一种惯性测量单元的制作方法

本实用新型属于油田钻探用惯性测量装置领域，特别涉及一种惯性测量单元。
背景技术：
：随着石油资源的日益枯竭，国内外各大钻井公司纷纷将目光投向滩海、湖泊、稠油油藏及海洋等复杂地况的勘探和开发。小块零散油层的开采和大位移井、大斜度井、丛式井、水平井的日益增多，需要精度更高、使用上更加可靠的测斜仪器，同时，对方位和井斜的测量提出更高的要求。传统的油井测斜仪大都采用磁通门和机械式框架陀螺完成井斜测量，但其工作精度易受外部环境干扰，如磁场、振动和冲击等，且存在自身原理缺陷，测量范围较窄，结构复杂，不利于复杂工作环境下进行测量。近年来国内虽出现了基于光纤陀螺的测斜仪，但是此类测斜仪多是三个陀螺加三个加速度计或两个陀螺加三个加速度计的机械结构，体积大、结构复杂，且大多不能进行动态连续测量。专利CN101876244A所述的一种惯性测量单元以及动力调谐陀螺连续测斜仪，其惯性测量单元采用两个动力调谐陀螺和三个加速度计，虽然可以全方位连续测量井眼轨迹，但动力调谐陀螺制造复杂，尤其挠性接头十分脆弱，在振动过程中极易断裂，导致陀螺损毁；若加大挠性接头刚度，则精度将大大下降。专利CN203783564U所述的一种用于随钻测量的光纤陀螺测斜仪，其测量单元采用三轴光纤陀螺仪和三个三轴加速度计。当井斜角较大时，加速度计对井斜角变化的敏感力将急速下降，读数变得不可靠，致使仪器测量精度有所下降。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明提供一种惯性测量单元，所述测量单元包括旋转机构，所述旋转机构设有旋转机构骨架、第一光纤陀螺、第二光纤陀螺、第一加速度计、第二加速度计和数据采集单元，所述旋转机构骨架上设有第一光纤陀螺安装槽、第二光纤陀螺安装槽、第一加速度计安装平台、第二加速度计安装平台和电路安装平台，所述第一光纤陀螺和第二光纤陀螺通过螺钉分别固定于旋转机构骨架的第一光纤陀螺安装槽和第二光纤陀螺安装槽内，第一加速度计和第二加速度计通过螺钉分别固定于旋转机构骨架的第一加速度计安装平台和第二加速度计安装平台上，数据采集单元通过螺栓固定于旋转机构骨架末端的电路安装平台上；进一步地，所述第一光纤陀螺为新型光纤陀螺，其敏感轴方向沿陀螺轴向方向，所述第二光纤陀螺为新型光纤陀螺，其敏感轴方向沿陀螺径向方向；进一步地，所述测量单元还包括保护壳体、旋转变压器、伺服电机、电机固定架、过孔式导电滑环和角接触球轴承，所述旋转变压器、伺服电机、电机固定架、旋转机构、过孔式导电滑环和角接触球轴承设置在保护壳体的内部；进一步地，所述旋转变压器位于保护壳体底端，所述旋转变压器包括定子和转子，所述定子通过螺钉固定在保护壳体上，所述旋转变压器转子与伺服电机尾轴配合连接；进一步地，所述伺服电机两端分别通过螺栓固定在旋转变压器的上端和电机固定架下端，所述伺服电机输出轴为D型轴；进一步地，所述电机固定架位于伺服电机与旋转机构之间，所述电机固定架通过沉头螺钉固定于保护壳体上；进一步地，所述旋转机构通过螺栓连接伺服电机输出轴，所述旋转机构位于电机固定架与角接触球轴承之间，所述旋转机构上端设有转动轴；进一步地，所述过孔式导电滑环通过螺钉固定在所述旋转机构上端的转动轴上，所述过孔式导电滑环包括第二定子，所述第二定子通过沉头螺钉固定于保护壳体上；进一步地，所述角接触球轴承固定于保护壳体的顶端；本实用新型的有益效果如下：1)实用新型所提出的测量单元通过旋转机构骨架的三维坐标关系保证第一光纤陀螺和第二光纤陀螺敏感轴相互正交以及第一加速度计和第二加速度计敏感轴相互正交；2)本实用新型所提出的测量单元，其不受顶角大小的限制，可连续全范围测量井眼轨迹，测量精度高，效率高，可在井迹测量、成像测井技术中使用，不仅适用于油井、天然气井、煤矿井，也适用于定向井、有磁干扰的井；3)本实用新型所提出的测量单元，通过基于第一光纤陀螺的伺服电机控制，使得第一光纤陀螺的敏感轴与导航坐标系的相对位置始终保持不变，可减小实际工作过程中由于工作面连续变化导致的陀螺漂移，降低测量误差；4)本实用新型所采用的惯性测量单元采用两个光纤陀螺加两个加速度计的结构，体积小、成本低。