毕业论文开题报告-测斜仪系统设计.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：计算机与控制工程学院专 业：电气工程及其自动化设计题目：测斜仪系统设计指导教师:2015年 4 月 2 日 毕 业 设 计 开 题 报 告1 选题依据：文 献 综 述1.1 课题研究的背景及意义 在当今的国际竞争中，能源一直都是各个大国竞相争取的核心，尤其是对石油能源的竞争，早已经超出了单纯的商业范畴，俨然变成了国与国之间经济、政治甚至军事斗争的源头。而由于石油本身的不可再生以及不可替代性，它注定将在很长一段时间里作为重要能源在国际舞台上扮演不可替代的角色1。而我国作为发展中国家，对石油的消费需求与日俱增，从上世纪 90 年代起，我国石油的日均缺口就一直保持着两位数的年增长速率，这也大大加剧了对石油进口的依赖。因此石油已经成为了世界经济发展的重要战略资源，受到世界各国密切关注2。 近年来，随着石油开采的逐渐深入，大量优质的易开采的油田消失殆尽，越来越多的石油储备转向隐性的，石油勘探的环境日渐恶劣，勘察开采的难度逐渐加大，越来越需要依靠精密的测量仪器，测斜仪正是这当中不可或缺的一种3。 测斜仪的应用十分广泛，不仅是石油勘探，在地质监察中也有很大用处4。例如检测工程侧向运动、监测钻孔偏差等。作为工程监测仪器，测斜仪的精度、速度以及对外界环境的抗干扰性是确保工程顺利进行的前提和基础。尤其在石油勘探过程中，油井井眼的轨迹至关重要，井眼是否能够准确按照预定的轨迹前进，决定了该井最终是否能到达到目的层，是否能够出油。对新油井的勘探以及老油井的二次开发，都需要测量油井的井斜角、方位角等参数，以此来确定实际的井眼轨迹，从而判断是否有油5。 目前市场上存在着许多种类的测斜仪，但是提高测斜仪器的速率和准确性一直以来都是技术研究的重点。近些年来科学技术不断的发展进步，自动控制、通信以及计算机等技术已经被广泛的应用于测斜系统中。本文设计的基于单片机的连续测斜仪系统就是以单片机为控制器件，控制对传感器进行数据采集，通过DSP对采集数据进行计算6，最后在计算机上进行显示和操作，用户可以通过计算机的操作界面简单方便的进行监测和使用，同时计算机能够储存每次测量的数据，用于以后的分析。这样既提高了工作效率，又能够实时监测分析数据，及时发现问题，避免了资源的浪费。 1.2 国内外测斜仪技术的发展及趋势 测斜仪器的应用和发展已经有70多年的历史了，大致可以分为三个阶段。一是虹吸测斜技术，这种技术操作复杂，测量速度慢，基本已经淘汰；二是照相测斜技术，国外使用较多的是单点、多点照相仪，这种测斜仪最大的缺点就是读数据十分困难，大多也已经淘汰；三是电子测斜技术，随着新材料、新技术迅猛发展，尤其是微电子、传感器以及集成电路的不断革新，同时各种钻孔工程对轨迹精度要求越来越高，带来了测斜技术的飞速发展，目前大多数先进国家使用加速度计和磁通门研制成的测斜仪器，应用十分广泛7-8。同时，在惯性导航系统中，使用了加速度计和陀螺仪的设计，实现了高精度的测量和控制9。后来国外科研机构把捷联惯导导航定位技术引用到测斜仪系统，成功研制了基于陀螺仪的测斜仪。而随着陀螺仪技术的不断进步，陀螺测斜仪也在逐渐更新。例如早期的框架式陀螺测斜仪，后来的悬浮陀螺测斜仪以及双轴速率陀螺测斜仪等。现阶段由于光纤陀螺的高可靠性、高耐冲击性以及低功耗等特点，基于光纤陀螺测斜仪的研究正在进行10-11。陀螺测斜仪产品技术先进，在抗干扰性和测量精度上都是理想的精密仪器，但是其成本过高，不能满足一般的工程要求。测斜仪器由于在井下工作，数据传输需要经过电缆，而这就会对仪器的运行带来影响。为了消除这种干扰，美国和瑞典等国研制了存储器式的钻孔测斜仪。它的工作原理是先进行测量，把传感器采集到的各组数据先储存在存储器之中，过后再把数据传输到计算机，计算机通过处理数据显示结果。瑞典的 RE-FLEX EMS 多点电子测量棒12是这一技术的典型代表。总体来说国外的测斜技术发展较快，很多新型的测斜仪器不断涌现。便携化、更高的精度要求、更强的抗干扰性以及数据无线传输等都是未来测斜仪技术发展的方向。国内对测斜仪技术的研究开发较晚。直到 80 年代中后期，我国大部分油田依旧采用罗盘式照相单、多点测斜仪钻井，这种测斜仪器使用过程中存在着很多问题，通常应用在一些易于开采的油井13。