数字式测斜仪（共8篇）
数字式测斜仪 篇1
0引言
测斜仪是一种测定钻孔侧向位移的原位监测仪器, 广泛地应用于交通、冶金、煤炭、水利水电及城建部门的岩土工程原位监测中[1], 尤其适用于确定自然边坡和人工边坡的稳定性、堤坝和大坝的稳定性、板桩和地下连续墙的变形、隧道施工引起的地面变形、桥墩和桥台的运动、桩身侧向加载产生的挠度等方面。目前国内市场上相继出现了各种各样的测斜仪产品, 如照相式单多点测斜仪、电子单点测斜仪、电子多点测斜仪、有线随钻测斜仪和无线随钻测斜仪等[2], 这些测斜仪分别适用于不同的场合。随钻测斜仪由于工作环境恶劣, 测量精度一般在±0.1° 左右[2,3,4,5];电子测斜仪一般由测斜仪探头、电缆、数字采集器、电缆滚筒、OMSDAS数据处理系统等几部分组成, 其中电缆既是连接测斜仪与数字采集器的导线, 也是提升测斜仪探头的牵引绳, 存在质量大、易破损、监测操作强度大、长度有限等缺点[6];部分高精度、先进的测斜仪产品是从国外引进的, 价格昂贵。本文将介绍基于PIC微控制器的一种数字化无缆连续测斜系统。
1测斜仪的工作原理
按使用方式的不同, 测斜仪可分为滑动式测斜仪和固定式测斜仪[1], 本文所介绍的测斜仪属于滑动式测斜仪, 滑动式测斜仪是通过逐段测量其测斜管与铅垂线的夹角, 利用几何关系计算得到测斜管轴线与铅垂线的水平偏移量, 不同时刻测斜管轴线在某一方向的偏移量即为土体的侧向位移大小[1]。
设在测点n处, 测得其倾斜角为θn, 且n点到n-1点的距离为L (每次测量时测量的深度增量不变, 一般取500 mm) , 则该点处的水平偏移量S为:
undefined. (1)
利用式 (1) 可以算得各测点处的水平偏移量, 通过计算不同时刻在某一方向的偏移量求出土体的侧向位移, 就可确定土体的稳定性、倾斜变化速率等。
2总体方案设计
系统由下位机和上位机组成, 下位机实现测量信息采集, 上位机实现数据处理、显示输出。系统设计时, 选择性能优良的工业级器件, 尽量使电路简单, 以减小仪器体积, 提高系统的可靠性。
下位机的传感器、微控制器及供电电池一起封装在测斜仪探头内, 针对不同测量深度, 测量前设定总的测量点数和定时器定时时间, 控制数据的采样时刻, 实现对不同深度测点处的数据采集。测量过程中数据存储于下位机存储器中。
上位机通过串行接口与下位机通信, 将测量数据存入后台数据库中, 通过访问数据库, 实现测量图表的绘制及图表打印输出。
3硬件设计
系统的硬件设计主要是下位机系统的设计。下位机系统包括传感器、微控制器、通信接口电路和电源。
3.1传感器
传感器采用芬兰VTI Technologies公司的SCA100T系列双轴倾角传感器, 抗震性强, 分辨率达0.002 5°, 工作温度范围为-40 ℃～125 ℃, 输出模拟电压范围是0.5 V～4.5 V, SCA100T-D01的量程为±30°, SCA100T-D02的量程为±90°。该系列传感器内部配有温度传感器, 具有温度自补偿的功能。
3.2微控制器
微控制器采用Microchip公司的8位PIC16F876A芯片, 该芯片体积小, 支持高性能精简指令集 (除分支语句为双指令周期外, 所有指令均为单指令周期) , 内置14.3 K高速闪存程序存储器、256字节EEPROM数据存储器、368字节RAM, 一个5通道、精度为10位的A/D转换器 (含采样保持器) , 三个定时器, 串行通信接口单元、监视定时器WDT等功能模块。
3.3通信接口电路
下位机与上位机采用RS-232C串行通信方式传送数据, 下位机串行口通过电平转换MAX232芯片, 可与上位机串行口连接, 由下位机按键控制将测量数据发送至上位机并存储至后台数据库中。
3.4电源
电源电路包括稳压电路和可充电电池。稳压电路采用78M05芯片和REF02芯片, 其中 78M05芯片输出作为微控制器的数字电源, 其输出电压精度为±2%。而REF02的输出给传感器供电, 并为微控制器内置的A/D提供基准电压, 其输出电压精度为±0.1%, 其线性调整率0.008%/V, 温度波动最大为8.5 ppm/℃。
系统的硬件框图如图1所示。
4软件设计
系统的软件设计包括下位机程序设计和上位机程序设计。下位机程序的编译环境为MPLAB IDE, 采用C语言实现。上位机程序设计界面采用Microsoft Visual C++6.0, 并使用Microsoft Access构建数据库。
下位机程序可以分为A/D采样、数据滤波与存储和数据传送几个部分。
(1) 微控制器定时控制A/D转换器, 实现两路模拟量信号的采样, 通过硬件定时器控制每个测点的采样频率, 结合软件计数, 控制两个检测点之间的定时。
(2) 每个测点每路信号采样20个数据, 数字滤波采用去除最大的6个数据和最小的6个数据, 将余下的数据算术平均后作为滤波值存入EEPROM中。
(3) 数据传送采用单工方式, 通过上位机界面提示、下位机按键控制, 按照设定的通讯协议将数据通过RS-232C发送至上位机。
上位机程序可以分为数据接收、数据入库、图表绘制几个部分。
(1) 采用MSCOMM控件接收测量数据, 当系统检测到接收缓冲区中有数据时, 触发串口事件, 读取数据。
(2) 利用ADO技术操作Access数据库, 将接收的数据经过误差校正后添加至后台数据库。
(3) 采用人机交互查询需绘制图表的测量纪录, 利用GDI函数绘制倾斜位移、深度关系曲线, 并生成与曲线图相对应的倾斜位移、深度数据表, 通过人机交互控制图表的打印。
上位机程序流程图如图2所示。
