双轴倾角传感器在钻井工具姿态检测中的应用
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摘要：通过对倾角传感器工作原理的分析及钻井工具工作装置运动的研究，阐述了怎样利用双轴倾角传感器完成对钻井工具工作装置的姿态定位问题，为实现对钻井工具的智能化操作提供了前提条件。
关键词：钻井工具倾角传感器工作姿态检测
Abstract On the bases of analysing of the working principle of inclinometer and research of the motion of the working unit of Drilling tool，this article presented a way of how to measure the gesture and position of Drilling tool’s working unit using the dual-axis inclinometer，which provide the premise conditions to realize the intelligence opration of drilling tool．
Key words Drilling tool inclinometer working gesture measurement
中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：
0、引言
钻井施工中地下钻具的工作状态信息是由地下发射探头测量并发送到地面接收装置的。地下发射探头主要完成井斜角、相对工具面角、温度、电量及压力等参数的测量，并将测得的数据进行处理、发送到地面接收器。本文从钻井工具测量参数出发，对井斜角、相对工具面角进行研究，并结合钻井工具的测量特点，提出了设计方案。
1、倾角传感器测量原理及数据传输
在本设计中，倾角测量采用VTI公司的SCA100T芯片来完成。SCA100T是芬兰VTI公司生产的一款低成本、低功耗、功能完善的双轴倾角传感器，其重量轻，测量范围为1g。SCA100T双轴倾角传感器的量程为90°，其内置温度传感器，长期稳定性能指标优于0.02°[1]。倾角传感器是通过测量重力加速度在其敏感轴上的分量大小，并利用三角函数（）计算出倾角值。即通过测量重力加速度在两个敏感轴（X轴、Y轴）上分量的大小，分别得到X、Y轴与水平方向的夹角。传感器的输出与角度输入之间一一对应，成正弦关系[2]，如图1所示。
SCA100T型倾角传感器混合电路安装在旋钻机中，当其位于不同位置时，传感器的2个敏感轴会根据角度的变化而输出相应的模拟量，这两路模拟信号通过A/D转换位数字信号后，进入单片机（STM32F103）进行数据处理计算，处理过后得到实际的角度值，通过CAN总线输出至上位机[3]。其测量系统原理如图2所示。
2、传感器的安装与测量方法
钻井工具结构如图3所示，在此工具的轴套上有3个互为120°夹角的翼肋，控制其钻井方向，并在翼肋的正后方安装标定好的倾角传感器。传感器的Y轴沿着钻杆轴线背向钻头前进方向，X轴位于探头横截平面内指向左方。此处引入两个角度概念：井斜角和相对工具面角。
井斜角 — 钻孔当前点的切线与水平面之间的夹角，它反映了钻具前进方向相对于水平面的倾斜程度。
相对工具面角 — 钻杆的造斜方向与某一参考方向（此处为12点钟方向）间的夹角，它反映了下一步钻井的造斜方向。通常采用时钟盘面上的刻度来表示，指针指向的位置即为传感器的位置，如12点钟方向为向上，相对工具面角为0，6点钟方向表示向下，相对工具面角为180°，以顺时针方向为正。
设某一时刻井斜角，相对工具面角，X与水平面的夹角。由传感器安装位置可得井斜角即Y轴与水平面的夹角，并可以得到重力加速度在X,Y轴上的分量：
又因为，所以，得到相对工具面角为：。
因为SCA100T双轴倾角传感器的量程为90°，且相对工具面角的范围是0–360°，故只需两个双轴倾角传感器即可。如图4所示，将两个传感器分别安装于A和C的位置，其中A为主倾角传感器，C为副倾角传感器，即用C来确定A的具置。上图5为钻具的井斜角显示图。
3、姿态检测的程序设计
#include
#include
void main()
{
/* mv[0],mv[1]分别为传感器A的X、Y轴与水平面的夹角值，sv[0],sv[1]分别为传感器C的X、Y轴与水平面的夹角值 */
floatmv[0],mv[1],sv[0],sv[1];
mv[0] = sin(mv[0]*3.141592/180)/cos(mv[1]*3.141592/180);
if(mv[0] >= -1 && mv[0]
{
mv[0] = asin(mv[0]);
mv[0] = mv[0]*180/3.141592;
}
else
{
if(mv[0] < -1)
mv[0] = -90;
else
mv[0] = 90;
}
sv[0] = sin(sv[0]*3.141592/180)/cos(sv[1]*3.141592/180);
if(sv[0] >= -1 && sv[0]
{
sv[0] = asin(sv[0]);
sv[0] = sv[0]*180/3.141592;
}
else
{
if(sv[0] < -1)
sv[0] = -90;
else
sv[0] = 90;
}
// 利用C的位置判断A的具置，即求A的工具面角
if(mv[0]
{
if(sv[0] >= 30)
mv[0] = -mv[0];
else
mv[0] = 180+mv[0];
}
else
{
if(sv[0]
mv[0]=180+mv[0];
else
mv[0]=360-mv[0];
}
// 钻具的井斜角
mv[1] = (mv[1] + sv[1])/2;
sprintf(str,"井斜角θ:%2.2f;工具面角β:%2.2f\n",mv[1],mv[0]);
usart3sendstr(str);
}
4、总结
基于TMCS核心控制系统，利用双轴倾角传感器对钻具的姿态进行检测，充分体现了高实时性、高精度及高可靠性，基本满足了设计的需要。由于传感器的生产误差、标定误差以及安装误差，导致在实时测量中有稍微的偏差，但此偏差对于测量的影响可以忽略，符合钻井工具用倾角传感器测量标准，所以具有很好的使用价值
参考文献：
[1] 芬兰VTI Technologies公司SCA100T系列双轴倾角计[EB/OL].(2004-01-20) [2007-01-04].cn/magazine/detailb.asp?nid=513.
[2] 陈欠根.液压挖掘机工作装置姿态检测[J]，工矿自动化，2005.10（5）: 5-6.
[3] 王健.旋挖钻机用CANBUS双轴倾角传感器的研究[J]，1006-883x（2009）12-0025-04.