Android智能終端遙控的無纜小口徑測斜儀

王振國，陳鍵

（重慶地質(zhì)儀器廠，重慶 400033）

0 前言

測斜儀用于測量鉆孔的方位角和頂角，按有無傳輸電纜分為有纜測斜儀和無纜測斜儀。有纜測斜儀需要專用電纜線連接井下探管與地面主機(jī)，儀器成本高，系統(tǒng)龐大，不易施工。無纜測斜儀不需要專用電纜，僅需用繩子固定探管便可測量，價(jià)格低廉，攜帶方便?，F(xiàn)有無纜測斜儀可通過探管內(nèi)的LCD讀取測量結(jié)果，但是這種儀器每次測量，需下井前后擰開設(shè)置和讀取結(jié)果，施工不方便，且反復(fù)拆卸易造成探管進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)。

為解決以上問題，JDDC－1無纜小口徑測斜儀創(chuàng)新性地引入Andriod智能終端作為遠(yuǎn)端控制平臺，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的便攜性，更適合應(yīng)用在西南喀斯特地貌等惡劣地質(zhì)環(huán)境。以低成本的磁阻傳感器為基礎(chǔ)，以40mm的小口徑為目標(biāo)，以單點(diǎn)或連續(xù)多點(diǎn)工作模式獨(dú)立完成鉆孔的頂角和方位角測量。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)原理

鉆孔的方位角β、頂角α、工具面角γ是建立在地理坐標(biāo)系ONWD和探管坐標(biāo)系OXYZ的旋轉(zhuǎn)變化的基礎(chǔ)上的。探管坐標(biāo)系OXYZ可由地理坐標(biāo)系ONWD依次按照方位角β、頂角α、工具面角γ旋轉(zhuǎn)后得到，如圖1所示，具體的旋轉(zhuǎn)過程：① 將地理坐標(biāo)系ONWD繞OD軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方位角β，得到坐標(biāo)系OX1Y1D；② 將坐標(biāo)系OX1Y1Z繞OY1軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)頂角α，得到坐標(biāo)系OX2Y1Z；③ 將坐標(biāo)系OX2Y1Z繞OZ軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)工具面角γ，得到探管坐標(biāo)系OXYZ。

圖1 探管坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系變換

每次旋轉(zhuǎn)意味著一次坐標(biāo)變換，相應(yīng)的坐標(biāo)變換：

探管坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系的重力場和地磁場滿足以下關(guān)系：

所以：

因此，JDDC－1無纜小口徑測斜儀的頂角和方位角本質(zhì)上是采集gx、gy、Hx、Hy及 Hz五個(gè)物理量，再進(jìn)行失調(diào)、靈敏度校正補(bǔ)償，經(jīng)坐標(biāo)變換解算而來。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

JDDC－1無纜小口徑測斜儀包括探管和Android智能終端，沒有絞車和地面主機(jī)，野外作業(yè)僅需鉆井所用的鋼絲繩便可下井測量。JDDC－1的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在：

（1）JDDC－1采用三維磁阻傳感器和兩軸加速度傳感器作為測量敏感元件，實(shí)現(xiàn)低成本、高穩(wěn)定性的頂角和方位角測量；

（2）內(nèi)置鋰電池提供能量，利用存儲器存儲測量數(shù)據(jù)，擺脫測井電纜、絞車的約束，實(shí)現(xiàn)無電纜測斜；

（3）Andriod智能終端取（大規(guī)模使用的手機(jī)或平板）代替筆記本電腦，通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)無線控制和傳輸，降低系統(tǒng)成本，提高儀器的便攜性，僅需用繩子固定探管便可測量。

1.3 儀器主要性能指標(biāo)

a.頂角測量范圍：0～50°，測量誤差0.2°；

b.方位角測量范圍：0～360°；測量誤差3.0°（頂角3～50°）；

c.測量方式：單點(diǎn)／連續(xù)測試（≤500樣點(diǎn)）；

d.可測井深：1500m；

e.工作電源：內(nèi)置鋰電池供電，一次充電可連續(xù)工作32小時(shí)；

f.探管外型：φ40mm×1180mm。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

JDDC－1無纜測斜儀由探管與Andriod智能終端組成，探管包括測量腔、過渡連接頭、電池腔、連接固定頭組成，如圖2所示。測量腔由傾角傳感器、電路板構(gòu)成。傾角傳感器固定在探管的橫截面上，通過導(dǎo)線與主電路板相連，三軸磁阻傳感器焊接在主電路板上。三軸磁阻傳感器的x軸、y軸分別與傾角傳感器的x軸、y軸平行。過渡端由高硬度塑料加工而成，無線通訊模塊內(nèi)置過渡端。電池腔內(nèi)包含四節(jié)鋰電池，測量腔和電池腔由銅管制成。

