（检测技术与自动化装置专业论文）非开挖水平定向钻进系统地面手持式定位测深仪的研究与设计.pdf

摘要 摘要 水平定向钻进技术已经只益成为现代城市管道排线工程的首选。但是，我国对水平 定向钻进技术的研究比较晚，目前国内尚没有成熟设备。本文所研究设计的正是水平定 向钻进系统的一个重要组成部分：地面手持式定位测深仪。 本系统将当今主流的嵌入式系统与嵌入式l i n u x 技术相结合，以s 3 c 4 4 b o x 微处理器 为核心，选用载波频率为3 6 8 6 k h z 的x e l 2 0 9 为无线传输芯片，利用甚低频测量技术对 地下探头进行定位和测深；在硬件平台上成功地移植了u c l i n u x 操作系统，并根据实际 需求编写了相应的设备驱动程序和应用程序，建立起了系统的软硬件平台。 文中，首先介绍了水平定向钻进技术的优势和发展现状；其次介绍了甚低频技术的 理论并具体研究分析了系统采用的定位测深技术；然后又介绍了系统的总体设计方案和 具体的硬件设计电路；接着详细分析了u c l i n u x 操作系统的建立和软件部分的设计，重 点包括了u c l i n u x 系统的移植和设备驱动程序的设计；最后介绍了系统的抗干扰技术及 措施。 关键词：水平定向钻进甚低频定位测深嵌入式系统u c l i n u x 东南人学硕 学位论文 a b s t r a c t h d d ( h o r i z o n t a ld i r e c t i o n a ld r i l l i n g ) h a sb e c o m et h eb e s tc h o i c ef o rt h ec o n d u i tp r o j e c t i nm o d e r nt i m e s h o w e v e r ，t h e r en e a r l yn o ta n ym a t u r eh d d e q u i p m e n t si no n rc o u n t r yc a u s e o f t h el a t e rr e s e r c hi nh d di nc h i n a t i l i sp a d e rp o i n t st oo n ep a r to f t h em o s ti m p o r t a n ti nt h e h d d ：h a n d l e1 0 e a t i n ga n dd e p t hm e a s u r i n gi n s t r u m e n t t h es y s t e mc o m b i n e st h ep o p u l a re m b e d d e ds y s t e ma n dt h ee m b e d d e dl i n u xt o g e t h e r ， b a s e do nt h em i c r o p r o c e s s o rs 3 c 4 4 8 0 x ，a d o p tt h ex e l 2 0 9i nt h ef r e q u e n c yo f 3 6 8 6 k h zf o r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，u s et h et e c h n o l o g yo fv l f ( v e r yl o wf r e q u e n c y ) f o rt h el o c a t i n g a n dd e p t hm e a s u r i n go ft h es e n s eo r g a nu n d e r g r o u n d ； s u c e s s f u l l yt r a n s p l a n tt h eu c l i n u x o p e r a t i n gs y s t e mt ot h eh a r d w a r ef l a t ，w r i t et h ed e v i c ed r i v e r sa n da p p l i c a t i o n sa g c o r d i n gt o t h ep r a c t i c e ，s e tu pt h ef i a to ft h eh a r d w a r ea n dt h es o r w a r ef o rt h es y s t e m t h ep a p e r ，f i r s t ，i n t r o d u c et h ea d v a n t a g e sa n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so ft h eh d d ； s e c o n d ，i n t r o d u c et h et h e r o yo ft h ev l fa n ds t u d yt h et e c h n o l o g yo ft h el o c a t i n ga n dd e p t h m e a s u r i n