专利名称：陀螺测斜仪标定方法
技术领域：
本发明属于石油勘探仪器领域，涉及一种陀螺测斜仪标定方法，尤其涉及一种双轴动调陀螺与三支加速度计捷联测斜装置的标定方法。
背景技术：
陀螺测斜仪主要用于测量井眼轨迹，为井眼评估提供科学依据，其核心组件是惯性测量组件，包括一个双轴动调陀螺和三个石英加速度计，设计上采用捷联式机械编排有精密定位的惯性体。双轴动力调协陀螺是一种高精度，小体积，高可靠的陀螺仪。因其体积较小，所以动调陀螺与加速度计一起捷联组成的测斜仪已经被广泛应用于测井中。然而动调陀螺在实际测量中存在多种误差，其中主要有由误差力矩引起的零偏，热效应引起的标度因数误差， 标度因数非线性引起的误差。对与陀螺这种敏感器件，加速度、震动、杂散磁场、以及温度等外界因素的变化都会导致测量误差。因此设计一套合理的测斜仪标定方法，建立一套完善的陀螺误差补偿数学模型，就可以大幅度的改善陀螺测斜仪的测量精度。目前，标定陀螺测斜仪误差模型漂移系数的常用方法有两种1、传统的八位置标定方法；2、二十四位置标定方法。上述的两种方法都有一些的问题八位置标定虽然简单快捷，标定耗费时间短，但是标出的一阶零偏系数不够准确，无法满足高精度测斜设备的要求；二十四位置标定方法与传统的八位置标定方法相比，虽然模型参数标定精度上有了提高，但是由于位置过多，特是在加入陀螺温度漂移补偿时将耗费太多的时间和人力成本。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种适用于井下不同温度变化、测量精度高以及测量耗时短的用于一支双轴动调陀螺与三支加速度计捷联测斜装置的陀螺测斜仪标定方法。本发明的技术解决方案是本发明提供了一种陀螺测斜仪标定方法，其特殊之处在于所述陀螺测斜仪标定方法包括以下步骤I)将测斜捷联系统安装于三轴转台上，测斜捷联系统通过数据采集系统将数据传给与测斜捷联系统相连的计算机；所述测斜捷联系统包括一个双轴动调陀螺以及三支加速度计；所述计算机采样的测量数据保存在计算机中；所述每次由计算机采样的测量数据有六组，每组数据包括陀螺X轴电压值，陀螺y轴电压值，X向加速度计电压值，y向加速度计电压值，z向加速度计电压值，温度传感器电压值；2)找出测斜捷联系统的正北方向；3)根据十位置测斜对测斜捷联系统进行标定；所述十位置测斜中各个位置的方向表示如下第一位置陀螺X轴指向南，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指地；第二位置陀螺X轴指向东，陀螺I轴指向南，轴向加速度计方向指地；
第三位置陀螺X轴指向南，陀螺y轴指向东，轴向加速度计方向指天；第四位置陀螺X轴指向南，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指地；第五位置陀螺X轴指向天，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指南；第六位置陀螺X轴指向地，陀螺I轴指向北，轴向加速度计方向指东；第七位置陀螺X轴指向北，陀螺y轴指向天，轴向加速度计方向指东；第八位置陀螺X轴指向北，陀螺y轴指向地，轴向加速度计方向指西；第九位置陀螺X轴指向南，陀螺y轴指向天，轴向加速度计方向指西；第十位置陀螺X轴指向东，陀螺y轴指向地，轴向加速度计方向指北。
上述步骤2)的具体实现方式是2. I)调整三轴转台，使得井斜角与方位角为零，并将工具面角也调整到零位；2. 2)每隔一定角度旋转一次方位角，将每次由计算机采样的陀螺电压数据进行保存，并计算出每组数据的中位数；2. 3)将步骤2. 2)中处理的陀螺电压数据的中位数进行高阶拟合，找出拟合后曲线上的最大值点、最小值点、与最大值点对应的方位角大小以及与最小值点对应的方位角大小；所述最大值点所对应的方位角是陀螺X敏感轴，所述方位角是陀螺X轴与正北夹角；2. 4)根据步骤2. 3)中得到的方位角大小对工具面进行适应性调整，得到找到测斜捷联系统的正北方向。上述步骤3)的具体实现方式是3. I)根据十位置的先后顺序，依次在三轴转台上将测斜捷联系统摆放十种姿态，并通过计算机分别采用测斜捷联系统在不同位置的数据；3. 