本发明属于矿井勘探测量技术领域，具体涉及一种用于井斜测量的低边测量装置，本发明还涉及上述测量装置的测量方法。
背景技术：
能源工业中，石油、天然气和煤炭的勘测和开采技术至关重要，矿井钻探开采的工作环境中，测量系统往往受到磁场干扰的影响，特别是具有随机性的强磁场场合，通常使用的井斜测量系统大多采用基于磁通门和加速度原理的测量结构，已经很难满足现在实际工况的需要。
现常用的井斜测量单元，大都采用磁通门和机械式框架陀螺，工作精度很容易受外界环境磁场、震动、冲击、温度等影响，结构复杂，不利于在复杂环境中使用。磁通门主要是测量弱磁场，但是钻探中可能存在大量强扰动磁场，淹没了磁通门对地磁的敏感信号，或者在磁屏蔽的内部需要测量，这样磁通门无法工作。陀螺结构复杂，长期工作下结构转动摩擦损耗会导致性能降低，且抗冲击性差，容易损坏。
石油工业定向钻井过程中，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。在无磁环境中，这些参数通常由随钻测斜仪完成测量。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。具体定义如下：
(1)井斜角β，井眼中心线与垂线之间的夹角，垂直方向井斜角是0°，水平方向井斜角是90°。井斜角的范围是0°～180°。
(2)方位角α，地球磁北方向和井眼水平投影方向的夹角,磁北方向和真北方向不同，并且各地区的磁偏角也不相同。方位角在0°～360°之间变化。当井斜是0°时，方位角也就无法确定。
(3)重力工具面角，也叫高边工具面角(gtf)，是俯视井眼方向仪器斜口朝向相对于井眼高边顺时针方向旋转的角度，也可以理解为高边方向线为始边,顺时针转到工具面与井底圆平面的交线所转过的角度；高边工具面角在0°～360°之间变化，当井斜为0°时，高边工具面角不确定
(4)磁性工具面角，是俯视井眼方向仪器斜口朝向与磁北方向之间的夹角。磁性工具面角(mtf)在0°～360°之间变化。当井眼轴线方向恰好在地球的极点，磁性工具面角也就无法测出。
由上述四个测量参数可知，工具面角参数的重要意义，工具面上面最高点为高边，对应的工具面下面最低点就是低边。能测量出低边，也就能确定高边。现有的低边参数测量装置测得的数据准确性不高，而且在复杂的开采环境下，还需要借助陀螺仪和磁通门进行测量，十分不便。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于井斜测量的低边测量装置，解决了现有低边测量装置测量准确性不高、使用不便的问题。
本发明的另一目的是提供一种用于井斜测量的低边测量方法。
本发明所采用的第一种技术方案是，一种用于井斜测量的低边测量装置，包括圆柱形钢筒，钢筒的上端面设有钢盖板，钢筒的内部同轴设有圆柱形绝缘结构，且绝缘结构的底面为球形凸起面，绝缘结构的内侧壁开设有一圈凹槽a，凹槽a内设有一圈碳膜滑环，绝缘结构的底部中心处开设有一圈凹槽b，凹槽b内设有一圈环形铜带，绝缘结构内设有钢珠，钢筒上分别设有接线柱a、接线柱b及接线柱c，接线柱a和接线柱b与碳膜滑环连接，接线柱c与环形铜带连接。
本发明所采用的第一种技术方案的特点还在于，
钢盖板与钢筒之间采用螺纹连接。
绝缘结构的材质为聚酰胺66。
碳膜滑环上设有开口，开口的两端分别连接接线柱a和接线柱b，接线柱c连接在环形铜带的任意一点处。
碳膜滑环的内表面向内凹陷。
钢珠的表面光滑镀金。
