陀螺測斜儀技術陀螺測斜儀的國內外應用早期國內應用的框架式陀螺測量儀表,一定程度上解決了在套管內側斜問題。80年代后期，采用一個二自由度撓性陀螺和二個石英撓性加速度陀螺盤構成的測量系統(tǒng)在定向井開發(fā)中得到廣泛應用。在測點上停留時間長，效率低等缺點。90年代，國外研發(fā)了高精度、連續(xù)測量系統(tǒng)。系統(tǒng)在框架上安裝三個加速度表和兩個動力調諧陀螺，利用計算機快速求解姿態(tài)矩陣，以得到油井數據的姿態(tài)參考系統(tǒng)，如keeper。英國Ferranti公司開發(fā)了平臺式慣性導航陀螺系統(tǒng)，但因體積較大，只限應用在直徑大于10英寸套管井中。陀螺測斜儀的組成結構探頭殼體內安裝旋轉框架（下簡稱“框架”）框架上安裝三只石英撓性加速度表和一只撓性陀螺儀。框架旋轉軸和探頭殼體縱軸對準。框架在轉動機構驅動下可繞旋轉軸在0-180°范圍內旋轉。定位裝置保證框架旋轉到0°和180°二個位置上鎖緊定位。三只石英撓性加速度表敏感軸（輸入軸）組成的正交坐標系O-XaYaZa同探頭坐標O-XYZ對準。撓性陀螺敏感軸Xg,Yg分別同探頭坐標系X,Y軸對準，轉子軸Zg同探頭縱軸Z對準。石英撓性加速度表和撓性陀螺儀的輸出信息經電纜傳送到地面計算機用以計算機井眼的方位角、傾斜角和工具面角。并利用纜繩長度計算油井的地理坐標。電路板上裝有加速度表，陀螺儀的力矩反饋電路和數據采集電路。利用儀器上裝置的慣性儀表（陀螺儀和加速度表）測量測點的地球自轉角度速度和重力加速度分量，計算出測點井斜及方位角，同時給出測點的地理位置坐標。陀螺測斜儀的主要功能

陀螺測斜儀測角原理及算法

參考坐標系地理坐標系O-NED：O為測點，N為地理北向，E為地理東向，D為地垂線方向。簡記為[N]系。探頭坐標系O-XYZ：簡記為[b]系。與探頭殼體固聯(lián)之正交坐標系，Z為探頭縱軸，X，Y由殼體的定位凸塊定義。姿態(tài)角定義方位角A：探頭縱軸Z在水平面NOE上的投影與北向N的夾角；傾斜角I：探頭縱軸Z與地垂線D的夾角;工具面角T:探頭繞縱軸Z的轉角。探頭姿態(tài)角算法

在測量過程中，探頭坐標系O-XYZ和地理坐標O-NED的幾何關系如下圖所示，其方向余弦矩陣為：(1)由（1）式個元素的表達式可知井眼坐標計算設測點Pk的方位角和傾斜角的測量值為AK，IK前一測點PK-1的方位角、傾斜角測量值為AK-1則根據最小曲率法可計算出測點PK的坐標增量ΔNK，ΔEK，ΔDK撓性速率陀螺儀撓性陀螺儀概念任何旋轉的物體都有保持其旋轉軸在空間指向不變的特性，稱為陀螺現象。物體繞旋轉軸轉動的角速度（ω），同它的轉動慣量（J）的乘積，稱為動量矩（H）.動量矩是表征旋轉物體旋轉軸在空間指向保持不變能力的的尺度。H=Jω人類利用這種自然現象制造了指示方向的儀器-陀螺儀。

具有高速旋轉的轉子和二個框架組成框架陀螺儀稱為自由陀螺，其基本功能是指示載體運動角度和方位。框架式陀螺儀的原理模型陀螺現象撓性陀螺儀的基本特性定軸性：當陀螺轉子高速旋轉，具有較大動量矩H時，如果轉子不復外力矩的作用，轉子軸相對慣性空間不變。進動性：外力矩沿內框軸作用，轉子軸繞外框軸轉動。若外力矩沿外框軸的作用，轉子軸則繞內框軸轉動。章動性：當轉子受到沖擊力矩作用時，轉子軸則繞其方向作較高頻率的圓錐形擺動，稱為章動運動。擺動角速度ωn=H/JeJe：轉子赤道方向轉動變量

撓性陀螺儀的功能撓性陀螺儀的功能測量載體相對慣性空間的運動角速度。撓性陀螺基本結構

為了提高陀螺儀的精度可靠性，科學技術，發(fā)明了各式各樣陀螺儀。其中由于撓性陀螺體積小，性能可靠、精度較高具價格適中，在油井測量中得到了廣泛的應用。其基本結構見下圖：

撓性陀螺結構特點

它有一個結構特殊的“撓性接頭”。高速轉動的轉子同驅動電機軸不是剛性連接，而是通過“撓性接頭”連接。撓性接頭代替了框架，用來支撐轉子。由于載體角運動便撓性接頭變形，撓性接頭將產生正彈性力矩，同時由于接頭部件的旋轉、擺動同時將產生方向相反的負彈性力矩。如果儀表設計、調正確，使正彈性力矩和負彈性力矩大子相等，方向相反，則軸作用在轉子上的約束力矩為零，即達到了“動力調諧”。這時，轉子稱為無約束的自由轉子。轉子不復基座運動約束而保持軸性。而能測量載體的角運動，指示方位。撓性陀螺主要組成部件殼體驅動電機撓性接頭陀螺轉子力矩器角傳感器撓性陀螺撓性陀螺力反饋電路