2)将步骤3. I)所采样的测量数据经过数学处理后，带入陀螺测斜仪静态数学模型，用最小二乘法解析得出陀螺静态模型中零偏系数和与加速度成比例的漂移系数；3. 3)得出在不同位置时基于陀螺测斜仪静态数学模型所得到的零偏系数以及与加速度成比例的漂移系数参数的二维数据表，对每个参数的数据进行曲线拟合。上述陀螺测斜仪静态数学模型G为ii-x = c%, + Sfs + aA· * Bkk + av *. + * Bjs= wv + B.fv + *. B.v:s + a,- *. Bvy + az *. Bva= Kx * Ylit3v = Rv * Vv式中%——动力调谐陀螺测量的角速度测量值；Kx、Ky—分别为陀螺X轴与I轴的标度因数；Vx、Vy—分别为陀螺X轴与y轴的真实测量值；ω χ、ω y——陀螺绕其输入轴的旋转速率；ax、ay、az-分别沿x、y、z方向的加速度；Bfx、Bfy——对加速度不敏感的零偏系数；Bxx, Bxy, Bxz, Byx, Byy, Byz——与加速度成比例的漂移系数。上述陀螺测斜仪标定方法还包括
4)对外界环境进行升温，并在不同温度段下对测斜捷联系统进行标定。上述步骤4)的具体实现方式是4. I)对外界环境进行升温并得出不同温度点下在不同位置时基于陀螺测斜仪静态数学模型所得到的零偏系数以及与加速度成比例的漂移系数参数的二维数据表；4. 2)对每个系数在不同温度下的数据进行曲线拟合。本发明的优点是本发明在分析了二十四位置的正交性特点后，新加入了两个位置，形成一种全新的十位置标定方法，该十位置标定方法精度的高低依赖于陀螺X轴是否与正北方向完全重合，因此在进行十位置标定之前首先要找到双轴动调陀螺的敏感轴方向，即找出双轴动调陀螺X轴与正北方向的夹角，使陀螺X轴与正北方向一致。分别按照十位置调整三轴转台 的姿态，保存采样后每个位置的数据值。将每个位置的均值带入陀螺测斜仪静态数学模型G中，最后通过最小二乘法的解析得到所需要的漂移系数；同时，考虑到井下复杂的温度情况，对陀螺测斜仪也进行了高温十位置标定，使仪器在不同的温度情况下都能有较高的测量精度。本发明克服了传统八位值标定法求出的模型参数精度不高的问题，同时也解决了二十四位置标定陀螺时耗时太长的问题。
图I是本发明所提供的陀螺测斜仪捷联机构原理图；图2是本发明所提供十位置标定的陀螺指向方位图。
具体实施例方式本发明在使用前，首先将测斜捷联系统安装于三轴转台上，测斜仪通过数据采集系统将数据传给与之相连的计算机，先找出陀螺敏感轴方向，在传统八位置的基础上新加入两个位置，构成十位置测斜方法，并在不同温度段下对其进行标定的方法。陀螺与加速度计组成的捷联机构原理参见图1，将测斜仪安装在三轴转台上，同数据采集系统相连，并将数据采集系统连接到计算机上。通过采样，每个位置的测量数据以.txt的形式保存在计算机中。每个.txt文件内数据一共有六组，分别是陀螺X轴电压值，陀螺y轴电压值，X向加速度计电压值，y向加速度计电压值，Z向加速度计电压值，温度传感器电压值。由于十位置标定方法精度的高低依赖于陀螺χ轴是否与正北方向完全重合，因此在进行十位置标定之前首先要找到双轴动调陀螺的敏感轴方向，即找出双轴动调陀螺X轴与正北方向的夹角。通过中位数计算，曲线拟合等数学方法可以找出这一夹角，并且可以计算出陀螺敏感轴的标度因数Kx、Ky。沿陀螺轴向旋转测斜仪，使陀螺χ轴与正北方向一致。此时，陀螺χ轴指向正北方向，以此位置为基准进行十位置标定。在上述工作的基础上，分别按照传统八位置，十位置调整三轴转台的姿态，保存采样后每个位置的数据值。将每个位置的均值带入陀螺测斜仪静态数学模型G中，最后通过最小二乘法的解析得到所需要的漂移系数。在本发明中，双轴动调陀螺的敏感轴的标度因数为
权利要求