ga d o p tb yt h es y s t e m ；t h et h i r d ，i n t r o d u c et h eb l u ep o i n ta n dt h eh a r d w a r ed e s i g no f t h es y s t e m ；t h e n ，a n a l y z et h es e t u po ft h eu c l i n u xa n dt h es o f t e r w a r ed e s i g n ，i n c l u d et h e t r a n s p l a n to ft h eu c l i n u xa n dt h ed e v i c ed r i v e rd e s i g n ；l a s t i n t r o d u c et h ea n t i - j a m m i n g t e c h n o l o g yo ft h es y s t e m k e yw o r d ：h d d v l f l o c a t i n ga n dd e p t hm e a s u r i n g e m b e d d e ds y s t e mu c l i n u x 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文申特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：_ 二噼日 期：2 盖l 上三 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公j , - ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：睦兰导师签名桦 日期：o8 。l l 口 第一章概述 第一章概述 1 1 研究背景即课题来源 1 1 - 1 5 1 1 1 1 非开挖技术概述 随着全球经济的持续发展、人口的迅速增长和城市化进程的加快，加之人们对环保 意识的增强和对生活质量的关注，在各种地下工程建设中非开挖技术悄然兴起并得到飞 速发展。现代非开挖施工技术( t r e n c h l e s st e c h n o l o g y ) 是7 0 年代末在西方发达国家兴起 并逐渐走向成熟的新技术，是地下管线施工的一项技术革命。它是指利用各种岩土钻掘 的技术手段，在地表不开沟( 槽) 的条件下铺设、更换或修复各种地下管线的施工新技术， 即改传统的挖槽铺管与修复”施工方式为“钻孔铺管与修复”。非开挖技术可用来铺设直 径在4 0 r a m 至2 5 0 0 m m 的各种地下管线，距离从十几米到几千米。与传统的挖槽施工法 相比，非开挖施工技术避免了地面“开膛破肚”和“马路拉锁”现象，具有不影响交通、不 破坏环境，施工周期短、综合施工成本低、社会效益显著等优点，可广泛用于穿越高速 公路、铁路、建筑物、河流，以及在闹市区、古迹保护区、农作物和植被保护区等进行 供水、煤气、电力、电讯、石油、天然气等管线的铺设、更新或修复。非开挖技术已有 近百年的历史，但从7 0 年代末才开始有真j 下的现代非开挖技术。1 9 8 6 年在伦敦成立了 国际非开挖技术协会( i s t m ，约有2 0 多个国家相继成立了国家和地区的协会，i s t t 每 年举办1 2 次国际性的技术交流会和设备展览会，至今己举办了2 0 次。我国在1 9 9 8 年 也成立了非开挖技术协会。非开挖技术自正式进入工程施工市场至今，在短短的2 0 余 年时间内，以其独特的技术优势和广阔的技术前景，同益得到欧美发达国家的重视和提 倡，并取得较好的社会和经济效益。如美国克林顿政府在1 9 9 4 财政年度批准的为期七 年、投资2 5 亿美元的“先进的钻探和掘进技术国家计划”州a d e t - n a t i o n a lp r o g r a mf o r a d v a n c e dd r i l l i n ga n de x c a v a t i o nt e c h n o l o g i e s ) 就把此项技术列入城市基础设施和建筑 业发展规划中，以增强美国在该领域内的技术领先和市场竞争优势。此外，英国曼彻斯 特工业大学、美国路易斯安娜理工大学、德国波鸿大学等高等院校及时适应产业结构调 整的需要，相继设立了非开挖技术专业和相应的研究机构，以培养该领域的专业技术人 才。由于地下管线的现状和地层条件的不同，各个国家所使用的方法各有所侧重。例如， 在日本，主要是使用微型隧道施工法来铺设交通拥挤、道路狭窄的市内污水管道；在美 国，由于石油天然气和通讯工业的发展需要铺设大量的石油和天然气输送管道，其中要 穿越一些地表障碍物( 如河流、铁路、高速公路等) ，因而定向钻进和导向钻进施工法的 发展极为迅速，并得到广泛应用。可以说目前非开挖技术己在话方发达国家发展成为一 项政府支持、社会提倡、企业参与的新技术产业，成为城市现代化进程中的一项关键技 术。 