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光纖陀螺測斜儀與其它陀螺測斜儀的比較

 一、簡介

陀螺測斜儀是一種不依賴地球磁場確定鉆孔方位的測斜儀器。由于不需要靠地球磁場來 確定方位,這使得陀螺測斜儀有更廣的應用范圍。比如陀螺測斜儀可以用在強磁性礦區和在 鉆桿中、套管中、鉆具中使用。陀螺測斜儀按測量方位的方式大致可分為兩類,一類是采用 相對方位測量方法。其原理是利用陀螺元件可以敏感和記錄角速率的特性,在進行鉆孔測量 前,先在地面對準一個起始方位位置,并記錄陀螺元件的初始輸出值。當把儀器下到鉆孔的 過程中,儀器會隨鉆孔的軌跡發生自轉和公轉。這些轉動角速率都會引起陀螺元件的輸出變 化,積分記錄這些變化量并和初始值進行對比,就可以確定鉆孔軌跡的空間轉向,即鉆孔的 方位變化。這類儀器最早是使用三度平衡框架轉子式陀螺元件。高速旋轉的轉子總是趨于保 持在一個空間方向上旋轉,比如指向水平面上的正北。理想情況下,儀器的自轉和公轉不會 引起陀螺轉子軸向改變,而儀器相對陀螺轉子轉過的角度就會被連續地記錄,結果就可以計 算出鉆孔的方位信息。顯然,除了用框架式陀螺儀元件外,還可以用其它測量角速率的陀螺 元件來得到儀器自轉和公轉的角度,只要對陀螺輸出的角速率量積分,就得到儀器轉過的角 度。測量角速率的陀螺元件種類很多,但因為受到體積、溫度、震動等因素限制,能用到測 斜儀中的卻并不多。影響因素還包括產品精度不高、有噪聲和漂移。普通框架式陀螺和其它 陀螺元件一樣,在使用中會產生輸出漂移和噪聲,對陀螺輸出的角速率量積分過程同時就會 把漂移和噪聲一同積分進去,漂移和噪聲積分的結果將帶來方位測量誤差,并且誤差會隨積 分時間增大。這是這類陀螺測斜儀最大的缺點。另一類采用自尋北方式工作測量方位,用高 靈敏角速率陀螺,直接測量地球自轉角速率矢量及地球自轉角速率矢量在儀器各坐標軸上的 分量,通過復雜的矢量投影計算,就可以得到儀器指向(鉆孔方位)的角速率分量大小,再 和地球自轉角速率矢量相比就知道鉆孔的方位。從測量原理上看,這類陀螺測斜儀有很大優 勢,它是對地球自轉角速率直接測量并計算鉆孔的方位,這個方位就是真北方位。測量是在 各測點獨立進行,測量結果沒有累計誤差。所以有測量準確、使用方便、可靠性高等特點。 自尋北方式要求陀螺元件的靈敏度很高,要能敏感到地球自轉角速率(15.042°/H)及其分 量值。

 

二、陀螺儀介紹

 

陀螺儀元件作為一種角速率敏感器件有很多種。能觀測到的陀螺效應非常多(估計有幾 百種),由于受到各種因素限制,能制成的陀螺儀元件并沒有那么多種。能用于測斜儀的陀 螺儀元件就更少。采用不同的陀螺儀元件制成的陀螺測斜儀性能差別很大,這可以從現代陀 螺儀元件的性能分析看出。

 

   現代陀螺儀是航空、航海、航天和國防工業中廣泛使用的一種慣性器件。它 

一個國家的工業、國防和其它高科技的發展具有十分重要的戰略意義。早期的慣性陀螺儀主要 是指機械式陀螺儀,比如框架式陀螺儀。機械式陀螺儀對工藝結構的要求很高,結構復雜, 它的精度受到了很多方面的制約。其中機械陀螺儀的漂移是影響精度的最大因數。后來高精 度機械式陀螺儀漂移和靈敏度指標提高了很多,框架式支撐陀螺儀改進為靜電、氣浮、液浮 等類型陀螺儀,其中靜電陀螺儀的漂移率可以達到 0.001°/H,甚至更高,能夠滿足慣導級 的精度要求。但是無論是早期的滾珠軸承框架式陀螺儀,還是后來發展起來的液浮陀螺儀、 撓性陀螺儀和靜電陀螺儀,這些機械陀螺都有一個共同的特點,就是采用高速轉子。高速轉 子容易產生質量不平衡問題,容易受到載體加速度的影響,使用前需要一段預熱時間,轉速 才能達到穩定。高速轉子的磨損較快令其使用壽命有限。機械陀螺全都存在體積大,結構復 雜,可靠性低,帶寬和動態范圍窄等問題。

