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光纤陀螺测斜仪原理1. 介绍光纤陀螺测斜仪是一种高精度、高分辨率测量姿态角度的仪器。
它利用独特的光学原理，通过测量光线在光纤中的传播速度变化来实现姿态角度的测量。
光纤陀螺测斜仪在工程测量、导航定位、航天等领域有着广泛的应用。
2. 原理光纤陀螺测斜仪的原理基于Sagnac效应，这是一种光学效应。
当光线在闭合光路中传播时，如果光路绕轴旋转，光线在光纤中的传播速度会发生变化。
根据相对论速度叠加原理，传播速度变化会导致光纤中的光程差，从而引起干涉现象。
通过测量干涉现象的变化，可以获得光纤陀螺测斜仪的姿态角度。
3. 组成光纤陀螺测斜仪主要由激光源、光纤、光路调制器、光电探测器和信号处理器等部分组成。
3.1 激光源激光源是光纤陀螺测斜仪的核心组件。
激光源产生一束高度聚焦的激光光束，作为光纤陀螺测斜仪的测量信号。
3.2 光纤光纤是光纤陀螺测斜仪中起到传输光信号的作用的光学器件。
光纤的材料通常为高纯度的二氧化硅。
光纤的一端连接激光源，另一端连接光电探测器。
3.3 光路调制器光路调制器用于产生旋转光路。
它可以通过旋转整个光路块来引入旋转光路，从而实现姿态角度的测量。
3.4 光电探测器光电探测器是用于接收光信号的器件。
它可以将接收到的光信号转换为电信号，并将其送入信号处理器进行处理。
3.5 信号处理器信号处理器主要负责对接收到的电信号进行处理和解析。
它可以计算出光纤陀螺测斜仪的姿态角度，并将结果输出。
4. 测量过程光纤陀螺测斜仪的测量过程如下：1.激光源发出一束激光光束；2.光束经过光纤传输，并经过光路调制器引入旋转光路；3.旋转光路引起光纤中的传播速度变化，从而产生光程差；4.光束到达光电探测器，被转换为电信号；5.电信号经过信号处理器进行处理，并计算出姿态角度。
5. 优势与应用光纤陀螺测斜仪具有以下几个优势：•高精度：光纤陀螺测斜仪可以实现高精度的姿态角度测量，通常可以达到0.01度以下。
•快速响应：光纤陀螺测斜仪的响应速度快，可以实时更新姿态角度信息。
激光陀螺仪标度因数测试系统及测试方法与设计方案设计方案：1.激光陀螺仪：选择具有高精度和稳定性的激光陀螺仪作为测试仪器。
激光陀螺仪应具有较高的测量频率和角度分辨率，以确保测试结果的准确性。
2.电子控制装置：用于控制激光陀螺仪的工作状态。
通过电子控制装置，可以选择不同的测试模式，设置测试参数，实现自动化测试。
3.数据采集设备：用于对激光陀螺仪输出的信号进行采集和处理。
数据采集设备应具有较高的采样频率和位深度，以确保对信号的准确采集。
4.测试平台：为激光陀螺仪和标度因数测试系统提供一个稳定的支撑平台，以确保测试过程中不受外界干扰。
测试方法：1.准备工作：将激光陀螺仪固定在测试平台上，并将电子控制装置和数据采集设备与激光陀螺仪连接好，确保连接稳固。
2.校准：在进行标度因数测试前，需要对激光陀螺仪进行校准。
通过校准可以消除系统误差，提高测试的准确性。
3.测试步骤：在标度因数测试过程中，需要按照以下步骤进行：a.设定测试参数：根据测试需求，设置测试模式、测试频率和测试时间等参数。
b.开始测试：启动电子控制装置，开始测试过程。
在测试过程中，激光陀螺仪将输出角速度信号，数据采集设备将对信号进行采集和处理。
c.数据处理：通过对采集到的信号进行处理，可以得到标度因数测试的结果。
可以使用数学模型或者统计分析方法对信号进行处理，以获得准确的标度因数值。
4.结果评估：根据标度因数测试的结果，对激光陀螺仪进行性能评估。
评估结果可以用于对激光陀螺仪进行校准和改进，提高其性能。
总结：激光陀螺仪标度因数测试系统的设计方案和测试方法，需要选择合适的测试仪器、电子控制装置和数据采集设备，并通过校准和数据处理等步骤，获取准确的测试结果。
通过该系统，能够对激光陀螺仪的性能进行评估，并为后续的应用提供准确的角速度测量结果。
几种MEMS陀螺仪（gyroscope）的设计和性能比较
现在市场上的MEMS陀螺仪主要有SYSTRON、BOSCH和INVENSENSE设计和生产。
前两者设计的陀螺仪属高端产品，主要用于汽车。
