CN102889076A - 陀螺测斜仪标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陀螺测斜仪标定方法，包括：1）将测斜捷联系统安装于三轴转台上，测斜捷联系统通过数据采集系统将数据传给与测斜捷联系统相连的计算机；测斜捷联系统包括一个双轴动调陀螺以及三支加速度计；计算机采样的测量数据保存在计算机中；每次由计算机采样的测量数据有六组，每组数据包括：陀螺x轴电压值，陀螺y轴电压值，x向加速度计电压值，y向加速度计电压值，z向加速度计电压值，温度传感器电压值；2）找出测斜捷联系统的正北方向；3）根据十位置测斜对测斜捷联系统进行标定；本发明提供了一种适用于井下不同温度变化、测量精度高以及测量耗时短的用于一支双轴动调陀螺与三支加速度计捷联测斜装置的陀螺测斜仪标定方法。

Description

陀螺测斜仪标定方法

技术领域

本发明属于石油勘探仪器领域，涉及一种陀螺测斜仪标定方法，尤其涉及一种双轴动调陀螺与三支加速度计捷联测斜装置的标定方法。

背景技术

陀螺测斜仪主要用于测量井眼轨迹，为井眼评估提供科学依据，其核心组件是惯性测量组件，包括一个双轴动调陀螺和三个石英加速度计，设计上采用捷联式机械编排有精密定位的惯性体。

双轴动力调协陀螺是一种高精度，小体积，高可靠的陀螺仪。因其体积较小，所以动调陀螺与加速度计一起捷联组成的测斜仪已经被广泛应用于测井中。然而动调陀螺在实际测量中存在多种误差，其中主要有由误差力矩引起的零偏，热效应引起的标度因数误差，标度因数非线性引起的误差。对与陀螺这种敏感器件，加速度、震动、杂散磁场、以及温度等外界因素的变化都会导致测量误差。因此设计一套合理的测斜仪标定方法，建立一套完善的陀螺误差补偿数学模型，就可以大幅度的改善陀螺测斜仪的测量精度。

目前，标定陀螺测斜仪误差模型漂移系数的常用方法有两种：1、传统的八位置标定方法；2、二十四位置标定方法。上述的两种方法都有一些的问题：八位置标定虽然简单快捷，标定耗费时间短，但是标出的一阶零偏系数不够准确，无法满足高精度测斜设备的要求；二十四位置标定方法与传统的八位置标定方法相比，虽然模型参数标定精度上有了提高，但是由于位置过多，特是在加入陀螺温度漂移补偿时将耗费太多的时间和人力成本。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种适用于井下不同温度变化、测量精度高以及测量耗时短的用于一支双轴动调陀螺与三支加速度计捷联测斜装置的陀螺测斜仪标定方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种陀螺测斜仪标定方法，其特殊之处在于：所述陀螺测斜仪标定方法包括以下步骤：

1）将测斜捷联系统安装于三轴转台上，测斜捷联系统通过数据采集系统将数据传给与测斜捷联系统相连的计算机；所述测斜捷联系统包括一个双轴动调陀螺以及三支加速度计；所述计算机采样的测量数据保存在计算机中；所述每次由计算机采样的测量数据有六组，每组数据包括：陀螺x轴电压值，陀螺y轴电压值，x向加速度计电压值，y向加速度计电压值，z向加速度计电压值，温度传感器电压值；