1986 年地质矿产部华东石油地质局基于偏心摆机构测量井斜的方法，设计了自调式机械式测斜仪，可是仪器的机械结构过于复杂，最终未能用于工程实际。上世纪 90 年代初期，由于对石油钻井测斜装置要求的不断提高，开始大量引进国外先进测斜仪，通过对国外先进仪器的分析，结合我国自身的勘测特点，成功研制出了自浮单点照像测斜仪、普通单点照像测斜仪、电子单多点照像测斜仪等14，极大的促进了我国测斜技术的发展。但是这种电子单点测斜仪使用时精度低，可靠性差，功耗大，故障较多15。国内对陀螺测斜仪技术的开发研究基本分为引进、分析、创新三个阶段。早期中原油田引进了 SRG 陀螺测斜仪，后来胜利油田引进了动力调谐式陀螺测斜仪。在使用这些仪器的同时，国内的研究机构，对陀螺测斜仪进行了研究分析，消化吸收了这些技术，在此基础上制造了国产化的陀螺测斜仪。其中，重庆邮电大学对基于压电陀螺的测斜仪进行了研究；西北工业大学对基于挠性支承陀螺的测斜仪进行了研究；上海昌吉地质仪器有限公司研制了 JTL250D 框架陀螺测斜仪和 JTL250F 光纤陀螺测斜仪；中国空空导弹研究院和北京航天航空大学都进行了基于光纤陀螺的测斜仪系统的开发16。 基于各种陀螺仪的测斜仪器总体上测量精度高，抗干扰性强，但是它的研发以及后期维护成本偏高，不太适用于规模使用。 在对陀螺测斜仪不断开发的同时，传感器技术和集成电路技术的革新使得采用加速度计和磁通门的连续测斜仪器再一次得到广泛的研究开发。目前工程使用的测斜仪器对精度有一定的要求，一般井斜角误差0.2，方位角误差2。本文设计的系统是基于测斜仪器技术现状，采用单片机作为了控制芯片，同时以 DSP 进行辅助的参数计算，采用新型的高精度抗干扰传感器来检测参数，进行硬件电路的设计，在硬件的基础上进行了软件编程实现功能，设计了基于单片机的连续测斜仪系统。测斜仪在今后的发展过程中，必然会朝着测量精度更高、测量参数更全面、传输速度更快，性价比更好等方面进步。随着陀螺仪技术的发展，新型陀螺将在测斜仪技术中得到更广泛的应用，同时传感器的发展将更加趋于智能和精确，基于单片机和传感器的简单实用的测斜仪器很长一段时间里在实际的工程使用中依然是应用的重点。将来的仪器也将更趋小型化，智能化，同时能够连接互联网，进行更广泛的数据分析。 1.3 本文的主要内容 （1） 前期查阅了许多测斜仪器的资料，分析了国内外对测斜仪器开发研究的状况以及以后的发展方向，阐述了本文设计的基于单片机的连续测斜仪系统的意义。（2） 对系统的整体进行了设计，确立了以单片机为核心控制器件的测量系统，分析了测斜技术的基本原理和数学模型，给出整个系统设计的总体结构。（3） 对单片机和传感器进行了深入研究，系统硬件电路进行分模块化设计。分别对系统的上位机和下位机进行了软件设计，主要包扩单片机控制程序、计算机显示储存程序。（4） 焊接调试了系统的硬件电路，介绍了上位机程序操作方法。对系统进行了实验测试，得出了测试结果。参考文献1 刘杰中国石油资源现状EB/OL/p-191169335.html，2011-2-162 Robert，SnyderDrilling advancesJWorld Oi l， 2004， （2） 3 林峰等.国际油价变动趋势与我国石油需求的探析J 宏观经济管理，2008，4： 31-32 4 陈文渊随钻测量系统信号测量的关键技术研究D重庆：重庆大学，20115 王继华、彭振斌、杜长学等浅析测斜仪监测原理和应用J勘察科学技术，2005，2：55-57 6 廖晨宇陀螺测斜仪研究与应用发展J辽宁化工，2013，9：1150-1152 7 吴雄英、秦开宇、谢兴红DSP 于单片机之间串行通信的设计与实现J计算机工程与科学，2009， （31） ，5：32-1338 王骏连续测斜仪在石油测井领域的应用及发展J舰船科学技术，2003，6，25，(3)：47-49 9 谢子殿、朱秀基于磁通门与重力加速度传感器的钻井测斜仪J传感器技术，2004，23，7：30-32 10 Swain R.E.JTwo degree of freedom gyroscope with frictionless inner and outer gimbalspick-offs. International Conference on the Mechanical Technology of InertialDevices1987：9-16 11 Travis Garza，James