CN109891198B - 利用改进的校准确定位置的方法 - Google Patents

Abstract

提供利用改进的校准确定位置的方法和系统，其允许装置在适当的位置开始活动，例如导航钻头穿过岩层。位置传感器(30)具有振荡元件，该振荡元件具有根据重力在设定方向上的位移范围，位置传感器基于设定方向上的位移量生成位置数据信号。温度传感器(40)检测温度和温度持续时间。由处理器模块(50)基于温度数据信号、温度持续时间和位置数据信号确定塑性偏移值，以便考虑偏移和滞后误差。根据塑性偏移值设置位置值，使得位置值更准确。根据塑性偏移值校准的位置值启动或维持终端装置的活动。

Description

利用改进的校准确定位置的方法

技术领域

本发明涉及确定工具的位置以在工具位置进行操作。特别地，本发明涉及对传感器进行校准以确定传感器位置。更具体地，本发明涉及校准井下工具上的传感器，以更精确地确定井下工具在地下地层中的位置，使得活动或操作(例如井下工具的钻井)的设置位置更准确。

背景技术

用于确定位置的传感器用于大量重要过程，例如太空中飞船的部署、视频游戏控制器的移动和肿块中细胞的注射。在大尺度和小尺度上，确定位置以在所确定的位置处进行操作是非常重要的。精确的传感器对于那些活动的进行是重要的。还已知传感器指导地层中的石油和天然气操作。检测工具的方向和钻进孔的位置，以便可以在地层中准确地发生各种井下活动。这些井下活动包括地层中的钻探、注入和隔离区域。传感器的精确度和钻井孔的放置会严重影响钻井作业的结果。

校准传感器以增加精确度和精密度，使得位置的确定也尽可能准确和精确。极端环境条件下的传感器，由于这些条件(例如高温)而容易出错。传感器的环境可包括钻井孔中的深度、压力和热量。加速度计的替代环境还包括：来自视频游戏控制器的电路板中的电子部件的高温、轨道中的再入热和来自细胞组织中的辐射处理的高温。

在现有技术中，使用冗余来增加精确度。2001年3月27日授予MacDonald等人的美国专利No.6206108，教导了一种用于基于具有多个传感器以测量多个参数的系统来调整钻井操作，的方法。传感器相互校准，每个传感器测量进一步改善了井下的仪器读数。于2010年4月1日公布的Radford等人的美国专利申请No.2010/0078216中公开了用于铰孔工具的井下振动监测的系统和方法，包括多个加速度计、多个磁力计和至少一个温度传感器。多个加速度计校准或验证其他传感器，以引导钻孔。2003年11月18日授予Schultz等人的美国专利No.6648082，教导了一种用于差动传感器测量的方法和一种用于检测钻头故障的系统。该系统包含一个主传感器和用于其他传感器值的独立传感器，这些传感器值相互比较以创建自校准系统。

现有技术还建立数学模型以提高精确度。2014年8月26日授予Sadlier等人的美国专利No.8818779，教导了一种用于在钻井时实现钻井孔实时稳定性的系统和方法。根据与地质力学模型相比较的传感器读数，实时调整钻井操作。在2014年8月21日公布的Hay等人的美国专利申请No.2014/0231141，公开了一种用于钻头传感器校准的自动加权的系统和方法，其中传感器布置在井底组件中。该方法包括首先进行记录钻孔内的初始深度的测量，计算第二深度的预测钻孔曲率，基于预测的井身曲率计算加权校准值，最后用加权校准值调整钻孔位置。

现有技术中对精确度的调整集中于影响读数的外部因素和条件，而不是传感器本身。数学模型适用于钻井作业的特定环境，而不是传感器的通常精确度和精密度。在用于不同操作的环境(外层空间，显微外科)中，仍然有根据传感器自身的部件来校准的需要。

在现有技术中解决了传感器的工厂校准。在组装时，传感器的部件在应用于具有其它扭曲的外部条件的特定环境中之前被校准。1999年3月9日授予Wisehart等人的美国专利No.5880680，教导了根据温度模型的传感器的校准。在制造时测试一个加速度计以确定一个温度模型，它能表明加速度计在不同温度下的精确度如何受影响。在钻井操作中，温度传感器和加速度计在钻井孔中运行，并根据温度模型处理加速度计的读数和来自温度传感器的读数。2007年6月26日授予Estes等人的美国专利No.7234540，教导了一种双轴陀螺仪和其他传感器的系统和方法，当这些传感器结合到井底组件中时，实时地确定钻井孔和钻孔工具的方向。在向下钻进时，大量校准操作被应用于传感器上，包括对最终位置的温度的比例因子校准。

现有技术的通常校准需要在许多传感器方向和温度上进行多次测量，并且现有技术方法仅考虑影响传感器部件的温度。然而，特别是对于确定类型的传感器来说，温度不是唯一的因子。

