關(guān)鍵詞： 存儲(chǔ)式 測(cè)斜儀 加速度計(jì) 陀螺儀

　　屈召貴,，龔名茂

　?。ㄋ拇üど虒W(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心,，四川 成都 611745）

　　摘要：針對(duì)目前礦井鉆探所用的鉆孔軌跡測(cè)量方法存在技術(shù)指標(biāo)高、工序復(fù)雜等問(wèn)題,，研制了由加速度計(jì)ADXL206和陀螺儀ADXRS645構(gòu)成的存儲(chǔ)式測(cè)斜儀,。以微控器為核心，采用抗干擾,、誤差修正、溫度補(bǔ)償?shù)刃Ｕ胧?。仿真與測(cè)試結(jié)果表明,，該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好,、工作時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),。

　　關(guān)鍵詞：存儲(chǔ)式；測(cè)斜儀,；加速度計(jì);陀螺儀

0引言

　　在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)過(guò)程中,經(jīng)常需要通過(guò)鉆孔分析地質(zhì)信息,。鉆孔是否按照設(shè)計(jì)軌跡方向鉆進(jìn)，需要通過(guò)實(shí)際測(cè)孔才能確定,。礦井超前勘探以及精確的定向工程鉆探都需要高精度且能全方位測(cè)量鉆孔軌跡的設(shè)備,。因此，測(cè)斜儀是定向鉆進(jìn)工程中必不可缺的一部分,。目前國(guó)內(nèi)使用的高精度隨鉆測(cè)斜系統(tǒng)大多是從國(guó)外引進(jìn)的，價(jià)格昂貴,，使用不方便,，維修成本高。為此,，本系統(tǒng)采用由基于MEMS芯片的加速度傳感器,、陀螺儀、高溫存儲(chǔ)芯片和微控制器構(gòu)成的存儲(chǔ)式測(cè)斜系統(tǒng),，提出軟硬件實(shí)現(xiàn)方法,。

1存儲(chǔ)式測(cè)斜儀的組成及原理

　　1.1存儲(chǔ)式測(cè)斜儀的組成

　　存儲(chǔ)式測(cè)斜儀主要由參數(shù)測(cè)量,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、控制和供電管理四部分構(gòu)成,，如圖1所示,。要求其所有器件均能在環(huán)境溫度-25~125℃范圍內(nèi)可靠工作。

　　圖1測(cè)斜儀整體框圖系統(tǒng)要求測(cè)斜儀安裝在長(zhǎng)30 cm,、寬40 cm的探管中,，能將方位角、傾角,、工具面角,、時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，測(cè)試完成后通過(guò)RS232通信將所測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出,。要求在探管下放的過(guò)程中,，數(shù)據(jù)測(cè)量模塊處于斷電狀態(tài)，當(dāng)探管下放到指定高度時(shí)開(kāi)始給測(cè)量模塊供電,，使其將測(cè)量的井斜,、方位等信息通過(guò)微控制器進(jìn)行存儲(chǔ)（每組36 B）。工作約1 min后繼續(xù)下放,，在此過(guò)程中再次切斷測(cè)量模塊電源,，以降低功耗和減少系統(tǒng)自身發(fā)熱。因此,，除測(cè)量,、存儲(chǔ)模塊外，還包括晃動(dòng)檢測(cè)（檢測(cè)是否為下降過(guò)程）和繼電器控制主電源（控制測(cè)量模塊電源）模塊,。

　　1.2存儲(chǔ)式測(cè)斜儀的基本原理

　　圖2方位角,、傾角示意圖根據(jù)導(dǎo)航學(xué)旋轉(zhuǎn)變換中的歐拉定理，載體在空間中的姿態(tài)可用相對(duì)于地理坐標(biāo)系有限次的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)表示,，每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度即為航向角,、俯仰角和橫滾角，即是鉆孔中的方位角,、傾角和工具面角［13］,。如圖2所示，α為方位角,，β為傾角,。

　　加速度計(jì)用于測(cè)量?jī)A角，即物體相對(duì)水平面的夾角,，有單軸,、雙軸和三軸之分，本設(shè)計(jì)采用雙軸加速度，其傾角測(cè)試示意圖如3所示,，X軸和Y軸相互正交,，其傾角β的計(jì)算數(shù)學(xué)關(guān)系式如式（1）、式（2）所示,。

　　式中,，AXout和AYout為X軸和Y軸的加速度。

　　陀螺儀是測(cè)量角速度的傳感器,，測(cè)量方位角需要通過(guò)對(duì)角速度ω和時(shí)間t的乘積進(jìn)行積分轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)的角度α,，如式（3）所示。