5实验结果
在室内对系统进行了实验测试, 实验包括系统可重复性测试与系统输出线性度测试。在进行系统可重复性实验时, 通过多次重复测量同一角度值检验系统测量的可重复性;在进行系统输出线性度实验时, 不断改变传感器的角度, 用万用表测量其输出电压, 使传感器的某一轴上的角度由-30°逐渐增大至+30°, 其输出由0.5 V逐渐增加至4.5 V, 用上位机实时显示测量的角度值, 以检验系统输出线性度。下面是实验测试时的测量界面、倾斜位移、深度关系曲线界面与系统输出线性度曲线界面, 如图3、图4与图5所示。
由图4可以看出, 系统地可重复性比较好, 在倾斜位移、深度关系曲线图中, 系统测得的角度值基本不变, 在9米测点、10米测点与11米测点间有比较小的波动, 系统在10米测点处的测量值为0.22°, 其他点处均为0.29°, 这是因为在重复测量该角度值时REF02因测量噪声干扰引起的输出扰动, 从而引起A/D采样值和传感器输出值的波动。由图5可以看出, 系统输出的线性度比较好, 该曲线的斜率基本不变。
6结束语
本文实现了数字化无缆连续测斜系统的设计, 并通过室内实验对系统性能进行了测试, 系统的可重复性好, 测量精度可达±0.07°。可通过使用更高精度的电源稳压模块和A/D模块来提高系统的测量精度。
参考文献
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测斜仪的设计与实现 篇2
测斜技术是确定物体在空间的倾斜和倾向的专门技术,它应用于空间飞行器的惯性测量系统、岩体倾向判断、土程钻孔轨迹监测等许多方面。若在岩体上使用,一般选取岩体表面以下一定深度的位置作为相对稳定点,每隔一定距离观测该段岩体的倾斜度变化,从而推算得到水平位移,并最终可得到每个测点相对于稳定点的水平位移,及早地了解深层岩体的运行变化状况,掌握边坡岩体的内在运行形态,如发现异常,即可采取有效措施。
2 测斜仪的工作原理
测斜仪的测斜原理是通过测头传感器加速度计测量重力矢量g在测头轴线垂直而上的分量大小,确定测头轴线相对水平的倾斜角,据此计算出测头相对水平面的垂直位移。当测头处于竖直状态时,测头中的传感器处于零位,石英饶性伺服加速度计的敏感轴处于水平状态,矢量g在感敏轴上的投影为零,此时的加速度计输出值为零,称为零偏,一般情况下零偏总是存在的。当加速度计与水平面存在一倾角度时,加速度计输出一个电压信号:Uout=k 1gsinθ+k0。测量时,当测头在测斜导管内自下而上以一定间距(可设定0.5 m)逐段滑动测量时,测头内的传感器敏感地反映出测斜导管在每一深度处的倾斜角度变化,从而得到测斜导管每段连续变化的水平位移增量∆i,即∆i=L sinθ,式中L为测点间距,把每段的水平位移增量自下而上逐段累加,便得到不同深度及孔口的总位移量δi=∆i=∑Lsinθ。测斜仪经过单片机控制模块分析及处理,直接在液晶屏上显示被测点的水平位移量值∆x和倾角θ变化量。
3 硬件设计
测斜仪系统以单片机为控制核心,以相应的传感器为测试手段,以A/D转换器作为模数转换的工具,以显示器件进行相关参数显示,以相应的通信手段搭建起单片机与计算机的桥梁,最终实现基于单片机的高精度测斜仪系统。
3.1 系统硬件的总体结构
根据随钻测斜仪的数学模型及测试功能,整个系统可以划分为四部分:A/D数据采集,单片机控制,液晶显示和计算机,如图1所示。A/D部分实现对七路传感器模拟信号的采集与数字转换。单片机部分为整个系统的核心,控制A/D进行数据采集,对采集信号进行处理,控制液晶显示,并通过RS232与计算机通信。
3.2 主板电路的设计
主板电路以89C51单片机为控制中心,实现了将测量采集到的信号数据进行A/D转换后,输入到单片微控制器中进行数据处理,然后输出信号,对小直流电机的正反转控制,测量设定及液晶显示,同时设有对系统进行复位控制及低电压检测电路,信号存储电路,串行实时时钟电路,光电耦合电路,起振电路及DC-DC电压转换电路等部分。
A/D转换:单片机对MAXIM公司生产的ICL7135转换器的设置,完成数据采集过程以及数据采集方式的控制,实现对外部所感测模拟量(电压信号)的采集。
4 系统软件的总体结构
软件设计包括下位机与上位机的设计。控制功能由下位机实现,上位机进行数据的传输与显示,数据的传输机制应遵循可靠和易维护这个原则。
4.1 下位机软件设计
在编写单片机应用系统程序时,更着重于程序本身的编写效率,改善程序的可读性和可移植性,我们采用高级语言C语言编程。C语言是一种源于UNIX操作系统的语言,它是一种结构化语言,可以产生紧凑的代码,而且开发出的系统易于维护,可靠性高,可移植性好。
u Vision2支持所有的Keil 8051工具,包括C编译器,宏汇编器,连接/定位器,目标代码到HEX的转换器。C51是一个杰出的优化编译器,已通过很多步骤以确保产生的代码是最有效率的(最小和/或最快)。编译器通过分析初步的代码产生最终的最有效率的代码序列,在运行效率和速度上可以和汇编程序得到的代码相媲美。下位机软件采用模块化的设计思想,由数据采集模块、软件滤波模块、LCD液晶显示模块、与上位机通信模块等组成。
4.2 上位机软件设计
本系统采用的是PC机和单片机组成的上下位机系统,上下位机之间通过串口进行通信。在VC6.0环境下开发上位机程序。利用VC提供的Active X控件Microsoft Communication Control(简称MSComm控件)编写的上位机控制程序,完成了89C51单片机和PC机之间的RS232串行通讯,达到了实际要求。应用软件的工作主要是通过232接口把二进制数据采集、分析,保存数据、打印数据。EXCEL作为数据储存介质。