更现代的加速度计是小型微机电系统(MEMS或微机械系统MMS)。最简单和较便宜的MEMS装置之一是开环MEMS装置，其基本上由铰接的微加工硅片组成。硅片是在存在重力场或加速力的情况下移动的传感元件。开环MMS传感器测量与晶片的中性起始位置的偏差。另一MEMS装置是一个闭环MEMS装置，其基本上由悬臂梁(例如悬臂梁)和梁上的质量块组成。借助施加通过小磁性元件的电流，悬臂梁可以保持在中性零力的位置，这产生准确的力以中和作用在悬臂梁上的重力。按照将悬臂梁保持在中性位置所需的特定方向测量的重力场矢量，成比例地施加额外的电流量。由电流引起的磁力使悬臂梁返回到起始位置或中性位置。因此，通过测量使悬臂梁返回到中性力位置的电流量，可以测量加速力或重力的量。本发明同时适用于开环传感器和闭环传感器。对于具有本发明的开环传感器具有特别的用途。

MMS传感器的误差可能源于偏移和滞后型失真。偏移误差的发生是因为悬臂梁由于高温变形，并在相同的电流感应磁力下不能返回到相同的中性/零位置。发生滞后型失真，是因为高温下悬臂梁的变形量与在高温下所花费的时间有关。由于在不同的时间内暴露在重复的较高的温度和较低温度下，诸如硅片和悬臂梁的物理部件进一步发生变形。除了温度自身之外，MEMS加速度计的这些部件还受到额外误差的影响。目前的校准方法没有解决高温的长期影响，这对MEMS加速度计具有特别大的影响。

偏移误差和滞后误差对于现有技术中的加速度计是已知的。专利‘540还包括了从先前测量中获知的偏移校准，对陀螺仪轴的不对准和重力相关的校准。使用传感器将具有偏移误差，因为在使用传感器时部件会漂移。然而，MMS传感器，特别是开环MMS传感器，更容易受到偏移误差和滞后误差的影响，特别是当长时间暴露于高温下时。可以根据现有技术校准MMS传感器，包括尝试偏移校准；然而，用于常规加速度计的现有技术没有解决MMS传感器，其比常规加速度计更容易出现这些误差。MMS传感器部件的灵敏度和耐久性不同于传统的加速度计。对于现有技术误差的旧解决方案可适用于MMS传感器，但那些旧解决方案不够可靠。需要额外的解决方案，使MMS传感器能在高温环境中重复使用。

MMS传感器的精准度问题是已知的，并且工厂温度模型校准的缺点也是已知的。2007年1月30日授予Downton的美国专利No.7168507，教导了一种通过比较两组传感器的输出值，来重新校准井底传感器的系统和方法。第一组传感器是廉价的，并包括低精确度的MMS传感器，因此靠近钻头，具有很高的损坏风险。第二组传感器是昂贵的，并放置在更稳固的远端位置。当第二组到达与第一组测量相同的位置时，第二组传感器是测量相同参数的加速度计。第一组MMS传感器根据从第二组MMS传感器读取的参数进行校准。现有技术的解决方案是保留第二组更昂贵的加速度计，以两次检查MMS传感器，而不是解决MMS传感器的可靠性问题。专利‘507承认廉价MMS传感器的已知误差率，但添加第二套昂贵的更精确传感器的解决方案仍然昂贵且多余。

本发明的一个目的是，提供用于通过改进的校准来确定位置的方法。

本发明的另一个目的是，提供用于确定工具或终端装置在用于启动操作的位置处的位置的方法。

本发明的另一个目的是，提供用于在由校准传感器确定的特定位置的启动操作的方法。

本发明的一个目的是校准传感器。

本发明的另一个目的是校准MMS传感器。

本发明的另一个目的是校准用于偏移校准的MMS传感器。

本发明的另一个目的是校准用于滞后校准的MMS传感器。

本发明的另一个目的是，提供通过MMS传感器的改进的校准确定位置的方法。

本发明的另一个目的是，提供用于在由校准MMS传感器确定的特定位置的启动操作的方法。

本发明的另一个目的是，提供用于生成塑性偏移值的方法，以校准MMS传感器。

本发明的另一个目的是，提供基于温度、温度下的持续时间和重力来确定塑性偏移值的方法。

本发明的一个目的是在传感器的工厂校准后校准传感器。

本发明的一个目的是，同时通过塑性偏移值和传感器的工厂校准来校准传感器。

本发明的一个目的是通过调整的塑性偏移值持续校准传感器。

本发明的另一个目的是，提供通过对MMS传感器的持续校准来确定位置的方法。

本发明的另一个目的是，提供用于在由持续校准MMS传感器确定的特定位置的启动和维持操作的方法。

通过阅读所附说明书，本发明的上述和其它目的和优点将变得清晰。

发明内容

本发明的实施例包括通过改进的校准确定位置的方法和系统。要求精确位置数据的任何装置，都可以利用根据本发明校准的传感器来确定装置的位置。可以更精确地检测装置的位置和方向，使得装置可以在预期位置和方向上启动或维持操作。此外，可以实时校准位置数据，从而可以在钻穿岩层的同时积极引导装置，例如导航钻头。

本发明的方法包括组装位置传感器，该位置传感器包括振荡元件，该振荡元件具有根据重力在设定方向上的位移范围。位置传感器可以是MMS传感器的加速度计。一个实施例包括暴露于高温情况下的作为MMS传感器的位置传感器。位置数据信号基于许多设定方向上的位移生成，温度数据信号由靠近位置传感器的温度传感器检测。将位置数据信号和温度数据信号传送到与位置传感器和温度传感器通信的处理器模块；位置值由处理器模块基于位置数据信号、温度数据信号和温度数据信号的温度持续时间生成。位置值基于温度和重力，包括位置传感器暴露于温度情况中的时间长度。数据信号和值存储在存储器模块内。将位置值传输给终端装置，使得终端装置的操作对应于位置值。