2）找出测斜捷联系统的正北方向；

3）根据十位置测斜对测斜捷联系统进行标定；

所述十位置测斜中各个位置的方向表示如下：

第一位置：陀螺x轴指向南，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指地；

第二位置：陀螺x轴指向东，陀螺y轴指向南，轴向加速度计方向指地；

第三位置：陀螺x轴指向南，陀螺y轴指向东，轴向加速度计方向指天；

第四位置：陀螺x轴指向南，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指地；

第五位置：陀螺x轴指向天，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指南；

第六位置：陀螺x轴指向地，陀螺y轴指向北，轴向加速度计方向指东；

第七位置：陀螺x轴指向北，陀螺y轴指向天，轴向加速度计方向指东；

第八位置：陀螺x轴指向北，陀螺y轴指向地，轴向加速度计方向指西；

第九位置：陀螺x轴指向南，陀螺y轴指向天，轴向加速度计方向指西；

第十位置：陀螺x轴指向东，陀螺y轴指向地，轴向加速度计方向指北。

上述步骤2）的具体实现方式是：

2.1）调整三轴转台，使得井斜角与方位角为零，并将工具面角也调整到零位；

2.2）每隔一定角度旋转一次方位角，将每次由计算机采样的陀螺电压数据进行保存，并计算出每组数据的中位数；

2.3）将步骤2.2）中处理的陀螺电压数据的中位数进行高阶拟合，找出拟合后曲线上的最大值点、最小值点、与最大值点对应的方位角大小以及与最小值点对应的方位角大小；所述最大值点所对应的方位角是陀螺x敏感轴，所述方位角是陀螺x轴与正北夹角；

2.4）根据步骤2.3）中得到的方位角大小对工具面进行适应性调整，得到找到测斜捷联系统的正北方向。

上述步骤3）的具体实现方式是：

3.1）根据十位置的先后顺序，依次在三轴转台上将测斜捷联系统摆放十种姿态，并通过计算机分别采用测斜捷联系统在不同位置的数据；

3.2）将步骤3.1）所采样的测量数据经过数学处理后，带入陀螺测斜仪静态数学模型，用最小二乘法解析得出陀螺静态模型中零偏系数和与加速度成比例的漂移系数；

3.3）得出在不同位置时基于陀螺测斜仪静态数学模型所得到的零偏系数以及与加速度成比例的漂移系数参数的二维数据表，对每个参数的数据进行曲线拟合。

上述陀螺测斜仪静态数学模型G为：

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_x={\mathrm{\ω}}_x+B_{\mathrm{fx}}+a_x*B_{\mathrm{xx}}+a_y*B_{\mathrm{xy}}+a_z*B_{\mathrm{xz}}$

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_y={\mathrm{\ω}}_y+B_{\mathrm{fy}}+a_x*B_{\mathrm{yx}}+a_y*B_{\mathrm{yy}}+a_z*B_{\mathrm{yz}}$

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_x=K_x*V_x$

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_y=K_y*V_y$

式中：

——动力调谐陀螺测量的角速度测量值；

K_x、K_y——分别为陀螺x轴与y轴的标度因数；

V_x、V_y——分别为陀螺x轴与y轴的真实测量值；

ω_x、ω_y——陀螺绕其输入轴的旋转速率；

a_x、a_y、a_z——分别沿x、y、z方向的加速度；

B_fx、B_fy——对加速度不敏感的零偏系数；

B_xx、B_xy、B_xz、B_yx、B_yy、B_yz——与加速度成比例的漂移系数。

上述陀螺测斜仪标定方法还包括：

4）对外界环境进行升温，并在不同温度段下对测斜捷联系统进行标定。

上述步骤4）的具体实现方式是：

4.1）对外界环境进行升温并得出不同温度点下在不同位置时基于陀螺测斜仪静态数学模型所得到的零偏系数以及与加速度成比例的漂移系数参数的二维数据表；

4.2）对每个系数在不同温度下的数据进行曲线拟合。

本发明的优点是：

本发明在分析了二十四位置的正交性特点后，新加入了两个位置，形成一种全新的十位置标定方法，该十位置标定方法精度的高低依赖于陀螺x轴是否与正北方向完全重合，因此在进行十位置标定之前首先要找到双轴动调陀螺的敏感轴方向，即找出双轴动调陀螺x轴与正北方向的夹角，使陀螺x轴与正北方向一致。分别按照十位置调整三轴转台的姿态，保存采样后每个位置的数据值。将每个位置的均值带入陀螺测斜仪静态数学模型G中，最后通过最小二乘法的解析得到所需要的漂移系数；同时，考虑到井下复杂的温度情况，对陀螺测斜仪也进行了高温十位置标定，使仪器在不同的温度情况下都能有较高的测量精度。本发明克服了传统八位值标定法求出的模型参数精度不高的问题，同时也解决了二十四位置标定陀螺时耗时太长的问题。

