矿井生产安全检测的测斜仪系统设计-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 矿井生产安全检测的测斜仪系统设计指 导 教 师 : 2013 年 3 月 20 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述一、研究目的山西省具有丰富的矿产资源，特别是煤炭产业是我省的支柱产业，安全生产一直是困扰煤炭生产的一大难题 5。钻孔测斜仪是钻斜井、钻定向井时，测量其井身轨迹的专用仪器。20 世纪 90 年代以来，各类岩土工程对钻孔孔斜精度的要求越来越高，早期研制和生产的各种钻孔测斜仪大多数不能适应新的市场需求，因此，传统结构原理的测斜仪纷纷被淘汰，新型结构原理的测斜仪不断涌现。 。它是目前国内外在岩体土建工程中应用最广泛的一种精密的检测仪器，可用以观测土石坝、堤防、土体边坡、建筑物基坑、地下建筑工程土体内部以及铁路、港口、公路、水利、高层建筑等基地内部层面的倾斜角度变化和水平位移变化圈。在煤层地质异常体探测（如断层）与采前瓦斯抽采、煤矿井下定向钻进施工作业中，难免会发生钻孔偏斜和偏离设计位置，如果不能实时精确确定钻孔姿态和位置信息，会给施工带来很大的盲目性而容易导致钻孔报废，钻孔事故频繁或其它安全事故的发生 6。迫切要求矿井施工中能够实时、精确地掌握钻孔的位置信息，以避免安全事故的发生。测斜仪系统设计的完成，对我省的矿产资源开发，特别是煤炭生产安全监测有重大的社会意义 。测斜仪该成果还可应在油田生产、矿产勘探、井下找孔、旧井及老井的二次开发等领域中，为我国的矿产资源生产带来了极大的安全保障，提高了不可再生资源有效利用率，具有重大的社会价值 11。二、研究现状先进国家在设计钻孔测斜仪时采用加速度计和磁通门研制成功的钻孔测斜仪产品极为广泛普遍。而在采用新型陀螺发展钻孔测斜技术方面，美国采用了双轴加速度计的电动调谐的双轴速率陀螺和挠性陀螺，提高了陀螺测斜仪的性能 3。这些新型陀螺具有可以减少漂移、提高精度、不需要地面对准等技术优点 4。我国钻孔倾斜仪的研究起步较晚，一些重要工程所急需的钻孔倾斜仪，都是从国外进口。面向矿井生产安全监测的随钻测量和定位问题一直以来是困扰业界的一项技术难题，目前市面上随钻测斜系统主要有采用惯性导航技术和磁测技术两大类。国外公司的导向定位仪器实现了钻头姿态参数的测量以及钻头的定位与定深，但价格昂贵、操作复杂、过于依赖操作人员等不足，有的还存在这样或那样的使用限制，无法有效满足地下自动定向钻进测量的要求。通过对其文献的研究和仪器的具体分析，发现多数都是在某一方面致力于解决工程问题，对随钻测量方法和定位技术并没有从理论上进行系统的研究，已有的测量方法还不成熟、不完善，精度和误差等因素也没有进行深入的探讨，得出指导性的结论 9。我国的煤田测井始于 1954 年，经过近六十年的发展，测井技术经历了从模拟测井到数字测井、数控测井、成像测井的发展历程，特别是随钻测井技术的快速发展，现已成为煤田地质勘探不可缺少的勘探手段。随着电子技术、计算机技术和新材料等现代科学技术的发展，测井方法和技术装备不断完善，测井解决地质问题的能力越来越强 7 。20 世纪 80 年代，南京水利科学院和南京自动化设备厂等一些单位研制成功了电阻应变片式钻孔倾斜仪;1986 年航天部 33 所与北京水科院联合研制成功伺服加速度计式钻孔倾斜仪，正式定型为 CX 一 01 型数字显示测斜仪，在国内使用广泛;随后航天部 702 所开发研究成功 5512 型滑动式测斜仪(伺服加速度计式);冶金工业部武汉勘察研究院研制成功 CX 一 56 型高精度钻孔测斜仪(液体泡光电式);为解决测斜管扭转问题，1990 年中国水科院仪表研究所研制成功了 CN 型测扭仪。到 90 年代，很多厂家已生产出多种类型用于土工测试的倾斜仪。目前在滑坡监测领域，国内外深部位移监测设计孔深多在 8 枷以内，销售的仪器也多配以 5080m 电缆，采用人工提拉、有缆测量。但是，在孔深超过 80m，甚至达 300 多米，有缆人工提拉测量受到先天制约 15。目前，测斜仪的在测斜技术上取得了一些最新进展，随着微位移检测技术的发展和对地壳形变观测仪器要求的不断提高，短基线倾斜仪的研究也取得了很大的进展，新的测量原理和新的结构设计不断涌现。这里面比较有代表性的研究成果有折叠摆倾斜仪、激光倾斜仪以及二维垂直摆倾斜仪等 8。三、综述随钻测斜仪可在不中断钻井过程的条件下准确、可靠、实时地测量各种钻井参数（井斜、方位等），使定向人员便于控制井眼轨迹。这样钻出的井眼轨迹圆滑，井身质量好，减少了因井身质量差而造成的钻井事故。定向钻井过程中，为了能有效控制井眼轨迹，必须对井斜、方位、工具面等参数有精确的测量 1。在无磁环境中，这些参数通常由随钻测斜仪完成测量 12。随钻测斜仪输出数据要转化为钻井工程技术人员需要的角度参数必须经过坐标变换，变换后的参数形式才为井斜、方位、重力工具面角和磁性工具面角 10。目前市面上随钻测斜系统主要有基于惯性导航技术和磁测技术两大类，基于惯性技术的高精度随钻测斜仪主要采用动调陀螺或光纤陀螺等组成井下随钻测量单元 13，但价格昂贵，体积大，抗振和抗冲击差等易受环境因素影响；而基于磁测技术的随钻测斜系统，特别容易受矿井磁性干扰，随钻测斜设备将不能准确测定钻孔方位，无法实现钻井轨迹测的高精度的测量 2。