本实用新型涉及数据测量领域，具体而言，涉及一种测斜仪。
背景技术：
在石油测井领域，需要采用测斜仪来实现井眼轨迹参数测量，得到井斜角、方位角、相对方位角等工程参数。目前测斜仪用的较多的是采用三轴加速度计和三轴磁力计来实现测量，而传统的三轴加速度计输出各个轴的模拟信号，这些模拟信号会随着温度的变化而变化，故传统的三轴加速度计一般配合保温瓶使用，这样可以保证测量精度，但保温瓶存在体积大、成本高、安装调试不便等弊端。另外传统测斜仪要求三轴加速度计和三轴磁力计都必须正交安装，否则会影响测量精度。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种测斜仪，该测斜仪不再依赖于保温瓶，也不必依赖于精确的正交安装即可实现精确的测量。
本实用新型的实施例是这样实现的：
一种测斜仪，其包括依次连接的信号采集端、信号处理电路、多路器、AD转换器、单片机以及外围通信接口电路，所述多路器还与所述单片机连接；所述外围通信接口电路与所述测斜仪所包括的通信接口以及测试接口连接，所述单片机用于对所述信号采集端采集的信号进行温度补偿，还用于对所述信号采集端采集的信号进行位置校正。
在本实用新型较佳的实施例中，上述信号采集端包括三轴加速度计、三轴磁力计以及温度传感器，所述信号处理电路包括滤波电路以及温度测量电路，所述三轴加速度计以及所述三轴磁力计分别与所述滤波电路连接，所述温度传感器与所述温度测量电路连接。
在本实用新型较佳的实施例中，上述外围通信接口电路包括CAN调制电路以及RS232调制电路，所述单片机通过CAN总线与所述CAN调制电路连接，通过UART总线与所述RS232调制电路连接，所述CAN调制电路与所述通信接口连接，所述RS232调制电路与所述测试接口连接。
在本实用新型较佳的实施例中，上述单片机通过SPI总线与所述AD转换器连接。
在本实用新型较佳的实施例中，上述滤波电路包括第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容以及第一放大器，所述第一电阻一端与所述三轴加速度计连接，另一端与所述第一放大器的一个输入端连接，所述第一电容的一端接地，另一端与所述第一放大器的所述一个输入端连接，所述第一放大器的输出端依次连接所述第二电阻以及所述第一放大器的另一个输入端，所述第二电容与所述第二电阻并联。
在本实用新型较佳的实施例中，上述第一放大器的型号为OPA4140，所述一电阻、所述第二电阻为精密电阻，所述第一电容、所述第二电容为NPO电容。
在本实用新型较佳的实施例中，上述温度测量电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻以及第二放大器，所述第三电阻与所述第四电阻并联后与所述第二放大器的一个输入端连接，所述第五电阻一端与所述第二放大器的输出端连接，另一端与所述第三电阻连接，所述第六电阻一端接地，另一端与所述第二放大器的另一个输入端连接。
在本实用新型较佳的实施例中，上述AD转换器型号为CS5101。
在本实用新型较佳的实施例中，上述RS232调制电路包括RS232收发驱动芯片，所述RS232收发驱动芯片型号为MAX3226。
在本实用新型较佳的实施例中，上述CAN调制电路包括相互连接的CAN收发驱动芯片以及总线保护TVS管。
本实用新型实施例的有益效果是：本实用新型实施例提供了一种测斜仪，该测斜仪包括依次连接的信号采集端、信号处理电路、多路器、AD转换器、单片机以及外围通信接口电路，所述多路器还与所述单片机连接；所述外围通信接口电路与所述测斜仪所包括的通信接口以及测试接口连接。其中，所述单片机用于对所述信号采集端采集的信号进行温度补偿，还用于对所述信号采集端采集的信号进行位置校正，使得测斜仪不再依赖于保温瓶，也不必依赖于精确的正交安装即可实现精确的测量。