生成位置值的步骤还包括生成塑性偏移值以设定位置值，使得位置值考虑到偏移误差和滞后误差，并提高位置值的精准度。根据位置传感器的振荡元件的偏移和滞后，塑性偏移值涉及温度数据信号、温度持续时间和位置数据信号。该方法考虑了每个位置传感器的部件相对于温度的偏移误差，每个位置传感器的部件的相对于温度的持续时间的滞后误差。在本发明中，位置数据信号可以对应于位置传感器的振荡元件上的重力或重力场的测量。位置传感器的读数由塑性偏移值校正，以更精确地设置位置值。

本发明的实施例包括，在生成用于由塑性偏移值校正的位置值的位置数据信号的步骤之前，结合位置传感器的初始校准或工厂校准。位置传感器升高至初始温度达一初始时间量，以便生成初始位置数据信号。位置传感器再次升高至初始温度，并且位置数据信号与初始位置数据信号比较以确定误差量。以不同的初始温度和不同的初始时间量重复该步骤。编辑校准模型，使得同一批中其它位置传感器能与校准模型一同使用。或者，本发明的方法与位置传感器的初始校准或工厂校准同时进行。达初始时间量的初始温度和初始位置数据信号成为本发明方法的第一次运行，其中用于生成位置值的维持第一持续时间的第一温度和第一位置数据信号由塑性偏移值设定。也可以编辑还包括附加塑性偏移值校正的另一校准模型，以便可以部署来自与位置传感器同一批的其他位置传感器。

与仅具有初始校准或工厂校准的现有技术中的传感器不同，本发明可以是连续的。可以反复重复生成位置数据信号和根据塑性偏移值设置位置值的步骤。或者，生成位置数据信号和设定位置值的步骤，可包括生成多个数据信号和根据各自的多个塑性偏移值设定对应的多个位置值。

本发明的系统的实施例包括位置传感器、温度传感器、处理器模块、存储器模块和终端装置。终端装置可以是需要位置数据进行操作的任何装置，例如石油和天然气工业中的井下工具、用于映射位置的勘测工具、用于跟踪传感器位置的移动探测器或用于进入游戏操作的平移移动的视频游戏控制器。本发明可包括使用位置数据和方向数据的任意终端装置。在一些实施例中，位置传感器可以是暴露于高温中的MMS传感器。该系统也可包括生成另一位置数据信号和另一位置值的另一位置传感器，该另一位置值根据另一塑性偏移值调整。多传感器实施例可进一步减少误差并确认位置和方向的精确度。该系统还可以包括至少一个靠近温度传感器的磁力计。来自磁力计的场数据信号可被用于确定计算参数，例如罗盘方位角和地球磁倾角。这些参数使用场数据信号作为磁力计磁信号和位置数据信号作为加速度计重力信号，使得这些参数也可以用本发明的塑性偏移值来改善。

附图说明

图1是本发明系统的示意图，示出了作为钻孔机的终端装置和在第一方向上钻孔的活动；

图2是本发明系统的另一示意图，示出了作为钻孔机的终端装置和在第二方向上钻孔的活动；

图3是本发明方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

参考图1-3，本发明包括通过改进对装置的位置传感器30的校准，来确定装置20的位置的方法和系统10。利用本发明，装置20的位置和方向更准确。根据本发明校准的位置传感器30允许装置20在预期的位置和方向上适当地启动或维持活动。当实时校准时，可以在钻穿岩层的同时有效引导装置20，例如导航钻头22。通过本发明的方法和系统可以减少由于偏移和滞后引起的误差。以前的具有大的偏移误差和滞后误差的传感器，例如暴露于高温的MMS传感器，特别是开环装置，现在可以结合到装置中以便可靠地确定位置数据。

本发明的方法包括组装位置传感器110，该位置传感器包括振荡元件，该振荡元件具有根据重力在设定方向上的位移范围。位置传感器可以是加速度计或MMS传感器。一个实施例包括暴露于高温情况下的作为MMS传感器的位置传感器。每个位置传感器包括振荡元件，该振荡元件具有根据重力在设定方向上的位移范围。位置传感器可以是加速度计或MMS传感器。一个实施例包括，每个位置传感器为暴露于高温条件的MMS传感器，其具有振荡元件，例如开环传感器系统的硅晶片或闭环传感器系统的悬臂梁。晶片或悬臂梁受到重力或加速力的影响，因此存在一定量的晶片位移，或者使悬臂梁保持在适当位置所需的特定方向的电流量。因此，由晶片的电容测量或电流量和电流方向确定的位移量，展现了加速度的量和方向。这种类型的MMS传感器的误差可能源于偏移和滞后型失真。偏移误差的发生是因为振荡元件(晶片或悬臂梁)由于高温而变形，并在相同的电压时不能返回到相同的中性/零位置。滞后型失真是由于振荡元件对温度波动和反转完全反应能力上的延迟和物理/化学粘附而发生的。由于在不同的时间内暴露在重复的较高的温度和较低温度下，振荡元件进一步发生变形。