1 1 2 水平定向钻进技术的发展现状1 8 水平定向钻进技术一直是非开挖技术领域占主导地位并且发展最快的一种技术，它 是利用水平定向钻机以可控钻孔轨迹的方式，在不同地层和深度进行钻进并通过定位仪 导向抵达设计位置而铺设地下管线的施工方法。施工时，首先利用专门的定向钻机钻出 小口径的导向孑l ，钻进过程中通过监测和控制手段使钻孔按设计轨迹延伸，并从另一端 钻出地表，如图1 1 所示。然后用扩孔钻头将钻孔扩大至所需的口径，最后将待铺设的 管线回拖入孔内，见图1 2 。它具有不阻塞交通、不污染环境、社会经济效益好、可在 诸如高速公路、铁路、机场、河流、建筑物等无法开挖的地方进行施工的特点。 东南大学硕l ：学位论文 图1 1 水平定向钻机导向孔施工原理图 图1 2 水平定向钻头回扩拖线 随着钻进方法和设备的完善，交通、环保、法律意识的增强，成本的降低和政府的 支持，定向钻进施工近年来不论是在工程占有份额、工程规模和产值方面，都取得了长 足的进展。据资料统计，迄今为止，全世界定向钻进设备制造商已近1 0 0 家，材料供应 商约4 0 0 家，相应的工程承包商有6 0 0 0 8 0 0 0 家，还有相当数量的咨询公司和科研院所 为此服务。定向钻进施工已经成为一项政府支持、社会提倡、企业参与的新应用技术领 域，已经成为发达国家一个新兴的产业。 同时，用定向工艺进行管线铺设的工程量也在不断增加。据估计，仅在美国和加拿 大，每年用定向钻进工艺铺设的地下管线总长度就达6 1 0 0 2 2 5 0 0 k m ，占全部地下管线 工程量的1 0 以上。预计2 l 世纪仞，将有3 0 4 0 的地下管线会用该技术铺设。此外， 由于工艺技术和设备性能的不断发展和完善，不断涌现许多新的工程记录。如1 9 9 9 年 最长的管线铺设长度为1 8 3 l m ，2 0 0 2 年2 月中国石油天然气管道第三工程公司完成的钱 塘江定向穿越长度为2 3 0 8 米( 管径2 7 3 m m ) ，创世界穿越最长汜录，是迄今为止世界上 水平定向钻穿越最长的工程。 与国外相比，我国的非开挖定向钻进施工还处于起步和推广阶段。只是由于一些局 部的特殊工程不允许开挖铺管，从7 0 年代中后期陆续由地矿部的一些厂家与市政部门 合作，共同研制开发了少量水平定向钻机和螺旋钻机，以适应工程急需。从2 0 世纪8 0 年代中后期起，由于不允许开挖铺设地下管线的工程量r 益增多，且重要性同趋加大， 不得不通过引进国外设备进行施工，以解燃眉之急。根据不完全统计，此f 日j 我国各工业 部门已引进非开挖设备共计约7 0 台套，其中价格最高的水平定向钻机为每台套4 5 0 万 美元。 2 墨二! 壁堕 随着设备的引进和工程市场的需要，也促进了我国定向钻进设备的开发和研制工作， 目前我国已有不少单位研制出自己的定向钻机并成功投放市场，也涌现出一批专门或兼 营定向钻进铺管的施工企业。这些企业不仅是敢于用新技术闯市场的勇敢者，而且也从 工程市场中获得了丰厚的回报，不断发展和壮大了自己。据对十家管线铺设施工企业的 统计，他们近几年的税前利润均能达到工程造价的3 0 5 0 ，这种高回报率也成为吸引 众多施工企业转向非开挖市场的重要诱因。 尽管如此，与国外相比，我国无论在定向钻进施工装备，还是在施工技术方面，都 处于较落后的状态。已开发的定向钻机产品主要为小型定向钻机，品种单一，能力有限， 对地层的适应性差，难以满足复杂工程施工的需要，大大限制了其在国内施工市场的应 用。 从某种意义上讲，一个国家地下管线的人均拥有量，反映了这个国家的经济发展水 平和人民生活的环境质量。目前，我国最高的北京人均地下管线拥有量尚不足发达国家 的1 1 0 。另外，最近据中国非开挖技术协会的调查统计，我国每年地下管线铺设中，采 用非开挖技术铺设的只占约0 2 。可见，我国的非开挖定向钻进铺管的潜力非常巨大。 值得庆幸的是，由于政府的重视和环保意识的加强，非开挖定向钻进铺管技术得到大力 支持和提倡，其发展速度之快令人瞩目。据调查统计，我国从1 9 9 7 年至2 0 0 1 年4 年间， 非开挖工程量和设备拥有量的年增长率均在4 5 以上。2 1 世纪初，我国处于管道大发 展时期，“西气东输”、“北气南送”的全面启动为定向钻进施工技术提供了新的契机，我 国对水平定向钻机及其配套设备的需求极大。 1 1 3 水平定向钻进技术的主要优势及应用 水平定向钻进铺管技术的诞生，导致了铺管领域的一次技术性革命，其主要优势为： ( 1 ) 不开挖路面，避免开挖施工对居民i f 常生活的干扰，以及对交通、环境、周边建筑 的破坏和不良影响，提高了城市建设的文明程度。 ( 2 ) 不开挖施工，使得无法开挖( 河流、建筑、重要交通干线) 和不宜开挖( 主干道、闹市 区、古迹、重要场所) 地段的铺管得以实施。 ( 3 ) 定向钻进可以按最短的合理路径穿越河流、湖泊、铁路、公路、城市建筑物等，避 免了管道绕行，施工效率高，节约材料消耗，降低施工费用，而传统的开挖施工是无法 做到的。 ( 4 ) 水平定向钻进铺管技术可以高精度地控制地下管线的铺设方向、埋深，实现曲线钻 进，并可使管线绕过地下障碍。 ( 5 ) 有较好的经济效益和社会效益，在可比性相同的情况下，非开挖管线铺设的综合经 济效益和社会效益均低于开挖施工，管径越大、埋深越大时越明显。 