附图说明图1为本实用新型惯性测量单元示意图；图2为本实用新型旋转机构示意图；图3为本实用新型旋转机构骨架示意图。具体实施方式为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。相反，本实用新型涵盖任何由权利要求定义的在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本实用新型有更好的了解，在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为对本实用新型的限定。下面为本实用新型的举出最佳实施例：如图1-图3所示，本实用新型提供一种惯性测量单元，所述测量单元包括保护壳体1、旋转变压器2、伺服电机3、电机固定架4、旋转机构5、过孔式导电滑环6和角接触球轴承7；旋转变压器2、伺服电机3、电机固定架4、旋转机构5、过孔式导电滑环6和角接触球轴承7布置于保护壳体1的内部，旋转变压器2位于保护壳体1底端，旋转变压器2定子通过螺钉固定，旋转变压器2转子与伺服电机3尾轴配合连接，伺服电机3位于旋转变压器上端和电机固定架4下端，通过螺栓固定，电机固定架4位于伺服电机3与旋转机构5之间，通过沉头螺钉固定于保护壳体1上，伺服电机3输出轴为D型轴与旋转机构5通过螺栓相连接，旋转机构5位于电机固定架4与角接触球轴承7之间，过孔式导电滑环套装在旋转机构5上端转动轴上，通过螺钉固定，过孔式导电滑环6定子通过沉头螺钉固定于保护壳体1上，角接触球轴承7固定于保护壳体1的顶端。所述旋转机构5包括：旋转机构骨架5-1、第一光纤陀螺5-2、第二光纤陀螺5-3、第一加速度计5-4、第二加速度计5-5和数据采集单元5-6；第一光纤陀螺5-2和第二光纤陀螺5-3通过螺钉分别固定于旋转机构骨架5-1的第一光纤陀螺安装槽5-1a和第二光纤陀螺安装槽5-1b内，保证其敏感轴相互正交，第一加速度计5-4和第二加速度计5-5通过螺钉分别固定于旋转机构骨架5-1的第一加速度计安装平台5-1c和第二加速度计安装平台5-1d上，保证其敏感轴相互正交，数据采集单元5-6通过螺栓固定于旋转机构骨架5-1末端的电路安装平台5-1e上。所述第一光纤陀螺5-2为新型光纤陀螺，其敏感轴方向沿陀螺轴向方向，所述第二光纤陀螺5-3为新型光纤陀螺，其敏感轴方向沿陀螺径向方向。本实用新型在使用时，通过基于第一光纤陀螺5-2的伺服电机控制及小井斜角伺服连续测斜方法和基于第一加速度计5-4的伺服电机控制及大井斜角伺服连续测斜方法分别解决小井斜角和大井斜角下连续测斜问题，实现连续全方位测量井眼方位角、井斜角和工具面角，继而连续获得井眼轨迹。同时，小井斜下通过第一光纤陀螺5-2伺服控制电机，可减小实际工作过程中由于工作面连续变化导致的陀螺漂移，降低测量误差，延长单次工作时间，提高工作效率。具体步骤包括：1)通过伺服电机驱动旋转机构完成四位置初始对准；2)小井斜角下通过基于第一光纤陀螺的伺服电机控制及小井斜角伺服连续测斜方法实现小井斜角下连续测井；3)大井斜角下通过基于第一加速度计的伺服电机控制及大井斜角伺服连续测斜方法实现大井斜角下连续测井。