基于振荡元件在设定方向上的位移量，生成位置数据信号120。在具有晶片和悬臂梁的实施例中，每个位置数据信号分别对应于晶片或悬臂梁上的重力测量。硅片的位移的电容测量，可以确定用于开环系统的位置和方向的位置数据信号。维持悬臂梁所需的电流，可以确定闭环系统的位置和方向的位置数据信号。该位置数据信号不是真实的位置值，因此位置数据信号需要校正到更精准的位置值，因为偏移和滞后误差影响这些传感器读数的可靠性。现有技术的校准校正了感温变形，但是没有校正由于传感器本身的部件的变化引起的失真。当精密部件(例如MMS传感器中的振荡元件)被组装成尺寸紧凑、成本较低且重量较轻的位置传感器时，现有技术的校准不能充分地校正位置值。较小、较轻和较便宜的位置传感器不能用于仅需要现有技术校准的高精度要求的装置中。

在本发明的方法中，由位置传感器附近的温度传感器检测温度数据信号130。该装置将位置传感器和温度传感器暴露在相同的条件，例如相同的温度中。将位置数据信号和温度数据信号，传输到与位置传感器和温度传感器通信的处理器模块140；可以连接传感器和处理器模块，使得数据能够在这些组件之间交换。还存在与处理器模块通信的存储器模块。

处理器模块基于位置数据信号、温度数据信号和温度数据信号的温度持续时间生成位置值150。位置值可以解释温度失真、偏移失真和滞后失真。位置传感器暴露于温度数据信号的温度的时间量用于确定位置值。本发明不只包括以温度来设定装置的位置值。

接下来，将位置数据信号、温度数据信号、温度持续时间和位置值存储在存储器模块160中，并将位置值传输到装置170，使得装置的活动可以对应于位置值。当准确地确定装置的位置时，可以在正确的位置启动活动180。在钻头作为装置或终端装置的示例中，利用钻头在岩层中的精确位置钻孔，对于将井眼放置在正确的位置以进入岩层中的生产层是非常重要的。错过该位置对碳氢化合物生产的成功具有严重后果。在视频游戏控制器的示例中，控制器的运动必须准确地对应于视频显示上的移动。在移动电话的示例中，移动装置的位置必须准确，以跟踪移动装置的移动。

生成本发明的位置值的步骤的实施例，还包括生成塑性偏移值152，以校准位置数据信号。根据位置传感器的振荡元件的偏移和滞后，塑性偏移值涉及温度数据信号、温度持续时间和位置数据信号。该方法考虑了每个位置传感器154的这些机械部件的偏移误差，受到暴露于温度中的影响，以及每个位置传感器156的这些机械部件的滞后误差，受到暴露于温度条件的持续时间和波动的影响。调整位置数据信号，使得塑性偏移值158可以设置更精准的位置值。

对于线性传感器，可以通过方程式描述现有技术的传感器校准：

CAL＝[RAW*SCALE(t)]-BIAS(t)(方程式1)

其中CAL是现有技术的校准传感器读数或现有技术位置值，其中RAW是原始传感器读数或位置数据信号，SCALE(t)作为温度函数的比例因子，BIAS(t)作为温度函数的偏差因子。在该现有技术校准的情况下，SCALE(t)和BIAS(t)可以在传感器投入使用之前通过实验来确定。现有技术的校准是在组装传感器之后的工厂校准。

对于本发明，生成位置值的步骤描述如下：

CAL＝[RAW*SCALE(t)]-BIAS(t)(方程式1)

和

CAL’＝CAL-PLASTIC_BIAS(温度，CAL，时间)(方程式2)

其中CAL’是本发明的改进的、校准的传感器读数或位置值，并且其中PLASTIC_BIAS(温度，场，时间)是塑性偏移项或塑性偏移值，它是温度、场和时间的函数。场可以参考位置数据信号或取决于重力的其他测量。在方程式2中，CAL返回到由位置数据信号(RAW)确定的现有技术位置值的计算。在传感器投入使用之前，无法确定这个新的PLASTIC_BIAS项。根据实际的传感器环境，塑性偏移值可以在使用期间为有效和连续的。

根据现有技术方程式1，本发明的实施例包括在生成位置数据信号的步骤之前结合位置传感器的初始或工厂校准。位置传感器升高至初始温度达初始时间量，以便生成初始位置数据信号。位置传感器的振荡元件在零位置处开始，并且初始位置数据信号对应于振荡元件在初始温度下达初始时间段的初始位移量。接下来，根据针对初始温度和初始时间量收集的数据，位置传感器返回到零位置。位置传感器第二次升高到初始温度达初始时间量，并且对应于振荡元件的相应位移量检测另一位置数据信号。位置数据信号和另一个位置数据信号值之间的差异，确定了对于现有技术位置值CAL的初始塑性偏移校正的SCALE(t)和BIAS(t)。

因此，初始或工厂校准的步骤能够以不同的初始温度和不同的初始时间量重复。在升高到不同的初始温度之间也可以冷却位置传感器。根据针对不同初始温度和不同时间量收集的数据，能够在下一次重复时，设定振荡元件的后续位置。

