HMCxx磁阻传感器在钻孔测斜仪中的应用.doc

HMCxx磁阻传感器在钻孔测斜仪中的应用 西部探矿工程?第期?石油与钻掘工程?磁阻传感器在钻孑测斜仪中的应用王岚，代粉蕾（煤炭科学研究总院西安研究院，陕西西安）摘要介绍了霍尼韦尔公司三轴磁阻传感器混合电?，以及其作为方位角传感器在测斜仪中的工作原?、计算方法和误差补偿算法。 通过实验证明，该传感器的使用效果优于传统磁通门设计，提高了仪器的抗震性与可靠性，具有良好的精度，缩小了仪器体积。 关键词钻孔测斜仪；磁阻传感器；方位角（）钻孔测斜是地球物?测井技术的重要组成部分。 近?来随着煤矿开采技术水平的进步，钻孔测斜技术在煤矿生产、建井工程及工程施工等方面发挥着越来越重要的作用，钻孔测斜技术的研究也日益受到重视。 所谓钻孔测斜技术，就是采用某种测?方法和仪器相结合，测?钻孔轴线在地下空间的坐标位置。 现代钻孔测斜技术是通过测?钻孔测点的顶角、方位角、工具面向角和孔深，经过计算可知测点的空间坐标位置，经过多点测?，从而得到所打钻孔的轨迹，以?及时纠偏，缩小钻孔预定轨迹和实际轨迹的误差。 测?钻孔方位角基本技术原?是通过测?地磁场的变化从而定位。 传统测斜仪长期以来采用磁通?方位角，该传感器的可靠性较差，难以满足井下作业现场的使用条件，阻碍了钻孔测斜技术的发展。 而霍尼维尔公司生产的三轴磁阻传感器，从体积、抗跌?和抗震动等各项指标上均远远优于磁通门，将其作为方位角传感器应用于钻孔测斜仪中能大大提高仪器的可靠性，从而实现在定向钻进导向测?方面的技术领先。 磁阻传感器是美国霍尼维尔公司生产的一种用于测?低磁场强度的三轴磁阻传感器混合电?组件，它由三个坡莫合金磁阻传感器和定制接电子设备构成，并含有灵敏度温度补偿电?。 混合电?为至单电源操作，并带有基准电压，每个，轴都有模拟输出可用，可检测的磁场强度范围为，工作温度范围在一。 传感器的磁敏感方向分别沿着双列直插混合电?的长，宽，高（）三个方向。 、磁传感器桥?与仪表放大器相连，输出的信号。 高斯对立着输出（典型值），该电压由参考电压决定。 地球磁场通常为高斯，放大的桥?输出灵敏度典型值为，输出模拟?在范围内变化。 利用这种混合电?的灵敏度和线性度可以在地磁场中探测各种变化，以提供罗盘方向的传感。 因此，对于要求或轴磁场感应、体积和抗振性有限制并只要求前段传感部分的应用来说，该混合电?是最?想的选择。 在测斜仪中的应用在钻井过程中连续测?钻孔方位参数需要测?个在空间上相互垂直的地球磁场分?，而使用一块磁阻传感器混合电?即可达到要求，体积又大大小于个磁通门传感器。 测斜仪无论处于哪种状态，都可通过传感器个轴的测?值计算出方位角。 将磁阻传感器混合电?安装在测斜仪探管顶端位置，板上提供的直流供电电压。 传感器输出信号经过滤波电?、放大电?与通道选择后送人带转换的单片机，最终通过总线传给地面上的工控机。 测?系统原?图如图所示。 需要注意的是由于磁阻传感器灵敏度极高，玻莫合金薄膜很容?受到外加磁场作用，当受到强磁场干扰时（大于高斯）薄膜磁化极性会受到破坏，传感器特性也会改变。 针对这一破坏性的磁场，需对敏感元件施加一个瞬态的强恢复磁场来恢复或保持传感器特性，即在电?中需加人一个置位复位电?，每经过一定的采样时间，给磁阻传感器施加一个置位或复位脉冲，来恢复和保持传感器特性。 当探管处于?同位置的钻孔中时，传感器的三个敏感轴会根据周围磁场的?同而输出相应的模拟?，通过坐标转换及程序计算，可计算出传感器所在位置的方位角度，从而得到所测钻孔轨迹。 测?坐标系变换?第期西部探矿工程图测?系统原?图在测?过程中，方位角的定义为探管轴线方向在水平面上的投影与地球磁?方向顺时针计?