CN105587310A - 一种陀螺测斜仪内部电磁干扰误差的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陀螺测斜仪内部电磁干扰误差的标定方法，包括如下步骤：1)将陀螺测斜仪竖直安装在双轴转台上，通电工作使内部转位机构控制在角位置传感器电气0°位置；2)调整转台主轴角度，使仪器中陀螺X轴(或陀螺Y轴)指向正西或正东方向；3)通过仪器内部软件控制，使得仪器内部转位机构绕Z轴方向进行360°内固定角度2π/n的转位，采集每个位置一组稳定的陀螺电压平均值；4)将每个位置的电压平均值乘以标度因数减去陀螺常值，并与该圆周内标准的陀螺输出进行求差，获得一组圆周内电磁干扰误差值；5)将多个误差值拟合曲线，并提取多次项公式，利用该多项式公式可以实现对圆周内电磁干扰误差的补偿。

Description

一种陀螺测斜仪内部电磁干扰误差的标定方法

技术领域

本发明属于石油测井领域，涉及一种测井仪器的陀螺测斜仪内部电磁干扰误差的标定方法。

背景技术

在当今石油、矿产开发过程中，普遍需要定向测井仪器完成油井轨迹测量、钻头侧向开窗定向或辅助其它仪器进行参数定位等工作。目前国内广泛采用的定向测井仪器主要为磁通门测斜仪，该种仪器采用三轴正交的磁通门传感器和三轴正交的加速度计构成惯性测量组合，分别测量地球磁场矢量和地球重力矢量，从而确定仪器在油井、矿井中的空间姿态。该种仪器结构简单、测量方法直接、具有较好的环境适应性，但是仅能应用于无地磁异常的裸眼井中，对于已进行采油工作的套管井和地磁异常的裸眼井则完全不能应用。

针对上述问题，国际上开始采用陀螺测斜仪进行油井、矿井的测量。陀螺测斜仪是由陀螺和加速度计组合构成惯性测量组合，实现对地球自转角速率和地球重力加速度的测量，通过精密惯性测量算法推导出仪器在油井、矿井中的空间姿态。陀螺测斜仪根据惯性传感器的组合方式和解算方法的不同，分单多点测斜仪和连续测斜仪两种。这两种仪器普遍都设计了内部转位机构，单多点测斜仪通过内部转位机构实现了自寻北测量，连续测斜仪通过内部转位机构实现了自寻北测量和实时连续测量。内部转位机构的设计实现了陀螺测斜仪自主定向测斜的目标，但同时也引入了内部转位变化的电磁干扰对陀螺传感器输出值的影响，形成陀螺的测量误差。该误差如果不进行充分补偿，将直接影响陀螺测斜仪的测量精度。

发明内容

本发明提供了一种陀螺测斜仪内部电磁干扰误差的标定方法，通过采用该方法能够较好地测量出内部转位的不同位置电磁干扰对陀螺测量的影响量值。通过建立数学模型进行补偿，可以显著提高陀螺测斜仪的测量精度。

本发明的技术方案是：本发明提供了一种陀螺测斜仪内部电磁干扰误差的标定方法，其特征在于：

将陀螺测斜仪竖直安装在已标校过东西向基准的双轴转台上，并将该双轴转台调水平；随后为陀螺测斜仪通电并发送启动命令，使陀螺测斜仪处于正常工作状态，使内部转位机构工作在角位置传感器的电气0°位置；

调整陀螺X轴或陀螺Y轴在转台主轴的指向，使得双轴转台的俯仰轴转动时，陀螺X轴或陀螺Y轴的角速率变化量仅为地球自转分量，这时说明陀螺X轴或陀螺Y轴指向正南或正北方向；随后，控制转台主轴转动90°，使陀螺测斜仪中陀螺X轴或陀螺Y轴指向正西或正东方向；

通过仪器内部软件控制，使得内部转位机构上的转位台体在力矩电机的驱动下绕转位Z轴方向进行360°内固定角度2π/n的转位，n表示圆周内设置的采样点的个数，采样点的多少取决于仪器的使用方法和补偿精度的要求；在每个位置陀螺信号稳定后采集陀螺输出的一组电压值，取平均值后得到U_xn或U_yn；

在这里，陀螺测斜仪中的陀螺标度因数k_gx和k_gy，以及陀螺常值ε_x0和ε_y0，通过常规的标定方法已经得到；此处，将采用下述公式获得一组圆周内电磁干扰误差值E_xn和E_yn；

ω'_xn＝k_gx*U_xn-ε_x0(1)

ω'_yn＝k_gy*U_yn-ε_y0(2)

E_xn＝ω'_xn-ω_xn(3)

E_yn＝ω'_yn-ω_yn(4)

式(1)、(2)、(3)、(4)中，ω'_xn、ω'_yn为陀螺实际角速率输出值，k_gx、k_gy为陀螺的标度因数，U_xn、U_yn为陀螺在某一圆周位置的采样电压平均值，ε_x0、ε_y0为陀螺的常值，ω_xn、ω_yn为圆周内标准的陀螺输出值，E_xn、E_yn为陀螺圆周内电磁干扰误差值。

将多个角位置与对应的误差值E_xn或E_yn制表，并拟合曲线，提取多次项公式；通过该多次项公式即可计算出圆周内电磁干扰误差的补偿值。

本发明的优点是：采用本发明操作简单方便，能够有效地获得测斜仪内部电磁干扰对陀螺信号的影响量值，通过建立数学模型进行补偿后，可以显著提高测斜仪的测量精度；同时，该标定方法降低了测斜仪内部消减电磁干扰的设计与装配要求，提高了测斜仪产品生产中的性能指标一致性。