附图说明

图1是本发明所提供的陀螺测斜仪捷联机构原理图；

图2是本发明所提供十位置标定的陀螺指向方位图。

具体实施方式

本发明在使用前，首先将测斜捷联系统安装于三轴转台上，测斜仪通过数据采集系统将数据传给与之相连的计算机，先找出陀螺敏感轴方向，在传统八位置的基础上新加入两个位置，构成十位置测斜方法，并在不同温度段下对其进行标定的方法。

陀螺与加速度计组成的捷联机构原理参见图1，将测斜仪安装在三轴转台上，同数据采集系统相连，并将数据采集系统连接到计算机上。通过采样，每个位置的测量数据以.txt的形式保存在计算机中。每个.txt文件内数据一共有六组，分别是：陀螺x轴电压值，陀螺y轴电压值，x向加速度计电压值，y向加速度计电压值，z向加速度计电压值，温度传感器电压值。

由于十位置标定方法精度的高低依赖于陀螺x轴是否与正北方向完全重合，因此在进行十位置标定之前首先要找到双轴动调陀螺的敏感轴方向，即找出双轴动调陀螺x轴与正北方向的夹角。通过中位数计算，曲线拟合等数学方法可以找出这一夹角，并且可以计算出陀螺敏感轴的标度因数Kx、Ky。沿陀螺轴向旋转测斜仪，使陀螺x轴与正北方向一致。此时，陀螺x轴指向正北方向，以此位置为基准进行十位置标定。

在上述工作的基础上，分别按照传统八位置，十位置调整三轴转台的姿态，保存采样后每个位置的数据值。将每个位置的均值带入陀螺测斜仪静态数学模型G中，最后通过最小二乘法的解析得到所需要的漂移系数。

在本发明中，双轴动调陀螺的敏感轴的标度因数为：

式中：

——测试地点纬度。

V_max——陀螺敏感轴测得的最大值。

V_min——陀螺敏感轴测得的最小值。

在本发明中，陀螺测斜仪静态数学模型G为：

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_x={\mathrm{\ω}}_x+B_{\mathrm{fx}}+a_x*B_{\mathrm{xx}}+a_y*B_{\mathrm{xy}}+a_z*B_{\mathrm{xz}}$

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_y={\mathrm{\ω}}_y+B_{\mathrm{fy}}+a_x*B_{\mathrm{yx}}+a_y*B_{\mathrm{yy}}+a_z*B_{\mathrm{yz}}$