4.3 事件驱动法程序编写过程如下
(1)打开vc++6.0集成开发环境,首先建立一个基于对话框的MFC应用程序“高精度随钻测斜仪系统”,在设置项目选项时必须选上Active X Controls,其他的按缺省值设置。(2)选择Project菜单下面的Add To Project子菜单中的Components and controls选项,在弹出的对话框中双击Registered Active X Controls项,在出现的注册过的Active X控件列表中,选择Microsoft Communications Control,version 6.0,单击Insert按钮将其插入到Project中,接受缺省的选项。这时生成一个名为CMSComm的C++类,并且在对话框编辑器里将出现MSComm控件图标。(3)打开Class Wizard在Member Variables选项卡,选择类CMy DIg,为IDC MSCOMMI添加控制变量m-ctrl Comm。(3)打开Class Wizard在Message Maps选项卡中,选择类CMy DIg,选择IDC MSCOMMI,为其添加串口事件消息处理函数On Comm()。这个函数是用来处理串口消息事件的。每当串口接收到数据,就会产生一个串口接收缓冲区中有字符的消息事件,函数On Comm()就会执行。在On Comm()函数中,添加所需要的代码。(4)打开串口,并且设置串口参数。在主对话框的CMy D1g::On Init Dialog()添加初始化串口代码。(5)当发生串口事件时,系统会调用串口事件处理函数On Comm。(6)在主对话框中添加其他控件并编写程序代码,实现端口选择、通信、测量、退出、显示等功能,主要显示井斜、方位、高边工具面、磁性工具面、温度等参数。
5 测斜仪监测测试过程及其应用
首先将测斜仪置入测斜管内,要使导向轮完全进入导向槽内。方向应为导向轮的正向与被测位移坐标(+X)的正向一致时测值为正,相反为负。然后根据电缆上标明的记号,每基本长度测读一次测斜管轴线相对基准轴线的倾角。测试方式应遵循下面要点:当测斜管下部可靠固定在基岩中(埋入深度应大于5000mm),可认定基岩没有位移。此时-测量可至下而上测读一次,直至管口;当测斜管底部悬挂(底部未与基岩固定),此时测量应由上至下进行测量。
根据测斜仪的参数和有关计算公式编制计算机程序,监测数据采集与整理分析。其计算机程序流程见图2。
摘要：测斜仪是一种能有效的精确地测量土层内部水平位移或变形的工程检测仪器,应用其工作原理同样可以检测临时或永久性地下结构(如桩、连续墙、沉井等)周壁的深层次水平位移及倾斜角度。文中介绍了该仪器的工作原理、组成模块及各机构之间的相互联系。
关键词：测斜仪,水平位移,地下结构
参考文献
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数字式测斜仪 篇3
1）、每测孔第一次测试前应定义一个正方向(基坑监测中以朝基坑方向位移作为正方向，即A0或X+)，一般测斜仪探头向高轮方向倾斜数据显示为正值，因此可以高轮方向作为正方向。
2）、每个工程开始前，应对测斜仪进行全面维修保养(检查导轮、弹簧等是否需要更换)，尽可能避免中途更换仪器。
3）、测斜仪探头内加速度计比较容易损坏，使用过程中一定注意要小心轻放；在工地现场测试过程和使用间隙，测试人员一定不能离开仪器，绝不可将仪器随意放置在路边等处。
4）、测斜仪探头和电缆联接时应检查定位槽和O型圈，小心仔细连接电缆和探头，要保持插头和插座成一直线，避免硬插将插针折弯或折断。
5）、探头和电缆联接好后应拧紧紧固螺母，并用优质的防水胶带紧密包裹，确保能有效防水进入。
6）、测试前每个测斜孔应该用清水洗孔，并用专用试孔器对测斜管的滑槽进行检查，保证测斜仪探头的安全不卡孔，
万一卡孔时，可采用前端有弯钩的粗铅丝、将钢筋牢固接长等方法解救被卡探头。
7）、每次探头下放至测孔前，要仔细清理测孔边的小石块等杂物，避免下放时被带入测孔内，造成探头上拉时卡住。
8）、测试过程应小心地将探头缓慢地下放至测斜管底部，切忌让电缆从手中滑过而使探头自由下落，以免使探头急速碰到测斜管底部，引起探头内加速度计受到激震而损坏。
9）、测斜仪的电缆线在上拉过程中应仔细盘放在清洁的地方，避免远距离拖拉电缆线导致电缆受损。
10）、拉线人员每次应将电缆刻度标记按预定间距快速准确地对应在测斜管的预设位置，预设位置每次测试时应一致。
11）、拉线人员应注意不要将电缆线紧贴测斜管壁下放与上拉，或者将电缆刻度标记靠在测斜管壁以借力，这样很容易造成电缆线标记的脱落损坏。
12）、每次测试完成后应将电缆线及探头用清水洗净、晾干，在滑轮轴承部位上机油保养。
浅谈测斜仪在滑坡勘察中的应用 篇4
滑坡是斜坡岩土体沿着惯通的剪切破坏面所发生的滑移现象。滑坡的机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致。滑坡常常给工农业生产以及人民生命财产造成巨大损失、有的甚至是毁灭性的灾难,因此监测滑坡的动态十分必要。测斜仪是以进口敏感元件为测斜装置,其内部是以伺服(即力平衡式)为基础的测量系统,其特点精度高、稳定性好、分辨率高,广泛用于以观测滑坡以及地下建筑工程等土体内部的水平位移变化。为此,在滑坡体布置钻孔,埋设测斜管,采用测斜仪对滑坡变形的发展变化趋势进行监测,掌握滑坡发展变化的规律,及时制定出有针对性的整治措施,一方面可有效地避免由此带来的重大损失,另一方面也有助于对滑坡灾害进行预测预防问题进行专门研究,对治理后滑坡稳定性研究可以评估治理工程的好坏,同时可以确保人民生命的安全,因而对滑坡的治理和监测既具有重要的工程价值又具有较高的理论意义[1]。
