CN112813952A - 一种集成测斜测扭的柔性测斜仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成测斜测扭的柔性测斜仪，包括安装在测斜管内的钢管一、钢管二和钢管三，测斜管内壁设有若干凹槽，钢管一底端连接钢管三，钢管三底端连接高压油管，高压油管底端连接钢管二，钢管一顶端设螺母，螺母上设有丝杠，丝杠顶部穿设下压环，丝杠顶部穿设下压环部分套设承重板一，丝杠顶端设有螺丝，下压环顶部连接下压罩，钢管一侧壁设有定向轮组，钢管二底端设有导向轮组，导向轮组底部设有堵头，定向轮组和导向轮组两侧均滑动安装在凹槽内。本发明可以在使用中对扭转进行校正，提高测斜仪测出的数据精度，减小误差，具有更加简洁的内部设计，同时具有更高的抗压能力，制造成本低，使用寿命长，易于推广。

Description

一种集成测斜测扭的柔性测斜仪

技术领域

本发明涉及柔性测斜仪装置领域，具体是一种集成测斜测扭的柔性测斜仪。

背景技术

实际工程中测斜管的扭转现象普遍存在，要想完全消除测科管的扭转问题是不可能的，只能尽量将扭转角控制在规范范围内，但这在工程上还存在一定困难，不易实现。

测斜管扭转角的产生主要集中在两个方面，一是初次下放测斜管的过程中产生的，由于测孔深度较深，测斜管是拼接而成，由于分段下管逐节在孔口接成所需的长度时,不易使导槽对正；软土易缩,孔钻孔内浮力大,导致下管闲难等因素使得埋入土体中的测斜管易发生扭转，下放的时候很难保证垂直到测孔底部，很有可能产生测斜管的扭转。二是当测斜管固定后，由于测斜管深部长期受到岩层的作用力，PVC测斜管变形稳定性差，除了让测斜管产生倾斜也会因为受力不均产生扭转。如果不对扭转进行校正，那么测斜仪测出的数据就会存在偏差，影响数据精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服以上的技术缺陷，提供一种集成测斜测扭的柔性测斜仪。

为了解决上述问题，本发明的技术方案为：一种集成测斜测扭的柔性测斜仪，包括安装在测斜管内的钢管一、钢管二和钢管三，所述测斜管内壁设有若干凹槽，所述钢管一底端连接钢管三，所述钢管三底端连接高压油管，所述高压油管底端连接钢管二，所述钢管一顶端设螺母，所述螺母上设有丝杠，所述丝杠顶部穿设下压环，所述丝杠顶部穿设下压环部分套设承重板一，所述丝杠顶端设有螺丝，所述下压环顶部连接下压罩，所述钢管一侧壁设有定向轮组，所述钢管二底端设有导向轮组，所述导向轮组底部设有堵头，所述定向轮组和导向轮组两侧均滑动安装在凹槽内。

进一步，所述测斜管的直径为68mm，且为PVC材质，所述钢管一、钢管二和钢管三的直径均小于20mm，所述钢管三和钢管一通过直通连接，所述直通上设有承重板二。

进一步，所述定向轮组和导向轮组结构相似，所述定向轮组包括铰接在钢管一侧壁的圆板，所述圆板两侧均设有支架，所述支架上铰接接触轮。

一种集成测斜测扭的柔性测斜仪的应用，可用于柔性测斜仪测斜和柔性测斜仪测扭；

所述柔性测斜仪测斜方法为：通过加速度计测量重力加速度在不同的轴向上的数据来返应出对应轴与重力方向的角度，通过角度的变化从而计算对应的长度杆的位移量。

具体步骤如下：

每一段放有一个加速度传感器，测得对应的第i节加速度值为(accx_i，acy_i，accz_i)，

则有：

accx_i＝Ax_i+Kx_i*G*sin(θx_i)

accy_i＝Ay_i+Ky_i*G*sin(θy_i)

accz_i＝Az_i+Kz_i*G*sin(θz_i)

式中：Ax_i，Ay_i，Az_i是加速度计的偏值(零偏)，Kx_i，Ky_i，Kz_i是加速度计的标度因数，G地球重力加速度，θx_i，θy_i，θz_i对应轴上倾角；