后者的属低端产品，主要用于消费类电子，象任天堂的Wii。
ADI2003年宣布设计和制造出了Z轴陀螺仪ADXRS300，但是没有正式成为产品。
下面主要介绍和比较三家公司的陀螺仪的设计、加工和性能。
一、Systron Donner “MICROGYRO” MEMS传感器：双石英调音叉
信号处理：混合信号架构，数字和模拟输出；开放回路；两个用于加速度传感器的A/D通道封装：MEMS封装在陶瓷腔体中并跟ASIC一起封装在塑料腔体中。
缺点：成本较高
Systron Donner “MICROGYRO”
二、博世BOSCH SMG 070
MEMS：平面MEMS；Z轴
信号处理：闭合回路；混合模式；自测试缺点：尺寸太大
BOSCH SMG 070
BOSCH SMG 070原理图
三、INVENSENSE IDG 300MEMS：体加工技术；用ASIC作封盖并提供收集和驱动信号的电极信号处理：开路；模拟
缺点：无零点修正；温度导致+/-50度/秒的漂移。
（汽车电子要求+/-1.5度/秒）
INVENSENSE IDG 300
INVENSENSE IDG 300原理图（曹志良）。
光纤陀螺测斜仪设计和实验颜廷洋;张春熹;高爽;林铁【期刊名称】《中国惯性技术学报》【年(卷),期】2013(000)002【摘要】为满足复杂油田环境中精确高效井眼测量需要，研制出具有自主知识产权的新型光纤陀螺测斜仪。
利用小型三轴光纤陀螺、石英挠性加速度计和DSP+FPGA 架构导航计算机构建核心硬件平台，设计动态环境捷联解算算法和电缆速度辅助卡尔曼滤波器误差控制算法，实现井斜角和方位角的动态测量。
现场实验结果表明，井斜角误差优于0.1°，方位角误差优于1°。
%A fiber optic gyroscope inertial borehole surveyor(FIBS) with independent intellectual property was successfully developed for accurate and efficient borehole survey applications in complex oilfield environments. Compact three-axis fiber optic gyroscopes, quartz flex accelerometers and embedded navigation computer with DSP+FPGA architecture were utilized as core hardware platform. Modern dynamic strapdown computation algorithm and cable aided indirect Kalman Filter error control algorithm were designed for continuous borehole survey operations. Field experimental results show that the inclination error is less than 0.1° and the azimuth error is less than 1°.【总页数】4页(P179-181,203)【作者】颜廷洋;张春熹;高爽;林铁【作者单位】北京航空航天大学仪器科学与工程学院，北京 100191;北京航空航天大学仪器科学与工程学院，北京 100191;北京航空航天大学仪器科学与工程学院，北京 100191;北京航空航天大学仪器科学与工程学院，北京 100191【正文语种】中文【中图分类】V241.5【相关文献】1.冻结孔测斜用光纤陀螺仪的设计研究 [J], 赵玉明;李长忠2.基于光纤陀螺的无线随钻测斜仪探管软件设计 [J], 李尚泽;杨明;袁辉3.基于光纤陀螺的无线随钻测斜仪探管硬件设计 [J], 李尚泽;杨明;邓昀;蒲朝阳;董新旺;杨雪4.用于光纤陀螺油井测斜仪的光源温控系统设计 [J], 李立京;杨慧;章博;张声艳5.轻小型二位置光纤陀螺测斜仪惯性测量单元设计 [J], 高爽;焦禹舜;林铁;孔庆鹏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