WimbergGyro Guidance Techniques and TelemetryMethods Prove Economical in Onshore Multi-Well Pad DrillingOperations in the Piceance BasinCHouston，Texas：SPE 128299，2010 12 Ruslan Kasumov， Joris Houvet Gyro-While-Drilling Technology-Solution for Directional Tophole DrillingCHouston，Texas：SPE135910，2010 13 谢川一种基于磁强计和倾角传感器的钻井测斜仪J仪器仪表学报， 2010，10：2358-2359 14 梁子波、蔡文军、董怀荣深井超深井测斜技术及应用J西部探矿工程，2010，5：37-38 15 Timothy DStark,Hangseok Choi.Slope inclinometers for landslidesJ Landslides. 2008，5，(3)：339-350 16 蔡文军、王平、翟军威等机械式无线随钻测斜仪及其应用J石油钻探技术，2005，33，(01)：3940 毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案：在介绍测斜技术的基本原理基础上，通过数学计算和分析，建立了测量参数的数学模型，并且通过欧拉变换计算推导出了钻孔轨迹各个参数的公式，从而确定了系统传感器需要采集的信号。2.1测量参数数学模型的建立测斜仪的工作过程就是对所需的参数进行测量计算的过程。通过相应的传感器测量被测点位置的重力加速度沿仪器坐标系的分量以及地球磁场沿仪器坐标系的分量，再通过相应的计算得出所测结果。其工作原理通过建立数学模型来分析。首先构建模型，建立一个以北、东、重力加速度三个正交方向的地理坐标系XYZ，然后再以三个磁通门（加速度计）的敏感轴建立一个探管测量的坐标系XpYpZp（Zp与探管中心轴线一致） ，如图 2-4 所示。根据欧拉定理，可把仪器坐标系(XpYpZp)看成是地理坐标系(XYZ)经三次转动形成的。第一次将 XYZ坐标系绕 OZ 轴转动角度 A，形成 X1Y1Z1 坐标系；第二次将 X1Y1Z1坐标系绕 OY1 轴转动角度 I，形成 X2Y2Z2 坐标系；第三次将X2Y2Z2 坐标系绕 OZ2 轴转动角度 T，形成 XpYpZp 坐标系。刚体力学中把 A，I 和 T 分别称为进动角、章动角和自转角。实际上A就是方位角，I 就是井斜角，T就是工具面角 图2-1测斜仪坐标参数系及角度参数的形成设两坐标系之间的方向余弦阵为 Cp，则重力加速度 g 在两坐标系的投影有如下关系： （2.1）在公2.1式中，Gxp，Gyp和 Gzp为重力加速度在探管测量坐标系的投影；Gx，Gy和 Gz为重力加速度在地理坐标系的投影。从而有 （2.2) (2.3) (2.4) 用公式 2.2除以 2.3可以得出 （2.5）于是可以得出工具面角为 （2.6）还可以得出 （2.7） 于是得出 又因为 得出井斜角为 （2.8）2.2系统总体设计方案根据测斜仪工作的基本原理，本文设计的系统应该实现以下主要功能：一是通过加速度计和磁阻传感器来采集需要的信号，并通过AD芯片进行 AD采样，采样数据送入单片机，其次单片机控制信号采样的进行，通过单片机发送 AD转换信号使得 AD芯片工作；二是采用单片机来实现系统各个模块之间的通信控制。单片机需要和上位机进行通信，接收上位机的测量命令， 开始工作并把测量姿态结果返回上位机。因此把系统分为3个部分：数据采集部分；单片机控制部分；上位机显示部分。系统硬件的总体结构框图如图2-2所示。液晶显示屏显示部分 三轴加速度计AD采样及转还换单片机三轴磁阻传感器数据采集部分单片机控制部分 图2-2系统硬件总体结构框图 （1）加速度计 加速度计是用来测量运载体线加速度的仪表，它有很多种类，例如静电加速度计、挠性加速度计以及电磁加速度计等。在以前设计的测斜仪中大多使用挠性加速度计作为传感器，通常需要三个正交焊接以用来测量三轴的分量。本设计选用的是 ADXL330 加速度计。 ADXL330 是美国模拟器件（ADI）公司生产的一种三轴加速度计，它内部自带有信号调理电路，直接输出调理之后的