则对应轴与重力方向夹角为：

已知算出了每个轴与重力方向的夹角θx_i，θy_i，θz_i，

且知每段长L，则有对应第i节设备的在重力方向的坐标系中单节对应的坐标长度(Lx_i，Ly_i，Lz_i)，

则：

Lx_i＝L×sin(θx_i)

Ly_i＝L×sin(θy_i)

Lz_i＝L×sin(θz_i)

则有对应的第n节设备在整体坐标系中的坐标为第1节到第n节的累加和(Xn，Yn，Zn)

即得第n节坐标为：

其中，Ax_i,Ay_i,Az_i是加速度计的偏值(零偏)，Kx_i,Ky_i,Kz_i是加速度计的标度因数，G地球重力加速度，θx_i，θy_i，θz_i对应轴上倾角。

所述柔性测斜仪测扭方法为：通过陀螺仪来测量平衡和转速，在载体高速转动的时候，陀螺仪始终要通过自我调节，使得转子保持原有的平衡，并且，通过磁场传感器来测量磁场偏移，同时通过算法消除磁场偏移误差对测量的影响。

沿着前方进行旋转的摇晃，由于转子和旋转轴具有较大的惯性，只要没有直接施加扭矩，就会保持原有的姿态。由于设备是在测斜管内的凹槽内来回移动，测量其顶部测轮和底部测轮的相对位置，即可得到校核测斜仪的读数。

本发明与现有的技术相比的优点在于：本发明可以在使用中对扭转进行校正，提高测斜仪测出的数据精度，减小误差，具有更加简洁的内部设计，同时具有更高的抗压能力，制造成本低，使用寿命长，易于推广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中测斜管的立体图。

图3是本发明中测斜管的俯视图。

图4是本发明的技术路线图。

图5是本发明的工作原理图。

如图所示：1、测斜管，1.1、凹槽，2、钢管一，3、钢管二，4、高压油管，5、丝杠，6、螺母，7、下压环，8、承重板一，9、螺丝，10、下压罩，11、直通，12、承重板二，13、定向轮组，14、导向轮组，15、堵头，16、钢管三。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。

需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1至图5所示，一种集成测斜测扭的柔性测斜仪，包括安装在测斜管1内的钢管一2、钢管二3和钢管三16，所述测斜管1内壁设有若干凹槽1.1，所述钢管一2底端连接钢管三16，所述钢管三16底端连接高压油管4，所述高压油管4底端连接钢管二3，所述钢管一2顶端设螺母6，所述螺母6上设有丝杠5，所述丝杠5顶部穿设下压环7，所述丝杠5顶部穿设下压环7部分套设承重板一8，所述丝杠5顶端设有螺丝9，所述下压环7顶部连接下压罩10，所述钢管一2侧壁设有定向轮组13，所述钢管二3底端设有导向轮组14，所述导向轮组14底部设有堵头15，所述定向轮组13和导向轮组14两侧均滑动安装在凹槽1.1内。

所述测斜管1的直径为68mm，且为PVC材质，所述钢管一2、钢管二3和钢管三16的直径均小于20mm，所述钢管三16和钢管一2通过直通11连接，所述直通11上设有承重板二12。

所述定向轮组13和导向轮组14结构相似，所述定向轮组13包括铰接在钢管一2侧壁的圆板，所述圆板两侧均设有支架，所述支架上铰接接触轮。

一种集成测斜测扭的柔性测斜仪的应用，可用于柔性测斜仪测斜和柔性测斜仪测扭；

所述柔性测斜仪测斜方法为：通过加速度计测量重力加速度在不同的轴向上的数据来返应出对应轴与重力方向的角度，通过角度的变化从而计算对应的长度杆的位移量。

具体步骤如下：

每一段放有一个加速度传感器，测得对应的第i节加速度值为(accx_i,acy_i,accz_i)，

则有：

accx_i＝Ax_i+Kx_i*G*Sin(θx_i)

accy_i＝Ay_i+Ky_i*G*sin(θy_i)

accz_i＝Az_i+Kz_i*G*sin(θz_i)