该方法包括基于一个位置传感器的SCALE(t)和BIAS(t)数据形成校准模型。如在现有技术中那样，校准模型可以应用于与初始或工厂校准中的位置传感器同一批组装的其他传感器。生成位置数据信号、检测温度数据信号和生成位置值的后续步骤，可以开始校准到更精准的位置值。本发明的方法是在装置上主动使用传感器，并且可以在CAL的初始或工厂校准之后执行对CAL’的校准。本发明不需要CAL的初始或工厂校准，但是本发明的方法与传感器兼容，传感器已经过初始或工厂校准或者具有相应校准模型，该校准模型来自测试传感器的初始或工厂校准。

在替代实施例中，初始或工厂校准与本发明的方法同时进行。在本发明中，除了获取实际读数之外，还可以在校准期间使用塑性偏移值进行校正。升高到初始温度，检测初始位置数据信号，将振荡元件返回到零位置，再次升高到初始温度，检测另一个位置数据信号，和比较CAL的位置数据信号的步骤，与本发明的方法重叠。初始或工厂校准也是位置传感器的首次使用。

初始温度数据信号是本发明的温度数据信号；并且初始位置数据信号是本发明的位置数据信号。完整的方程式是：

CAL’＝{[RAW*SCALE(t)]-BIAS(t)}-PLASTIC_BIAS(温度，CAL，时间)(方程式3)

其中CAL由[RAW*SCALE(t)]-BIAS(t)确定，与确定CAL’同时进行。

这样，初始或工厂校准和本发明的步骤可以用不同的初始温度和不同的初始时间量重复。在升高到不同的初始温度之间也可以冷却位置传感器。根据针对不同初始温度和不同时间量收集的数据，可以为随后的重复设置振荡元件的后续位置。该方法包括基于用于一个位置传感器的SCALE(t)、BIAS(t)、PLASTIC_BIAS数据形成另一校准模型。另一个校准模型也可以应用于与位置传感器在同一批次中组装的其他传感器。在本发明中，可以在装置的使用期间重复生成位置数据信号、检测温度数据信号和生成位置值的后续步骤。

本发明的实施例包括连续校准。与受控条件下的工厂校准不同，可以连续校准工具上传感器的使用。特定位置传感器的高温跟踪历史的暴露持续时间和波动，以更精准地计算偏移和滞后误差。生成位置数据信号的步骤，包括将位置传感器在第一位置升高到第一温度达第一时间量，生成在第一温度下达第一时间量的第一位置数据信号，基于第一温度、第一时间量、第一位置数据信号生成位置值，并在第一时间量后在第二位置设置位置传感器。第一位置数据信号是位置数据信号。对于连续校准，重复这些步骤，且生成位置数据信号的重复步骤包括，将位置传感器在第二位置升高到第二温度达第二时间量，生成在第二温度下达第二时间量的第二位置数据信号，基于第一位置数据信号、第一温度、第一时间量、第二位置数据信号、第二温度和第二时间量生成位置值，并在第一时间量和第二时间量后，在第三位置设置位置传感器。在该实施例中，第二位置数据信号是另一位置数据信号，且位置传感器设置在第三位置、第四位置和用于连续校准的附加位置，并确定相应迭代的每个塑性偏移值的位置值。

连续校准的另一实施例，是当生成位置数据信号的步骤包括以下步骤时：将位置传感器升高到多个温度达经相应的多个时间量；生成在每个温度下达相应时间量的多个位置数据信号。因此，生成位置值的步骤包括以下：基于每个位置数据信号、相应的温度、相应的时间量、任何先前的位置数据信号、任何相应的先前温度和任何相应的先前时间量来设置每个位置值。根据基于先前位置数据信号、相应的先前温度和相应的先前时间量连续生成的塑性偏移值，连续调整位置值。

图1-2示出了系统10，其包括位置传感器30、温度传感器40、处理器模块50、存储器模块60和终端装置20。终端装置20可以是需要位置数据来进行操作的任何装置，例如在石油和天然气工业中具有钻头22的井下工具，如图1和2中所示，用于映射位置的勘测工具、或用于跟踪传感器位置的移动探测器、或用于将动作转换为游戏操作的视频游戏控制器。在图1-2中，装置20是具有钻头22的井下工具。在该实施例中，活动是用钻头22钻孔。本发明可包括使用位置数据和方向数据的任何终端装置。

位置传感器30包括振荡元件，该振荡元件具有根据重力在设定方向上的位移范围。图1-2示出了相对于重力(G)和水平(H)的方向的振荡元件。在图1中，设定方向(X)显示为水平并与水平(H)匹配。在图2中，设定方向(X)以与水平(H)的倾斜角度示出。X的精准确定决定了装置20或井下工具的方向，使得钻头22在正确的路径上钻孔。位置传感器30生成振荡元件检测为X的位置数据信号。振荡元件的机械限制影响检测到的X数据信号作为装置20的实际X的精准度。图1和2还示出了温度传感器40，用于检测温度数据信号并靠近位置传感器30。位置传感器30经历的环境状况与温度传感器40匹配。温度传感器40检测温度对位置传感器30的影响。