本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本实用新型实施例提供的测斜仪的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的测斜仪的结构框图；
图3是本实用新型实施例提供的测斜仪的信号采集端以及信号处理电路的结构框图；
图4是本实用新型实施例提供的测斜仪的滤波电路的电路示意图；
图5是本实用新型实施例提供的测斜仪的温度测量电路的电路示意图；
图6是本实用新型实施例提供的测斜仪的CAN调制电路的电路示意图。
图标：100－测斜仪；110－信号采集端；111－三轴加速度计；112－三轴磁力计；113－温度传感器；120－信号处理电路；121－滤波电路；122－温度测量电路；130－多路器；140－AD转换器；150－单片机；160－外围通信接口电路。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
请参照图1以及图2，本实施例提供一种测斜仪100，其包括信号采集端110、信号处理电路120、多路器130、AD转换器140、单片机150以及外围通信接口电路160。
其中，信号采集端110、信号处理电路120、多路器130、AD转换器140、单片机150以及外围通信接口电路160依次电连接，此外，所述多路器130还与所述单片机150连接，以便单片机150控制所述多路器130的通道选择，所述外围通信接口电路160与所述测斜仪100所包括的通信接口以及测试接口连接，便于数据的输出。
请参看图3，进一步的，所述信号采集端110包括三轴加速度计111、三轴磁力计112以及温度传感器113，所述信号处理电路120包括滤波电路121以及温度测量电路122，所述三轴加速度计111以及所述磁力112计分别与所述滤波电路121连接，所述温度传感器113与所述温度测量电路122连接。
三轴加速度计111可以采集三轴加速度信号(模拟信号)AX、AY、AZ，三轴磁力计112可以采集三轴磁力信号(模拟信号)MX、MY、MZ，温度传感器113可以采集温度信号TEMP。
由于三轴加速度计111以及三轴磁力计112分别与所述滤波电路121连接，温度传感器113与所述温度测量电路122连接，因此，由三轴加速度计111以及三轴磁力计112采集到的模拟信号可以输入滤波电路121，作为滤波电路121的输入信号；由温度传感器113采集到的温度信号TEMP可以输入到温度测量电路122，作为温度测量电路122的输入信号。值得指出的是，所述滤波电路121为低通滤波电路，且至少包括六路滤波通道，优选的，本实施例直接选用六路低通滤波电路进行介绍，使得三轴加速度计111采集的三轴加速度信号AX、AY、AZ中的每一个信号分别与滤波电路121的一路滤波通道连接，三轴磁力计112采集的三轴磁力信号MX、MY、MZ中的每一个信号也分别与滤波电路121的一路滤波通道连接，即AX、AY、AZ、MX、MY、MZ六路信号分别与一路滤波通道连接。
其中，请参看图4，所述滤波电路121可以采用低通滤波器来滤除信号中高频分量，保证测量精度。具体的，针对滤波电路121的每一个滤波通道，都可以包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2以及第一放大器D1。所述第一电阻R1一端与所述三轴加速度计111或者三轴磁力计112的信号输出端连接，另一端与所述第一放大器D1的一个输入端连接，所述第一电容C1的一端接地，另一端与所述第一放大器D1的所述一个输入端连接，所述第一放大器D1的输出端依次连接所述第二电阻R2以及所述第一放大器D1的另一个输入端，所述第二电容C2与所述第二电阻R2并联。
