存儲(chǔ)式測(cè)斜儀的研制*

屈召貴，龔名茂

(四川工商學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心，四川 成都 611745)

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存儲(chǔ)式測(cè)斜儀的研制*

屈召貴，龔名茂

(四川工商學(xué)院 實(shí)驗(yàn)中心，四川 成都 611745)

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７抡媾c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)。

存儲(chǔ)式；測(cè)斜儀；加速度計(jì);陀螺儀

引用格式：屈召貴，龔名茂. 存儲(chǔ)式測(cè)斜儀的研制[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(11)：37-39.

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。

圖3　雙軸傾斜檢測(cè)圖

(1)

(2)

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。

圖4　硬件框圖

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?！? 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。

AOFF=0.5×(A+1g+A-1g)

(10)

(11)

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。

(12)

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。

表1　方位角和傾角測(cè)試數(shù)據(jù)

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)。

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Development of storage type inclinometer

Qu Zhaogui,Gong Mingmao

(Experiment Center, Sichuan Technology and Business University, Chengdu 611745， China)

In view of the problem of high technique index and complex process in present mine drilling borehole trajectory measurement, a storage type inclinometer has been developed by ADXL206 accelerometer and gyroscope ADXRS645. Micro controller as the core, adopting anti-interference, error correction, temperature compensation as correction measures. The simulation and test results show that, this system has high measurement precision, good stability, long working hours, etc.

storage;inclinometer; accelerometer; gyroscope

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(自然科學(xué))(16ZA0424)；四川工商學(xué)院創(chuàng)新科研基金(2013CSCDKY0046)

TH763.5

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.11.012

2016-01-11)

屈召貴(1980-)，通信作者，男，碩士，講師，主要研究方向：儀器儀表，嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)。E-mail：35247485@qq.com。