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_x=K_x*V_x$

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_y=K_y*V_y$

式中：——动力调谐陀螺测量的角速度测量值；

K_x、K_y——分别为陀螺x轴与y轴的标度因数；

V_x、V_y——分别为陀螺x轴与y轴的真实测量值；

ω_x、ω_y——陀螺绕其输入轴的旋转速率；

a_x、a_y、a_z——分别沿x、y、z方向的加速度；

B_fx，B_fy——对加速度不敏感的零偏系数；

B_xx、B_xy、B_xz、B_yx、B_yy、B_yz——与加速度成比例的漂移系数；

本发明中，十位置测试是指在原有的八位置基础上增加两个位置，构成新的十位置测试方法，具体位置参见图2。

各个位置的方向表示如下：

第一位置：陀螺x轴指向南，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指地。

第二位置：陀螺x轴指向东，陀螺y轴指向南，轴向加速度计方向指地。

第三位置：陀螺x轴指向南，陀螺y轴指向东，轴向加速度计方向指天。

第四位置：陀螺x轴指向南，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指地。

第五位置：陀螺x轴指向天，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指南。

第六位置：陀螺x轴指向地，陀螺y轴指向北，轴向加速度计方向指东。

第七位置：陀螺x轴指向北，陀螺y轴指向天，轴向加速度计方向指东。

第八位置：陀螺x轴指向北，陀螺y轴指向地，轴向加速度计方向指西。

第九位置：陀螺x轴指向南，陀螺y轴指向天，轴向加速度计方向指西。

第十位置：陀螺x轴指向东，陀螺y轴指向地，轴向加速度计方向指北。

下面结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明：

双轴动调陀螺测斜仪具体标定过程如下：

步骤一：陀螺x轴与正北夹角的测量

1）调整三轴转台，使得井斜角与方位角为零，并将工具面角也调整到零位，这样利于得出陀螺x轴与正北夹角。

2）每隔10°旋转一次方位角，将每次采样数据保存成.txt文件，并求出.txt文件中每组数据的中位数，共测试36次，这样就可以得到36组数据。

3）将步骤2）中求得的陀螺电压数据进行高阶拟合，具体阶数可根据实际情况来决定。找出拟合后曲线上的最大值点和最小值点和与之对应的方位角大小。

4）最大值点对应的方位角为陀螺x敏感轴，这个方位角就是步骤1）中要求的陀螺x轴与正北夹角。

5）按照步骤4）中求出的夹角大小相应的调整工具面，此时便找到陀螺测斜仪正北方向。在此基础上可以进行十位置的标定。

步骤二：不同温度段下十位置的标定

1）按照表1的顺序，依次在三轴转台上将测斜仪摆放十种姿态，并分别记录其值。

表1中：Ω——地球自转角速度；

Φ——当地纬度；

2）将1采出的陀螺x轴与y轴与三个加速度计的数据求中位数处理后，带入陀螺测斜仪静态数学模型，用最小二乘法解析得出模型中与加速度无关的零偏系数和与加速度成比例的漂移系数。

3）温度不同陀螺的静态模型参数会发生一定的变化，为了使模型能够适应井下苛刻的高温环境，需要对陀螺测斜仪进行高温补偿。将陀螺测斜仪所处的环境温度加热到35度，按照步骤1）和步骤2）中的方法对其进行标定与计算。

4）外界环境每升高15度，都按照步骤1）和步骤2）中的方法对陀螺测斜仪进行标定与计算。考虑到目前动调陀螺高温特性，其测试温度最高设定为95度。

5）经过上述4步后，得出不同温度点下各个模型参数的二维数据表，对每个系数在不同温度下的数据进行曲线拟合。

以下以一个具体实施方式为例对本发明进行详细说明：

1、将陀螺测斜仪安装在烘箱内的三轴转台上，连接计算机与采样设备，检查设备是否工作正常。按照陀螺测斜仪具体标定过程中步骤一进行陀螺测斜仪寻北工作。

2、按照表1十位置不同姿态调整转台，保存每个姿态下陀螺x轴、y轴的值和x、y、z三个方向上的加速度计的值。

3、测试地点纬度为39°45’，测试温度25°C，根据陀螺测斜仪标定过程步骤一中的地球自转角速度分量公式，计算出十位置下的陀螺x轴、y轴方向的地球自转角速度分量值。通过最小二乘法的解析，得出陀螺静态模型中的与加速度计无关的零偏值和与加速度计成比例的漂移值。

4、按照步骤二中4.5对仪器进行高温标定，调整烘箱温度，温度每升高15°C进行一次十位置标定并对数据进行最小二乘法处理。可得出不同温度点下各个模型参数的二维数据表，如表2。划分的温度段越小，拟合出的数据就越接近真实值，但是相应的测试工作量就越大，需要各个因素权衡考虑。经过高温标定，因此当陀螺测斜仪工作在任一温度时，总能在曲线上找到对应的参数值。

表1

表2

温度	Bxx	Bxy	Byx	Byy
					35	-15.0633	-0.1472138	-0.492065	-16.25977
50	-12.6415	-0.2229552	-0.391369	-14.03922
					65	-10.8504	-0.2433	-0.838454	-11.40377
80	-7.09499	0.22825786	-1.203706	-7.866209
					95	-4.0268	0.6329	-1.482934	-4.653914

Claims (6)

1.一种陀螺测斜仪标定方法，其特征在于：所述陀螺测斜仪标定方法包括以下步骤：

1）将测斜捷联系统安装于三轴转台上，测斜捷联系统通过数据采集系统将数据传给与测斜捷联系统相连的计算机；所述测斜捷联系统包括一个双轴动调陀螺以及三支加速度计；所述计算机采样的测量数据保存在计算机中；所述每次由计算机采样的测量数据有六组，每组数据包括：陀螺x轴电压值，陀螺y轴电压值，x向加速度计电压值，y向加速度计电压值，z向加速度计电压值，温度传感器电压值；