深井测斜为了查找地下丰富的宝藏，人们可以在地面或空中采纳各种探测手段，其中从地面进行钻井探测是较常用的一种方法。
目前依据工程需要，已能把井钻到五六千米，甚至更深。
这么深的井，几乎不行能打得笔直，难以完全根据人们的意愿延长。
在钻探过程中，还会发生弯曲并偏离预定方向的状况，因此需要不断测量其倾斜角度，即钻井测斜。
钻井测斜的另一作用，是为了保证钻斜井达到所要求的斜度指标。
由于有很多工程要求钻井方向与地面形成肯定倾斜角度，这就要求在钻井过程中，不断进行钻井斜度的测量，从而使钻具能按所要求的角度逐步往深处钻探。
无论是石油钻井，或是探矿钻井，利用一般测斜仪器置于井孔内进行测量难以有精确结果。
由于井孔在地下，地面上常用的gps接收机无法接收到无线电信号．又如采纳地面上常用的一般磁罗盘，即使不考虑地磁影响，钻探设备钢质套管也会使磁罗盘失灵。
因此，高精度深井测斜通常采纳陀螺测斜仪。
图1所示为国产JDT-Ⅲ型陀螺测斜仪井下仪器形状示意图。
该种陀螺测斜仪的主要结构包括井下仪器和地面测量仪。
地面测量仪包括信号处理和显示部分。
井下仪器由定心脚、爱护管、活动部分和固定框架组成。
测斜时，井下仪器借助两个定心脚支撑在不同直径的测斜井或浆结管内，使仪器轴线与测斜井轴线严格全都，活动部分是整个仪器的心脏，是完成测斜任务的关键性部件。
其中装有偏心活动框架和定向陀螺等敏感元件。
定向陀螺是一个二自由度陀螺。
由于陀螺具有定轴性，采纳定向陀螺后，就使测斜仪具有了很强的反抗干扰的方向稳定性。
当在地面上启动陀螺后，登记陀螺仪轴的原始方位角，然后再放入井下测量，并且必需保证在整个测量过程中，原始方位角保持不变。
测斜井偏离铅垂线的角度则是由按复摆原理制成的偏心活动框架来测定。
图1陀螺测斜仪井下仪器形状及示意图偏心活动框架的原理结构如图2所示。
这实际上是一个二自由度复摆。
摆锤0可绕摆轴bbˊ转动，摆轴bbˊ又随框架一起绕aaˊ轴转动。
在结构上aaˊ轴应与仪器轴心重合。
第28卷 第3期2004年6月测 井 技 术WELLLOGGINGTECHNOLOGYVol.28 No.3
Jun2004
文章编号:1004-1338(2004)03-0234-03
陀螺测斜仪中的陀螺设计选型
王宇飞,陈 俊,孙 芳(中国航天三十三研究所北京航天万新科技有限公司,北京100074)
摘要:简要介绍了陀螺仪的种类和原理。分析了框架式陀螺、动力调谐陀螺、液浮速率积分陀螺等测井用陀螺在测斜测井仪器方面的应用及各自的优劣,尤其介绍了光学陀螺仪在陀螺测斜仪器上的应用;分析了具有自主知识产权的国产陀螺测斜仪在研究、开发方面的现状,以及油田在使用方面对陀螺测斜仪技术上的要求,肯定了光纤陀螺技术在油田应用上的未来前景。关键词:陀螺;测斜仪器;种类;应用;设计选型中图分类号:V24115 文献标识码:A
GyroDesignandTypeSelectionofGyroClinographWANGYu2fei,CHENJun,SUNFang(BeijingWonewTechnologyCo.,No.33ResearchInstituteofTheThirdAcademyofCASIC,Beijing100074,China)
Abstract:Introducestypesandoperatingprinciplesofgyrometers.Analyzesapplicationsofframegyro2scope,dynamicaltunedgyroscopeandliquidrateintegratinggyroscope,etc.ininclinometersandeachgy2rocope’sadvantagesanddisadvantages.Especiallydescribestheopticalgyrometerusedingyroscopicincli2nometer.OutlinesthecurrentdevelopmentsandtechnicalrequirementsofChina2madegyroscopicincli2nometerswithownintellectualpropertyright.Surely,theopticalgyroscopictechnologywillbebetterusedinlogginganddrillingoperations.Keywords:gyro;inclinometer;type;application;designandtypeselection