本发明所采用的第二种技术方案是，一种用于井斜测量的低边测量方法，具体过程如下：
步骤1，分别将接线柱a和接线柱b通过导线接通直流电，且接线柱a接正极，接线柱b接负极，将接线柱c作为测量电极；
步骤2，将钢筒倾斜放置，钢珠静止于钢筒内的最低点处，通过钢珠的外表面同时与碳膜滑环和环形铜带接触，即通过钢珠将接线柱a、接线柱b及接线柱c导通，并通过接线柱c输出电信号；
步骤3，根据步骤2输出的电信号，确定低边的位置。
步骤3的具体过程为：
碳膜滑环和接线柱a、接线柱b相当于可变电阻器件，碳膜滑环为电阻，钢珠处于碳膜滑环上不同的接触点位置，相当于滑动接点；
碳膜滑环当作分压器时，碳膜滑环高、低、滑动端输出电压分别用uh、ul、uw表示；
碳膜滑环当作可调电阻器时，碳膜滑环高端至低端总电阻和滑动端至低端电阻分别用r、rw表示
根据欧姆定律可得如下公式(1)：
(uh-ul)/r＝uw/rw(1)；
由上述公式(1)可知，rw阻值和滑动点在碳膜滑环的物理位置成正比，电阻值的比率和滑动端在碳膜滑环上的位置比率一致，在温度变化情况下，r/rw比值不变；由公式(1)可知，根据输出电压(uh-ul)/uw比值可得出电阻r/rw比值，再根据电阻r/rw比值得到滑动端在碳膜滑环上的具体位置。
本发明的有益效果是，本发明提供的用于井斜测量的低边测量装置，利用自由状态钢球在重力下始终静止于光滑底面最低点原理进行低边测量，本装置简单可靠，灵敏度高，工作温度范围大，稳定性强，耐久度高。可灵活安装，适用于各种需要进行低边倾斜方位等参数测量和低边信号输出的场合，具有广阔的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明一种用于井斜测量的低边测量装置的全剖视图；
图2是本发明一种用于井斜测量的低边测量装置的俯视图；
图3是本发明一种用于井斜测量的低边测量装置中进行工作面低边位置测量的等效电路图。
图中，1.钢筒，2.钢盖板，3.绝缘结构，4.凹槽a，5.碳膜滑环，6.凹槽b，7.环形铜带，8.接线柱a，9.接线柱b，10.接线柱c，11.聚酰亚胺漆，12.钢珠。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种用于井斜测量的低边测量装置，如图1、2所示，包括圆柱形钢筒1，钢筒1的上端面设有钢盖板2，钢筒1的内部同轴设有圆柱形绝缘结构3，且绝缘结构3的底面为球形凸起面，绝缘结构3的内侧壁开设有一圈凹槽a4，凹槽a4内设有一圈碳膜滑环5，绝缘结构3的底部中心处开设有一圈凹槽b6，凹槽b6内设有一圈环形铜带7，绝缘结构3内设有钢珠12，钢筒1上分别设有接线柱a8、接线柱b9及接线柱c10，接线柱a8和接线柱b9与碳膜滑环5连接，接线柱c10与环形铜带7连接。
钢盖板2与钢筒1之间采用螺纹连接。
绝缘结构3的材质为聚酰胺66。
碳膜滑环5上设有开口，开口的两端分别连接接线柱a8和接线柱b9，接线柱c10连接在环形铜带7的任意一点处。接线柱a8、接线柱b9、接线柱c10的接电柱均为铜制品。接线柱a8的一端和接线柱b9的一端分别与碳膜滑环5开口处的两端部连接，钢筒1的侧壁上开设有通孔a，接线柱a8的另一端和接线柱b9的另一端依次穿过绝缘结构3和通过a伸出钢筒1露出接电极。钢筒1的底部设有通孔b，接线柱c10的一端与环形铜带7的一点处连接，接线柱c10的另一端依次穿过绝缘结构3的底部和通孔b伸出钢筒1露出接电极。通孔a和通孔b处通过聚酰亚胺漆11填充密封。