其中，连接三轴加速度计111的滤波电路121的截止频率高于连接三轴磁力计112的滤波电路121的截止频率，可以通过调整电阻电容值实现，这样可以得到更好的动态响应，可实现加速度校正、转速测量等高级技术。值得指出的是，用来计算姿态时需要进行软件滤波处理，使得三轴加速度计111的截止频率与三轴磁力计112的截止频率一致，具体地，三轴加速度计111的信号实现了过采样(是三轴磁力计112的信号采集频率的8倍)，然后均值滤波，再参与运算，之所以这样做是因为三轴加速度计111对振动非常敏感，测量过程中信号干扰较大，过采样、均值滤波的处理方法，大大提高计算的准确性和稳定性。
请参看图5，所述温度测量电路122可以包括第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6以及第二放大器D2，所述第三电阻R3与所述第四电阻R4并联后与所述第二放大器D2的一个输入端连接，所述第五电阻R5一端与所述第二放大器D2的输出端连接，另一端与所述第三电阻R3连接，所述第六电阻R6一端接地，另一端与所述第二放大器D2的另一个输入端连接。对于温度信号TEMP，温度测量电路122采用加偏置的方法使得输出温度信号在AD采样范围内(即±4.5V)。
其中，所述第一放大器D1、第二放大器D2的型号可以为OPA4140，所述一电阻R1、所述第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5以及第六电阻R6为精密电阻(0.01％精度)，所述第一电容C1、所述第二电容C2为NPO电容。即构成滤波电路121以及温度测量电路122的元器件均选用高精度、低温漂的电子元件，保证了测量精度，减少测量误差。
经过信号处理电路120与多路器130连接，经过信号处理电路120调制后的七路信号(AX、AY、AZ、MX、MY、MZ、TEMP)送入8选1多路器130内，多路器130的通道选择由单片机150控制，多路器130的输出信号进入到AD转换器140，由AD转换器140将七路信号中的每一路信号进行量化，得到每一路信号转换为数字信号的AD量化值。
其中，AD转换器140的精度是最关键的指标，本实施例选用CS5101这款16bit100KHz吞吐率的转换芯片，AD转换器140的高精度提高了测斜仪100整体的测量精度，AD转换器140的低温漂特性降低了温度补偿校正的难度。
AD转换器140通过SPI总线与单片机150连接，另外还有一根复位控制线和一根忙等待状态线STBY，复位控制线用于控制转换器140复位过程，复位时芯片内部执行自刻度过程，保证芯片的在各种温度环境下的转换精度。单片机150还与多路器130直接连接，使得单片机150可以获取到进行模数转换前的七路信号，还可以得到七路信号中每一路信号的AD量化值。单片机150可以基于模数转换前的七路信号以及到七路信号中每一路信号的AD量化值，将七路信号中除去温度TEMP信号的每一路AD量化值进行温度补偿以及位置校正。
具体的，单片机150将七路信号中除去温度TEMP信号的每一AD路量化值进行温度补偿的过程为：
步骤S110：获取所述信号采集端110采集的七路信号(AX、AY、AZ、MX、MY、MZ、TEMP)。
步骤S120：所述单片机获取所述AD转换器转换后的七路AD量化值。
步骤S130：根据所述温度信号TEMP(公式中为t)，基于公式V(t)＝F0+F1＊t+F2＊t2+F3＊t3，所述单片机分别计算其余六路信号中每一路信号的基偏以及刻度系数。
其中，基偏表示为Bxx，刻度系数表示为Sxx，(xx表示AX、AY、AZ、MX、MY、MZ)，F0、F1、F2以及F3为预先保存在单片机的EEPROM中的温度补偿参数，共计4＊2＊6＝48个浮点数，t为温度信号。
步骤S140：所述单片机基于每一路信号的基偏以及刻度系数、每一路AD量化值，计算得到温度补偿后的每一路信号的输出值。
计算公式为：
ax＝(ADAX＊9/65536)/SAX–BAX；
ay＝(ADAY＊9/65536)/SAY–BAY；
az＝(ADAZ＊9/65536)/SAZ–BAZ；
mx＝(ADMX＊9/65536)/SMX–BMX；