由于定向钻进f i 益成熟的技术和突出的优点，其应用范围不断拓宽。如今不仅应用 在非开挖管线铺设领域，而且可用于地矿、冶余、石油等领域，用来实现地下的地质勘 探及资源开采，还可用于其它一些特殊的地下场合。 在军事领域，定向钻进也有广阔的应用前景，它不仅可以实现复杂条件下军用管线 的铺设，而且可以实现地下危险区域的勘探、信息采集等工作，如穿越繁忙高速公路或 河流的军用光缆的铺设，地下核试验后的坑道区域的土壤数据的自动采集，等等。目f i 定向钻进是实现上述意图最优的方法。 1 1 4 水平定向钻进导向仪器发展的国内外现状 随钻测量是指在钻进的同时连续不断地检测有关钻孔信息的测量技术，它的实现是 靠定位导向仪器来实现的。定位导向仪器的水平定向钻机施工的必备设备。在开钻前， 可用导向仪器对已埋设施进行定位定点，规划设计一条安全优化的轨迹，避开原有地下 东南人学硕 学位论文 管线与电缆。钻进作业中，可随时跟踪钻头的位置和姿态，掌握钻头的运动状态。 典型的导向系统有三部分组成：地下传感发射探头，地面手持式定位跟踪仪和远端 监视设备( 地面司钻显示仪) 。智能地下探头由测量单元，发射线圈，保护单元和电池组 成，完成钻孔倾角，方位角，工具面向角和温度等参数的检测，测得的数据经过微处理 器进行处理并编码送给发射电路和发射线圈，编码信号被调制到高频载波上通过线圈向 地表发射电磁波信号。地面手持定位跟踪仪在地面上接收发送的电磁波信号，根据信号 强弱对探头位置进行定位，定深，并将地下探头发送来的角度等各项参数在显示面板上 显示出来，远端监视设备通过无线的方式接收数据并显示，使钻具信息在远端即可观察 到，保证司钻人员顺利操作。 国外有一些专门生产导向仪器的公司，他们生产的导向设备基本上垄断了现有的定 向钻进市场。著名的产品如美国d c l ( d i g i t a l c o n t r o li n c ) 公司的d i g i t r a km a r k ，e c l i p s e 系列，英国雷迪( r a d i o d e t e c t i o n ) 公司的r d 3 8 5 ，d r i l l t r a c k 系列，美国m c l a u g h l i n 公司 的s p o t t e k 系列以及美国d i t c hw i t c h 公司的s u b s i t e 系列等，其中| ；i 两公司的产品最为 著名，并占据了大多数的世界市场份额。这些公司的产品经过多年的发展和改进已实现 系列化，仪器性能较好，测量深度范围大，自动化程度高，能满足大多数钻进施工的要 求，因而获得广泛的应用。 国内方面，我国在导向设备研制方面基本处于空白状态，已进入市场的导向钻机所 用的导向仪全部为进口，且价格非常昂贵。以较常用的雷迪公司( r a d i o d e t e c t i o n ) 的产品 为例，其研制的d r i l l t r a c k 非开挖水平钻探导向仪国内售价为2 0 万元人民币，而且维修 不便。 导向系统的研制开发上，国内只有极个别单位作了尝试，但都没有实用化。目前为 止，国内还没有成熟的导向仪产品。 1 2 定位测深技术研究现状及选题意义 1 2 1 研究现状 定位测深技术是水平定向钻进跟踪导向系统中最核心的技术内容。运用定位与测深 技术实时跟踪钻头在地下的深度和位置分布，以便准确获取钻头轨迹，并与事先计划好 的轨迹进行比对，出现偏差后，施钻人员进行控制，纠j 下偏差。 定位测深的基本原理就是利用螺线管天线发射的电磁场的分布特征，采用一个或多 个天线对电磁场进行接收，判断结算出关于发射螺线管天线的位置和深度信息。国外定 位测深的技术已比较成熟。早期的定位方法比较简单。如r d 3 8 5 采用单线圈定位，施 工人员要手持定位仪器，利用专业知识通过来回走动，去搜寻发射天线的位置。d i c 公 司的m a r k i i i 也需要施工人员根据信号的大小和j 下负提示去搜索发射天线的位置。随着 技术的发展，现在国外水平定向钻导向仪定位的智能化水平比较高。例如r d 一3 8 6 ，在 其面板上有四个箭头，在定位仪置于发射天线附近时，这四个箭头就会显示出发射天线 在定位仪的什么方位上。d i c 公司的最新产品m a r k v ，面板上有一个方块，用束指示发 射天线的相对位置。 国外导向仪的测深技术距离上不断增大，例如m a r k v 能可靠测量的最大深度是 1 3 7 m ，r d 3 8 6 配备长距离探棒，最大可测量深度达1 5 m 。这些产品都采用了双频模式。 在低噪声比较大的场合使用较高频率进行定位测深：而当低频噪声不大的场合就使用衰 减较小的低频工作，频率切换非常简单，大大提高了定位测深的可靠性。 4 第一章概述 1 2 2 选题意义 定位与测深技术是整个水平定向钻进跟踪导向系统中的关键技术，也是“水平定向钻 进跟踪导向系统的研制”项目的难点。 研制适合于中国国情的定位和导向系统，实现跨越式发展，达到或超过国外同类产 品的技术水平，有助于打破国外技术封锁与垄断，改变该类进口仪器一统天下的局面， 节约大量外汇，对于我国非开挖技术的发展有极大的促进作用。