附图说明

图1是本发明中陀螺测斜仪转台安装结构示意图；

图2是本发明中一种实施例的多个内部转位位置的陀螺轴指向示意图；

图3是本发明中一种实施例的陀螺Y轴圆周内电磁干扰误差拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和其中一种实施例对本发明做进一步的详细说明。

步骤1)将陀螺测斜仪1竖直安装在已标校过东西向基准的双轴转台8上，并将该双轴转台8调水平；随后为陀螺测斜仪1通电并发送启动命令，使陀螺测斜仪1内包括X向加速度计4、Y向加速度计5和陀螺6在内的各组成部件处于正常工作状态，使内部转位机构9工作在角位置传感器2的电气0°位置；

步骤2)转动双轴转台8的主轴，以调整陀螺Y轴在转台主轴的指向，使得双轴转台8的俯仰轴转动时，陀螺Y轴的角速率变化量仅为地球自转分量，这时经判断陀螺Y轴输出，确认陀螺Y轴指向正南方向；然后，控制双轴转台8的主轴转动90°，使陀螺测斜仪1中陀螺Y轴指向正西方向；

步骤3)通过仪器内部软件控制，使得内部转位机构9的转位台体3在力矩电机7的驱动下绕转位Z轴方向进行360°内固定角度2π/n的转位；因本实施例将做较为全面的标定，所以选择转位采样点位置数n为8；图2为从俯视角度看去，陀螺Y轴及陀螺X轴在内部转位机构9中转动的8个不同位置；在每个位置陀螺信号稳定后采集陀螺输出的一组电压值，取平均值后得到U_yn；

步骤4)采用下述公式获得一组圆周内电磁干扰误差值E_yn；见下表1；

ω'_yn＝k_gy*U_yn-ε_y0

E_yn＝ω'_yn-ω_yn

式中，ω'_yn为陀螺实际角速率输出值，k_gy为陀螺的标度因数，U_yn为陀螺在某一圆周位置的采样电压平均值，ε_y0为陀螺的常值，ω_yn为圆周内标准的陀螺输出值，E_yn为陀螺圆周内电磁干扰误差值。

步骤5)将多个角位置与对应的误差值E_yn制表1，并拟合曲线，见图3，提取多次项公式；通过该多项式公式即可计算出圆周内电磁干扰误差的补偿值。

表1、陀螺Y轴圆周8个位置采样值和电磁干扰误差值

角位置	一	二	三	四	五	六	七	八
									转角	0°	45°	90°	135°	180°	225°	270°	315°
ωyn	0	8.79	12.43	8.79	0	-8.79	-12.43	-8.79
									ω'yn	-0.2	8.28	12.21	8.89	0.45	-8.23	-12.06	-8.69
Eyn	-0.2	-0.51	-0.22	0.1	0.45	0.56	0.37	0.1

上表中，计算陀螺Y轴标准输出值ω_yn时，采用的纬度值为34.215°；地球自转角速率为15.04°/h。

通过图3拟合陀螺Y轴圆周内电磁干扰误差曲线，提取5次多项式如下：

y＝-4.34E-12x⁵+3.03E-09x⁴-1.34E-06x³+2.76E-04x²-1.65E-02x-2.02E-01

其中，y为陀螺圆周内连续的电磁干扰误差值，x表示圆周内陀螺Y轴相对初始位置顺时针转过的角度值。

Claims (1)

1.一种陀螺测斜仪内部电磁干扰误差的标定方法，其特征在于：

将陀螺测斜仪竖直安装在已标校过东西向基准的双轴转台上，并将该双轴转台调水平；随后为陀螺测斜仪通电并发送启动命令，使陀螺测斜仪处于正常工作状态，使内部转位机构工作在角位置传感器的电气0°位置；

调整陀螺X轴或陀螺Y轴在转台主轴的指向，使得双轴转台的俯仰轴转动时，陀螺X轴或陀螺Y轴的角速率变化量仅为地球自转分量，这时说明陀螺X轴或陀螺Y轴指向正南或正北方向；

控制转台主轴转动90°，使陀螺测斜仪中陀螺X轴或陀螺Y轴指向正西或正东方向；

内部转位机构上的转位台体在力矩电机的驱动下绕转位Z轴方向进行360°内固定角度2π/n的转位；在每个位置陀螺信号稳定后采集陀螺输出的一组电压值，取平均值后得到U_xn或U_yn；

在这里，陀螺测斜仪中的陀螺标度因数k_gx和k_gy，以及陀螺常值ε_x0和ε_y0，通过常规的标定方法已经得到；此处，将采用下述公式获得一组圆周内电磁干扰误差值E_xn和E_yn；

ω'_xn＝k_gx*U_xn-ε_x0

ω'_yn＝k_gy*U_yn-ε_y0

E_xn＝ω'_xn-ω_xn

E_yn＝ω'_yn-ω_yn

式中，ω'_xn、ω'_yn为陀螺实际角速率输出值，k_gx、k_gy为陀螺的标度因数，U_xn、U_yn为陀螺在某一圆周位置的采样电压平均值，ε_x0、ε_y0为陀螺的常值，ω_xn、ω_yn为圆周内标准的陀螺输出值，E_xn、E_yn为陀螺圆周内电磁干扰误差值，

将多个角位置与对应的误差值E_xn或E_yn制表，并拟合曲线，提取多次项公式；通过该多次项公式即可计算出圆周内电磁干扰误差的补偿值。