　　α=∫ωtdt（3）

　　由上述可知,，只要通過(guò)傳感器測(cè)量出加速度計(jì)中的X,、Y支路的輸出就可測(cè)量出傾角，只要測(cè)量出陀螺儀中的角速度就可測(cè)量出方位角,，兩者結(jié)合即可換算成對(duì)應(yīng)方位的傾斜［45］,。

2存儲(chǔ)式測(cè)斜儀的硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件部分的加速度計(jì)和陀螺儀采用基于MEMS的ADI公司的ADXL206和ADXRS645，工作溫度極限可達(dá)175℃,；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選用在片512 KB的25LC512,，微控制器選用PIC18F25K80，通信模塊選用ADM232,，此芯片的工作溫度可達(dá)125℃,，能滿足系統(tǒng)要求。硬件框圖如圖4所示,。

　　其中DCDC2經(jīng)過(guò)熱保護(hù)器（型號(hào)：KSD9700~110°）給晃動(dòng)檢測(cè)及存儲(chǔ)模塊供電，下井后持續(xù)供電,，熱保護(hù)器的作用在于當(dāng)工作溫度達(dá)到110℃之后切斷DCDC2的供電,，從而起到保護(hù)作用。微控制器選用了PIC18F25K80,，工作溫度為-40℃~125℃,，其內(nèi)置的12位ADC足以將加速度計(jì)、陀螺儀和晃動(dòng)檢測(cè)單元的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為精度足夠的數(shù)字信號(hào),，而內(nèi)置的定時(shí)器可以作為同步時(shí)間的基準(zhǔn)信號(hào),，通過(guò)RS232給定時(shí)器寫(xiě)入當(dāng)前時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的功能。測(cè)量的傾角,、方位角,、工具面角和時(shí)間等信息存儲(chǔ)在外擴(kuò)的Flash存儲(chǔ)器中，在返回地面后,，能通過(guò)RS232接口將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī),。

　　存儲(chǔ)器選用MicroChip公司的SPI接口EEPROM存儲(chǔ)器25LC512，該存儲(chǔ)器溫度范圍達(dá)-40℃~+150℃，容量為512 KB,，按照測(cè)量模塊每組數(shù)據(jù)36 B計(jì)算,，一共可存儲(chǔ)1 820組數(shù)據(jù)。

3存儲(chǔ)式測(cè)斜儀的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要包括位置信息解算程序,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序,、電源管理程序和通信程序。

　　位置信息解算主要是通過(guò)測(cè)量加速度傳感器的輸出和陀螺儀的輸出模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后,，經(jīng)過(guò)計(jì)算而得,。加速度傳感器ADXL206提供X和Y軸的加速度對(duì)應(yīng)的模擬電壓VX和VY，0 g對(duì)應(yīng)VS/2,，VS取5 V,，由數(shù)據(jù)手冊(cè)可知對(duì)應(yīng)的X、Y軸的加速度分別為AX和AY,，如式（4）,、（5）所示。代入式（1）可求出傾角,。

　　AX=(VX－2.5)×3.2/mV/g（4）

　　AY=(VY－2.5)×3.2/mV/g（5）

　　設(shè)計(jì)傾角測(cè)量精度為0.1°,，測(cè)量范圍為-80°~+80°，則A/D采樣的分辨率為3.2 mg/LSB,，如式(6)所示,。±1 g對(duì)應(yīng)的加速度計(jì)輸出電壓為2.3 V~2.7 V,，A/D選擇的輸入電壓范圍為±320 mV,。

　　Δg=1g×(sin80－sin(80－0.1))=3.2 mg（6）

　　陀螺儀ADXRS645提供角速度ω對(duì)應(yīng)的模擬電壓值輸出Vout，0°/s對(duì)應(yīng)2.5 V,，通過(guò)測(cè)量其模擬電壓值可以轉(zhuǎn)化為角速度,，轉(zhuǎn)換方法如式(7)所示。角速度ω轉(zhuǎn)換為角度α的方法如式(3),，具體軟件實(shí)現(xiàn)方法是對(duì)角速度ω乘以程序運(yùn)行一次所需的時(shí)間Δt,，如此循環(huán)，然后對(duì)每次乘積進(jìn)行累加,，結(jié)果即為轉(zhuǎn)過(guò)的角度α［68］,。由此可完成±180°的方位角測(cè)量。

　　ω=(Vout－2.5)/1mV/°/s（7）

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要是對(duì)所測(cè)得的傾角,、方位角,、時(shí)間等信息進(jìn)行存儲(chǔ)，每次需完成36 B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ),。軟件中采用由結(jié)構(gòu)體和一維組構(gòu)成的線性表進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ),。

　　typedef struct FRAM_adddata

　　{uint32_t add;//地址

　　uint32_t dat;//數(shù)據(jù)