一旦国产的高性能的导 向系统研制成功，不但可以填补国内空白，在高性能的导向探测技术以及传感器的小型 化，智能化和组件化设计等方面获得发明专利，而且与企业自己的水平定向钻机配套， 形成具有自主知识产权的技术上领先的产品，走在同行的前列，必将产生巨大的经济和 社会效益，对国民经济的发展有巨大的促进作用。同时，水平定向钻在国防光缆，电缆 的铺设中也有着广泛的用途。 东南人学硕l 二学位论文 第二章甚低频定位测深理论介绍卜1 0 】 2 1 螺线管外的电磁分析 2 1 1 载流小圆环的静磁场分析1 6 0 8 1 以半径为a 的载流圆环的圆心为中心，建立球坐标系c o = ( r ，口，g o ) ，如图2 一l 所示。点 p 是圆环外一点，其球坐标为( ，口，口) ，回路上任一线元d l 的球坐标为( 口，三，y ) ，d l 至p 点 的距离为r 。 当圆环通电流i ，线元d 1 在p 产生的磁矢为幽= 筹呼警，其方向和线元电流的方向是一 致的。由于圆环具有对称性，不妨设口= 0 ，则 r = 厄忑而i 百石丽f i 丙丽( 2 1 ) d l = a d r d l = a d y c o s y y ( 2 2 ) 对圆环觋有肚等了而差蠹尹 任。， p 点远离回路时，上述积分可以做近似处理。 7 亍亏一：产一 ( 2 4 ) 再雨蕊两r 正面面 uu ，：! 二：一：1 + a s i no c o sy 厂_ 。， j 卜：乳o s ， 7 6 3 ( a s i n o c o s 7 ) 2 + r ( 2 5 ) 第一二章甚低频定位测深理论介绍 则上述积分式表示为 得 a s i n o c o s y ) d y 多 爿：2oi丁a2，-sin口4r z 圆环的面积s ：石口2 ，y s i n 口；i ；，则有4 ：p o 丁l s x r 4 石，。 磁感应强度 b = v x 4 = 笔笋( ；2 c 。s 口+ 舀s i n 口) 这就是平面载流圆环在较远的地方磁感应强度的表达式。 ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 图2 2 坐标变换示意图 定义坐标c l = ( ，y ，巾) ，如图2 2 ，其中。和球坐标c o = ( r ，夙o ) 中的。意义相同， x ，y 是在。平面内的相互垂直的坐标分量。将式( 2 - 8 ) 的磁感应强度进行坐标变换，则 变换矩阵为 ( s i n c o s 0 0 1 k l = lc o s 0 一s i n 0 0l ，那么有x = r s i n o + o c o s oy = r c o s o o s i n o ( 2 1 0 ) l 00lj 从而在坐标系c 中，磁感应强度表达式变为 b ：兰等s i n o c 。s 口又+ 学( 2 c o s 20 “n 2 口) p ( 2 _ 1 1 ) 4 z r 4 z r 5 、 、 这就是磁偶极子在坐标系( x ，y ，o ) 中的表达式。 2 1 2 螺线管外的静磁场分析2 8 l 将导线绕在骨架上而构成螺线管，如图2 3 所示。在螺线管中通上电流，其周围就有 磁场产生。螺线管一般由单层和多层的导线绕制，匝数较多对于绕制成的偶数层螺线管， 其轴向电流两层间的方向相反，产生的磁场相互抵消了；奇数层的螺线管，轴向的电流 也远远的比环形电流要小。因此可以认为，磁场外的磁场主要由环形电流所贡献，如图 2 - 4 所示。 7 孚 h ，j o 型锄 东南大学硕 学位论文 且。目囝 图2 3 螺线管示意图图2 - 4 螺线管电流分解示意图 建立( x ，y ，中) 坐标系，推导长为l ，绕制线径为d 的单层密绕螺线管外的磁场分布，如 图2 5 所示。p 点是螺线管外的一点，到螺线管的中心距离为r ，与螺线管的轴向的夹角为 0 ，q 点是p 在y 轴上投影。d y 是螺线管上的一微分段，和y 轴交点为t ，其坐标为( o ，y ， 、。 由图可知 i p o | = r s i n 8 ( 2 1 2 ) r = l e t l = r 2 + y 2 2 r y c o s 0 ( 2 1 3 ) 万= 删n 簖2a r c s i n 矿歹r s i i n o 面 亿，4 ) 当p 点距离螺线管较远，忽略螺线管截面积，按照式( 2 1 1 ) ，对于螺线管的每一微分段在 区f t a j ( - l 2 ，+ l 2 ) 积分，有 b = + l r j ，2 t 丽3 p o s i 一- s 。叫n + 羞暴( 2 c o s 2 6 - s i n ：8 ) d y y ( 2 _ 1 5 ) r 诛积分简化后得出通电螺线管管外的磁感应强度公式 b = 丽3 l z o s l l ls i 了n o r4 万d c o s 05 f 面s i n o c o s 0 肌- - 筹【塑半一丁l 3 ( 2 - 2 0 c o s 2 0 ) ( 2 - 1 6 ) 图2 5 螺线管外磁场 比较式( 2 一1 1 ) 和式( 2 1 6 ) 可以看出，通电螺线管管外处的磁场分布和磁偶极子相差不多， 只是多了一个附加项。