式中：Ax_i，Ay_i，Az_i是加速度计的偏值(零偏)，Kx_i，Ky_i，Kz_i是加速度计的标度因数，G地球重力加速度，θx_i，θy_i，θz_i对应轴上倾角；

则对应轴与重力方向夹角为：

已知算出了每个轴与重力方向的夹角θx_i，θy_i，θz_i，

且知每段长L，则有对应第i节设备的在重力方向的坐标系中单节对应的坐标长度(Lx_i，Ly_i，Lz_i)，

则：

Lx_i＝L×sin(θx_i)

Ly_i＝L×sin(θy_i)

Lz_i＝L×sin(θz_i)

则有对应的第n节设备在整体坐标系中的坐标为第1节到第n节的累加和(Xn，Yn，Zn)

即得第n节坐标为：

其中，Ax_i,Ay_i,Az_i是加速度计的偏值(零偏)，Kx_i,Ky_i,Kz_i是加速度计的标度因数，G地球重力加速度，θx_i，θy_i，θz_i对应轴上倾角。

所述柔性测斜仪测扭方法为：通过陀螺仪来测量平衡和转速，在载体高速转动的时候，陀螺仪始终要通过自我调节，使得转子保持原有的平衡，并且，通过磁场传感器来测量磁场偏移，同时通过算法消除磁场偏移误差对测量的影响。

沿着前方进行旋转的摇晃，由于转子和旋转轴具有较大的惯性，只要没有直接施加扭矩，就会保持原有的姿态。由于设备是在测斜管1内的凹槽1.1内来回移动，测量其顶部测轮和底部测轮的相对位置，即可得到校核测斜仪的读数。

使用的磁场传感器原理如下：

地磁场是一个矢量，对于一个固定的地点来说，这个矢量可以被分解为两个与当地水平面平行的分量和一个与当地水平面垂直的分量。如果保持电子罗盘和当地的水平面平行，那么罗盘中磁力计的三个轴就和这三个分量对应起来。

实际上对水平方向的两个分量来说，他们的矢量和总是指向磁北的。罗盘中的航向角(Azimuth)就是当前方向和磁北的夹角。由于罗盘保持水平，只需要用磁力计水平方向两轴(通常为X轴和Y轴)的检测数据就可以用式1计算出航向角。当罗盘水平旋转的时候，航向角在0°-360°之间变化。

磁力计采用各向异性磁致电阻(Anisotropic Magneto-Resistance)材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。在制造过程中，将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一个主磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴。为了使测量结果以线性的方式变化，AMR材料上的金属导线呈45°角倾斜排列，电流从这些导线上流过。由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主磁域和电流的方向有45°的夹角。

当有外界磁场Ha时，AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了，那么磁场方向和电流的夹角θ也会发生变化。对于AMR材料来说，θ角的变化会引起AMR自身阻值的变化，并且呈线性关系。

利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加ΔR而R3/R4减少ΔR。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时电桥的输出为一个微小的电压ΔV。