my＝(ADMY＊9/65536)/SMY–BMY；
mz＝(ADMZ＊9/65536)/SMZ–BMZ；
其中，AX、AY、AZ、MX、MY、MZ进行温度补偿后，分别对应为ax、ay、az、mx、my、mz；ADxxAD量化值，Sxx是刻度系数，Bxx是基偏，xx表示AX、AY、AZ、MX、MY、MZ。
其中，温度补偿范围是－20℃￣175℃。
本实用新型的测斜仪100在测量数据时，可以基于上述温度补偿方法对数据进行温度补偿，减少了温度对数据造成的误差，也不再依赖于保温瓶进行数据测量。
此外，单片机150将七路信号中除去温度TEMP信号的每一AD路量化值进行位置校正的过程为：
步骤S210：获取所述信号采集端110采集的七路信号(AX、AY、AZ、MX、MY、MZ、TEMP)。
步骤S220：获取所述AD转换器转换后的七路AD量化值。
步骤S230：根据所述温度信号TEMP(公式中为t)，基于公式V(t)＝F0+F1＊t+F2＊t2+F3＊t3，所述单片机分别计算其余六路信号中每一路信号的基偏以及刻度系数。
步骤S240：基于每一路信号的基偏以及刻度系数、每一路AD量化值，计算得到温度补偿后的每一路信号的输出值，共六路，分别为ax、ay、az、mx、my、mz。
上述步骤S210－步骤S240详细过程请参看S110－步骤S140。
步骤S250：基于如下公式计算得到校正后的加速度以及校正后的三轴磁力计输出值：
ax’＝ax＊CAxx+ay＊CAxy+az＊CAxz；
ay’＝ax＊CAyx+ay＊CAyy+az＊CAyz；
az’＝ax＊CAzx+ay＊CAzy+az＊CAzz；
mx’＝mx＊CMxx+my＊CMxy+mz＊CMxz；
my’＝mx＊CMyx+my＊CMyy+mz＊CMyz；
mz’＝mx＊CMzx+my＊CMzy+mz＊CMzz；
其中，ax’、ay’、az’分别为校正后的加速度的分量，mx’、my’、mz’分别为校正后的三轴磁力计输出值的分量，CAnn以及CMnn分别为预先保存的两套位置校正系数。两套位置校正系数均采用3X3矩阵表示，矩阵的中的值在这里用CAnn以及CMnn表示。
进行位置校正后的加速度的分量以及三轴磁力计输出值的分量可以修正由于三轴磁力计112以及三轴加速度计111由于安装位置偏差造成的数据误差，免去了仪器必须定期进行传感器精细调校的冗繁工作，且不用调校的固定安装大大增强了仪器的可靠性。
所述外围通信接口电路160可包括CAN调制电路以及RS232调制电路，单片机150通过CAN总线与所述CAN调制电路连接，通过UART总线与所述RS232调制电路连接，所述CAN调制电路与测斜仪100的通信接口连接，所述RS232调制电路与测斜仪100的测试接口连接。经过温度补偿以及校正后的数据可以通过外围通信接口电路160输出。
其中，所述RS232调制电路包括RS232收发驱动芯片，所述RS232收发驱动芯片型号为MAX3226。请参看图6，所述CAN调制电路包括相互连接的CAN收发驱动芯片以及总线保护TVS管。
测斜仪100的工作原理是：该测斜仪100包括依次连接的信号采集端110、信号处理电路120、多路器130、AD转换器140、单片机150以及外围通信接口电路160，所述多路器130还与所述单片机150连接；所述外围通信接口电路160与所述测斜仪100所包括的通信接口以及测试接口连接。单片机150能够对信号采集端110的基偏和刻度系数进行温度补偿校正，在保证测量精度的前提下去除了保温瓶，使得测斜仪100在成本、体积、操作便利性方便得到了很大的改善；另外单片机150能够对信号采集端110的安装位置偏差进行修正，免去了测斜仪100必须定期进行传感器精细调校的冗繁工作，且不用调校的固定安装大大增强了仪器的可靠性。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。