在距离螺线管较远处，附加项可以忽略。因而得出通电螺线管较 远处磁场分布 b = 3 p 。s 等s i n 口c o s 目牙+ i t o s i l 了( 2 c o s 2 0 - s i n 2 口) f ( 2 1 7 ) 第二章甚低频定位测深理论介绍 2 2 螺线管外准静态场的电磁分析2 1 】 2 2 1 土壤层中载流小圆环的时变场分析 当载流小圆环中通一交变电流时，所产生的磁场将是交变的。根据麦克斯韦电磁理 论，交变的磁场将产生交变的电场，交变的电场产生交变的磁场，磁场和电场相互转化， 从而在小圆环的周围形成电磁波。如图2 6 所示，小圆环中电流密度用j o 表示。假设土壤 是均匀、线性、各向同性的，其电导率为o ，介电系数为。磁导率为p ，且在天线附近 没有其它电磁干扰的情况下，列出麦克斯韦方程组 图2 6 电磁波在土壤中的衰减 v e = - j a h 研 可x h = “塑a t + j o v d ：d ( 2 - 1 8 ) v h = 0 d = e ，= 盯e 其中，j 是媒质中的传导电流函数，对v 。h ：，+ a p _ d + 山两边取旋度，则有 o t v 2 h = 胪挚一掣署= - - v 山 ( 2 - 1 9 ) 对于时谐场，用j ( o 代替昙，于是上式变为 v 2 h + ( c 0 2 u 6 一j c a 口r u ) h = 一v 山 ( 2 2 0 ) 引入磁矢位a ，令h = v a 和利用洛伦茨条件，可推出 爿= 奶杀咖 亿z - ， 其中k 2 = 2 肛一j c o o p 当圆环，履五，可以将小圆环看作磁偶极子，设半径为a 的小圆环中通一电流 东南大学硕i ：学位论文 ，= t os i n o 讲，磁偶极矩坍= 枷2 厶，则由( 2 2 t ) 可计算在球坐标系c 2 ( r ，0 ，中) 中的表达式 为 4 = 等c o s 曰c 专+ 争归 z ， q = 等咖口c 专+ 笋一步 弘z 。， 设七= 口一所，则 将k = 口一7 代入式( 2 2 2 ) ，( 2 - 2 3 ) ，则有 耳= 号手c 。s 占c 专+ 等+ 等矿一e 廿 ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) 日= 号手s i n 口c 专+ 等+ 等一旦兰号壁+ 丝竽矿一肿 ( z z ， 图2 7 磁场在某土壤中衰减示意图 1 0 ( h z ) 第二章甚低频定位测深理论介绍 选取某一典型土壤参数= o 9 9 9 x 4 7 1 0 - + h m ，盯= 0 0 1 s m ， 占= 2 x 8 8 5 4 x 1 0 - 1 2 f m 。在式( 2 2 6 ) 和式( 2 2 7 ) 5 都有一项衰减因子p p ，为了清楚地看 出频率和磁场强度的关系，设r = 1 0 m ，利用m a t l a b 进行仿真，得到仿真曲线，横坐标是 频率的对数坐标，纵坐标是归一化值，如图2 7 所示。 从图中可以看出，随着频率的增大，电磁波的h 分量衰减就越厉害。在这种发射和 接收之间要通过土壤层，频率就不能选的太高，一般处于低频段。 2 2 2 螺线管时谐场的准静态场条件 耳= 等c 。s 印+ 例e 加 以= 器s 访m 归+ ( 耕f 归 考察k r ，将图2 7 中的某土壤参数带入，有 h = 石，i 1 2 1 0 。 当i 扫i 履1 时，忽略j k r 项，并且p 一归* l ，则有 珥= 等c o s 口 以= 等s i n 口 f 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 式( 2 3 1 ) 和式( 2 3 2 ) 和载流小圆环的静态场的形式相近，只是这里电流i 是交变的。由此 看出，对于满足i h i 坟l 的条件下，任一点处的磁场强度和电磁场的场源电流瞬时对应， 这就是磁准静态场的特征。在磁准静态场罩，磁场居于主要地位，而电场较小，忽略电 磁波的辐射作用。 磁准静态场的条件为r r 西矛，当考察的距离为4 0 m , 则有甜4 9 8 尼眈， 因此对于磁准静态场满足的条件，距离越远，其频率就应越低。否则就要考虑电磁辐射 作用了。 上述讨论的是载流小圆环的时谐场分析。在磁准静念场的条件下，螺线管中的电流 分布认为是均匀的，同相位的，可以将其看作是很多个载流小圆环的卺加。因此，可以 仿照本节中的处理，得出螺线管的时谐场在准静态场条件下的磁场强度表达式 ：! 兰笔( ；2 c 。s 口+ 舀s i n 口)( 2 3 3 ) 4 r c d r 3 、 7、7 其中，i 是交变电流。 东南大学硕l ：学位论文 图2 8 磁准静态场的接收图2 - 9 带磁芯的螺线管接收磁场 当采用带磁芯的螺线管进行接收时，明显具有方向性。如图2 9 所示，在图所示位置， 外部信号磁力线与磁棒平行，线圈交链磁力线最多，感应电动势最大。若磁棒转过9 0 度， 则线圈交链磁力线最少，感应电动势最小。可以利用这一点大大削弱非接收方向的干扰。 当使用带磁芯的螺线管进行接收时，螺线管的物理尺寸远远小于接收点到发射点之问的 距离，这时可以将螺线管看作是对磁场的一个点接收。