所述初始对准方法为：伺服电机3驱动旋转机构5，分别旋转0°、90°、180°和270°，旋转变压器2保证旋转机构5旋转位置的精确度，第二光纤陀螺5-3、第一加速度计5-4和第二加速度计5-5在四个位置通过数据采集单元5-6分别采集角速度和加速度信息，对第二光纤陀螺5-3、第一加速度计5-4和第二加速度计5-5在0°和180°两位置的结果相减对消，分别记为：ωx、ax和ay，第二光纤陀螺5-3在90°和270°两位置的结果相减对消，记为：ωy。根据公式(a)、(b)和(c)进行计算，得到方位角、井斜角和工具面角的初始值A0、I0和T0。I0=arcsinax2+ay2g---(b)]]>T0=arctanaxay---(c)]]>式中当地测井纬度ωe：地球自转角速度所述小井斜角伺服连续测斜方法为：通过基于第一光纤陀螺5-2的伺服电机3控制，使得第一光纤陀螺5-2的敏感轴始终相对于导航坐标系的相对位置不变，即ωnbzb=0---(d)]]>来计算方位角A的变化率和井斜角I的变化率通过结算获得方位角A和井斜角I的增量，继而获得井眼轨迹。当方位角和井斜角的初始值A0和I0已知时，可通过递推算法，公式(e)A=A0+A^ΔtI=I0+I^Δt---(e)]]>来计算井眼轨迹，其中Δt为时间步长。当仪器缓慢匀速运动时，哥氏加速度和仪器相对地球转动产生的向心加速度与g相比较小，因此，连续匀速运动时仍然只考虑g的投影分量。连续测量时，载体系OXbYbZb相对导航系OXnYnZn的旋转角速率可表示为公式(f)所示：ωnbb=-sinIcosTsinT0sinIsinTcosT0cosI01A^I^T^---(f)]]>将公式(f)第三项展开，并结合公式(d)可得到公式(g)，cosIA^+T^=0---(g)]]>方位角变化率的计算公式为公式(h)：A^=-T^cosI---(h)]]>公式(h)中工具面角变化率由公式(i)得到，T^=arctan(astnaytn)-arctan(axtn-1aytn-1)---(i)]]>其中：axtn为tn时刻第一加速度计5-2的输出，aytn为tn时刻第二加速度计5-3的输出，为tn-1时刻第一加速度计5-2的输出，为tn-1时刻第二加速度计5-3的输出。将公式(f)中的第二项展开，并结合公式(h)，可得井斜角变化率的计算公式为公式(j)I^=ωnbxb+A^sinIcosTsinT---(j)]]>根据公式(e)，计算得到各个时刻的方位角A和井斜角I。工具面角T根据公式(k)计算：T=arctanaxay-φ---(k)]]>其中ax为当前时刻第一加速度计5-2的输出，ay为当前时刻第二加速度计5-3的输出，φ为旋转变压器2的输出。所述小井斜角伺服连续测斜方法为：通过基于第一光纤陀螺5-2的伺服电机3控制，使得第一光纤陀螺5-2的敏感轴与导航坐标系的相对位置始终保持不变，可减小实际工作过程中由于工作面连续变化导致的陀螺漂移，降低测量误差。所述大井斜角伺服连续测斜方法为：通过基于第一加速度计5-2的伺服电机3控制，使得第一加速度计5-2的输出始终为0，实现工具面角伺服，根据公式(c)可知，此时计算工具面角T’＝0(l)将公式(f)第一项展开，并结合公式(l)，可得大井斜角情况下方位角的变化率，公式(m)A^=ωnbxb-sinI---(m)]]>由递推公式(e)计算得到各时刻的方位角A。大井斜角情况下，井斜角I变化很小，可直接通过公式(n)计算I=arcsinax2+ay2g---(n)]]>此时，实际工具面角T由公式(o)计算T＝-φ(o)以上所述的实施例，只是本实用新型较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本实用新型技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本实用新型的保护范围内。当前第1页1 2 3