CN112346149B - 一种三分量井中磁力仪测量值校正系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三分量井中磁力仪测量值校正系统，该系统包括三分量井中磁力仪、校正装置和控制处理装置；校正装置包括：用于带动三分量井中磁力仪在三维上进行旋转的三轴无磁转台、用于容置并固定三分量井中磁力仪的无磁保温瓶、对三分量井中磁力仪进行加热的加热件、对三分量井中磁力仪的温度进行测量的测温件；控制处理装置包括测量值校正模块；测量值校正模块与三分量井中磁力仪和测温件通信连接，并根据获取到的三分量井中磁力仪的不同温度、三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计的输出值来建立校正模型，令温度校正、传感器误差校正和坐标系转换误差校正可同时完成，提高了校正的工作效率和校正准确性。

Description

一种三分量井中磁力仪测量值校正系统

技术领域

本发明涉及地下与井中地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种三分量井中磁力仪测量值校正系统。

背景技术

井中三分量磁力仪是地下与井中地球物理勘探中经常使用的一种磁测仪器，它利用其3个两两正交测磁轴，从3个方向测量沿井轴深度变化的矿磁场异常分布，从而得知纵向矿体的分布情况。在原则上井中三分量磁力仪仅对单井就可对矿体进行定位，因此近年来受到很多研究者的关注。

目前井中三分量磁力仪主要采用三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计共同组成测量单元进行磁测。由于三分量磁力仪的三分量磁通门传感器和三分量加速度传感器的两个测量轴不能做到完全正交、每个轴的比例系数、零点误差也都不完全一致，导致三轴磁通门传感器和加速度计在旋转的过程中会产生转向误差。在下井测量过程中，温度会随着下井深度的增加而相应增加，导致三分量磁通门和三分量加速度计工作于不同温度，而且三分量磁通门和三分量加速度计的比例系数和零偏随温度变化呈现非线性变化，进而影响磁力仪测量的精度。实际测量时，钻井过程中由于各部分岩层硬度不同，导致测井有井斜，就需要将磁测值从轴向坐标系转换至大地坐标系。由于三分量磁传感器坐标系和三分量加速度计坐标系无法完全重合，磁测量值由磁传感器坐标系转换至大地坐标系后，就会出现坐标系转换误差。这些误差严重影响了三分量井中磁力仪的磁测量精度，需要对其进行温度校正和坐标系转换误差修正，且三分量井中磁力仪体积较大(φ50×1546mm)。

目前三分量井中磁力仪的校正通常采用下井校正和分离校正两种方法。下井校正需要下井实际测量数据，成本较高，且该方法易受地质体的磁性环境影响，有可能出现测量数据不准确而不能校正的情况。分离校正是分别进行温度校正、传感器误差校正和坐标系转换误差修正，分别校正不仅校正效率低，而且有可能影响校正的准确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种三分量井中磁力仪测量值校正系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种三分量井中磁力仪测量值校正系统，该系统包括校正装置和控制处理装置；

所述校正装置包括：用于带动三分量井中磁力仪在三维上进行旋转的三轴无磁转台、用于容置并固定三分量井中磁力仪的无磁保温瓶、对三分量井中磁力仪进行加热的加热件、对三分量井中磁力仪的温度进行测量的测温件；所述三分量井中磁力仪包括磁通门传感器和三分量重力加速度计；

无磁保温瓶可拆卸连接于所述三轴无磁转台上；加热件设于所述无磁保温瓶内部；测温件设于所述三分量井中磁力仪上；

控制处理装置包括测量值校正模块；所述测量值校正模块与所述三分量井中磁力仪和所述测温件通信连接，并根据获取到的所述三分量井中磁力仪的不同温度、所述三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计的输出值来建立校正模型。

优选地，在本发明所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统中，所述三轴无磁转台包括底座、设于所述底座上的航向码盘、设于所述航向码盘上的固定支架、穿过所述固定支架的俯仰轴、与所述俯仰轴一端连接的俯仰码盘、可在所述俯仰轴上横向移动并连接横滚轴的横滚连接件、与所述横滚轴一端连接的横滚码盘；

所述横滚轴上安装有用于固定所述保温瓶的保温瓶固定件。

优选地，在本发明所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统中，所述无磁保温瓶包括设有开口的瓶体、设于所述瓶体内部空腹的用于固定所述三分量井中磁力仪的磁力仪固定件、用于盖合所述开口的瓶盖、设于所述瓶盖上的用于连接所述三分量井中磁力仪和外部处理装置的隔热连接件、以及开设于所述瓶体或所述瓶盖上的控温进口和控温出口。

优选地，在本发明所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统中，所述加热件贴合包裹所述三分量井中磁力仪；所述测温件设于所述加热件与所述三分量井中磁力仪之间，并与二者相互紧贴。