的夹角。 由于是空间角度的测?，我们引入两个坐标系标准坐标系和仪器坐标系。 设大地坐标系一为标准坐标系，测?仪器坐标系一。 当测?仪器处于空间任一位置时，可以通过建立倾斜参数计算公式得到所需角度。 在大地坐标系中，和分别为地球水平面磁东（）和磁?（）方向，为重?场方向。 在仪器坐标系中，和分别为探管的纵轴与横轴方向，为竖轴方向。 分别固定住测?仪器坐标系的一个轴?动，旋转另外两个轴，经过三次旋转后测?仪器坐标系与大地坐标系重合。 坐标轴旋转过程如下（）以轴为旋转轴，旋转平面，使与在面上的投影”重合，也旋至，记旋转角为（方位角）。 （）以”为轴旋转平面，使，与重合，此时也旋至，记旋转角为（倾角）。 （）以为轴旋转，平面，使，与重合，同时与重合，记旋转角为了（旋转角）。 由空间坐标转换关系可得一一即苫（）式中、殂大地坐标系中对应磁场方向的值，一般情况下取一，一；、磁阻传感器的输出值；、卜由双轴倾角传感器确定，故有。 眦一一丽一（）嚣在实际测?中，由于磁阻传感器各敏感轴之间的?正交和敏感轴与测?仪器坐标轴?重合带来的误差，都会极大的影响测?结果的精度，因此我们在程序计算中还需加入必要的优化系数，来提高测?的准确性。 磁阻传感器误差的补偿系统误差主要以下几个方面（）传感器安装误差。 传感器的敏感轴与仪器轴向?正交引起的误差。 （）使用环境引起的误差。 包括环境磁场影响；温度影响等。 （）数值误差。 包括数学计算中的舍入误差和截断误差等。 ?正交分?的误差补偿传感器自身制作工艺带来的误差以及传感器在载体上安装?当都会引起?正交分?。 设垂直坐标系，由于?正交分?的影响，实际坐标系，正交误差引起坐标变换如图。 在水平状态下令沿地磁场的最大方向（磁?极），?论值（传感器输出零点位置）输出应为零，此时输出一?（）将上输出与对等，补偿此误差?（）同?可得轴的校正公式一?一?（）补偿方法将装有传感器的测斜仪探管安装在标定西部探矿工程?第期（）图正交误差引起坐标变换图台上，分别贝。 、。 、。 、。 时每轴的输出，代入式（）、（）进?计算修正。 环境磁场干扰补偿地球磁场的方向总是平?于地球平面并指向磁?极。 磁阻传感器在没有铁磁材?的空间?，接受地磁场的方向?会受影响。 但一般情况下，外界环境?可避免存在铁磁材?，这些铁磁材?将干扰地磁场，相当于在地磁场上又加上了一个磁场。 如果这个磁场是恒定的，可以通过校正将其补偿掉。 其校正原?如下在没有干扰的情况下，将磁阻传感器旋转一周测?磁场的强度，以轴输出为横轴，轴输出为纵轴，绘制曲线近似为以（，）为圆心的圆。 将磁阻传感器安装在探管中，在测试环境下旋转一周并绘制曲线，它将近似为一个椭圆。 补偿的方法为求出椭圆的圆心，然后根据偏移?进?补偿，计算公式如下一厶、（）一一。 酉堕令坠雩式中轴的零偏移值；轴的零偏移值。 实验结果（）（）（）将装有磁阻传感器的测斜仪探管固定在无磁标定台上，使测斜仪分别位于几个?同的倾斜角条件下，测?方位角分别为。 、。 、。 、。 、。 、。 时磁阻传感器的输出。 测?方位角原始数据（模拟?电压值）及程序计算的结果如表所示。 从实验数据我们可以看出，探管无论位于水平钻孔或是有一定倾斜角度的钻孔中时，由磁阻传感器初步测?出的角度误差都在。 以内（剔除个别的粗大误差后），完全满足实际测?使用需要。 表标定台测?的原始数据机程序计算结果结论三轴磁阻传感器与磁通门传感器相比，?仅体积小，重?轻，而且?于安装；其抗震性、可靠性与耐损性也比磁通门大大提高；实验证明，其测?精度也可以达到磁通试水平；从价格上讲，磁阻传感器成本较低，?于产品化。 因此，将它作为方位角传感器应用在测斜仪中具有较广阔的市场应用