1.一种陀螺测斜仪标定方法，其特征在于所述陀螺测斜仪标定方法包括以下步骤 1)将测斜捷联系统安装于三轴转台上，测斜捷联系统通过数据采集系统将数据传给与测斜捷联系统相连的计算机；所述测斜捷联系统包括一个双轴动调陀螺以及三支加速度计；所述计算机采样的测量数据保存在计算机中；所述每次由计算机采样的测量数据有六组，每组数据包括陀螺X轴电压值，陀螺I轴电压值，X向加速度计电压值，y向加速度计电压值，Z向加速度计电压值,温度传感器电压值； 2)找出测斜捷联系统的正北方向； 3)根据十位置测斜对测斜捷联系统进行标定； 所述十位置测斜中各个位置的方向表示如下 第一位置陀螺X轴指向南，陀螺I轴指向西，轴向加速度计方向指地； 第二位置陀螺X轴指向东，陀螺I轴指向南，轴向加速度计方向指地； 第三位置陀螺X轴指向南，陀螺I轴指向东，轴向加速度计方向指天； 第四位置陀螺X轴指向南，陀螺I轴指向西，轴向加速度计方向指地； 第五位置陀螺X轴指向天，陀螺y轴指向西，轴向加速度计方向指南； 第六位置陀螺X轴指向地，陀螺I轴指向北，轴向加速度计方向指东； 第七位置陀螺X轴指向北，陀螺I轴指向天，轴向加速度计方向指东； 第八位置陀螺X轴指向北，陀螺y轴指向地，轴向加速度计方向指西； 第九位置陀螺X轴指向南，陀螺I轴指向天，轴向加速度计方向指西； 第十位置陀螺X轴指向东，陀螺I轴指向地，轴向加速度计方向指北。
2.根据权利要求I所述的陀螺测斜仪标定方法，其特征在于所述步骤2)的具体实现方式是 2.I)调整三轴转台，使得井斜角与方位角为零，并将工具面角也调整到零位； 2.2)每隔一定角度旋转一次方位角，将每次由计算机采样的陀螺电压数据进行保存，并计算出每组数据的中位数； 2.3)将步骤2. 2)中处理的陀螺电压数据的中位数进行高阶拟合，找出拟合后曲线上的最大值点、最小值点、与最大值点对应的方位角大小以及与最小值点对应的方位角大小；所述最大值点所对应的方位角是陀螺X敏感轴，所述方位角是陀螺X轴与正北夹角； 2.4)根据步骤2. 3)中得到的方位角大小对工具面进行适应性调整，得到找到测斜捷联系统的正北方向。
3.根据权利要求2所述的陀螺测斜仪标定方法，其特征在于所述步骤3)的具体实现方式是 3.I)根据十位置的先后顺序，依次在三轴转台上将测斜捷联系统摆放十种姿态，并通过计算机分别采用测斜捷联系统在不同位置的数据； 3.2)将步骤3. I)所采样的测量数据经过数学处理后，带入陀螺测斜仪静态数学模型，用最小二乘法解析得出陀螺静态模型中零偏系数和与加速度成比例的漂移系数； 3.3)得出在不同位置时基于陀螺测斜仪静态数学模型所得到的零偏系数以及与加速度成比例的漂移系数参数的二维数据表，对每个参数的数据进行曲线拟合。
4.根据权利要求3所述的陀螺测斜仪标定方法，其特征在于所述陀螺测斜仪静态数学模型G为
5.根据权利要求4所述的陀螺测斜仪标定方法，其特征在于所述陀螺测斜仪标定方法还包括 4)对外界环境进行升温，并在不同温度段下对测斜捷联系统进行标定。
6.根据权利要求5所述的陀螺测斜仪标定方法，其特征在于所述步骤4)的具体实现方式是 ·4. I)对外界环境进行升温并得出不同温度点下在不同位置时基于陀螺测斜仪静态数学模型所得到的零偏系数以及与加速度成比例的漂移系数参数的二维数据表； ·4.2)对每个系数在不同温度下的数据进行曲线拟合。
全文摘要
本发明涉及一种陀螺测斜仪标定方法，包括1)将测斜捷联系统安装于三轴转台上，测斜捷联系统通过数据采集系统将数据传给与测斜捷联系统相连的计算机；测斜捷联系统包括一个双轴动调陀螺以及三支加速度计；计算机采样的测量数据保存在计算机中；每次由计算机采样的测量数据有六组，每组数据包括陀螺x轴电压值，陀螺y轴电压值，x向加速度计电压值，y向加速度计电压值，z向加速度计电压值，温度传感器电压值；2)找出测斜捷联系统的正北方向；3)根据十位置测斜对测斜捷联系统进行标定；本发明提供了一种适用于井下不同温度变化、测量精度高以及测量耗时短的用于一支双轴动调陀螺与三支加速度计捷联测斜装置的陀螺测斜仪标定方法。
文档编号E21B47/022GK102889076SQ201210341908
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者陈亮, 李晓东, 孙国鼎 申请人:西安思坦仪器股份有限公司