优选地，在本发明所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统中，所述测量值校正模块包括：

温度校正模块，用于分别根据所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计的X轴、Y轴、Z轴在不同温度下的比例系数和零偏，采用多阶多项式进行拟合，得到X轴、Y轴、Z轴的比例系数和零偏随温度变化的温度校正模型；

传感器误差校正模块，用于建立所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值与所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的输出值、转化矩阵、以及X、Y、Z三轴的零偏之间的误差校正模型，并根据所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值和所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的输出值，计算获得所述转化矩阵以及所述X、Y、Z三轴的零偏，得到传感器误差校正模型；

坐标系转换误差修正模块，用于建立所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在坐标系转换误差修正后的输出值与坐标修正系数、经所述温度校正模型和所述传感器误差校正模型后的所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值之间的坐标系转换误差修正模型，并根据经所述温度校正模型和所述传感器误差校正模型后的所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值之间的比例恒定关系，计算获得坐标修正系数，得到最终的坐标系转换误差修正模型。

优选地，在本发明所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统中，所述传感器误差校正模块包括：

非正交误差模块，用于建立所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差情况下的输出值与非正交角、以及所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值之间的非正交误差模型；

比例系数误差模块，用于建立所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差情况下的输出值与比例系数、以及所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差情况下的输出值之间的比例系数误差模型；

零偏误差模块，用于建立所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的输出值与零偏、以及所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差情况下的输出值之间的零偏误差模型；

建立模块，用于根据所述非正交误差模型、比例系数误差模型和所述零偏误差模型，进行转换处理，得到所述传感器误差校正模型。

优选地，在本发明所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统中，所述控制处理装置还包括：

温度测控模块，用于控制所述加热件(3)加热、以及检测所述测温件(4)的温度信号并传输至所述测量值校正模块；

磁力仪检测模块，用于对所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计的输出值进行记录并传输至所述测量值校正模块；

姿态测控模块，用于控制并检测所述三轴无磁转台的旋转。

优选地，在本发明所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统中，所述三轴无磁转台上设有步进电机和角度传感器；

所述姿态测控模块包括用于控制所述步进电机的伺服器、用于接收所述角度传感器传输的角度数据的数据接收模块。

优选地，在本发明所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统中，所述温度测控模块包括用于发送加热指令和转换接收温度信号的A/D模块。

优选地，在本发明所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统中，所述加热件的温度可控范围为0℃至200℃。

通过实施本发明，具有以下有益效果：

本发明通过设计三分量井中磁力仪测量值校正系统，令温度校正、传感器误差校正和坐标系转换误差修正可同时完成，提高了校正的工作效率，解决了下井校正存在的成本高，易受地质体磁性环境影响的问题，以及分别校准存在的温度易散失、工作效率低，校正不准确等问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明三轴无磁转台与无磁保温瓶的结构示意图；

图2是本发明无磁保温瓶连接控制装置的结构示意图；

图3是本发明控制处理装置的模块示意图；

图4是本发明三轴无磁转台、无磁保温瓶与工控机的电气连接图；

图5是本发明传感器误差校正模块的示意图；

图6是本发明三分量井中磁力仪内部传感器安装示意图；

图7是本发明三分量磁通门传感器的非正交模型；

图8是本发明传感器输出校准前与校准后关系示例图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-3所示，本发明构造了一种三分量井中磁力仪测量值校正系统，该系统包括校正装置和控制处理装置。

其中，所述校正装置包括：用于带动三分量井中磁力仪在三维上进行旋转的三轴无磁转台1、用于容置并固定三分量井中磁力仪的无磁保温瓶2、对三分量井中磁力仪进行加热的加热件3、对三分量井中磁力仪的温度进行测量的测温件4。所述三分量井中磁力仪包括磁通门传感器和三分量重力加速度计；

其中，所述控制处理装置包括测量值校正模块、温度测控模块、磁力仪检测模块和姿态测控模块，控制处理装置与三轴无磁转台1、加热件3、测温件4和三分量井中磁力仪通信连接，控制三轴无磁转台1旋转、加热件3加热、接收测温件4检测到的分量、井中磁力仪的温度和接收三分量井中磁力仪的输出值。在一些实施例中，控制处理装置为工控机，该工控机集控制和处理于一体。

在本实施例中，三轴无磁转台1具有无磁、三轴连续旋转和数字输出的特点，转台可带动三分量井中磁力仪在三维(X、Y、Z)上进行旋转，并使三分量井中磁力仪固定于任何姿态。三轴无磁转台1的旋转由姿态测控模块控制和检测。如图4所示，三轴无磁转台1上设有步进电机和角度传感器。姿态测控模块包括用于控制步进电机的伺服器、用于接收角度传感器传输的角度数据的数据接收模块。在一些实施例中，数据接收模块为485转232模块。具体地，伺服器一端通过串口与工控机相连，另一端伺服器通过信号传输线与步进电机相连以此来控制转台转动的角度。角度传感器通过485总线与485转232模块相连，485转232模块再通过串口与工控机相连，以此来读取转台的转动的角度，并通过工控机内置软件的姿态测控模块，接收各姿态角数据并显示，也可以按照预设角度控制转台各轴旋转到指定角度。