2 工程场地概况
2.1 场地情况
该项目整个山体为煤矸石堆积而成,受各种因素影响,煤矿废渣堆积体产生滑坡,造成堆积体上部公路沉降变形,经过一年多的时间累积,现公路边坡滑坡仍在滑动中。
2.2 地形地貌及地质条件
滑坡区的地貌主要为人工填筑的矸石山地貌,为露天煤矿剥离堆放形成的矸石山,堆积高度30-80米,面积较大,矸石山边坡坡度25°-35°,顶部平坦开阔。经工程地质调绘以及钻探,滑坡区揭露的地层主要为第四系素填土(煤矸石)、粉质粘土,白垩系孙家湾组(K2s)砂岩。
2.3 水文地质特征
滑坡区地下水的含水层主要分布在粉质粘土以及白垩系孙家湾组的风化砂砾岩中,大气降水入渗为主要补给方式,其次为河流入渗补给,排泄方式主要以地下水径流及人工开采排泄为主,场地区地下水类型主要为第四系孔隙潜水及碎屑岩类孔隙裂隙水。
3 测斜仪监测成果
3.1 场地布置情况
首先根据滑坡体的形态布置钻孔,查明场地的地质情况,该项目共布置钻孔20个,钻孔完成后,将PVC测斜管下放到钻孔中,孔壁进行填充密实,上部进行保护,然后定期采用测斜仪对测斜管进行监测,查明滑坡的滑动状态。
3.2 滑坡监测成果
通过对滑坡区内完成的20个钻孔,采用测斜仪对滑坡内布置的钻孔的内部位移进行监测,从而查明滑坡体内部位移的变化情况,查明滑坡的滑动位置。通过对监测数据的分析,计算出每个钻孔不同深度的累计位移和相对位移,根据每个钻孔的累计位移和相对位移的数据变化大小,并结合钻孔钻进速度变化等其他资料,就可以判断出滑坡的滑带位置以及深度范围。通过调查以及监测资料显示,该滑坡的形成机制十分复杂,该滑坡应为多期次同向滑动累加而形成的。其中较早形成的为二级滑动带,滑坡为推移式滑坡,然后在二级滑动带形成后,再次形成一级滑动带,滑坡为牵引式滑坡。根据地表位移监测以及深部位移监测的结果,并结合地面调查,显示该滑坡为活滑坡,目前仍在移动,移动的速度较小,为蠕移式滑坡,滑坡的滑动面坡脚以上主要为直线型或折线型,坡脚以下为圆弧型。因此,目前整个滑坡体仍处于滑移状态。根据监测成果,该滑坡体上部顶部滑坡带深度为17-33米,下部鼓起区滑坡带深度为5-10米,滑坡带整体主要位于上部的煤矸石填土之中,通过对观测数据的速率计算,滑坡带的移动速率为0.02-0.48mm/d,平均值为0.20 mm/d。该滑坡为目前仍在移动,移动的速度较小,为蠕移式滑坡。根据目前的资料显示,该滑坡仍处于蠕移滑动,因此,建议对上部的新建的南环路以及下部的市环路进行改移,将其移至到滑坡影响的危险范围之外,同时对于滑坡底部受影响的居民进行搬迁到安全的范围,对于底部的抗滑区进行反压,以增加抗滑力,同时应加强滑坡顶部的防排水措施,减少对滑坡区上部的堆载。此外,应定期采用测斜仪对该滑坡体进行监测,及时发现滑坡体的变化规律,评价滑坡体的安全性。
3.3 测斜仪数据误差分析
测斜仪作为一个监测仪器,其数据处理还不算太完善,而且其数据存在一定的误差。因此在实际工程操作中,一定要综合分析数据,以保证监测成果的准确性。首先,在钻孔完成后,PVC管的下放过程中应该科学合理,以防测斜管的弯曲变形以及断裂,另外,PVC管下到孔底之后,其与钻孔孔壁应该采用中粗砂填充密实,或者采用灌浆的方法来填充,否则测斜管的密实程度对数据的观测影响很大。其次,测斜仪本身的误差可以分为偶然误差和系统误差。仪器生产厂家为了提高测斜仪的测量精度,在克服仪器本身的误差方面做了大量工作,每点测量的偶然误差一般小于0.16mm,系统误差为0.11mm,偶然误差的累加为测点数的平方根,系统误差的累加为测点的倍数。此外,探头测量深度的不同会造成深度测量误差。深度测量误差一般由以下原因引起:一是测斜管长度改变,由于测斜管不是一根整管,中间需要有接头,而接头部位由于土体发生沉降而引起测斜管长度的变化,进而导致前后测次的测点位置不会重复,因其测点位置的变化。二是测斜仪探头测量电缆会因为温度等原因而有所改变。三是电缆定位标点文志改变。
最后,测斜仪探头还会产生扭转误差,测斜管导槽扭转误差一般由以下原因引起:一是测斜管本身的导槽扭角偏大的,由测斜管的材质和制造工艺影响。二是测斜斜管长度较大,由于测斜管扭角是叠加的,测斜管长度愈大,导槽扭角改变愈大。三是测斜管受外力作用,引起导槽产生扭曲。另外本身元器件的稳定性对误差也有影响,应该定期对探头以及测斜仪主机进行标定检测[2]。
4 结论及建议
测斜仪是一种岩土工程安全监测仪器,通过其数据分析,可以直观的判断出滑坡滑带的位置,通过计算,还能得到变形方向以及滑动速率等参数,由于其测得数据收到各种原因误差的影响,因此,对测斜仪的研究也十分重要,以更好地真实的数据监测为各种工程进行服务。
本次项目由于该滑坡体较为复杂,测斜仪测得的数据仅供参考,具体滑坡体的成果以建模为主,本次在滑坡上面应用测斜仪,以为后面的工程监测提供监测经验。
由于测斜仪的数据处理对工程的分析具有重要的影响作用,因此对于测斜仪的数据处理要综合来考虑,应首先保证外业PVC管的下放质量,以及消除检测数据过程中产生误差的各种原因,最后在工程中不断积累经验,合理处理数据,使测斜仪的数据结果能够更好的反应工程的实际情况。
参考文献
[1]常士骠.工程地质手册(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007,2.