在一些实施例中，位置传感器30可以是暴露于高温中的MMS传感器。图1-2示出了作为井下工具的装置20。使用井下工具的环境条件包括极端温度和压力。机械部件必须耐用且有弹性，因为在岩层中很大的深度处进行修复，并不是一项简单的任务。现有技术的石英加速度计已用于井下工具。然而，作为位置传感器的这些加速度计的成本和空间要求是苛刻的。本发明允许MMS传感器代替石英加速度计，而不损失精准度和耐用性。

图1-2示出了处理器模块50与位置传感器30和温度传感器40通信的示意图。处理器模块50通过传输或硬接线接收位置数据信号和温度数据信号。处理器模块50基于位置数据信号和温度数据信号生成位置值，其中位置传感器30将位置数据信号检测为X。存储器模块60也是与处理器模块通信的示意图，其用于存储位置数据信号、温度数据信号和位置值。

终端装置20被示出与处理器模块通信以接收位置值。可以存在用于对应于位置值的活动的控制机构24。图1-2示出了用于钻头22的钻孔动作的示意性控制机构24。在本发明中，可以有其他装置、控制机构和活动。例如，终端装置可以是具有正在映射的活动的调查工具，或具有正在跟踪的活动的移动探测器，或具有在虚拟现实中的游戏动作的活动的视频游戏控制器。

图1-2也示出了多个替换的实施例。可以存在另一位置传感器32，其包括另一振荡元件，该振荡元件根据重力在另一设定方向上具有另一位移范围。另一个位置传感器也靠近位置传感器30和温度传感器40，使得生成的另一个位置数据信号与位置传感器30的位置数据信号相当。另一个位置传感器32与处理器模块50通信，使得位置值由位置数据信号、另一位置数据信号和温度数据信号确定，以进一步减少误差，并确认检测到的位置和方向的位置数据。

在图1-2中还示出了靠近温度传感器40，并与处理器模块50通信的磁力计80。磁力计80生成场数据信号，其也可由处理器模块50使用以确定附加位置值，例如罗盘方位角或地球磁倾角。用于校正与磁场强度相对应的位置数据信号、位置数据信号和场数据信号的塑性偏移值确定附加位置值。因此，由于塑性偏移值，附加位置值(例如方位角)现在更精准。在一些实施例中，可以存在多于一个的磁力计，例如磁力计82，以进一步比较和确定来自其他场数据信号的附加位置值。

本发明提供通过改进的校准来确定位置的方法。在诸如高温的极端条件下，可以校准传感器以提供更准确的位置信息。该方法允许终端装置在适当确定的位置启动活动。例如，可以为钻头映射井底组件上的钻头的更精准路径。此外，可以捕获手持控制器的敏感动作，以便在视频游戏中模拟更精准的动作。通过本发明的校准，基于方向和位置数据的位置值更加精准。本发明可以解决钻井孔或来自计算机系统的散热器的高温状况。

以本发明的方法和系统校准传感器，尤其是MMS传感器。尽管相对简单且便宜，但MMS传感器的耐用性和可靠性阻碍了该微机电技术在许多技术领域中的采用。当前的系统和方法无法解决偏移误差和滞后误差。这些小而敏感的零件的细节，需要额外的调整以确保部件的可靠性。必须避免诸如温度的一定条件，以便依赖来自这些MMS传感器的数据。利用本发明，现在可以校准MMS传感器以精准地确定位置。可以在由校准的MMS传感器确定的特定位置处启动活动。

本发明提供了一种用于生成塑性偏移值的方法，该塑性偏移值用于校准MMS传感器。除了基于温度影响的现有技术因子校准之外，本发明还收集附加数据并生成不同的值，以改善来自传感器的读数。塑性偏移值考虑了传感器所经历的温度、每个温度下的持续时间和在暴露于那些温度期间检测到的方向或重力值。可以考虑传感器的历史，使得偏移误差和滞后误差不再降低传感器的可靠性。对于MMS传感器，塑性偏移值可用于形成塑性偏移模型，其可用于在相同条件下组装的一批MMS传感器。虽然一个MMS传感器的所有塑性偏移值的单一历史记录，将为该MMS传感器提供最精准的数据，但是仍然可以为一批中的所有MMS传感器创建塑性偏移模型，从该塑性偏移模型中获取一个MMS传感器。

基于温度的现有技术工厂校准仍然与本发明兼容。当在工厂校准之后确定塑性偏移值以校准MMS传感器时，传感器读数仍然校准传感器的偏移和滞后和温度。当塑性偏移值与工厂校准同时确定时，工厂校准的加热和冷却结合到传感器的塑性偏移值中。当塑性偏移值继续用于校准MMS传感器时，传感器读数仍然不断地校正传感器的偏移和滞后。

在本发明的一个实施例中，传感器用塑性偏移值连续校准。传感器暴露的实时历史用于校准，使得来自传感器读数的位置值，最准确地捕获传感器所经历的情况。对于MMS传感器，现在解决了由于高温暴露，偏移和滞后引起的可靠性问题，使得MMS传感器可以用于更多样化的应用中。针对暴露于传感器的情况，在确定的位置启动的活动提高了精准度。现有技术模型和外推不再是纠错和校准的唯一依据。此外，可以以提高的准确度跟踪诸如钻井的持续活动，使得能够以更好的可靠性映射所形成的钻井孔。穿过地层的实时导航由精准的位置信息引导。连续校准的MMS传感器主动调节传感器读数，以获得超出现有技术中工厂校准和多传感器布置的优点和益处。