三轴无磁转台1的结构如图1所示，包括底座11、设于底座11上的航向码盘12、设于航向码盘12上的固定支架13、穿过固定支架13的俯仰轴14、与俯仰轴14一端连接的俯仰码盘15、可在俯仰轴14上横向移动并连接横滚轴16的横滚连接件、与横滚轴16一端连接的横滚码盘17。并且，横滚轴16上安装有用于固定保温瓶的保温瓶固定件。在一些实施例中，保温瓶固定件为环形无磁夹具，用于夹持无磁保温瓶2，并且各个码盘都标有0-350的刻度。

所述无磁保温瓶2可拆卸连接于三轴无磁转台1上，用于容置并固定三分量井中磁力仪。如图2所示，无磁保温瓶2包括设有开口的瓶体21、设于瓶体21内部空腹的用于固定三分量井中磁力仪的磁力仪固定件、用于盖合开口的瓶盖22、设于瓶盖22上的用于连接三分量井中磁力仪和外部处理装置的隔热连接件23、以及开设于瓶盖22上的控温进口24和控温出口25。在一些实施例中，该控温进口24为进气口，控温出口25排气口，用于排除保温瓶内的热空气达到降温的目的。其中，如图4所示，被测试的三分量井中磁力仪通过瓶盖22上的隔热连接件23、信号传输线与工控机上的A/D模块通讯连接，再通过串口与工控机相连接，通过工控机内置软件的磁力仪检测模块对三分量井中磁力仪数据进行实时采集记录，将采集到的数据导入校正模块进行校正(磁力仪检测模块导入校正模块的数据已扣除步进电机带来的背景磁场值)。在一些实施例中，所用到的信号传输线长达30m，以确保工控机尽可能远离试验装置，从而避免工控机对三分量井中磁力仪的磁性干扰。并且，该瓶体21为双层真空结构，采用无磁钢制成，一端开口使用瓶盖22螺纹紧固，瓶盖22由耐高温且隔热的聚四氟乙烯材料做成；磁力仪固定件为无磁夹具。

如图2所示，加热件3设于无磁保温瓶2内部，贴合包裹三分量井中磁力仪，以对三分量井中磁力仪进行加热。在一些实施例中，加热件3为无磁电子加温毯。

温度测控模块用于控制加热件3加热、以及检测测温件4的温度信号并传输至所述测量值校正模块。在一些实施例中，温度测控模块包括用于发送加热指令和转换接收温度信号的A/D模块。如图4所示，加热件3和测温件4通过瓶盖22上的隔热连接件23、信号传输线与工控机上的A/D模块(内含温度DI/O)通讯连接，再通过串口与工控机相连接，工控机按照预设温度控制电子加温毯加热到指定温度。

测温件4设于三分量井中磁力仪上，以对三分量井中磁力仪的温度进行测量。为了测量的准确性，测温件4设于加热件3与三分量井中磁力仪之间，并与二者相互紧贴。在一些实施例中，测温件4为温度计，通过瓶盖22上的隔热连接件23、信号传输线与工控机上的A/D模块(内涵温度DI/O)通讯连接，再通过串口与工控机相连接，实时测量三分量井中磁力仪当前所处的温度，通过工控机内置软件的温度测控模块，接收当前加热温度并显示。

在本实施例中，测量值校正模块与三分量井中磁力仪和测温件4通信连接，并根据获取到的三分量井中磁力仪的不同温度、三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计的输出值来建立校正模型。

磁力仪检测模块用于对三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计的输出值进行记录并传输至测量值校正模块。在一些实施例中，磁力仪检测模块和温度测控模块可集成于一A/D模块中，通过信号传输线、瓶盖22上的隔热连接件23与三分量井中磁力仪和测温计4通信连接。

本发明通过温度测控模块控制加热件3和通过姿态测控模块控制三轴无磁转台1来改变三分量井中磁力仪的温度和姿态，加热到一定温度后，在改变三分量井中磁力仪姿态的过程中通过工控机内置的磁力仪检测模块对三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计的输出值进行实时采集记录，并接收温度测控模块检测到的三分量井中磁力仪的不同温度数据，将采集到的输出值数据和温度数据导入测量值校正模块中(磁力仪检测模块导入校正模块的数据已扣除步进电机带来的背景磁场值)，建立校正模型。

其中，测量值校正模块包括：温度校正模块、传感器误差校正模块和坐标系转换误差修正模块。测量值校正模块通过软件编程实现校正。

温度校正模块，用于分别根据三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计的X轴、Y轴、Z轴在不同温度下的比例系数和零偏，采用多阶多项式进行拟合，得到X轴、Y轴、Z轴的比例系数和零偏随温度变化的温度校正模型。