监于上述产品的缺点，我们创新地利用高精度MEMS 惯性器件具有低成本、体积小、抗振、抗冲击和不易受环境因素影响等特性，基于惯性技术研究出新的钻井姿态解算算法，设计实现了基于 MEMS 惯性器件的高精度随钻测斜系统 14。本毕业设计的主要工作就是针对当前测斜仪的现实，设计完成矿井生产安全监测的测斜仪系统设计 10。主要完成以下几方面的工作：1通过对国内外钻孔测斜仪的研制进行深入的了解，分析总结了现有测斜仪的测斜理论和实现方案，确定系统总体设计方案;2选择经济适用的元器件;3系统软件、硬件设计;4对系统进行调试。参考文献：1 李邓化，陈雯柏，彭书华. 智能传感技术（第一版） 北京：清华大学出版社 2011237 2 李朝青. 单片机原理及接口技术（第三版）北京航空航天大学出版社 2005 2793 Lee, Y.-G.,Jang, H.-K.,Kim, D.-H. et al.Development of a mirror mounted fiber optic inclinometerJ.Sensors and Actuators. A, Physical,2012,184:46-52. 4 Paulo Fernando Costa Antunes,Carlos Alberto Marques,Humberto Varum etal.Biaxial Optical Accelerometer and High-Angle Inclinometer With Temperature and Cross-Axis InsensitivityJ.IEEE sensors journal,2012,12(7):2399-2406. 5崔文龙. 对当前煤矿安全生产问题的探究 J. 科技创新与应用,2013,No.4202:96-97.6 潘伟尔. 我国煤矿安全生产问题研究J. 中国能源,2005,07:8-15.7张典荣. 矿井测井技术的现状与展望J. 技术与创新管理,2012,v.33;No.14404:464-466.8 汪之印,刘文学,刘立文等.陀螺测斜仪原理与应用分析J.总裁,2009,(8):161. 9 唐军.YHQ-X 型全方位钻孔测斜仪在煤矿地质超前钻探中的应用J.煤炭技术,2007,26(10):96-97.DOI:10.3969/j.issn.1008-8725.2007.10.05410 詹文彬.智能钻孔测斜仪设计D.西南交通大学,2009.DOI:10.7666/d.y1573403.11 杨昌均.光纤陀螺测斜仪热仿真分析与优化设计D.国防科学技术大学,2011. 12 张典荣,朱晓荣.高精度全方位钻孔测斜仪的研究及应用J.煤田地质与勘探,2003,31(4):58-60.DOI:10.3969/j.issn.1001-1986.2003.04.019. 13 张玉波,毕洪波,魏春明等.高精度随钻测斜仪的设计J.电子技术应用,2007,33(10):78-80.DOI:10.3969/j.issn.0258-7998.2007.10.02614 张玉波,孟耀华,魏春明等.随钻测斜仪中传感器信号处理技术研究J.昆明理工大学学报,2010,35(2):72-75.DOI:10.3969/j.issn.1007-855x.2010.02.015. 15 左永江,周兴旺,洪伯潜等.立井建设中的钻-注平行作业施工技术J.煤炭科学技术,2011,39(1):33-36. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、本课题要研究或解决的问题本设计要求采用磁传感器和速度计研制测斜仪系统，用于解决矿井钻孔施工中实时精确掌握钻孔姿态和位置测量的难题。要求测量精度达到井斜角1和方位角2 。本项目成果面向矿井生产安全监测领域，主要应用在矿井施工、煤矿井下定向钻进、石油测井，避免矿井钻孔事故发生。二、拟采用的设计研究手段 应用的工作环境决定了该系统包括井下随钻测斜仪单元和地面监控系统两部分，采用由钻杆与地层构成的信号传输通道进行地面仪器和井下仪器通信。井下仪器需要完成倾斜角、方位角和工具面角等各种参数的测量，并且进行实时存储，或由通信信道把数据传回地面，由地面仪器对井下传上来的信息进行接收、计算、处理等。基于MEMS 惯性器件的随钻测斜仪系统方案本项目基于 MEMS 陀螺的高精度随钻测斜仪系统设计方案图 1 所示。井下随钻测试仪器系统方案中加速度计、陀螺仪的作用是采集数据，再由 A/D 进行数据转换，再将数据存储后传到地面系统。图 1 基于 MEMS 陀螺的随钻测斜仪系统方案三、进度安排 2 月 20 日3 月 10 日:收集资料，开题准备；3 月 11 日3 月 31 日:掌握测斜仪的原理；4 月 1 日4 月 10 日:掌握矿井生产安全检测的测斜仪系统的原理及制作方法；4 月 11 日5 月 10 日:设计测斜仪，元器件选型，绘制原理图；5 月 10 日5 月 30 日:制作 PCB 版图，系统仿真分析及相关参数测试；6 月 1 日6 月 10 日:毕业设计说明书的撰写；论文答辩。 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见：乔非儿同学针对毕业设计课题，充分利用图书馆资源和网络资源，查阅了大量的文献资料，加深了对所做课题背景和意义的了解，明确了研究的目的。在对所查文献进行归纳和整理的基础上，阐述了矿井随钻测斜