数字式测斜仪 篇5
在矿井施工和石油钻井中,需要实时准确地掌握钻孔姿态、位置和轨迹等相关参数,以便工程作业人员能够实时地掌握钻孔作业中的工程地质情况,为工程作业人员及时调整作业方案,以避免盲目钻孔而造成钻孔事故的发生[1,2,3]。相比于传统的电缆静态测井方式,基于随钻测量方式带来的极大便利,不仅可以减少钻井测量的时间与成本,又能极大地提高测井精度[4]。目前,在国内各大油田、海上大型石油钻井作业中,几乎都采用随钻测井技术。但随钻测斜仪基本上都是从国外购买,其价格昂贵,且维修存 在不便等 问题[5]。本文基于MEMS(微电子机械系统)陀螺设计了随钻测斜仪系统,并利用仿真转台对所设计的随钻测斜仪系统进行了模拟随钻测井过程,以期望能够研制成功具有完全自主知识产权的随钻测斜仪系统。
1随钻测斜仪系统设计
1.1随钻测斜仪系统总体方案
本文基于MEMS陀螺设计了随钻测斜仪系统总体方案,如图1所示。该测斜仪系统包括井下随钻测试仪器和地面监控系统两部分,并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的通信。其中,井下随钻传感器包括三轴MEMS陀螺、三轴加速度计和温度与压力传感器。井下仪器主要完成倾斜角、方位角和工具面角等各种参数的测量,并进行实时数据存储,或者通过通信信道把测量数据传回地面进行实时监控。地面监控系统接收井下传上来的信息,进行数据处理、计算,并实时显示钻孔姿态、位置和轨迹等相关参数,以便地面作业人员能够实时准确地掌握钻孔作业情况,避免钻孔施工的盲目性。
1.2随钻测斜仪系统功能模块设计
随钻测斜仪系统主要由信号调理电路、多通道数据采集模块、数据存储模块和电源模块等组成。
1.2.1多通道数据采集模块
多通道数据采集模块是将调理后的随钻传感器信号转化为数字量。由于测斜仪井下传感器包括三轴MEMS陀螺、三轴加速度计以及 温度与压力多路 信号,因此,采用两片同步采集模数转换器ADS8365实现12路信号的 数据采集;选用Xilinx的XC2S50-TQ144C型FPGA作为数据采集模块的控制芯片。数据采集电路模块如图2所示。其中,SC1~SC6为6个传感器模拟信号通道输入端,DB0~DB15为模数转换数据输出端。FPGA除了完成数据采集模块的控制外,还要完成井下随钻仪器的数据存储、通信模块和外围接口电路的功能。
1.2.2数据存储模块
井下随钻仪器采用三星K9F2G08型Flash芯片作为随钻测斜仪数据存储芯片,该芯片具有2Gb的存储容量,由FPGA内的控制器实现Flash芯片控制。数据存储电路模块如图3所示。
1.2.3FPGA 的配置电路
采用XCF01SV020芯片作为FPGA的可编程配置芯片,FPGA配置电路模块如图4所示。
1.2.4电源模块
系统中的FPGA、ADS8365和其他芯片等的工作电压主要有5V、3.3V和2.5V。由于随钻测斜仪系统需要采用外接7.4V电源作为供电电源,因此,需要设计以上3个输出分压电源输出模块。时钟电路模块如图5所示。由图5可知,7.4 V外电源经 由REG104-5稳压芯片转换成5V电压输出,然后再把+5V电压输出经由MAX8882EUTAQ芯片分别转换成2.5V和3.3V两路电压输出。
2随钻测斜仪系统姿态算法设计
随钻测斜仪系统利用捷联安装于钻杆的三轴加速度计和三轴MEMS陀螺仪分别测量出钻杆的比力信息)和角速度信息(槇ωbib),然后根据捷联惯性原理实时完成钻杆的姿态与位置的解,其随钻测斜仪系统算法原理如图6所示。
随钻测斜仪系统选取北东地地理坐标系为参考坐标系,得到的姿态矩阵变换关系为[6]:
其中:ψ,θ,γ分别为随钻测斜仪方位角、俯仰角、横滚角。
如前所述,利用加速度计和陀螺实时测量信息,根据图6所示的算法原理进行姿态更新矩阵的计算。更新所得姿态矩阵Cbn为:
其中:C11,C12,C13,C21,C22,C23,C31,C32,C33分别为式(1)中对应各项。对比式(1)和式(2)关系可知,钻井姿态的提取公式为:
3仿真实验测试
为了验证所设计的随钻测斜仪系统性能,在三轴仿真转台上模拟实际随钻测井过程,通过控制转台的姿态变化来模拟实际的随钻测井过程,三轴陀螺角速率测量输出如图7所示。
模拟600m井深测井解算后的钻孔轨迹如图8所示。从仿真测井结果来看,随钻测斜仪具有比较高的测量精度。
4结论
本文重点介绍了随钻测斜系统的各功能模块的硬件设计方法,并利用高精度三轴仿真转台搭建随钻测井的半物理仿真平台,在该平台上开展了实际随钻模拟测井过程。结果表明,所设计的随钻陀螺测斜仪系统具有较高的测量精度。