具体地，在本实施例中，三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计的比例系数和零偏随温度呈非线性变化，三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计的比例系数和零偏是关于温度的函数，分别记为：S_H(T)、B_H(T)、S_G(T)、B_G(T)。其中，S表示比例系数，H表示三分量磁通门传感器，G表示三分量重力加速度计，B表示零偏，T表示温度；S_H(T)表示三分量磁通门传感器比例系数随温度变化的函数；B_H(T)表示三分量磁通门传感器零偏随温度变化的函数；S_G(T)表示三分量重力加速度计比例系数随温度变化的函数；B_G(T)表示三分量重力加速度计零偏随温度变化的函数。

以获取三分量磁通门传感器的X轴在不同温度下的比例系数，得到X轴的比例系数随温度变化的函数S_Hx(T)为例进行说明，S_Hx(T)表示的三分量磁通门传感器X轴比例系数随温度变化的函数。

根据三分量磁通门传感器X轴在20-160℃不同温度下获取的比例系数

采用4阶多项式对其进行拟合，得到三分量磁通门传感器X轴比例系数随温度变化的曲线：S_Hx(T)＝K₄*T⁴+K₃*T³+K₂*T²+K₁*T¹+K₀，其中T表示温度，K0、K1、K2、K3、K4是代表多项式拟合函数的参数。

相应地，以同样的方法可以获取三分量磁通门传感器Y轴、Z轴的比例系数随温度变化的曲线、三轴加速度计X轴、Y轴、Z轴的比例系数随温度变化的曲线：s_Hy(T)、S_Hz(T)、S_Gx(T)、S_Gy(T)、S_Gz(T)、以及三分量磁通门传感器和三轴加速度计X、Y、Z轴零偏随温度变化的曲线：B_Hx(T)、B_Hy(T)、B_Hz(T)、B_Gx(T)、B_Gy(T)、B_Gz(T)。

因此，校正时根据测量到的温度T代入S_Hx(T)＝K₄*T⁴+K₃*T³+K₂*T²+K₁*T′+K₀中，便可获取当前温度下的三分量磁通门传感器的X轴比例系数，其他参数与此类似方式获得，在此不再赘述。

在本实施例中，传感器误差校正模块，用于建立三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值与三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的输出值、转化矩阵、以及X、Y、Z三轴的零偏之间的误差校正模型，并根据三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值和三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的输出值，计算获得转化矩阵以及X、Y、Z三轴的零偏，得到传感器误差校正模型；

具体地，如图5所示，传感器误差校正模块包括：非正交误差模块、比例系数误差模块、零偏误差模块和建立模块。

其中，非正交误差模块，用于建立三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在非正交误差情况下的输出值与非正交角、以及三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值之间的非正交误差模型。在一些实施例中，非正交误差模型为：

其中，X′₁、Y′₁、Z′₁为三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在非正交误差情况下的输出值；X、Y、Z为三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值；α、β、γ为X、Y、Z三轴间的非正交角。

比例系数误差模块，用于建立三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差情况下的输出值与比例系数、以及三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在非正交误差情况下的输出值之间的比例系数误差模型。在一些实施例中，比例系数误差模型为

其中，X′₂、Y′₂、Z_′2为三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差情况下的输出值；X′₁、Y′₁、Z′₁为三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在非正交误差情况下的输出值；Kx、Ky、Kz为X、Y、Z三轴的比例系数。

零偏误差模块，用于建立三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的输出值与零偏、以及三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差情况下的输出值之间的零偏误差模型。在一些实施例中，零偏误差模型为

其中，bx、by、bz为X、Y、Z三轴的零偏，X′、Y′、Z′为三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的输出值。

建立模块，用于根据非正交误差模型、比例系数误差模型和零偏误差模型，进行转换处理，得到传感器误差校正模型。在一些实施例中，误差校正模型为：H＝P^-1(H′-B)，其中，H＝[X Y Z]^T、H′＝[X′ Y′ Z′]^T、B＝[bx by bz]、

P为转化矩阵。

对于上述的传感器误差校正模型的建立，下面以三分量磁通门传感器为例进行说明：

第一，非正交误差。理想的三分量磁通门传感器为三轴正交矢量测量，其输出的磁场值与测量方向无关。但由于加工和安装工艺的限制实际应用的三分量磁通门传感器三个测量轴不可能做到完全正交，此项误差称为非正交性误差。

如图7所示，OXYZ为理想三轴正交坐标系，空间磁场向量在三轴正交坐标系OX、OY、OZ上的投影值分别为X、Y、Z。三分量磁通门传感器所测的是空间磁场向量是在各轴方向上的投影值。O′X′Y′Z′为实际三分量磁通门传感器三轴所构成的坐标系，空间磁场向量在三轴正交坐标系O′X′、O′Y′、O′Z′上的投影值分别为X′、Y′、Z′。