 

自從上個世紀七十年代以來,陀螺儀的發展己經進入了一個全新的階段。1976 年提出了 光纖陀螺儀的基本設想以后,光纖陀螺儀就得到了非常迅速的發展,同時激光諧振陀螺儀也 有了很大的發展。由于光纖陀螺儀具有結構緊湊,靈敏度高,工作可靠等優點,所以目前光 纖陀螺儀在很多的領域已經在取代了一些機械式陀螺儀,成為現代導航儀器中的關鍵部件。 和光纖陀螺儀同時發展的有環式激光陀螺儀、集成式振動陀螺儀等。集成式振動陀螺儀具有 高的集成度、體積小,是現代陀螺儀的一個重要的發展方向。

 

壓電振動陀螺儀有振弦、音叉、音片、H 型、方框型、MF 型、圓環型、杯型、圓管型、 圓片型等結構形式。振動陀螺儀的一大特點是體積小、結構簡單、可靠性高。一些復雜的機 械陀螺儀有多達 300 個零件,激光陀螺和光纖陀螺也至少有十幾個零件,而壓電振動陀螺只 有幾個工作部件:振梁和換能器。它既無機械陀螺的轉動部件,又無光纖陀螺和激光陀螺由 于光藕合帶來的許多麻煩,從而大大提高了可靠性,它還具有許多優良特性。啟動時間很短 (<15 )、角速率測量范圍寬、具有耐沖擊振動等惡劣環境的能力。壓電振動陀螺的缺點是 精度較低,主要應用于小型飛機的姿態控制、汽車的安全導航、艦船穩定控制等方面。

 

硅微機械陀螺存在諸多問題,精度不很高、穩定性差,但可靠性高,目前僅在一些低精 度場合應用。高精度場合它的應用還處于初始階段。隨著技術的發展和需求的導引,其前景 卻十分廣闊。尤其是它可以批量生產,其價格低廉(在美國市場上有的硅微陀螺儀價格低到 50 美元左右),具有很大的競爭優勢。

 

光纖陀螺儀是一種全固態的光學陀螺儀,它的主要優點在于:①無運動部件,器件牢固 穩定、耐沖擊、對加載體加速度不敏感。②結構簡單,零部件少,價格中等。③啟動時間短 (原理上可瞬間啟動)。④檢測靈敏度和分辨率極高(可達 10rad/s)。⑤可直接用數字輸出與計 算機聯接。⑥動態范圍極寬(約為 2000°/s)。⑦壽命長,信號穩定可靠。⑧易于采用集成光 路技術。⑨克服了因激光陀螺閉鎖現象帶來的負效應。⑩可與環形激光陀螺一起組成捷聯式 慣性系統。光纖陀螺與其它陀螺相比有著非常大的優勢。

三、對比

種類液浮陀螺儀動力調諧陀靜電陀螺儀環形激光陀光纖陀螺儀
價格
可靠性普通普通普通
耐環境性普通
動態誤差
尺寸
對數字系統的適應性
啟動普通
超精組裝室要求高普通要求高要求高普通

 

    從自尋北測量原理上看,幾種陀螺元件都能用到測斜儀里,但受到體積和應用環境限制, 目前容易實現的產品有動力調諧陀螺、和光纖陀螺。從光纖陀螺儀與其它陀螺相比的優劣可 以看出,采用光纖陀螺制造測斜儀具有非常大的優勢。

 

 四、公司產品

 

光纖陀螺連續測斜儀

 

產品特性:


● 自動尋北,無需地面校準


● 連續測斜


● 高速測量 200m/min


● 有線和存儲模式


● 高可靠,高穩定,高精度


● 操作簡易

 

產品參數:

產品參數
井斜 0°~90° ±0.1°
方位 0°~360° ±1.0° (1σ,3°<INC<60°,Lat<60°)
工具面 0°~360° ±0.5°
尋北時間 60S
工作模式連續、點測
測量速度 200 m/min (656 ft/min)
存儲點數 3,000 shots in multishot
電池壽命 Up to 20 hours
工作溫度 0° C to +75° C (32° F to +167° F)
耐壓 50MPa(7,250psi)
直徑 38mm(1.49”)
長度 970mm(38.2”)
重量 10kg
地面主機參數
輸入電壓 90 V AC to 240 V AC, 50 to 60 Hz
輸出電壓 72 V DC 200mA
電纜參數 Max. 300 Ω
井深系統 High accuracy continuous depth measurement system
尺寸 165 mm x 220 mm x 85 mm
重量 5kg



 

 

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