CN104792339B - 光纤陀螺测斜仪的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤陀螺测斜仪的校准方法，该方法可以对光纤陀螺测斜仪中的加速度传感器和光纤陀螺仪进行敏感轴对准，并且将加速度传感器的敏感轴正交化。该方法通过两次寻北操作分别将光纤陀螺仪的本体和光纤陀螺仪的敏感轴与真北方向对齐，然后改变光纤陀螺仪的本体的顶角并记录下加速度传感器的相应读数，最后根据加速度传感器的读数对测量数据进行软件校正。通过该校准方法对光纤陀螺测斜仪的测量数据进行校正后，得到的校正数据更精确，减少了由于光纤传感器的敏感轴与加速度传感器的敏感轴之间不对齐或者加速度传感器本身的敏感轴之间不完全正交带来的测量误差。

Description

光纤陀螺测斜仪的校准方法

技术领域

本发明涉及一种校准方法，尤其涉及一种光纤陀螺测斜仪的校准方法。

背景技术

光纤陀螺仪是一种没有机械转子的新型全固态光纤传感器，它用来测量物体的旋转角速度。由于其精度高，抗冲击振动能力强，易于设计和制造等特点，现在越来越广泛在寻北仪，经纬仪，测斜仪等寻北定向领域使用。

光纤陀螺测斜仪是利用光纤陀螺仪、加速度传感器等部件作为传感元件，通过测量地球自转角速度矢量来确定钻孔倾斜方向的一种仪器设备。

光纤陀螺测斜仪要实现精确测量，必须将光纤陀螺仪的敏感轴和加速度传感器的敏感轴对齐，并且必须保证加速度传感器的各个敏感轴正交。现有的光纤陀螺测斜仪主要通过机械加工的方法来达到上述要求，但由于光纤陀螺仪或加速度传感器本身的轴向偏移、加工误差、安装误差等因素，光纤陀螺仪的敏感轴和加速度的敏感轴之间的精度较差，而且加速度传感器的各个敏感轴不能完全正交，从而导致光纤陀螺测斜仪的精度和一致性的下降。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型光纤陀螺测斜仪的校准方法，使得通过该方法进行校正过的测量数据能够具有更高的精度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种光纤陀螺测斜仪的校准方法，通过该校准方法对光纤陀螺测斜仪的初始测量数据进行校正后，得到的校正数据更精确，减少了由于光纤传感器的敏感轴与加速度传感器的敏感轴之间不对齐或者加速度传感器本身的敏感轴之间不完全正交带来的测量误差。

本发明的光纤陀螺测斜仪的校准方法，所述光纤陀螺测斜仪包括本体，所述本体内设有光纤陀螺仪和加速度传感器，并且光纤陀螺仪的敏感轴与本体的主轴垂直，所述加速度传感器包括X敏感轴和Y敏感轴，并且X敏感轴和Y敏感轴分别与本体的主轴垂直，所述X敏感轴与光纤陀螺仪的敏感轴基本对齐， 所述Y敏感轴与X敏感轴基本垂直，其特征在于：所述光纤陀螺测斜仪的校准方法包括以下步骤：

A：将光纤陀螺测斜仪水平放置，使得本体的主轴位于水平平面内；

B：粗略找出光纤陀螺仪的敏感轴方向；

C：保持本体的主轴在水平平面内并改变本体的主轴与真北方向之间的夹角，以进行第一次四方位寻北，找到真北方向后将本体的主轴与真北方向对齐；

D：改变本体的顶角，使得光纤陀螺测斜仪竖直设置，并且本体的主轴位于竖直平面内；其中顶角指本体的主轴与竖直方向之间的夹角；

E：旋转本体，使得本体绕本体的主轴转动，并进行第二次四方位寻北，找到真北方向，并将光纤陀螺的敏感轴与真北方向对齐；

F：将本体绕顶角轴转动，以改变本体的顶角，并记录下本体转动到至少两个位置时加速度传感器的读数，所述顶角轴为分别与本体的主轴和真北方向垂直的轴；

G：旋转本体，使得本体绕本体的主轴转动90度；

H：将本体绕顶角轴转动，以改变本体的顶角，并录下本体转动到至少两个位置时加速度传感器的读数；

I：利用步骤F和步骤H中得到的加速度传感器的读数对实际测量的数据进行校正，假设实际测量的数据的X敏感轴读数为x_m，Y敏感轴的读数为y_m，并且F步骤中当本体的顶角分别为θ₁和θ₂时，所述加速度传感器的读数分别为(xx_θ1，yx_θ1)和(xx_θ2，yx_θ2)，H步骤中当本体的顶角分别为α₁和α₂时，所述加速度传感器的读数分别为(xy_α1，yy_α1)和(xy_α2，yy_α2)，并且x_m的值在xx_θ1和xx_θ2之间，y_m的值在yy_α1和yy_α2之间，定义插值映射函数y＝map(x；α，β)，其意义为对于α序列中包含的某一点x，其对应在β序列中的值，在不考虑交叉轴耦合的情况下，x_m和y_m校正后的读数分别为：