假设实际坐标系原点O′和理想坐标系原点O重合，Z′轴与正交坐标系中的Z轴重合，且X′O′Z′面与XOZ面重合，α为X′轴在X′O′′Z′面与轴X的夹角；β为Y′在XOY面的投影与轴Y的夹角；γ为Y′与XOY面的夹角。由此可建立三分量磁通门传感器非正交误差模型如公式(1)所示：

其中：X′₁、Y′₁、Z′₁为三分量磁通门传感器在非正交误差情况下的三维磁场强度；X、Y、Z为三分量磁通门传感器在三轴正交理想坐标系下的输出值；α、β、γ为三分量磁通门传感器X、Y、Z三轴间的非正交角。

第二，比例系数误差。理想情况下三分量磁通门传感器的三个测量轴的比例系数是一致的，但实际情况三轴测量信号的放大电路特性不完全相同而引起三轴的比例系数不同，此项误差称为比例系数误差，此三分量磁通门传感器的比例系数误差模型如式(2)所示：

其中：X′₂、Y′₂、Z′₂为三分量磁通门传感器在非正交误差、比例系数误差情况下的三维磁场强度；X′₁、Y′₁、Z′₁为三分量磁通门传感器在非正交误差情况下的三维磁场强度；Kx、Ky、Kz为三分量磁通门传感器X、Y、Z三轴的比例系数。

第三，零偏误差。零偏误差指磁传感器没有任何输入信号的情况下，由于传感器、模拟电路和A/D转换的零点不为零，导致传感器静态工作点发生改变，并且被逐渐放大并传输，从而使得电路的输出压偏离原来的固定值产生上下漂移的现象。其三分量磁通门传感器的零偏误差模型如式(3)所示：

其中：bx、by、bz为三分量磁通门传感器X、Y、Z三轴的零偏，X′、Y′、Z′为三分量磁通门传感器在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的三维磁场强度。

综上所述，建立三分量磁通门传感器的误差校正模型如式(4)所示：

H′＝HP+B   (4)，其中，

H＝[X Y Z]^T、H′＝[X′ Y′ Z′]^T、B＝[bx by bz]、

P为转化矩阵，Kx、Ky、Kz表示三分量磁通门传感器X、Y、Z三轴的比例系数，α、β、γ表示三分量磁通门传感器X、Y、Z三轴之间的非正交角，bx、by、bz为三分量磁通门传感器X、Y、Z三轴的零点误差，X′、Y′、Z′为三分量磁通门传感器在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的三维磁场强度；X、Y、Z为三分量磁通门传感器在三轴正交理想坐标系下的输出值。

根据三分量磁通门传感器的测量值公式(4)可以得到校正后的磁场真实值应该为H＝P^-1(H′-B)，其中P^-1为P的逆矩阵，即：

是

的逆矩阵，用了不同的字母代替，其中，S_x、S_y、S_Z表示三分量磁通门传感器X、Y、Z三轴的比例系数，θ₁、θ₂、θ₃表示三分量磁通门传感器X、Y、Z三轴之间的非正交角，B_x、B_y、B_z为三分量磁通门传感器X、Y、Z三轴的零点误差。

由理想三分量磁通门传感器有：X²+Y²+Z²＝M²，其中M为地磁矢量，则公式(5)可变为：

(s_x·X′+θ₁·Z′-B_x)²+(θ₂·X′+S_y·Y′+θ₃·Z′-B_y)²+(s_z·Z′-B_z)²＝M²

通过矩阵变换，此时将三分量磁通门传感器的轴间非正交、各灵敏度和各轴零点不一致的问题转换为对参数s_x、s_y、s_z、θ₁、θ₂、θ₃、B_x、B_y、B_z的最优估计问题，一般采用最小二乘法求解这9个参数，即可得到三分量磁通门传感器的误差校正模型。

在此，需要说明的是，上述三分量磁通门传感器的传感器误差校正模型的建立也适用于三分量重力加速度计，在此不再赘述。

在本实施例中，坐标系转换误差修正模块，用于建立三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在坐标系转换误差修正后的输出值与坐标修正系数、经温度校正模型和传感器误差校正模型校正后的三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值之间的坐标系转换误差修正模型，并根据经温度校正模型和传感器误差校正模型校正后的三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值之间的比例恒定关系，计算获得坐标修正系数，得到最终的坐标系转换误差修正模型。在一些实施例中，坐标系转换误差修正模型为

其中，Bgx、Bgy、Bgz为三分量磁通门传感器在坐标系转换误差修正后的输出值，Bx、By、Bz为三分量磁通门传感器在三轴正交理想坐标系下的输出值，K1～K9为坐标系修正系数；