摘要：基于MEMS陀螺设计了随钻测斜仪系统。重点介绍了随钻测斜仪系统各功能模块的硬件设计方法,并利用高精度仿真转台搭建了随钻测井仿真平台,并利用仿真转台对所设计的测斜仪系统进行模拟随钻测井过程。结果表明,所设计的随钻测斜仪原理样机基本达到期望,具有较高的测量精度。
数字式测斜仪 篇6
关键词：陀螺测斜仪,测角传感器,三点峰值法,噪声处理,滤波
0 引言
在矿山, 经常需要从地面垂直往下钻大于千米的冻结孔。在钻进过程中, 由于钻头的变形和地形的影响, 会出现钻进轨迹偏离垂直方向的现象。所以在钻进过程中, 每钻进一段距离就要测试冻结孔相对于垂直方向的斜度, 以便调整钻头方向。采用X、Y两个相互垂直方向的测角传感器测量冻结孔相对重心方向的角度如图1所示[3]。测角传感器上的摆锤可以如钟摆一样自由摆动, 将当前测斜仪相对地心重力方向G的倾斜角转化为电压信号。同时为了保证X、Y两个方向的测角传感器在下放过程中, 其轴心方向相对初始位置不发生偏移, 采用了陀螺定向的原理, 保证2个摆锤的固定轴指向 (图1中的测角传感器的轴心方向垂直于纸面) 不发生任何变化。
在以往的测斜方法中, 都是在测试仪器下放一定高度△h后, 等仪器停稳, 摆锤停止摆动, 2个测角传感器输出的信号与角度值成正比, 然后读取这一点的读数, 用这一点的测量值计算这一点的斜度s (h) , 将该斜度近似为△h之间的平均斜度, 按深度h进行矢量相加, 得到任意深度H的偏距D (H) 。即:
undefined
这种方法称为“点测法”。这种测试方法精度相对较高, 但效率很低, 1 000 m距离的测量需要很长时间, 此时陀螺的方向漂移会影响斜度方向的判断, 需要在软件上作出修正。
为了提高测量的速度, 目前普遍采用连续测量法, 即在下放过程中, 随时测量X、Y的信号电压。但由于X、Y两个方向的测角传感器是自由转动的, 在下放过程中仪器的碰壁冲击会导致摆锤发生摆动现象, 输出电压和时间的关系曲线如图2所示。
图2中的2个信号分别为摆动信号和实际斜度信号, 传感器输出的信号为2个信号的叠加, 该信号波形具有如下特点:
(1) 仪表的碰壁导致摆锤的摆动, 使得输出信号在实际斜度信号上叠加了摆动信号, 图2中摆锤的平衡位置为实际需要的斜度信息, 所以该摆动对于实际的斜度信号而言为噪声信号;
(2) 碰壁现象基本可以近似为对设备的一次脉冲冲击, 所以系统会输出相应的脉冲响应——摆锤的摆动幅度存在衰减的过程;
(3) 在仪器下放速度较快时, 摆动的频率和实际斜度的变化频率比较接近。
为了在连续下放过程中测量每点的斜度, 传统的方法是采用数字或模拟滤波方式, 将摆锤的摆动所造成的影响消除, 但是这种方法存在致命缺陷。
一般摆锤的固有摆动频率为3 Hz左右, 而冻结孔沿高度方向的斜度变化是比较小的, 如果下放的速度很慢, 则可以保证下放过程中斜度信号的变化频率远远小于3 Hz, 这样如果采用一个截止频率为1 Hz的低通滤波器就可以去除摆动信号, 获得摆锤的平衡位置信息。但这种方法只适合在下放过程速度慢且不出现碰撞的情况:
(1) 一旦发生碰撞, 瞬间的一个冲击会使低通滤波器的输出产生一个偏移, 由于这个低通滤波器的截止频率很低, 所以这个偏移需要较长的时间才能消除, 这样就对斜度计算结果造成很大的影响。实际现场使用结果也证明了这一点。
(2) 当设备的下放速度提高以后, 斜度变化的频率就接近3 Hz了, 此时信号频率和摆锤摆动 (噪声) 频率十分接近, 低通滤波器会将有效斜度信号滤掉。
显然采用传统的滤波方法无法得到高速、强鲁棒性的测量要求, 为此, 笔者提出一种采用三点峰值法求平衡位置值 (瞬时斜度) 的算法。
1 算法说明
1.1 算法推导
由于在这个系统中, X、Y为2个完全独立的信号, 在此以X方向的数据处理为例。根据实物测量, 如果把引起摆锤摆动的碰壁现象作为一个冲击, 则在非连续碰壁情况下, 在2次碰壁间隔摆锤的摆幅 (摆锤位置相对平衡位置的偏差) 基本符合欠阻尼二阶系统的下述方程[1,2]:
undefined
式中:ωn为摆锤的自由摆动角频率;ξ为阻尼系数, 在该系统中为固有常量;t为时间;x (t) 为在时刻t摆锤相对平衡位置的摆幅。
当满足undefined时, 摆锤到达峰值位置 (实际峰值时刻应该是满足x′ (t) =0方程的时刻, 在此用近似值代替, 因为近似值和实际值的误差很小, 在工程上可以忽略, 但计算量大为降低) , 即undefined时摆锤达到峰值, 此时峰值为
undefined
式中:xmax (k) 表示第k个峰值的绝对值。
比较2个相邻峰值的幅值得:
undefined