其中，xx对应xx_θ2和xx_θ1，x对应sin(θ₂)和sin(θ₁)；

如果考虑交叉轴耦合，加速度传感器补偿后的读数为：

X_corrected＝map((x_m-map(y_m；yy，xy))；xx，x)；

Y_corrected＝map((y_m-map(x_m；xx，yx))；yy，y)；

其中，

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明的光纤陀螺测斜仪的校准方法首先通过第一次四方位寻北找到真北方向并将本体的主轴与真北方向对齐，然后将本体竖直设置并通过第二次寻北找到真北方向并将光纤陀螺仪的敏感轴与真北方向对齐，此时将本体绕顶角轴转动时本体的运动平面与真北方向平行，并且加速度传感器的Y敏感轴的读数基本为0，然后改变本体的顶角并记录下加速度传感器的读数，接着将本体绕本体的主轴转过90度，并改变本体的顶角并记录下加速度传感器的读数，根据两次加速度传感器的读数，操作人员可以通过软件校准的办法，对测量数据进行人工校正，以减少光纤传感器的敏感轴与加速度传感器的敏感轴之间不对齐或者加速度传感器本身的敏感轴之间不完全正交带来的测量误差。本发明通过一系列校准步骤，将加速度传感器的敏感轴正交化，并且和光纤陀螺仪的敏感轴对齐。这种方法相比传统的通过机械和结构方法正交和对齐敏感轴的方法具有精度高、产品一致性好的特点，可以广泛应用在光纤陀螺测斜仪的校准中。

进一步的，本发明的光纤陀螺测斜仪的校准方法，所述粗略找出光纤陀螺仪的敏感轴方向的具体步骤为：

旋转本体，直至加速度传感器的X敏感轴的读数为0，而Y敏感轴的读数的绝对值为最大，此时光纤陀螺仪的敏感轴基本处于水平平面内。

进一步的，本发明的光纤陀螺测斜仪的校准方法，在步骤C之前将光纤陀螺仪的敏感轴与水平方向对齐，以提高第一次四方位寻北的寻北精度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术 手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是光纤陀螺测斜仪中光纤陀螺仪和加速度传感器的结构示意图；

图2是光纤陀螺测斜仪夹持在校验台上时的示意图；

图3是光纤陀螺测斜仪水平设置时的示意图；

图中，1：本体；2：光纤陀螺仪；3：加速度传感器；4：校验台；5：方位角轴；6：顶角轴；7：工具面角轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

光纤陀螺测斜仪包括本体1，本体内设有光纤陀螺仪2和加速度传感器3，如图1所示，其中z轴为光纤陀螺测斜仪的主轴，假设光纤陀螺仪的敏感轴在垂直于z轴的平面内，为x轴。y轴同时垂直于z轴和x轴。加速度传感器的敏感轴大致为x轴和y轴方向，由于加工和安装误差，加速度传感器的敏感轴不与x轴和y轴完全重合。本发明的一个假设是光纤陀螺仪的敏感轴与z轴正交，光纤陀螺仪光纤的绕制方法和结构决定这个假设是合理的。图2显示本发明中使用的校验台4，该校验台是一个三维转台，三个旋转轴分别为方位角轴5、顶角轴6和工具面角轴7，让这三个轴旋转可以分别改变光纤陀螺测斜仪的方位角、顶角和工具面角。

本实施例的具体实施步骤如下：

S1：将测斜仪夹持在校验台的夹持台上，并且使其绕顶角轴转动，使得本体的主轴在水平平面内。然后再绕工具面角轴转动本体，使得光纤陀螺仪的敏感轴基本水平，由于不知道光纤陀螺敏感轴的精确位置，可以通过加速度传感器的读数大致判断，当光纤陀螺仪的敏感轴基本水平时，加速度传感器x敏感轴读数在0附近，而y敏感轴的读数绝对值最大。之后绕方位角轴转动进行四方位寻北，方位角计算公式为：