碳膜滑环5的内表面向内凹陷，使碳膜滑环5的内表面与钢珠2的外壁恰好贴合。
钢珠12的表面光滑镀金。且钢珠12为超精密钢珠。
本发明一种用于井斜测量的低边测量装置的特点为，
1.本发明是简单机电结合设计，不受温度、磁场、压力干扰，适用性强，整体装置密封，简单方便，使用寿命长。
2.本发明体积小巧，机构简单，易于加工，易于安装，造价低廉。
3.本发明输出模拟电信号，信号传输方便，信号容易处理，抗干扰性能好。
4.本发明利用的原理简单，测量方法可靠，测量精度高。
5.本发明可适用于各行业领域的原位监测、测斜、定位等测量工作中作为低边基本参数测量，应用前景广阔。
本发明还提供上述低边测量装置的测量方法，具体包括如下步骤：
步骤1，分别将接线柱a8和接线柱b9通过导线接通直流电，且接线柱a8接正极，接线柱b9接负极，将接线柱c10作为测量电极；
步骤2，将钢筒1倾斜放置，钢珠12静止于钢筒1内的最低点处，通过钢珠12的外表面同时与碳膜滑环5和环形铜带7接触，即通过钢珠12将接线柱a8、接线柱b9及接线柱c10导通，并通过接线柱c10输出电信号；
步骤3，根据步骤2输出的电信号，确定低边的位置。
步骤3的具体过程如下：
碳膜滑环5和接线柱a8、接线柱b9相当于可变电阻器件，等效电路如图3所示，碳膜滑环5为电阻，钢珠12处于碳膜滑环5上不同的接触点位置，相当于滑动接点；
碳膜滑环5当作分压器时，碳膜滑环5高、低、滑动端输出电压分别用uh、ul、uw表示；
碳膜滑环5当作可调电阻器时，碳膜滑环5高端至低端总电阻和滑动端至低端电阻分别用r、rw表示
根据欧姆定律可得如下公式(1)：
(uh-ul)/r＝uw/rw(1)；
由上述公式(1)可知，rw阻值和滑动点在碳膜滑环的物理位置成正比，电阻值的比率和滑动端在碳膜滑环上的位置比率一致，在温度变化情况下，r/rw比值不变；由公式(1)可知，根据输出电压(uh-ul)/uw比值可得出电阻r/rw比值，再根据电阻r/rw比值得到滑动端在碳膜滑环上的具体位置。
实施例
在实际使用低边传感器时，将低边传感器钢筒1外壁接线柱a8定义为0点位，然后沿0点位为起点逆时针至接线柱b9柱脚点位钢筒1外壁蚀刻圆周360度，刻度线间隔1度。具体过程如下：
(1)接线柱a8接0v,接线柱b9接+5v；
5v＝5000mv,
5000mv÷360度＝13.89mv/度
如果测得钢珠12所处某位置时的输出电压为200mv，则其所在的低边位置为
200÷13.89＝14.4度，即可确定此状态下滑环面低边的具体点位在刻度线上的14.4度处。
(2)如果测得整个碳膜滑环5的电阻为1kω，接线柱a8接0v,接线柱b9接+5v,即r＝1kω＝1000ω,
(uh-ul)＝(5-0)＝5v＝5000mv,
如果测得钢珠12所处某位置时的低端输出电压为350mv，
即uw＝350mv，
根据公式(uh-ul)/r＝uw/rw，可得5000mv/1000ω＝350mv/rw
rw＝70ω，
rw/r＝70ω/1000ω＝0.07
因rw阻值和滑动点在电阻带的物理位置成正比，碳膜滑环5一周总阻值为1000ω，现在钢珠位于从接线柱a8点位为起点一周的0.07处，
360度×0.07＝25.2度，即可确定此状态下碳膜滑环5的滑环面低边的具体点位在刻度线上的25.2度处。
结合实际使用情况，低边刻度根据需要进行定位、引出、延伸，低边传感器可以应用到各种场合。