字信号处理，数字信号运算的精度是很高的，并且非常灵活方便，仅仅只需简单的编程即可。所以需要将双轴加速度传感器的模拟信号转换为数字信号进行运算处理。

2、双轴加速度传感器的输出特性

在将加速度传感器的电压输出转换为数字信号后，要将这个信号进行运算，获得加速度传感器所处的状态。加速度传感器被用来测量加速度。当传感器处于匀速直线运动或者静止的状态时，可以用来测量传感器所处的状态。

参见图1，首先用X轴来说明，在图1中：传感器X轴和水平面之间的夹角为α，重力加速度为g，重力加速度在传感器X轴上的分加速度为a₁那么有：

a₁=g sinα

传感器测量的是a₁的量，重力加速度g保持不变，那么传感器X轴输出与α成正弦关系。那么有：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{a_1}{g}$

在实际应用中，传感器输出的是一个电压，供电也一个电压，根据传感器资料给芯片供电电压为V_CC，当传感器X轴水平时，传感器X轴输出为

但是根据实际测量数据表明，每个芯片存在差异，这个电压并不是很固定，会有一定的偏差。但是每个芯片的信号放大系数在同一环境下是固定不变的，因此采用以下方法获得较为标准的传感器的输出特性。

在传感器X轴竖直向上时，这时X轴输出最小，为-g的量，记作电压V_Xmin；传感器X轴竖直向下时，这时X轴输出最大，为g的量，记作电压V_Xmax；正常测量时传感器X轴输出V_X。那么有：

V_Xmax-V_Xmin相当于2g

相当于水平位置

那么： $V_X-\frac{V_{X\max }+V_{X\min }}{2}$ 相当于a₁

那么： $\sin \mathrm{\α}=\frac{V_X-\frac{V_{X\max }+V_{X\min }}{2}}{\frac{V_{X\max }-V_{X\min }}{2}}$

化简得： $\sin \mathrm{\α}=\frac{{2V}_X-V_{X\max }-V_{X\min }}{V_{X\max }-V_{X\min }}$

将模拟电压转换为数字信号，电压V_X、V_Xmin、V_Xmax分别对应数字信号D_X、D_Xmin、D_Xmax，那么有：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{{2D}_X-D_{X\max }-D_{X\min }}{D_{X\max }-D_{X\min }}$

同理，传感器Y轴与水平面的夹角为β；Y轴竖直向下，输出对应数字信号为D_Ymin；Y轴竖直向上，输出对应数字信号为D_Ymax；正常测量时传感器Y轴输出为D_Y；那么有：

$\sin \mathrm{\β}=\frac{{2D}_Y-D_{Y\max }-D_{Y\min }}{D_{Y\max }-D_{Y\min }}$

3、利用加速度传感器的输出计算出相对方位

分别获得了传感器X轴、Y轴的输出关系后，再根据其对应关系获得传感器的相对方位。

参见图2，传感器的XY轴互相垂直，圆点为O，XY轴所在的面OAB与水平面的夹角为ω，与水平面相交于直线l，那么直线l就是一条水平线；重力加速度为g，顶点为G，重力加速度分别在传感器XY上的分量为OA，OB，重力加速度在面OAB上的投影为OC，连接AC，BC；那么有：

因为：OC是OG在面OAB上的投影

所以：GC⊥面OAB

所以：GC⊥l

又因为：OG垂直于水平面

所以：OG⊥l

又因为：GC⊥l

所以：l⊥面OGC

所以：l⊥OC

由此看来重力加速度在传感器所在平面上的投影OC始终和水平线垂直，并且始终指向低点。所以当芯片转动时，OC相对于水平线的方向也不会改变。因此，将OC这个方向作为基准，OC围绕点O逆时针转动到传感器X轴的角度为相对方位，表示为θ，当传感器转动时，这个角度也跟着改变，最终可以表示传感器的转动状态。这个角度的范围：0≤θ<360。下面来计算这个角度。

将上一节的结果带入得：

$\tan \mathrm{\&theta;}=\frac{\sin \&angle;\mathrm{OGB}}{\sin \&angle;\mathrm{OGA}}=\frac{\sin \mathrm{\&beta;}}{\sin \mathrm{\&alpha;}}$

也可以写成：

$\cot \mathrm{\&theta;}=\frac{\sin \mathrm{\&alpha;}}{\sin \mathrm{\&beta;}}$

根据四边形OACB是矩形可以看出，OA与OB就是OC分别在XY轴上的分量。

当θ=0，即sinα>0和sinβ=0时：θ=0

当θ∈(0,π)，即sinβ>0时：

$\mathrm{\&theta;}=\mathrm{arccot}\frac{\sin \mathrm{\&alpha;}}{\sin \mathrm{\&beta;}}$

当θ=π，即sinα<0和sinβ=0时：θ=π

当θ∈(π,2π)，即sinβ<0时：

$\mathrm{\&theta;}=\mathrm{arccot}\frac{\sin \mathrm{\&alpha;}}{\sin \mathrm{\&beta;}}+\mathrm{\&pi;}$

整理得：

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}0& (\sin \mathrm{\&alpha;}>0,\sin \mathrm{\&beta;}=0)\\ \mathrm{arccot}\frac{\sin \mathrm{\&alpha;}}{\sin \mathrm{\&beta;}}& (\sin \mathrm{\&beta;}>0)\\ \mathrm{\&pi;}& (\sin \mathrm{\&alpha;}<0,\sin \mathrm{\&beta;}=0)\\ \mathrm{arccot}\frac{\sin \mathrm{\&alpha;}}{\sin \mathrm{\&beta;}}+\mathrm{\&pi;}& (\sin \mathrm{\&beta;}<0)\end{array}\right.$

根据以上推论结果，就可以根据传感器测量输出而得到传感器转动得相对方位。进而可以得到井下仪器得相对方位。

在实际应用中，只需要将D_Xmin、D_Xmin、D_Ymin、D_Ymin找出，那么再根据实际测量值计算，便可得到相对方位值。然而，传感器特性会随着温度而变化，这些变化导致D_Xmin、D_Xmin、D_Ymin、D_Ymin的变化，传感器的输出也随着D_Xmin、D_Xmin、D_Ymin、D_Ymin变化，但是和D_Xmin、D_Xmin、D_Ymin、D_Ymin的关系不变。因此在不同温度下，分别对D_Xmin、D_Xmin、D_Ymin、D_Ymin做温度补偿，即可得到不同温度下传感器输出的特性，进而获得不同温度下的相对方位。

Claims (1)

1.一种相对方位测量方法，其特征在于：所述相对方位测量方法包括以下步骤：

1）采用以双轴加速度芯片为基础的相对方位测量传感器获取油井中套管或油管中各个方向的角度参数；所述各个方向的角度参数是模拟电压信号；

2）采用A/D模数转换器将步骤1）所得到的模拟电压信号转换为数字信号；

3）采用微处理器将步骤2）所得到的数字信号进行运算处理，得到相对方位测量传感器的相对方位。

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