一种新型陀螺测斜仪的硬件设计及其误差补偿技术

0　引　言

    测量井眼轨迹的方法有2种,一种是使用电磁传感器和加速度计构成测斜仪,检测井孔的方位角和倾斜角;另一种就是陀螺测斜仪。第1种方法只能应用在无磁力影 响的条件下,如果周围环境有磁力影响,将会造成方位角测量错误。陀螺测斜仪主要由陀螺仪和加速度计构成,这些构件都是惯性元件,不受外界环境的影响。目前 国产陀螺测斜设备在技术和使用条件上还存在着一些不足之处^[1~5]。

    本文研究的硬件电路及误差补偿技术针对的是一种双转子电磁补偿挠性支承结构的陀螺测斜仪[1]。采用双陀螺转子以加大陀螺的动量力矩,通过电磁补偿来弥补陀螺的挠性支承机械结构微小的不平衡。

1　陀螺测斜仪的工作原理

    根据陀螺测斜仪的工作原理[1]采用了如图1所示的陀螺测斜仪系统结构。

    陀螺测斜仪硬件系统主要包括陀螺电源电路、传感器稳频稳幅电路、力矩反馈平衡电路和信号采集电路等部分。传感器使用电感式传感器感测陀螺的微小偏转,传感 器1和传感器2分别感测2个陀螺的位置信号,传感器的输入信号1和信号2为一对相位相反频率均为25 kHz的正弦波信号,由传感器稳频稳幅电路提供。当陀螺处于平衡状态时信号理论输出为0;当陀螺测斜仪正常工作时,有25 kHz的微小正弦信号输出。将这个信号送入陀螺力矩反馈平衡电路进行处理,其输出为5 V左右的直流电压信号,用以控制力矩电机对陀螺组件施加进动力矩,达到力矩反馈平衡作用。

2　硬件电路研究

2.1　传感器稳频稳幅电路

    陀螺测斜仪的角度传感器(简称传感器)用来感受转子相对于壳体的转角α和β的信息。传感器的精度直接影响陀螺测斜仪的精度。选用2个电感式传感器作为陀螺 测斜仪的敏感元件。传感器稳频稳幅电路的作用是产生幅值相等、相位相差180°的正弦波激磁信号1和信号2。采用6·4 MHz的晶体振荡器,分频器使用CD4060对6·4 MHz晶振进行8分频,可得25 kHz方波,通过带通滤波获得25 kHz的正弦波即信号1;对信号1进行反相,则输出与信号1频率相同、相位相差180°的信号2;信号2经过精密整流电路调理后作为反馈信号送入比较器使 系统形成闭环回路。其原理框图见图2。图3为传感器稳频稳幅电路信号波形。

2.2　力矩反馈平衡回路

    陀螺测斜仪挠性接头只允许自转角相对壳体小角度偏转(限动角一般为±0.5°),故其测量角位移的范围很小。陀螺测斜仪是通过角度传感器、放大校正环节和 力矩器而工作于闭环状态的。传感器感测角度的变化,即2个传感器绕组产生的25 kHz微小正弦偏置信号,需要力矩反馈平衡回路对这个信号进行调谐,控制力矩器产生进动力矩。图4所示为陀螺测斜仪系统的闭环传递函数方块图。