即阻尼振荡过程中, 相邻峰值处幅值的比值近似为常数 (虽然是近似, 但在工程上其它方面的误差要超过这个误差, 所以对结果影响不大) 。
假设M1、M2、M3为连续3个峰值的测量值 (如图2中第1、2、3点所示) , Ai为平衡位置值, 根据式 (2) , 则必须满足:
undefined
由此可计算出A1和A2, 平衡位置取均值:
undefined
1.2 碰撞后峰值突变情况的辨别
根据上面的推导可知, 摆锤的峰值变化规律必须满足式 (2) 的要求, 所以可以先由3个相邻的峰值求均值预估出平衡位置值undefined, 再将Ag代入式 (3) 得:
undefined
如果出现Cg1和Cg2的值与系统固有的C值相差很大 (具体差值范围根据实验确定) , 可以把它作为出现了异常 (可能是发生了碰撞) 进行处理, 简单丢弃即可。
1.3 算法流程
采用三点峰值法求平衡位置值的算法流程如图3所示。
2 实验结果
为了验证算法的效果, 在此分别采用了3种方法 (点测法、滤波法和三点峰值法) 对同一个冻结孔进行测量, 由于孔的实际偏移曲线只能通过小间隔的点测法获得, 所以以小间隔点测法的结果作为参考标准。图4为采用3种方法测量同一冻结孔的X方向的斜度曲线。
从图4可看出, 采用三点峰值法求平衡位置 (斜度) , 偏移量 (根据式 (1) 计算) 和点测法十分接近, 而传统的滤波法其最终偏移量和点测法相差很大。
3 结语
采用三点峰值法求平衡位置值具有如下优点:
(1) 点测法虽然可以通过缩小测量间距获取高精度的斜度信息, 但测量时间很长, 采用三点峰值算法后在保留连续测量速度快的基础上, 测量精度和点测法十分接近。
(2) 同传统模拟或数字滤波处理的算法相比, 其反应速度更快, 因为三点峰值算法1个周波就能求出1个有效数据, 反应速度大幅度提高。
(3) 对测量过程中出现的碰撞问题有很好的识别滤除作用, 避免了一般低通滤波算法无法解决的冲击响应调节时间过长的问题;为噪声频率和实际信号频率接近时的数据处理提供了一个比较好的思路。通过现场实际使用的检验, 设备的精度和抗干扰性均有大幅度提高。
参考文献
[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社, 1994.
[2]王宝祥.信号与系统[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1996.
数字式测斜仪 篇7
一、钻孔测斜仪的组成及工作方式
全方位钻孔测斜仪由同步机、探管及配套通信线组成, 仪器配有专用充电器, 如图1所示:
系统采用定点连续测量工作方式, 将同步机和探管用配套通信线连接进行同步, 同步后, 将探管连接到钻杆上, 送入欲测量钻孔进行测量, 探管采集传感器数据, 并储存到存储器中, 同步机则记录测点的有效性, 测量完毕后取出探管, 将探管测斜数据通信到同步机中, 然后由同步机计算并显示测点结果。也可将同步机与电脑连接, 将测斜数据传送到电脑上, 由测斜处理软件对数据进行处理, 绘制三维空间轨迹图[2]。
二、钻孔测斜仪的应用
全方位钻孔测斜仪引进后, 在我矿井下瓦斯底板抽放巷进行了应用, 以下是测斜仪在四水平北翼第一辅助回风巷岩石穿层钻孔的应用情况:
通过设计对钻孔进行测斜可知, 对于倾角偏小的钻孔, 表1、图1所示钻孔设计倾角5°, 方位角125°, 经测斜可知, 实际施工的钻孔倾角在钻进后形成的轨迹与设计的倾角相差较大, 实际施工钻孔向下偏斜12°, 同时, 设计深度越长, 最终的偏差越大。对于倾角偏大, 表2、图2所示钻孔设计倾角49°, 方位角145°。实际施工的钻孔倾角在钻进后形成的轨迹与设计的倾角相差较小, 实际施工钻孔向下偏斜4°, 在设计倾角较大的情况下, 实际施工的倾角偏差度会随着设计深度的增加而增加。在钻孔钻进中从岩段进入煤层时, 倾角变化较大, 钻孔测斜倾角变化的其主要原因是受到钻杆的质量、钻杆重力、岩石分层的强度、煤层与岩层的强度差异性等原因。对于实际施工的钻孔倾角在钻进后形成的轨迹与设计的倾角相差较大的钻孔, 钻孔未达到预定区域, 未能达到预定控制煤层范围, 可修改设计重新补打钻孔, 避免出现瓦斯抽放空白带。
结论
1. 通过钻孔测斜得出的偏斜轨迹, 可以掌握施工钻孔的实际钻进轨迹, 掌握实际控制煤层范围。
2. 通过钻孔的测斜数据, 可以及时修改设计补打钻孔, 避免出现瓦斯抽放空白带。
参考文献
[1]唐军;YHQ-X型全方位钻孔测斜仪在煤矿煤矿地质超前钻探中的应用[J].煤炭技术, 2007, 26, (10) :96-97.