经温度校正模型和传感器误差校正模型校正后的三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值之间的比例恒定关系为

其中，

为被测磁场总值，

为被测重力总值，Gx，Gy，Gz为三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值。

具体地，对于坐标系转换误差修正模型的建立，以三分量磁通门传感器为例进行说明：

3个三分量重力加速度计的对应输出分别为Ax，Ay，Az；3个三分量磁通门传感器的对应输出分别为Mx，My，Mz；进行误差补偿后可以精确测量重力值和磁场值分别为Gx，Gy，Gz，Bx，By，Bz。实际安装三轴磁传感器与三轴加速度计对应坐标轴一般不重合，传感器输出与误差补偿后的矢量关系如图8所示。

三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计不重合，从而进行坐标系转换，坐标系转换误差修正模型如公式(6)所示。

其中，Bgx、Bgy、Bgz是误差全部校正完成的磁场值，Bx、By、Bz是三分量磁通门传感器在三轴正交理想坐标系下的三分量磁场值，K1～K9是坐标系修正系数。

当磁重坐标系完全重合时，坐标系修正矩阵为：

理想状态下，被测重力在三分量重力仪某个方向(如X轴分量)分量值与被测磁场在磁力仪该方向上(如X轴分量)分量值的比例关系为恒定量且等于被测重力值与被磁磁场值的比值。当三分量重力加速度计坐标系与磁通门坐标系的不重合时，可以通过姿态变换采集一系列重力测量值

与磁场测量值

用于修正矩阵系数的拟合，由于重力分量与磁场分量的比例恒定关系

即

的关系，代入到校正软件中，拟合出坐标系修正矩阵系数K1-K9。

在此需要说明的是，上述三分量磁通门传感器的坐标系转换误差修正模型的建立也适用于三分量重力加速度计，在此不再赘述。

上述校正模型的应用方法如下：

S1：获取三分量井中磁力仪的温度，输入至温度校正模型中，进行比例系数和零偏的温度校正；

S2：将三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的输出值、以及三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计的非正交角、温度校正后的比例系数和零偏输入至传感器误差校正模型中，分别计算得到各自三轴正交理想坐标系下的三分量磁通门传感器输出值和三分量重力加速度计输出值；

S3：根据经温度校正模型和传感器误差校正模型校正后的三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值和三分量磁通门传感器输出值在坐标系转换误差修正完成后的输出值，计算出大地坐标系下磁场的垂直分量和水平分量。具体地，三分量重力加速度计通过温度校正、传感器误差校正后得到：Gx、Gy、Gz；三分量磁通门传感器通过温度校正、传感器误差校正、坐标系转换误差修正后得到：Bgx、Bgy、Bgz。由此得到磁场在大地坐标系下的值为：

垂直分量：

水平分量：

具体地，本发明的校正方法主要包括温度控制部分，温度控制主要包括一个加热系统和温度调节系统。加热系统主要由无磁电子加温毯组成，无磁电子加温毯是主要热源，用来升高三分量井中磁力仪当前的工作环境温度，温度的可控范围为0℃至200℃。A/D模块(包含温度DI/O)即温度调节系统一端通过信号传输线与温度计相连，另一端通过串口与工控机相连，工控机为无磁电子加温毯提供电源。温度计位于无磁电子加温毯和三分量井中磁力仪中间，用于测量当前三分量井中磁力仪的温度。工控机内置软件的姿态测控模块，用于显示当前三分量井中磁力仪的温度、设置预加热温度以及控制加热系统的工作与否。

本发明的校正方法还包括姿态控制部分，姿态控制主要包括三轴无磁转台1和姿态测控模块。三轴无磁转台1的3个转轴上都标有0-350的刻度，用于指示码盘转动的角度；三轴无磁转台1通过信号传输线与工控机相连，工控机内置姿态测控模块，用于显示和控制码盘转动的角度。

本实施例中，校正系统的硬件主要包括：工业控制计算机、温度测控卡、步进电机测控卡、三分量井中磁力仪(尺寸：φ50×1546mm)、温度计(型号：PT100、量程：0-400℃、精度：1％)、电子加温毯(尺寸：φ50×1700mm)、无磁保温瓶2需要专门定制(尺寸：φ60×2000mm)、三轴无磁转台1可使用市场已有的三轴无磁手动转台或三轴无磁电动转台。

其中校正软件采用QT开发，主要包含：温度测控模块、姿态测控模块、传感器误差校正模块、温度校正模块、坐标系转换误差修正模块等功能模块。

校正的具体步骤如下：

(1)将三分量井中磁力仪固定在无磁电子加温毯内，然后再将无磁电子加温毯以及三分量井中磁力仪放于无磁保温瓶2内，盖上瓶盖22，通过无磁夹具将无磁保温瓶2固定在三轴无磁转台1的横滚轴16上；将三分量井中磁力仪信号传输线、三轴无磁转台1测控信号传输线和485总线通过A/D模块、伺服器、485转232模块分别用串口与工控机相连；将温度测控卡和步进电机测控卡分别插入工控机内。通过工控机内置软件的温度测控模块设置预加热温度为20℃，同时将三轴无磁转台1进行调零校正。