本发明的前述公开和描述是说明性和解释性的。在不脱离本发明的真实精神的情况下，可对所阐述的结构、构建和方法的细节进行各种改变。

Claims (19)

1.确定位置的方法，该方法包括以下步骤：

组装位置传感器，该位置传感器包括振荡元件，该振荡元件具有根据重力在设定方向上的位移范围；

基于所述设定方向上的所述振荡元件的位移量，利用所述位置传感器生成位置数据信号，所述位置数据信号对应于所述位置传感器的方位；

利用靠近所述位置传感器的温度传感器检测温度数据信号；

将所述位置数据信号和所述温度数据信号传输到与所述位置传感器和所述温度传感器通信的处理器模块；

基于所述位置数据信号、所述温度数据信号和与所述温度数据信号对应的温度持续时间，利用所述处理器模块生成位置值；

将所述位置数据信号、所述温度数据信号、所述温度持续时间和所述位置值存储在与所述处理器模块通信的存储器模块中；

将所述位置值传输给与所述处理器模块通信的终端装置；和

控制与所述位置值对应的所述终端装置的活动；

基于所述温度数据信号、所述温度的所述持续时间和所述位置数据信号，利用所述处理器模块生成塑性偏移值，以便考虑偏移和滞后误差；和

根据所述塑性偏移值设定所述位置值，所述位置数据信号由所述塑性偏移值调整。

2.根据权利要求1所述的确定位置的方法，其中，所述位置数据信号对应于所述振荡元件上的重力测量值。

3.根据权利要求1所述的确定位置的方法，其中，通过所述塑性偏移值连续调整所述位置数据信号，以便连续地设定所述位置值。

4.根据权利要求1所述的确定位置的方法，其中，在生成所述位置数据信号的步骤之前，还包括以下步骤：

将所述振荡元件的零位置处的所述位置传感器升高到初始温度达初始时间量；

检测初始位置数据信号，该初始位置数据信号对应于在初始温度下所述振荡元件在初始时间量内的初始位移量；

根据针对初始温度和初始时间量收集的数据，将所述位置传感器返回到零位置；

将所述位置传感器再次升高到所述初始温度达所述初始时间量；

检测另一位置数据信号，该另一位置数据信号对应于初始温度下所述振荡元件在初始时间量内的另一位移量；

基于所述初始位置数据信号和所述另一位置数据信号设定所述位置值。

5.根据权利要求4所述的确定位置的方法，还包括以下步骤：

以不同的初始温度和不同的初始时间量重复以下步骤：

对位于零位置的所述位置传感器进行升温，检测与初始位移量对应的所述初始位置数据信号，将所述位置传感器返回至零位置，将所述位置传感器再次升高到所述初始温度达所述初始时间量，检测另一位置数据信号，以及基于所述初始位置数据信号和所述另一位置数据信号设定所述位置值。

6.根据权利要求5所述的确定位置的方法，还包括以下步骤：

基于设定所述位置值的步骤形成校准模型。

7.根据权利要求5所述的确定位置的方法，还包括以下步骤：

根据针对不同的初始温度和不同的初始时间量收集的数据，将所述位置传感器冷却到所述振荡元件的后续位置。

8.根据权利要求1所述的确定位置的方法，在组装所述位置传感器的步骤之后，

其中，将所述振荡元件的零位置处的所述位置传感器升高到初始温度达初始时间量，和

其中，所述位置数据信号是初始位置数据信号，其对应于初始温度下所述振荡元件在初始时间量内的初始位移量，该方法还包括以下步骤：

根据针对初始温度和初始时间量收集的数据，将所述位置传感器返回到零位置；

将所述位置传感器再次升高到另一温度达另一时间量；

检测另一位置数据信号，该另一位置数据信号对应于在所述另一温度下所述振荡元件在所述另一时间量内的另一位移量；

基于所述初始位置数据信号和所述另一位置数据信号设定所述位置值；和

将所述初始位置数据信号、所述另一位置数据信号、与所述初始位置数据信号和所述另一位置数据信号对应的所述位置值、所述另一位置数据信号和所述位置值之间的差异量、温度信号、温度持续时间存储在存储器模块中。

9.根据权利要求8所述的确定位置的方法，还包括以下步骤：

以不同的初始温度和不同的初始时间量重复以下步骤：

将所述位置传感器返回至零位置，将所述位置传感器升高至所述另一温度，检测所述另一位置数据信号，基于所述初始位置数据信号和所述另一位置数据信号设置所述位置值，以及存储所述初始位置数据信号、所述另一位置数据信号、与所述初始位置数据信号和所述另一位置数据信号对应的所述位置值、所述另一位置数据信号和所述位置值之间的所述差异量、所述温度信号以及所述温度持续时间。