2）找出测斜捷联系统的正北方向；

3）根据十位置测斜对测斜捷联系统进行标定；

所述十位置测斜中各个位置的方向表示如下：

第一位置：陀螺x轴指向南，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指地；

第二位置：陀螺x轴指向东，陀螺y轴指向南，轴向加速度计方向指地；

第三位置：陀螺x轴指向南，陀螺y轴指向东，轴向加速度计方向指天；

第四位置：陀螺x轴指向南，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指地；

第五位置：陀螺x轴指向天，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指南；

第六位置：陀螺x轴指向地，陀螺y轴指向北，轴向加速度计方向指东；

第七位置：陀螺x轴指向北，陀螺y轴指向天，轴向加速度计方向指东；

第八位置：陀螺x轴指向北，陀螺y轴指向地，轴向加速度计方向指西；

第九位置：陀螺x轴指向南，陀螺y轴指向天，轴向加速度计方向指西；

第十位置：陀螺x轴指向东，陀螺y轴指向地，轴向加速度计方向指北。

2.根据权利要求1所述的陀螺测斜仪标定方法，其特征在于：所述步骤2）的具体实现方式是：

2.1）调整三轴转台，使得井斜角与方位角为零，并将工具面角也调整到零位；

2.2）每隔一定角度旋转一次方位角，将每次由计算机采样的陀螺电压数据进行保存，并计算出每组数据的中位数；

2.3）将步骤2.2）中处理的陀螺电压数据的中位数进行高阶拟合，找出拟合后曲线上的最大值点、最小值点、与最大值点对应的方位角大小以及与最小值点对应的方位角大小；所述最大值点所对应的方位角是陀螺x敏感轴，所述方位角是陀螺x轴与正北夹角；

2.4）根据步骤2.3）中得到的方位角大小对工具面进行适应性调整，得到找到测斜捷联系统的正北方向。

3.根据权利要求2所述的陀螺测斜仪标定方法，其特征在于：所述步骤3）的具体实现方式是：

3.1）根据十位置的先后顺序，依次在三轴转台上将测斜捷联系统摆放十种姿态，并通过计算机分别采用测斜捷联系统在不同位置的数据；

3.2）将步骤3.1）所采样的测量数据经过数学处理后，带入陀螺测斜仪静态数学模型，用最小二乘法解析得出陀螺静态模型中零偏系数和与加速度成比例的漂移系数；

3.3）得出在不同位置时基于陀螺测斜仪静态数学模型所得到的零偏系数以及与加速度成比例的漂移系数参数的二维数据表，对每个参数的数据进行曲线拟合。

4.根据权利要求3所述的陀螺测斜仪标定方法，其特征在于：所述陀螺测斜仪静态数学模型G为：

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_x={\mathrm{\ω}}_x+B_{\mathrm{fx}}+a_x*B_{\mathrm{xx}}+a_y*B_{\mathrm{xy}}+a_z*B_{\mathrm{xz}}$

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_y={\mathrm{\ω}}_y+B_{\mathrm{fy}}+a_x*B_{\mathrm{yx}}+a_y*B_{\mathrm{yy}}+a_z*B_{\mathrm{yz}}$

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_x=K_x*V_x$

${\widetilde{\mathrm{\ω}}}_y=K_y*V_y$

式中：

——动力调谐陀螺测量的角速度测量值；

K_x、K_y——分别为陀螺x轴与y轴的标度因数；

V_x、V_y——分别为陀螺x轴与y轴的真实测量值；

ω_x、ω_y——陀螺绕其输入轴的旋转速率；

a_x、a_y、a_z——分别沿x、y、z方向的加速度；

B_fx、B_fy——对加速度不敏感的零偏系数；

B_xx、B_xy、B_xz、B_yx、B_yy、B_yz——与加速度成比例的漂移系数。

5.根据权利要求4所述的陀螺测斜仪标定方法，其特征在于：所述陀螺测斜仪标定方法还包括：

4）对外界环境进行升温，并在不同温度段下对测斜捷联系统进行标定。

6.根据权利要求5所述的陀螺测斜仪标定方法，其特征在于：所述步骤4）的具体实现方式是：

4.1）对外界环境进行升温并得出不同温度点下在不同位置时基于陀螺测斜仪静态数学模型所得到的零偏系数以及与加速度成比例的漂移系数参数的二维数据表；

4.2）对每个系数在不同温度下的数据进行曲线拟合。

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