圖2 無纜小口徑測斜儀結(jié)構(gòu)框圖

測量腔由雙軸傾角傳感器、三軸磁場傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理器、存儲器、電源管理模塊、無線通訊模塊組成。雙軸傾角傳感器獲取重力加速度gx、gy，三維磁場傳感器獲取地磁場信號Hx，Hy，Hz。這五個(gè)信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化后，傳輸給微處理器，微處理器計(jì)算出頂角和方位角，把結(jié)果存儲在存儲器內(nèi)部，待所有點(diǎn)測量結(jié)束后，經(jīng)無線傳至Andriod終端。

2.2 核心傳感器設(shè)計(jì)

三軸磁阻傳感器是以霍尼韋爾的雙軸磁阻傳感器和單軸磁傳感器為核心，經(jīng)儀用放大器放大后，送至模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。磁阻傳感器的測量范圍為6Gs，靈敏度為16mV／Gs，1／f噪聲為4uGs（RMS）。磁阻傳感器的本身的失調(diào)電壓可通過置位與復(fù)位做差算出。

傾角傳感器采用MEMS技術(shù)的雙軸加速度傳感器。在5V的直流供電下，其測量范圍為±1g，失調(diào)誤差為0.002g，靈敏度校準(zhǔn)誤差為±0.5%，正交敏感為4%，噪聲為40ug。傾角傳感器直接固定在測量腔的橫截面上。在焊接、安裝過程中，難免會(huì)引入安裝誤差，需要按照1.1所述的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的方法，以絕對重錘線為基準(zhǔn)，進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償。

2.3 整機(jī)低功耗設(shè)計(jì)

測斜探管供電以高效率開關(guān)電源為主，低噪聲線性電源為輔。電源管理實(shí)行間歇供電的模式：每個(gè)電源模塊均加上電源使能功能，在該模塊需要工作的時(shí)候，則使能對應(yīng)的供電電源，反之，該模塊不需要工作的時(shí)候，則不使能該電源。

2.4 無線數(shù)傳策略

測斜探管按照設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行周期性存儲式測量，待測量完成后，經(jīng)過無線藍(lán)牙傳輸?shù)姆绞桨褱y量數(shù)據(jù)上傳至終端。微處理器將藍(lán)牙傳輸模塊映射為主從一體的串口通訊設(shè)備，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備與智能終端配對成功后，微處理器可直接進(jìn)行分時(shí)雙向通訊。

2.5 Andriod軟件設(shè)計(jì)

Android終端應(yīng)用軟件是以Java語言為基礎(chǔ)，在Eclipse的集成環(huán)境下開發(fā)的。Android終端作為藍(lán)牙協(xié)議的主設(shè)備，搜索并連接周邊的已開機(jī)的探管，建立起一對一串聯(lián)通訊服務(wù)協(xié)議。軟件的框架如圖3所示，按照功能分為：藍(lán)牙管理、測量計(jì)時(shí)、數(shù)據(jù)管理。

3 系統(tǒng)測試

3.1 頂角與方位角測試

圖4是JDDC－1無纜小口徑測斜儀的實(shí)物照片，包括提引環(huán)、電池筒、電路筒、重錘以及Andriod終端。

圖4 基于Android智能終端的無纜小口徑測斜儀

將JDDC－1無纜小口徑測斜儀固定在已校平的測斜儀校準(zhǔn)臺上，保證測斜儀校準(zhǔn)臺周邊無鐵磁性物質(zhì)。按照表格1所列舉的頂角、方位角逐個(gè)測試，并填入表格。

3.2 誤差分析

頂角誤差主要是來自加速度傳感器的失調(diào)誤差、非線性誤差及安裝誤差。安裝誤差雖然通過軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行了校正，但實(shí)際中測斜校準(zhǔn)臺的0°存在誤差，因此即使軟件校準(zhǔn)了同樣存在誤差，通過表1可知，樣機(jī)的傾角誤差均在0.1°內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表1 校驗(yàn)臺頂角與方位角測試數(shù)據(jù) （單位：°）

根據(jù)方位角的計(jì)算公式，方位角的因素不僅與加速度三分量大小有關(guān)，而且還與磁場三分量大小有關(guān)，加速度傳感器的誤差經(jīng)校準(zhǔn)后，幾乎可以忽略不計(jì)，但是磁傳感器安裝誤差卻很大，導(dǎo)致方位角誤差相對較大。通過表1可知，樣機(jī)的方位角誤差均在3°內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了Andriod智能終端遙控的存儲式無纜小口徑測斜儀的設(shè)計(jì)。在坐標(biāo)矩陣變換的理論指導(dǎo)下，采用三維磁阻傳感器和兩軸加速度傳感器作為傳感部件，結(jié)合低功耗微處理器、電源優(yōu)化管理技術(shù)，以藍(lán)牙通訊協(xié)議為紐帶，實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本、可靠性好、操作方便的頂角與方位角測量，更好地適應(yīng)喀斯特地貌等惡劣的地質(zhì)環(huán)境及土木建設(shè)等窄小空間的工程環(huán)境。

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