当发射螺线管天线中的电流 i = ls i n c o t ，磁通密度b = “h ，则发射螺线管的时谐场在准静态场条件下的磁通密 度表达式为 b = , u o , u s - l l 一了了s i n r o tl - r 2 c o s 0 + 舀s i n 9 ) ( 2 3 5 ) 斗z r a r 则由式( 2 3 5 ) 有 p ：一p o , u s c o l l , c o sc o t ( j r 2 c o s 0 + 一s 一0 s i n 口) ( 2 3 6 ) 4 ，r a r 在坐标系c l ( x ，y ，巾) 中，其表达式为 p：一_3,uopasli,coscats i n o c o s 口叉i 一, u o p o s l i 。c - o s a g ( 2 c o s 2 0 - s i n 2 口) 哥i( 2 3 7 ) 4；rd。4redr。 令4 一i t o l a m l 。l m ，c o s c o t s ，a 的方向等于s 的法向方向西，则式( 2 3 7 ) 变g j 4 石d 1 一 l e = s i n o c o s 口r a + ( 2 c o s 20 一s i n 2o ) y a ( 2 3 8 ) ， 式( 2 3 8 ) 是水平定向钻进定位测深数学模型的基础。 2 4 铁氧体磁芯的研究1 2 0 , 2 2 1 在水平定向钻进跟踪导向系统中，发射和接收天线都是由螺线管构成的。在螺线管 的外部，磁场强度h 线和磁感应强度b 线方向相同；在螺线管的内部b 线和h 线也是 兰兰兰壁堡堡塞垡塑堡堡堡坌塑 重合的。如果在线圈中插入一根磁性材料棒，由于线圈磁场的影响，磁棒产生一个与线 圈磁场相同方向的极化强度分量，如图2 1 0 。磁极化线进入磁棒的那一端是磁场线的发 出源；另一端是磁场线的入口。材料内部的磁场与线圈的外部磁场方向相反，并削弱了 线圈磁场，故材料内部的有效磁场是外磁场h o 与退磁场一肛，地之和。退磁场与磁极化 强度成正比，因此得出 ， h = h o 一二一( 2 3 9 ) 图2 1 0 带磁芯的螺线圈内部磁场 1 0 0 i 肌- 2 蛐 _ _ ，一 ， 如o 一一 l ，d 么 - 一 i ，夕 ，_ _ j 一，一一 如 丝r r _ _ 一 o2 0 d 图2 1 1 磁导率与m 的关系图 退磁因子与磁芯的几何尺寸有关系，对于不均匀体还与方向有关。对于有限长度的棒 形磁芯在磁芯中问退场较小，而在两端则退磁场较大。 n 定义磁芯的磁导率u = ) _ 。磁芯的导磁率和磁芯的几何尺寸有关。常用l d 来表 ，七1 示它们之间的关系曲线如图2 1 1 所示，其中“为材料的磁导率。但长度不能无限制的 长，那样机械强度差，体积大。截面积太小，磁通容易饱和。 对于磁芯在螺线管磁场的作用下，有 b = h + j q 一4 0 ) 东南人学顾上学位论文 j = a t p d h 则由式( 2 3 9 ) ，( 2 - 4 0 ) ，( 2 - 4 1 ) ，可以得出内部磁场和外部磁场的关系为 h = 而1 风 则材料内部的磁通密度为 b ：生风 1 + ( 一1 ) ” ( 2 4 1 ) ( 2 - 4 2 ) ( 2 - 4 3 ) 设想用一半径为无穷大的半球面将带磁芯的螺线管的一极罩住，如图2 1 2 ，由于 v b = 0 ，则螺线管外的磁通总量和螺线管内部磁通总量应该大小相等，符号相反，在 螺线管中间垂面上则b 1 = 一b 2 。当把一根软磁材料磁芯插入螺线管，在相同的激励电流 激励时，螺线管内部将产生比没有加入软磁材料大的多的磁通密度，即b 1 增大了，则b 2 也将增大。磁芯的磁化电流方向和螺线管的电流方向近似一致，因此螺线管外的磁通密 度分布将会近似不改变，管外的任一点处的磁通密度将会增大。 上述讨论的是带磁芯的螺线管发射的情况。由于发射和接收具有互易性。在接收螺 线管中加入软磁材料，也将使通过接收螺线管的总磁通增大，根据 r , ， e l = 一= = 一九。c o s ( 耐) ，则接收到的信号幅度将增大。 图2 1 2 开路磁芯磁通密度 我们一般选用铁氧体软磁材料作为磁：签，铁氧体是由铁和其他一种或多种金属组成 的复合氧化物。随着替代会属的不同，可以组成不同类型的铁氧体。铁氧体软磁材料按 晶体结构分立方晶系的尖晶石( 用于低频，中频和高频) 和平面六角晶系的磁铅石( 适用于 特高频) 。最常用的铁氧体材料主要是m n z n 铁氧体软磁材料和n i z n 铁氧体软磁材料。 1 锰锌铁氧体 锰锌铁氧体软磁材料主要是尖晶石结构的m m n f e 2 0 4 n z n f e 2 0 4 与少量的f e 3 0 4 组成的 单项圃溶体。锰锌铁氧体软磁材料可用于数百赫兹到数兆赫兹的交变磁场中。锰锌铁氧 体软磁材料广泛应用于开关电源，高清晰度数字彩电，电流互感器，低功率驱动变压器， 输入滤波器等方面。锰锌铁氧体软磁材料主要分为功率铁氧体和高磁导率铁氧体软磁 体。功率铁氧体的主要特征是在高频o l 百千赫兹) 高磁感应( 几千高斯) 的条件下，仍旧 保持很低的功耗，而且其功耗随磁芯的温升而下降，在8 0 左右达到最低点，从而形成 良性循环。 