　　}FRAM_ADDDATA;

　　FRAM_ADDDATA * Fram_Tabl［36］;

4實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

　　系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)好后,，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。首先測(cè)試加速度計(jì)誤差,，加速度計(jì)傾角為0°時(shí),，用毫伏表測(cè)得VX=2.498 V，VY=2.500 3 V,，X軸存在約50 mg,、Y軸存在1 g的失調(diào)誤差，采用兩點(diǎn)法測(cè)失調(diào)和放大器增益,，進(jìn)行校準(zhǔn),。下面以X軸為例說(shuō)明校準(zhǔn)方法，在X軸取兩點(diǎn),，置于+1 g和-1 g的場(chǎng)中,，測(cè)得輸出如式（8）和（9）所示，其中AOFF為失調(diào)［910］,。

　　A+1g=AOFF+(1g×Gain)（8）

　　A－1g=AOFF－(1g×Gain)（9）

　　由（8）,、（9）兩式可確定失調(diào)AOFF和增益Gain，如式(10),、(11)所示,。

　　將測(cè)量結(jié)果減去失調(diào)，然后將所得結(jié)果除以增益,，即為實(shí)際值,，如式（12）所示。調(diào)整了軟件算法,，最后測(cè)得在0°時(shí)VX=2.500 01 V,，VY=2.500 02 V。

　　同理,，可校正陀螺儀的失調(diào)引起的誤差和靈敏度失配引起的誤差,。

　　將儀器置于80℃的杜瓦瓶中進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)需求持續(xù)工作8 h,，分別設(shè)置方位為60°、80°,、150°,；傾角10°、30°,、60°等進(jìn)行測(cè)試,，將所測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)串口依次讀出，其數(shù)據(jù)如表1所示,。 

　　由表1中數(shù)據(jù)可知,，方位角和傾角的相對(duì)誤差均小于等于0.3%,，有較高的精度。

　　同時(shí),，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試,，將環(huán)境溫度提高到110℃，持續(xù)工作,，依次間隔5 min讀取一次,，數(shù)據(jù)連續(xù)，無(wú)出錯(cuò)數(shù)據(jù),。

5結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的由基于MEMS器件的加速度傳感器,、陀螺儀、高速存儲(chǔ)器和微控制器構(gòu)成的存儲(chǔ)式測(cè)斜儀,，能工作在-25℃~+125℃的環(huán)境中,，軟件上使用濾波算法對(duì)兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波融合，解決失調(diào)等引起的誤差,，同時(shí)也解決了加速度計(jì)測(cè)量動(dòng)態(tài)角度不準(zhǔn)確等問(wèn)題,。所設(shè)計(jì)的測(cè)斜儀具有精度高、適應(yīng)環(huán)境溫度高,、體積小,、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 詹世玉. 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 自動(dòng)化與儀器儀表,2011（2）:134135,，138.

　　［2］ 于小波,楊超. 隨鉆井斜監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究［J］. 石油機(jī)械,2011,39（3）:4749.

　?。?］ 張杰. 基于MEMS陀螺儀和加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)傾角傳感器［J］. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012（9）:141143.

　?。?］ 李成文,楊軍祥,王純委，等.新一代直升機(jī)綜合核心處理機(jī)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(12):121124.

　?。?］ 應(yīng)科煒,吳文貢,湯達(dá)斌,等. ADXRS角速度檢測(cè)陀螺儀原理及應(yīng)用［J］. 傳感器世界,2006,12（1）:4244,，41.

　　［6］ 曾勇,楊濤,岳高銘. 基于MEMS微加速度計(jì)的振動(dòng)測(cè)試儀［J］. 傳感器與微系統(tǒng),2007,26（6）:7576,，89.

　?。?］ 張玉波,畢洪波,魏春明,等. 高精度隨鉆測(cè)斜儀的設(shè)計(jì)［J］. 電子技術(shù)應(yīng)用,2007,33（10）:7880.

　　［8］ 袁磊. 電子式隨鉆測(cè)斜儀器的研制及應(yīng)用［J］. 石油機(jī)械,2013,41（7）:7881.

　?。?］ 雷曉榮,程建遠(yuǎn). YZG05/30礦用鉆孔軌跡記錄儀及其應(yīng)用［J］. 煤田地質(zhì)與勘探,2015,，43（4）:120122.

　　［10］ 溫鋒,李錦明.基于FPGA的激光陀螺信號(hào)高速解調(diào)濾波設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(1):9092,96.