(2)观察温度测控模块的温度示数，当显示为预加热温度且保持半小时内温度波动不大于3℃时，通过工控机控制加温系统停止加热。其中，温度测控卡可以替代温控仪，起到温度测量和温度控制的作用；若是用电动转台，步进电机测控卡用于测量和控制转台姿态和三个方向转动的角度；若是手动转台，步进电机测控卡用于测量转台的姿态。

(3)给三分量井中磁力仪通电，同时通过工控机控制俯仰轴14转动30°后保持不变，横滚轴16保持不变。

(4)通过工控机控制航向轴进行匀速缓慢旋转一周，每间隔10°通过工控机内置软件的数据采集功能，采集记录一组三分量井中磁力仪输出数据。

(5)通过工控机将横滚轴16分别设置为30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、0°，重复步骤(4)。

(6)通过工控机将俯仰轴14分别设置为60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°、0°，重复步骤(4)-(5)。

(7)将记录的12*12*36＝5184组三分量井中磁力仪数据，包括三轴磁传感器、三分量重力加速度计、温度数据，导入工控机内置软件的传感器误差校正模块进行传感器误差校正，解算出20℃下，三分量磁通门传感器比例系数s_Hx(1)、S_Hy(1)、S_Hz(1)，非正交角θ₁、θ₂、θ₃、零偏B_Hx(1)、B_Hy(1)、B_Hz(1)，三分量重力加速度计比例系数S_Gx(1)、S_Gy(1)、s_Gz(1)、非正交角θ₄、θ₅、θ₆，零偏B_Gx(1)、B_Gy(1)、B_Gz(1)校正系数。

(8)通过工控机内置软件的温度测控模块将预加热温度分别设为30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃，重复步骤(2)-(7)。

(9)打开保温瓶的进气口对其加入冷空气并同时打开保温瓶的排气口，使冷空气进入、热空气排出保温瓶内，实时观察工控机显示的温度，当温度依次为150℃、140℃、130℃、120℃、110℃、100℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃、20℃时，同时关闭进气口和排气口，重复步骤(2)-(7)。

(10)通过步骤(1)-(9)得到20℃-160℃各个温度下获得三分量磁通门传感器的比例系数为S_Hx(1)、S_Hx(2)、...、S_Hx(15)，S_Hy(1)、S_Hy(2)、...、S_Hy(15)，S_Hz(1)、S_Hz(2)、...、S_Hz(15)，零偏为B_Hx(1)、B_Hx(2)、...、B_Hx(15)，B_Hy(1)、B_Hy(2)、...、B_Hy(15)，B_Hz(1)、B_Hz(2)、...、B_Hz(15)，三分量重力加速度计的比例系数为S_Gx(1)、S_Gx(2)、...、S_Gx(15)，S_Gy(1)、S_Gy(2)、...、S_Gy(15)，s_Gz(1)、S_Gz(2)、...、S_Gz(15)，零偏为B_Gx(1)、B_Gx(2)、...、B_Gx(15)，B_Gy(1)、B_Gy(2)、...、B_Gy(15)，B_Gz(1)、B_Gz(2)、...、B_Gz(15)。将这一系列值导入工控机内置软件的温度校正模块得到比例系数和零偏随温度变化的函数S_Hx(T)、S_Hy(T)、S_Hz(T)、S_Gx(T)、S_Gy(T)、S_Gz(T)、B_Hx(T)、B_Hy(T)、B_Hz(T)、B_Gx(T)、B_Gy(T)、。

(11)将非正交角θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅、θ₆，以及步骤(9)得到的比例系数和零偏的校正值代入公式(5)就能得到一系列校正后的三分量磁通门传感器输出值H＝[X Y Z]^T，三轴加速度计输出值G＝[GX GY GZ]^T。

(12)将步骤(11)得到的三分量磁通门传感器数据和三轴加速度计数据代入工控机内置软件的坐标系误差校正模块，得到K1～K9坐标系修正系数，代入公式(6)即可到误差全部修正后的磁场值Bgx、Bgy、Bgz。

通过实施本发明，具有以下有益效果：

本发明通过设计三分量井中磁力仪测量值校正系统，令温度校正、传感器误差校正和坐标转换误差校正可同时完成，提高了校正的工作效率，解决了下井校正存在的成本高，易受地质体磁性环境影响的问题，以及分别校准存在的温度易散失、工作效率低，校正不准确等问题。

本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换和等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (8)