我国新发布的“软磁铁氧体材料分类”行业标准，把功率铁氧体分为p w l 一p w 5 ，其适 用频率依次为1 5 1 0 0 k h z ，2 5 2 0 0 k h z ，1 0 0 3 0 0 k h z ，3 0 0 1 m h z ，l 一3 m h z 。目前，国 内的企业已能生产p w i p w 3 的软磁材料，p w 4 只有部分企业小批量试生产，p w 5 有待 于进一步开发和生产。高磁导率锰锌铁氧体软磁材料的主要特征是磁导率特别高，一般 1 4 笙三里量堡塑宣垡塑鲨里堡坌塑 均能达到1 0 0 0 0 以上。高磁导率铁氧体在电子行业和电子技术中是一种急需和应用广泛 的功能材料。广泛应用于通讯设备，测控仪器，家用电器等产品中。 2 镍锌铁氧体 镍锌铁氧体是另一类产量大，应用广泛的高频软磁材料，当应用频率在1 m h z 以下 时，其性能不如锰锌铁氧体软磁材料，而在高于1 m h z 以上时，由于具有多孔性及高电 阻率，其性能大大优于锰锌铁氧体，非常适宜在高频中使用。 综上所述，本系统中采用锰锌铁氧体软磁材料作为螺线管磁芯。 2 5 单线圈定位原理【1 - 5 , 7 , 8 1 当发射天线水平放置时，且接收点和发射天线在同一竖直面内，如图2 1 3 所示，这 就相当于操作人员知道了发射天线所在的铅垂面。建立c 3 = ( ，矿，z ) 坐标系，其中h 是 水平且和发射螺线管天线平行的方向上接收，v 是和水平面垂直的方向上接收，由式 ( 2 - 3 8 ) ，则 日：姜( 2 c o s 2 0 一s i n 2 曰) ，4 矿：彳3 as i n 口c 。s 口( 2 - 4 4 ) ，。 z = 0 h 图2 1 3h ，v 接收示意图 当采用一个线圈沿着钻机的钻进方向搜索钻头的位置，如图2 1 4 所示 。o 一5 52 2s s3 0 图2 1 4 水平线圈接收磁场图2 1 5h 信号随0 变化示意图 设线圈距离发射天线的距离为h ，则，= 毒，那么水平线圈接收的信号为 s i n6 ， = 昙( 2 c o s 20 - s i n 20 ) s i n 3 口 ( 2 4 5 ) 图2 1 5 给出的是水平线圈接收的信号随着护在( o ，1 8 0 。) 内变化情况，从图中可以看出， 查堕盔兰竺! ：堂些堡苎 当沿着发射天线的方向在竖直面上搜索，信号先为+ ，逐渐增大，当到达一极大值点 后，信号开始减小：继续搜索，信号会改变方向，出现一，在接收信号由+ 变一 的地方记为a ；继续沿着发射天线的方向前进，信号反向增大，达到一峰点后，幅度减 小；继续搜索，则会出现由一变为+ ，即这一地方为b ，继续前进，信号开始正向增 大，达到一个极大值点，然后减小。在上述标记的a ，b 两点的中点处仔细搜索，能找 到一点其前后的信号均减小，这就是最大值点，也是发射天线所在的位置的正上方。 2 6 双线圈深度测量原理【2 3 9 1 7 ，1 8 1 深度测量是水平定向钻进施工过程中的一项重要的任务。在施工过程中要使钻进轨 迹尽量符合事先设计轨迹，避开不同深度的土壤里已经埋设了的各种管线。运用测深技 术和定位技术实时跟踪钻头在地下的深度，以便准确获取钻头轨迹，并与事先计划好的 轨迹进行比对，出现偏差后，施钻人员进行控制，纠正偏差。 图2 1 6 双线圈测深 由式2 3 8 可知，接收线圈接收到感应电动势的大小随接收线圈到发射线圈的距离r 呈l 胪的关系衰减。通常就是利用这一关系来进行深度测量的。 采用水平放置的间隔距离为d o 的两个线圈同时接收发射天线产生的磁场，如图2 1 6 所示，a 为两个互相平行的接收线圈，其中b 线圈紧贴地面。c 是钻头，里面装有发射 天线。a b 问为空气层，b c 问为泥土层。a ，b 相距d 0 ，同时接收由发射出的磁感应强 度信号。泥土层的厚度为d ，为待测量的量。设发射天线水平，接收线圈都在发射天线 的竖直面内，接收天线a ，b 接收到的感应电动势记为九，丸，离发射天线的距离分别 为d + d 0 ，d ，由式( 2 3 8 ) 可以推得线圈a ，b 接收的感应电动势的大小，有 f ， a 沪一而万( 2 - 4 6 ) l ， a i 九2 一万 其中a ：一鱼型竺竽竺竺! s ，求解式( 2 4 6 ) ，有 1 6 第二章甚低频定位测深理论介绍 九q k a = ( d + d 万3 ( 2 4 7 ) 九( d + 矗) 3 、。 这就是双天线深度测量的理论模型。将上式进行变换，得出测量公式： d = ( 2 - 4 8 ) 在空气中，准静态磁场的衰减可以不予考虑，两个线圈从发射天线到接收天线之间的各 项衰减因数相同。从公式( 2 4 8 ) 可以看出，待测量的距离和两个接收线圈的接收到的感 应电动势之比成函数关系。这就消去了由于衰减给测量带来的误差。 l3457 o 图2 1 7 测量深度和线圈信号之比的关系 测量深度与线圈信号之比的关系如图所示。从图2 1 7 中可以看出，在距离发射天线 较远的地方，曲线变化较为陡峭，深度的测量值对两线圈信号幅度之比变化非常敏感； 而当测深线圈距离