10.根据权利要求9所述的确定位置的方法，还包括以下步骤：

基于存储在所述存储器模块中的所述另一位置数据信号和所述位置值之间的所述差异量形成校准模型。

11.根据权利要求1所述的确定位置的方法，

其中生成所述位置数据信号的步骤包括以下步骤：

将第一位置处的所述位置传感器升高至第一温度达第一时间量；和

生成在第一温度下达第一时间量的第一位置数据信号，所述第一位置数据信号为所述位置数据信号，并且

其中生成所述位置值的步骤包括以下步骤：

基于所述第一温度、所述第一位置数据信号和所述第一时间量设定所述位置值；和

在第一时间量后在第二位置处设置所述位置传感器。

12.根据权利要求11所述的确定位置的方法，还包括以下步骤：

重复以下步骤：

对所述第一位置处的所述位置传感器进行升温，生成所述第一位置数据信号，设置所述位置值，以及将所述位置传感器设置在所述第二位置。

13.根据权利要求11所述的确定位置的方法，

其中生成所述位置数据信号的步骤还包括以下步骤：

将所述第二位置处的所述位置传感器升高至第二温度达第二时间量；

生成在第二温度下达第二时间量的第二位置数据信号，所述第二位置数据信号为另一位置数据信号，并且

其中生成所述位置值的步骤还包括以下步骤：

根据所述第一位置数据信号、所述第一温度、所述第一时间量、所述第二位置数据信号、所述第二温度和所述第二时间量设定所述位置值；和

在第一时间量和第二时间量后，在第三位置处设置所述位置传感器。

14.根据权利要求1所述的确定位置的方法，

其中生成所述位置数据信号的步骤包括以下步骤：

将所述位置传感器升高到多个温度达多个相应的时间量；和

生成在每个温度下达相应时间量的多个位置数据信号，和

其中生成所述位置值的步骤包括以下步骤：

基于每个位置数据信号、相应的温度、相应的时间量、任何先前的位置数据信号、任何相应的先前温度和任何相应的先前时间量来设定每个位置值。

15.确定位置的方法，所述方法包括以下步骤：

组装位置传感器，该位置传感器包括振荡元件，该振荡元件具有根据重力在设定方向上的位移范围；

基于所述设定方向上的所述振荡元件的位移量，利用所述位置传感器生成位置数据信号，所述位置数据信号对应于所述位置传感器的方位；

利用靠近所述位置传感器的温度传感器检测温度数据信号；

将所述位置数据信号和所述温度数据信号传输到与所述位置传感器和所述温度传感器通信的处理器模块；

基于所述位置数据信号、所述温度数据信号和与所述温度数据信号对应的温度持续时间，利用所述处理器模块生成位置值；

将所述位置数据信号、所述温度数据信号、所述温度持续时间和所述位置值存储在与所述处理器模块通信的存储器模块中；

将所述位置值传输给与所述处理器模块通信的终端装置；和

控制与所述位置值对应的所述终端装置的活动；

其中生成所述位置数据信号的步骤包括以下步骤：

将所述位置传感器升高到多个温度达多个相应的时间量；和

生成在每个温度下达相应时间量的多个位置数据信号，和

其中生成所述位置值的步骤包括以下步骤：

基于每个位置数据信号、相应的温度、相应的时间量、任何先前的位置数据信号、任何相应的先前温度和任何相应的先前时间量来设定每个位置值；

其中根据基于先前位置数据信号、相应的先前温度和相应的先前时间量所进行的相应持续调整来持续设定所述位置值。

16.确定位置的系统，所述系统包括：

位置传感器，所述位置传感器包括振荡元件，该振荡元件具有根据重力在设定方向上的位移范围，所述位置传感器生成位置数据信号；

温度传感器，所述温度传感器检测温度数据信号，并靠近所述位置传感器；

处理器模块，所述处理器模块与所述位置传感器和所述温度传感器通信，所述处理器模块接收所述位置数据信号和所述温度数据信号，所述处理器模块根据权利要求1所述的方法基于所述位置数据信号和所述温度数据信号生成位置值；

存储器模块，所述存储器模块与所述处理器模块通信，所述存储器模块存储所述位置数据信号、所述温度数据信号和所述位置值；和

终端装置，所述终端装置与所述处理器模块通信并接收所述位置值，所述终端装置包括用于对应于所述位置值的活动的控制机构。

17.根据权利要求16所述的确定位置的系统，还包括：

另一位置传感器，所述另一位置传感器包括另一振荡元件，该另一振荡元件具有根据重力在另一设定方向上的另一位移范围，所述另一位置传感器生成另一位置数据信号，所述另一位置传感器靠近所述温度传感器，并与所述处理器模块通信，所述处理器模块接收所述另一位置数据信号，所述处理器模块基于所述位置数据信号、所述另一位置数据信号和所述温度数据信号生成所述位置值。

18.根据权利要求16所述的确定位置的系统，还包括：

磁力计，其靠近所述温度传感器，与所述处理器模块通信，并生成场数据信号，所述处理器模块接收所述场数据信号，所述处理器模块基于所述场数据信号、所述位置数据信号和所述温度数据信号生成额外的位置值。

19.根据权利要求18所述的确定位置的系统，还包括：

另一磁力计，其靠近所述温度传感器，与所述处理器模块通信，并生成另一场数据信号，所述处理器模块接收所述另一场数据信号，所述处理器模块基于所述场数据信号、所述另一场数据信号、所述位置数据信号和所述温度数据信号生成额外的位置值。

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