0 引 言在套管井开天窗、老井复测中,通常需要利用陀螺测斜仪对井身方位值进行测量;在磁场异常地区和井段,由于磁通门测量值的误差较大,也需要利用陀螺测斜仪进行方位测量。此外,在某些特定环境下,例如太阳磁暴高发期,或需要第3种仪器进行验证的场合,陀螺测斜仪也有其独到的作用。陀螺测斜仪中的方位测量传感器就是陀螺仪,应用在油井测量中的陀螺仪是从航空器中的陀螺仪移植发展而来的。目前的陀螺测斜仪生产厂大都本身就是空间导航设备的专业生产厂。陀螺仪不仅结构精密,工艺要求高,测试复杂,更重要的是要对陀螺仪输出信号建立矩阵方程进行专业性很强的复杂解算,同时要对其干扰力距、温度漂移、冲击振动产生的漂移进行补偿,对其原理误差进行多级修正等,这也是一般非专业厂在短时期内几乎不可能做到的。
1 陀螺仪原理及概述传统意义上的陀螺仪是指机械陀螺,它由高速旋转的转子和框架组成,它的作用是测量载体的偏移角度和角速度。1.1陀螺具有的特性一个正在工作中的理想陀螺仪,在没有任何外力作用在转子上时是一个自由转子陀螺仪,其动量力矩H
轴将在惯性空间中保持不变,其壳体相对惯性空间的转角由陀螺转子相对壳体的转角来测量,如果对陀螺转子施加外力矩,即其载体发生了移动,则陀螺转子将绕与外力矩作用轴相垂直的正交轴作进动运动,这一过程的表达式为
D(x)=My
H(1)
D(y)=Mx
H(2)
式中 D(x),D(y)———陀螺仪绕X转、Y轴的漂移速率;Mx,My
———作用在X轴、Y轴上的外力矩;
H———动量矩。如果Mx,My是干扰力矩,则式(1)、(2)是陀螺仪漂移误差的表达式。实际上,以上陀螺仪工作的理想状态是不可能实现的。由于机械式陀螺仪的内耗阻尼、转子周围的气体阻力、电磁阻尼和转子不调谐等因素,当转子相对于壳体有偏转角时,将引起弹性约束力矩。此外,陀螺仪的使用环境存在着线加速度、线振动和角振动,这种动态环境与转子、平衡环的某些机械参数相互作用可产生整流力矩。这些因素联合作用,使陀螺仪产生漂移误差。陀螺仪在井下工作时更有温度、电磁场等变化量的影响,会使陀螺仪产生温度漂移和磁场漂移。1.2测井用陀螺仪的特点测井用陀螺仪较之航空器用陀螺仪,受其使用环境的影响具有以下特点。首先,是体积要求严格,尤其直径要小,要求形成仪器后适应套管井井径要求,甚至能在开天窗时从钻杆投入;其次,是较强的抗振性,侧钻开天窗或投入井底时,不会损坏陀螺本体;还有宽温要求,
即仪器能在125℃环境中正常工作至少2h,且在环境温度-10℃～125℃范围内仪器总体精度满足设计要求。1.3常见陀螺仪的种类从结构和制造工艺上陀螺仪可以分为机械陀螺、光学陀螺、半导体陀螺。其中机械陀螺又有框架陀螺、动力调谐陀螺、液浮速率积分陀螺、静电陀螺。光学陀螺主要有激光和光纤陀螺2种。半导体陀螺中最常见的是硅微陀螺。这些陀螺中,静电陀螺制造难度极大,造价昂贵,只有最尖端武器系统才有采用,技术仅掌握在世界上少数一两个国家中,故短期内不会应用于其它领域。硅微陀螺精度低,温漂大,虽然有良好的抗振性和理想的体积,也有人在做形成仪器的探讨,但受其本身技术发展水平的限制,现在多应用于动态摄像等反馈回路检测,相当一段时期内,我们认为不会有理想的测井产品出现。
2 常用测井用陀螺仪介绍目前所见到的测井用陀螺几乎涵盖了机械式陀螺仪的所有品种,包括框架陀螺、动力调谐陀螺、液浮速率积分陀螺等。2.1框架陀螺框架陀螺是陀螺仪中最早发展、最成熟的经典一种,它制造容易,成本低廉,有较好的抗振性能。框架陀