可以通过三次寻北求平均值，得到真北方向与本体主轴的夹角。

S2.：如图3所示，沿校验台方位角轴旋转本体，将本体的主轴方向与真北方向对齐。此时如果沿着校验台顶角旋转，那么本体的运动平面是与真北方向平行。

S3.：沿校验台顶角轴旋转，将本体的主轴调整到竖直位置。绕校验台工具面角旋转本体并做四方位寻北3次，并利用公式(1)计算光纤陀螺仪的敏感轴与真北方向的夹角。再沿工具面角轴转动本体，使光纤陀螺仪的敏感轴对准真北方向。此时，光纤陀螺仪的敏感轴和真北方向对齐，本体绕顶角轴的运动平面也与真北方向对齐。

S4：对加速度传感器进行校准得出校准数据，并利用校准数据对原始测量数据进行校正。

现以真北方向为x轴来校准加速度传感器，即把加速度传感器的敏感轴通过软件补偿的方法进行正交化并且和光纤陀螺仪敏感轴对齐。加速度传感器的校准可以同时完成下面三个工作：

1、把加速度传感器的x敏感轴和光纤陀螺的敏感轴对齐，y敏感轴和光纤陀螺仪的敏感轴正交；

2、把加速度传感器的x敏感轴和y敏感轴正交化；

3、把加速度传感器的比例因子进行分段插值补偿。

对于加速度传感器的校准，我们可以通过旋转校验台选取一定的校准点进行校准，比如首先沿顶角轴转动本体，此时真实y轴方向的加速度应该为0，而x轴方向的加速度可以选取特殊的一些角度，(例如：-60°，-40°，-20°，0°，20°，40°，60°)。记录下x和y方向加速度传感器的读数：

再沿工具面角转动测斜仪90°，然后再次沿顶角轴转到测斜仪到同样的校准点，再次记录下加速度传感器的读数：

得到校准数据后，那么就可以用软件补偿的办法来修正。我们定义插值映射函数

y＝map(x；α，β)

其意义为对于α序列中包含的某一点x，其对应在β序列中的值。比如在不考虑交叉耦合的情况下，对于某一x轴读数x_m，其大小位于xx5和xx6之间，那么其对应的真实读数为：

该函数本质为一查表线性插值函数。

那么考虑交叉轴耦合，加速度传感器补偿后的读数为：

x_corrected＝map((x_m-map(y_m；yy，xy))；xx，x)，

y_corrected＝map((y_m-map(x_m；xx，yx))；yy，y)，

此加速度计补偿方法就实现了上述三个目的。

为了进一步证明本发明的有效性及可靠性，采用该方法校准后进行了寻北试验。测试结果如下表所示：

顶角(°)	真实方位角(°)	校准后方位角测量值(°)	未校准方位角测量值(°)	校准后误差(°)	未校准误差(°)
						15	0	-0.22	2.1	0.22	-2.1
	45	44.1	46.8	0.9	-1.8
							90	89	91.5	1	-1.5
	135	134.2	135.1	0.8	-0.1
							180	179.4	180.6	0.6	-0.6
	225	225	224.7	0	0.3
							270	270.5	269	-0.5	1
	315	315.75	312.9	-0.75	2.1
						3	0	0.2	2.6	-0.2	-2.6
	45	45.2	47.1	-0.2	-2.1
							90	90	91.3	0	-1.3
	135	134.8	135.5	0.2	-0.5
							180	180.6	178.8	-0.6	1.2
	225	225.5	224.2	-0.5	0.8
							270	270.5	268.5	-0.5	1.5
	315	315	313.6	0	1.4
						40	0	0.9	3.1	-0.9	-3.1
	45	45.6	48.2	-0.6	-3.2
							90	89.7	92.4	0.3	-2.4
	135	134.4	136.2	0.6	-1.2
							180	177.4	180.5	2.6	-0.5
	225	225.7	226.3	-0.7	-1.3
							270	270.7	270.1	-0.7	-0.1
	315	315.5	313.8	-0.5	1.2

可以看出采取了本发明介绍的校准方法的光纤陀螺测斜仪在不同顶角和方位角的姿态下，测量误差在+/-1°的范围内，而未采取本发明介绍的校准方法的测斜仪的测量误差在-3.1°～+2.1°之间。本方法可以将精度提升50％以上。

本发明通过一系列校准步骤，将加速度传感器的敏感轴正交化，并且和光纤陀螺仪的敏感轴对齐。这种方法相比传统的通过机械和结构方法正交和对齐敏感轴的方法具有精度高、产品一致性好的特点，可以广泛应用在光纤陀螺测斜仪的校准中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种光纤陀螺测斜仪的校准方法，所述光纤陀螺测斜仪包括本体，所述本体内设有光纤陀螺仪和加速度传感器，并且光纤陀螺仪的敏感轴与本体的主轴垂直，所述加速度传感器包括X敏感轴和Y敏感轴，并且X敏感轴和Y敏感轴分别与本体的主轴垂直，所述X敏感轴与光纤陀螺仪的敏感轴基本对齐，所述Y敏感轴与X敏感轴基本垂直，其特征在于：所述光纤陀螺测斜仪的校准方法包括以下步骤：