1.一种三分量井中磁力仪测量值校正系统，其特征在于，该系统包括校正装置和控制处理装置；

所述校正装置包括：用于带动三分量井中磁力仪在三维上进行旋转的三轴无磁转台(1)、用于容置并固定三分量井中磁力仪的无磁保温瓶(2)、对三分量井中磁力仪进行加热的加热件(3)、对三分量井中磁力仪的温度进行测量的测温件(4)；所述三分量井中磁力仪包括三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计；

无磁保温瓶(2)可拆卸连接于所述三轴无磁转台(1)上；加热件(3)设于所述无磁保温瓶(2)内部；测温件(4)设于所述三分量井中磁力仪上；

控制处理装置包括测量值校正模块；所述测量值校正模块与所述三分量井中磁力仪和所述测温件(4)通信连接，并根据获取到的所述三分量井中磁力仪的不同温度、所述三分量磁通门传感器和三分量重力加速度计的输出值来建立校正模型；

所述测量值校正模块包括：

温度校正模块，用于分别根据所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计的X轴、Y轴、Z轴在不同温度下的比例系数和零偏，采用多阶多项式进行拟合，得到X轴、Y轴、Z轴的比例系数和零偏随温度变化的温度校正模型；

传感器误差校正模块，用于建立所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值与所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的输出值、转化矩阵、以及X、Y、Z三轴的零偏之间的误差校正模型，并根据所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值和所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的输出值，计算获得所述转化矩阵以及所述X、Y、Z三轴的零偏，得到传感器误差校正模型；

坐标系转换误差修正模块，用于建立所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在坐标系转换误差修正后的输出值与坐标修正系数、经所述温度校正模型和所述传感器误差校正模型后的所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值之间的坐标系转换误差修正模型，并根据经所述温度校正模型和所述传感器误差校正模型后的所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值之间的比例恒定关系，计算获得坐标修正系数，得到最终的坐标系转换误差修正模型；

所述传感器误差校正模块包括：

非正交误差模块，用于建立所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差情况下的输出值与非正交角、以及所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在三轴正交理想坐标系下的输出值之间的非正交误差模型；

比例系数误差模块，用于建立所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差情况下的输出值与比例系数、以及所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差情况下的输出值之间的比例系数误差模型；

零偏误差模块，用于建立所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差、零偏误差情况下的输出值与零偏、以及所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计在非正交误差、比例系数误差情况下的输出值之间的零偏误差模型；

建立模块，用于根据所述非正交误差模型、比例系数误差模型和所述零偏误差模型，进行转换处理，得到所述传感器误差校正模型。

2.根据权利要求1所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统，其特征在于，所述三轴无磁转台(1)包括底座(11)、设于所述底座(11)上的航向码盘(12)、设于所述航向码盘(12)上的固定支架(13)、穿过所述固定支架(13)的俯仰轴(14)、与所述俯仰轴(14)一端连接的俯仰码盘(15)、可在所述俯仰轴(14)上横向移动并连接横滚轴(16)的横滚连接件、与所述横滚轴(16)一端连接的横滚码盘(17)；

所述横滚轴(16)上安装有用于固定所述保温瓶的保温瓶固定件。

3.根据权利要求1所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统，其特征在于，所述无磁保温瓶(2)包括设有开口的瓶体(21)、设于所述瓶体(21)内部空腹的用于固定所述三分量井中磁力仪的磁力仪固定件、用于盖合所述开口的瓶盖(22)、设于所述瓶盖(22)上的用于连接所述三分量井中磁力仪和外部处理装置的隔热连接件(23)、以及开设于所述瓶体(21)或所述瓶盖(22)上的控温进口(24)和控温出口(25)。

4.根据权利要求1所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统，其特征在于，

所述加热件(3)贴合包裹所述三分量井中磁力仪；所述测温件(4)设于所述加热件(3)与所述三分量井中磁力仪之间，并与二者相互紧贴。

5.根据权利要求1所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统，其特征在于，所述控制处理装置还包括：

温度测控模块，用于控制所述加热件(3)加热、以及检测所述测温件(4)的温度信号并传输至所述测量值校正模块；

磁力仪检测模块，用于对所述三分量磁通门传感器和所述三分量重力加速度计的输出值进行记录并传输至所述测量值校正模块；

姿态测控模块，用于控制并检测所述三轴无磁转台(1)的旋转。

6.根据权利要求5所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统，其特征在于，所述三轴无磁转台上设有步进电机和角度传感器；

所述姿态测控模块包括用于控制所述步进电机的伺服器、用于接收所述角度传感器传输的角度数据的数据接收模块。

7.根据权利要求5所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统，其特征在于，所述温度测控模块包括用于发送加热指令和转换接收温度信号的A/D模块。

8.根据权利要求1所述的三分量井中磁力仪测量值校正系统，其特征在于，所述加热件(3)的温度可控范围为0℃至200℃。

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