钻孔测斜的分析与应用 篇8
在煤矿生产中, 煤与瓦斯突出问题始终是威胁矿井作业安全的一个隐患。为了提高井下作业安全系数, 业界已尝试通过各种措施来解决这一安全隐患。现阶段, 国内矿业单位普遍推崇采前钻孔预抽放瓦斯释放煤岩层中瓦斯压力的方式来消除这一隐患。但是如何检测钻孔钻进方向是否与设计方向一致, 以达到预期抽放目的, 则成为当前必须解决的一项技术难题。为此, 业界开发设计了一个辅助仪器———钻孔测斜仪, 用以解决这一技术难题。在科技日益发达的现代社会, 煤矿生产中受控定向钻进技术研究不断创新, 矿井超前勘探精确的工程钻探施工规模的持续拓展, 对钻孔轨迹的测量精度要求越来越高, 在此情况下, 全方位测量钻孔倾角和方位角的仪器的设计与应用, 不仅大大提高了测量精度, 而且使上仰、下俯、垂直、水平各种钻孔测量活动成为可能, 为仪器在井下作业广泛应用埋设了良好的伏笔。
80年代初期人们研发了全方位钻孔测斜仪。至今, 该仪器在矿井作业中应用的二十多年间, 投入百万经过三次技术改造, 才设计出当前的第三代YHQ-X型全方位钻孔测斜仪。该仪器可直接在井下钻孔进行无缆测斜。另外, 通过钻杆推送探管, 也能使用电缆测斜。系统应用了先进的单片机技术和一些新元件, 虽然构造一如既往的简单, 但性能和精度都有所改善, 测斜效果良好。
第三代YHQ-X型全方位钻孔测斜仪的工作原理是, 仪器外壳 (探管) 倾斜后, 挂在壳内的重垂器的垂直状态不变, 重垂器与一微型“滑动变阻器” (即电位器) 联动, 滑动变阻器的动臂随着倾角的变化也发生线性改变。滑动变阻器的动臂变化量与倾角的正比关系在制造仪器时已提前设定, 滑动变阻器的电阻值在测量的另一端测得, 实际反映的是倾角, 而不是其他。此外, 探管中安装了套罗盘系统, 在实际操作中可按照上述测量方法通过电缆告知操作人员探管的“倾斜磁方位角”。通过观察地理位置与地磁位置的变换, 操作者 (或电脑) 会迅速锁定探管的地理倾斜方位角, 进而确定倾斜角的实际大小数。
2 潘三矿全方位钻孔测斜仪的使用情况
2.1 验证情况
全方位钻孔测斜仪自2008年引入潘三矿以后, 先是被应用在了煤层底板抽排巷层位控制孔中, 在1792 (3) 底板抽排巷施工层位控制孔时, 钻孔倾斜度可借助全方位钻孔测斜仪测得。结束某一阶段的施工后, 可通过锚杆钻机垂直顶板施工探眼, 参照巷道与煤层法距对比数据, 以求证钻孔测斜数据是否客观、准确 (详见图1) 。
2.2 使用效果
全方位钻孔测斜仪应用在矿井生产以后, 我单位利用该仪器陆续对穿层孔、地质前探孔、揭煤钻等施测, 并进行了CAD上图分析, 发现了钻孔偏斜轨迹, 继而对钻孔参数进行了合理的调整, 以确保钻进情况满足预期要求, 从而通过地质钻孔得到准确的煤层与断层的赋存情况。
3 穿层孔测斜资料分析与应用
3.1 穿层孔测斜资料分析
放底板抽排巷作业过程中的穿层孔实际就是用以释放上部煤层瓦斯压力的卸压孔。被保护巷道的两侧规律地布有穿层孔的见煤点, 钻进过程中如果钻孔偏斜, 穿层孔的卸压能力会受到严重的影响。通过全方位钻孔测斜仪量测钻孔倾斜度以后, 再借助CAD上图确定穿层孔的偏斜轨迹和煤层赋存情况, 穿层孔平面位置一旦偏离了设计要求, 可及时纠偏, 以确保穿层孔的卸压效果良好 (见图2) 。
3.2 穿层孔测斜资料分析应用与验证
每组穿层测斜孔经CAD上图后, 可以在剖面图上明确表示被保护巷道对应煤层的厚度和底板标高;N组穿层孔上图后, 被保护巷道对应煤层巷道方向的煤层坡度及煤层的厚度就可以标示在被保护巷道对应煤层剖面图上, 如果剖面图反映出煤层巷道方向的坡度和煤层厚度偏离了设计要求, 则与异常组别相邻的未测斜孔同样要进行CAD上图分析, 煤层赋存情况主要反映在钻孔剖面上, 通过钻孔剖面的分析可以实时了解煤层的构造或厚度, 可据此商榷钻进方案。比如, 17171 (1) 轨顺保护巷穿层孔施工中, 四、五组煤层赋存情况异常, 与17171 (1) 轨顺保护巷实见断层Fe3262°∠22~41°H=2.2m上延大致相同, 由此断定四、五组之间的应该是断层11-2煤的位置。而后通过实际钻探证实了该判断的准确性。
4 存在问题
一是钻孔孔口磁方位角的定位受孔口铁器干扰而偏离了实际位置, 上图分析前须去除孔口两个点的磁方位角才能进行正确的分析;二是实际操作中, 钻机型号及压力的大小以及钻杆等诸多因素影响钻孔实际倾角的上下变化 (人为操作也是影响因素之一) , 要总结钻孔倾角上下变化的规律, 必须将这些影响因素一一清除。
5 结论
全方位测斜仪是矿井作业主要的生产设备。通过该仪器可直接测定地质钻孔的偏移轨迹, 继而了解煤层的赋存情况, 以便科学地开展地质前探和瓦斯治理工作。
摘要：通过对全方位测斜仪在井下钻孔的使用情况, 分析如何在矿井生产中使用好测斜仪, 测斜仪在地质孔、穿层孔等使用效果较好, 并就测斜仪使用过程中出现的问题提出以后的关于全方位测斜仪的研究方向。
关键词：全方位测斜仪,在地质孔,穿层孔应用情况
参考文献
[1]王翠珀, 李继涛.钻孔测斜仪在某露天矿深层岩移监测中的应用[J].山西建筑, 2010 (14) .
[2]郭爱煌.矿井全方位钻孔测斜技术的研究[J].煤田地质与勘探, 1994 (04) .