A：将光纤陀螺测斜仪水平放置，使得本体的主轴位于水平平面内；

B：粗略找出光纤陀螺仪的敏感轴方向；

C：保持本体的主轴在水平平面内并改变本体的主轴与真北方向之间的夹角，以进行第一次四方位寻北，找到真北方向后将本体的主轴与真北方向对齐；

D：改变本体的顶角，使得光纤陀螺测斜仪竖直设置，并且本体的主轴位于竖直平面内；

E：旋转本体，使得本体绕本体的主轴转动，并进行第二次四方位寻北，找到真北方向，并将光纤陀螺的敏感轴与真北方向对齐；

F：将本体绕顶角轴转动，以改变本体的顶角，并记录下本体转动到至少两个位置时加速度传感器的读数，所述顶角轴为分别与本体的主轴和真北方向垂直的轴；

G：旋转本体，使得本体绕本体的主轴转动90度；

H：将本体绕顶角轴转动，以改变本体的顶角，并录下本体转动到至少两个位置时加速度传感器的读数；

I：利用步骤F和步骤H中得到的加速度传感器的读数对实际测量的数据进行校正，假设实际测量的数据的X敏感轴读数为x_m，Y敏感轴的读数为y_m，并且F步骤中当本体的顶角分别为θ₁和θ₂时，所述加速度传感器的读数分别为(xx_θ1，yx_θ1)和(xx_θ2，yx_θ2)，H步骤中当本体的顶角分别为α₁和α₂时，所述加速度传感器的读数分别为(xy_α1，yy_α1)和(xy_α2，yy_α2)，并且x_m的值在xx_θ1和xx_θ2之间，y_m的值在yy_α1和yy_α2之间，定义插值映射函数y＝map(x；α，β)，其意义为对于α序列中包含的某一点x，其对应在β序列中的值，在不考虑交叉轴耦合的情况下，x_m和y_m校正后的读数分别为：

$X_{corrected}=map(x_m;xx,x)=sin\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+\frac{x_m-{\mathrm{xx}}_{\mathrm{\θ}1}}{{\mathrm{xx}}_{\mathrm{\θ}2}-{\mathrm{xx}}_{\mathrm{\θ}1}}*\left(sin\right({\mathrm{\θ}}_2)-sin({\mathrm{\θ}}_1\left)\right);$

$Y_{correcxd}=map(y_m;yy,y)=sin\left({\mathrm{\α}}_1\right)+\frac{y_m-{\mathrm{yy}}_{\mathrm{\α}1}}{{\mathrm{yy}}_{\mathrm{\α}2}-{\mathrm{yy}}_{\mathrm{\α}1}}*\left(sin\right({\mathrm{\α}}_2)-sin({\mathrm{\α}}_1\left)\right);$

其中，xx对应xx_θ2和xx_θ1，x对应sin(θ₂)和sin(θ₁)；

如果考虑交叉轴耦合，加速度传感器补偿后的读数为：

X_corrected＝map((x_m-map(y_m；yy，xy))；xx，x)；

Y_corrected＝map((y_m-map(x_m；xx，yx))；yy，y)；

其中，

$map(x_m;xx,yx)={\mathrm{yx}}_{\mathrm{\θ}1}+\frac{x_m-{\mathrm{xx}}_{\mathrm{\θ}1}}{{\mathrm{xx}}_{\mathrm{\θ}2}-{\mathrm{xx}}_{\mathrm{\θ}1}}*({\mathrm{yx}}_{\mathrm{\θ}2}-{\mathrm{yx}}_{\mathrm{\θ}1}).$

2.根据权利要求1所述的光纤陀螺测斜仪的校准方法，其特征在于：所述粗略找出光纤陀螺仪的敏感轴方向的具体步骤为：

旋转本体，直至加速度传感器的X敏感轴的读数为0，而Y敏感轴的读数的绝对值为最大，此时光纤陀螺仪的敏感轴处于水平平面内。

3.根据权利要求1所述的光纤陀螺测斜仪的校准方法，其特征在于：在步骤C之前将光纤陀螺仪的敏感轴与水平方向对齐，以提高第一次四方位寻北的寻北精度。