图1 框架陀螺结构图螺理论在美国、俄罗斯等国家十分成熟,国外一些品牌的陀螺测斜仪如“哈瑞斯”等品牌采用的即是框架陀螺。其结构见图1。框架陀螺在工作时干抗力矩因素较多,且转子在转动时形成的累积误差明显。此外,为提高精度须加大转子质量,故其缺点是其精度低,体积大,稳定时间长,补偿十分繁琐,精度在10°/h以上,故目前在精确导航领域已经很少使用。2.2动力调谐陀螺该陀螺的转子支撑元件采用挠性支撑来代替框架陀螺中的滚珠支撑,陀螺本体由转子、挠性接头、传感器、力矩器、驱动电路构成。结构如图2所示。其中挠性接头由上、中、下3个环构成,是决定其工作品质的关键部件。与框架陀螺相比,由于改进了转子部分的结构,采用刚性及灵敏度好的挠性接头做支承,减小了干扰力矩,故该种陀螺体积小,启动时间短,精度较框架陀螺有很大改善。但动力调谐陀螺造价昂贵、制造复杂是其缺点,尤其是挠性接头十分脆弱,在振动过程中极易断裂,导致陀螺损毁;若加大挠性接头刚度,则精度将大大下降。这是限制其在石油仪器上推广应用的致命弱点。在国内有采用动力调谐陀螺开发陀螺测斜仪的厂,
从目前应用情况看,效果都不甚理想,主要原因即是陀螺易损问题没有得到解决。2.3液浮速率积分陀螺液浮速率积分陀螺的转子与壳体之间充以高密度、
图2 动力调谐陀螺结构图
・532・ 第28卷 第3期 王宇飞,等:陀螺测斜仪中的陀螺设计选型高粘度的悬浮液,并在适当工作温度下使转子处于悬浮状态,转子与壳体之间以弹性游丝相连接。其优点是抗振性较好,体积小,但受其悬浮液的限制,工作准备时间长,温漂大,一般应工作在恒温状态。尽管液浮陀螺具有相对优良的抗振性能指标,但严格说来,该类陀螺并不适宜应用于陀螺测斜仪上。因为有悬浮液的存在,则因工作环境温差过大,会使悬浮液的密度和粘度发生很大变化,甚至会丧失阻尼作用,直接导致陀螺精度发生不可预见性的大幅变化,甚至失效。如果加装精确温控电路,则会增大仪器体积,而且也不适用于井下高温、高压环境。2.4模拟再平衡回路因陀螺仪的数据解算采用模拟加矩法,故要求对陀螺的输出信号进行V/F转换或I/F转换,变成增量脉冲送往计算机解算,故陀螺再平衡回路十分复杂,模拟再平衡回路的参数需要随不同温度变化。其功能框图见图3[1]。
图3 模拟再平衡回路原理框图3 光学陀螺仪在陀螺测斜仪上的应用以上所述3种机械式陀螺仪应用于石油仪器,在综合考虑精度、抗振、环境温度三大选型指标要求时受其原理限制,各自都具有很大缺陷。光学陀螺仪可应用于陀螺测斜。光学陀螺常见的有光纤陀螺和激光陀螺。但激光陀螺仪因体积过于庞大,现阶段不予考虑。3.1光纤陀螺仪的工作原理和组成宽频光源发出的光经第1个分光镜分成2个光束,
分别沿相反方向在由光纤组成的线圈中传播。2个光束在第2个分光镜上形成干涉条纹。干涉仪静止时,正反传播的2个光束的光差程相同,不存在相位差。但当光纤线圈(相当机械陀螺转子)
垂直于自身的轴旋转时,与旋转方向相同的光程要比逆旋转方向传播的光束走过的光程大一些。当2个光束汇合时,由此引起的相位差将导致干涉条纹的幅值发生变化,通过光电耦合器可以检测出合成光强。通过提取光电耦合器输出的电流信号,可以知道壳体当前转移的角速度[2]。
图4 光纤陀螺仪基本组成示意图光纤陀螺仪的基本光学器件有光源、耦合器、光纤线圈、检测器等,其基本组成见图4所示。光纤陀螺组件多为半导体器件,相互之间靠接插连接,并直接焊接在印刷电路板上。光纤陀螺使用在石油仪器上克服了机械式陀螺的几乎所有缺点,诸如抗振性差、磁场变化、漂移力矩因素多、工作受环境温度影响大等。光纤陀螺是十分适用于陀螺测斜仪的方位传感器。光纤陀螺的重要本体缺陷是组成器件造价昂贵,抗高温能力较差。且为了保证精度,采用越来越多的光纤匝数,因而导致体积相对较大。解决的方法是通过外加装高效保温瓶,使光纤陀螺仪最高工作环境温度保证在80℃以下,这样可以基本满足4000m以内井深的测量需求。对应于油井井径限制,通过改变光纤缠绕方式,
可以使其直径得到有效缩小,形成仪器后直径在90mm
以内,普通标准套管井完全可以下去,但要满足投入钻杆中还有一定困难。
4 结 论拥有自主知识产权的国产陀螺测斜仪研究、开发课题的提出已经有近10年的时间了,有不少厂都在投入力量进行研发,但大都还未形成成熟的产品。究其关键原因不外乎两方面,一是对陀螺原理不清,盲目而上;二是国产机械陀螺技术特性确实与油田的使用要求还有相当的差距。
参考文献:
[1] 飞航导弹惯性器件[S].北京:宇航出版社,1990.[2] LefeverH.TheFibre2opticGyroscope[M].ArtecHouse,1993.