当R1＝R2＝R3＝R4＝R，在外界磁场的作用下电阻变化为ΔR时，电桥输出ΔV正比于ΔR。这就是磁力计的工作原理。

在具体的使用中，安装定向轮组13，轮子方向和钢管一2上的标线方向一致，导向轮轮14朝着要测量的方向下放，检查钢管二3上的标线是否朝着轮子的方向，下放至剩下2-3节的时候，在承重板二12上面安装一节350或850的钢管三16，在钢管一2的顶部拧上一颗螺母6，拧上丝杠5，下压环7穿过柔性测斜仪先套在测斜管1上，承重板一8小的空穿过丝杆5顶端，拧上M8型号的螺丝9，用扳手卡住丝杆5上的扳手卡位，六角扳手顺时针拧紧螺丝9，再继续下放柔性测斜仪，如果承重板一8距离测斜管1管口还有距离，用六角扳手逆时针转动丝杆5，直到承重板一8和测斜管1平齐，承重板一8和下压环7用4颗m4螺丝拧紧，在下压环7侧面的螺丝孔拧4颗m3的自攻螺丝固定住下压环7，用六角扳手顺时针拧螺丝9下压柔性测斜仪，套上下压罩10，侧面拧上3颗M4螺丝，再安装太阳能电箱。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种集成测斜测扭的柔性测斜仪，其特征在于：包括安装在测斜管(1)内的钢管一(2)、钢管二(3)和钢管三(16)，所述测斜管(1)内壁设有若干凹槽(1.1)，所述钢管一(2)底端连接钢管三(16)，所述钢管三(16)底端连接高压油管(4)，所述高压油管(4)底端连接钢管二(3)，所述钢管一(2)顶端设螺母(6)，所述螺母(6)上设有丝杠(5)，所述丝杠(5)顶部穿设下压环(7)，所述丝杠(5)顶部穿设下压环(7)部分套设承重板一(8)，所述丝杠(5)顶端设有螺丝(9)，所述下压环(7)顶部连接下压罩(10)，所述钢管一(2)侧壁设有定向轮组(13)，所述钢管二(3)底端设有导向轮组(14)，所述导向轮组(14)底部设有堵头(15)，所述定向轮组(13)和导向轮组(14)两侧均滑动安装在凹槽(1.1)内。

2.根据权利要求1所述的一种集成测斜测扭的柔性测斜仪，其特征在于：所述测斜管(1)的直径为68mm，且为PVC材质，所述钢管一(2)、钢管二(3)和钢管三(16)的直径均小于20mm，所述钢管三(16)和钢管一(2)通过直通(11)连接，所述直通(11)上设有承重板二(12)。

3.根据权利要求1所述的一种集成测斜测扭的柔性测斜仪，其特征在于：所述定向轮组(13)和导向轮组(14)结构相似，所述定向轮组(13)包括铰接在钢管一(2)侧壁的圆板，所述圆板两侧均设有支架，所述支架上铰接接触轮。

4.一种集成测斜测扭的柔性测斜仪的应用，其特征在于：可用于柔性测斜仪测斜和柔性测斜仪测扭；

所述柔性测斜仪测斜方法为：通过加速度计测量重力加速度在不同的轴向上的数据来返应出对应轴与重力方向的角度，通过角度的变化从而计算对应的长度杆的位移量。

具体步骤如下：

每一段放有一个加速度传感器，测得对应的第i节加速度值为(accx_i，acy_i，accz_i)，

则有：

accx_i＝Ax_i+Kx_i*G*sin(θx_i)

accy_i＝Ay_i+Ky_i*G*sin(θy_i)

accz_i＝Az_i+Kz_i*G*sin(θz_i)

式中：Ax_i，Ay_i，Az_i是加速度计的偏值(零偏)，Kx_i，Ky_i，Kz_i是加速度计的标度因数，G地球重力加速度，θx_i，θy_i，θz_i对应轴上倾角；

则对应轴与重力方向夹角为：

已知算出了每个轴与重力方向的夹角θx_i，θy_i，θz_i，

且知每段长L，则有对应第i节设备的在重力方向的坐标系中单节对应的坐标长度(Lx_i，Ly_i，Lz_i)，

则：

Lx_i＝L×sin(θx_i)

Ly_i＝L×sin(θy_i)

Lz_i＝L×sin(θz_i)

则有对应的第n节设备在整体坐标系中的坐标为第1节到第n节的累加和(Xn，Yn，Zn)

即得第n节坐标为：

其中，Ax_i,Ay_i,Az_i是加速度计的偏值(零偏)，Kx_i,Ky_i,Kz_i是加速度计的标度因数，G地球重力加速度，θx_i，θy_i，θz_i对应轴上倾角。

所述柔性测斜仪测扭方法为：通过陀螺仪来测量平衡和转速，在载体高速转动的时候，陀螺仪始终要通过自我调节，使得转子保持原有的平衡，并且，通过磁场传感器来测量磁场偏移，同时通过算法消除磁场偏移误差对测量的影响。

沿着前方进行旋转的摇晃，由于转子和旋转轴具有较大的惯性，只要没有直接施加扭矩，就会保持原有的姿态。由于设备是在测斜管(1)内的凹槽(1.1)内来回移动，测量其顶部测轮和底部测轮的相对位置，即可得到校核测斜仪的读数。

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