撓性陀螺使用時存在的問題

雖然當撓性陀螺達到“動力調諧”時轉子不復約束成為自由轉子，可以測量載體的角運動，但是當載體運動角度大，使撓性陀螺電機軸同轉子軸線偏離較大時，撓性接頭過大的撓性變形，很可能使接頭材料斷裂致使陀螺損壞。撓性陀螺力矩反饋控制電路實際應用中，撓性陀螺必須同伺服控制電路一起構成閉路系統(tǒng)稱該伺服控制電路為力矩反饋控制回路。力矩反饋控制回路結構如下圖：力矩反饋控制回路工作過程：

載體轉動某一小角度Δα（角增量）轉子偏離其零位角傳感器輸出電壓信號Uα

Uα經放大、濾波、校正產生相應控制電流Iα

Iα送入陀螺力矩器產生反饋力矩MC

MC作用于轉子使轉子進動回到零位Iα同角增量Δx成比例，對Ic采樣、積分，即可得到載體角運動信息。陀螺電源電路框圖

三相交流馬達電源由三相交流信號發(fā)生器和功率驅動電源組成，由交流信號發(fā)生器產生相位相差120度的三相交流信號，經過功率放大至驅動器，用于驅動陀螺轉子以12000rpm的轉速恒速旋轉。

陀螺電源

為了獲得較高的測量精度，必須保證交流信號的頻率穩(wěn)定性、幅值穩(wěn)定性、相位穩(wěn)定性均達到較高的水平。在陀螺測斜儀探管中，像力反饋電路一樣，該電路已經集成為一塊厚模電路，使用中只需正確接線即可。其主要技術參數如下：輸入電壓±15V輸出電壓19V輸出功率≥3W頻率510Hz相位差1200

信號器是陀螺測量的基準電源，供給陀螺傳感器，同時也是力反饋電路的解調基準源。陀螺測斜儀對信號源的要求：正弦波失真小，頻率穩(wěn)定，輸出電壓穩(wěn)定。其原理框圖如圖：輸入電壓±15V輸出交流電壓7V輸出頻率16KHz輸出功率1W陀螺信號器

加速度表基本工作原理

典型的擺式加速度表結構原理如下圖：工作原理當沿x軸有加速度ax有慣性力：F=max作用在偏心質量m上F相對輸出軸y產生力矩MaMa=lmaxMa使輸出軸y轉動，同時并輸出軸連接的彈簧，產生彈性力矩Mc使定彈性并輸出軸轉角θ成比例，c為比例系數，Mc=cθ力矩平衡時，轉軸停止轉動，此時Ma=Mc，由此可知：Cθ=lmaxθ=lm/cax=kaxk=lm/c-比例系數由上式可知，輸出軸轉角θ，可作為輸入加速度ax的度量。

石英撓性加速度表功能測量載體相對慣性空間的線加速度石英加速度表原理結構及主要部件石英撓性加速度表結構特點

石英撓性加速度表是擺動加速度表，偏心質量為石英晶體偏心質量不是通過轉軸和軸承安裝在殼體上撓性支撐是經過特加工的石英晶體同撓性陀螺一樣，須力反饋電子線路構成閉路系統(tǒng)

石英撓性加速度表體積小、重量輕、精度高、廣泛應用于航天、航空武器系統(tǒng)和民用領域。

地面主機地面主機由電源部分、井下信號接線解調部分、計算機接線部分、測量控制與顯示部分等組成。電源部分為陀螺測斜儀系統(tǒng)各部分提供所需的電源。主要包括：多路穩(wěn)定電源為地面儀器提供±5V，±15V穩(wěn)壓電源，供接收、解調、接口、單片機部分供電以及輸出顯示部分供電；恒流源為井下儀器探管部分提供穩(wěn)定電流，其輸出電壓跟蹤范圍為0～85V，保證滿足一般測井電纜為井下儀器供電的要求。對于小陀螺恒流電源輸出調整在165mA。

信號接收部分將由井下儀器通過電纜傳遞上來的信號分離出來，放大整形后，還原到探管發(fā)送的狀態(tài)，然后送到解調部分，將調制信號恢復為時鐘和數據信號，以串行方式輸出到接口電路。

接口電路完成三項功能，一是將串行信號變成并行信號，并放在數據總線上，以供計算和讀取；二是在計算機與主機之間傳遞控制信號；三是向外部終端（工具面指示器）發(fā)送信號。測量控制與顯示部分有：探管工作狀態(tài)監(jiān)測部分表現為主機給井下供電的電流/電壓變化；啟動/運行/控制部分，完成陀螺的啟動、運行和停止運行操作，工作方式和控制部分，完成顯示方式控制，隨鉆/陀螺工作方式控制。井下儀器探管井下儀器探管的原理框圖

由陀螺儀、加速度計、溫度傳感器、多路模擬/數字轉換、并串變換調制器、驅動器和井下二次電源等部分組成。溫