摘要
磁性钻孔测斜仪所使用的磁传感器和加速度传感器由于自身特性的差异以及生产装配的原因,给传感器输出带来了误差,造成测斜仪顶角和方位角计算出现偏差。为此采用了一种十二位置标定方法,依靠垂直方向的地磁场分量和重力加速度,对磁传感器和加速度传感器的三轴零位偏差、灵敏度误差和安装误差进行了校正。校正前后的对比实验显示:测斜仪顶角均方误差由0.5°减小为0.06°,方位角均方误差由校正前的21.75°减小到0.82°,表明该方法校正效果明显,可以满足测斜仪工程化应用的要求。
钻孔测斜仪是用来测量钻孔顶角和方位角的专用仪器。根据方位角测量原理的不同,常用钻孔测斜仪主要有磁性测斜仪和陀螺测斜仪2类。磁性测斜仪是利用地磁场定向原理实现方位角的测量,适用于非磁性矿区和不受磁性干扰的钻孔;而陀螺测斜仪则是利用陀螺仪的定轴性,通过惯性定向原理来测量钻孔的方位角,主要用于磁性矿区和受磁性干扰的钻孔测
磁性测斜仪测量方位角所用磁传感器在使用环境中容易受到各类铁磁干扰(软磁干扰和硬磁干扰),加之本身制造特性的差异、生产装配的误差以及后期安装的误差等因素,将会对传感器的测量结果造成极大的偏
目前用于磁传感器校正的主要方法有十二位置标定
笔者在分析多种校正方法的基础上,结合自身实验室条件(具备准确的航向基准和可以三轴翻转的校验台)以及工程化应用的考虑,选择十二位置标定法对所研发的测斜仪的传感器进行了校正,取得了满意的效果。
测斜仪测量单元由三轴加速度传感器和三轴磁传感器构成,形成双三轴(X、Y、Z)系统,如

图1 测斜仪传感器安装示意
Fig.1 Installation diagram of the inclinometer
钻孔顶角()和方位角()的计算公式如
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式中:ax——X轴加速度传感器输出;ay——Y轴加速度传感器输出;az——Z轴加速度传感器输出;Hx——X轴磁传感器输出;Hy——Y轴磁传感器输出;Hz——Z轴磁传感器输出。
由
测斜仪所用三轴磁传感器由于受自身制造工艺影响,不可避免会存在零点偏移误差、灵敏度误差和三轴不正交误差。零点偏移误差是由于传感器、模拟电路和A/D转换的零点不为零而产生的。灵敏度误差是由于三轴磁传感器各轴的灵敏度不同、测量信号的放大电路特性不完全相同而引起的标度系数不一致而造成的测量误差。三轴不正交误差是由于三轴的传感器是分离元件,在后期电路板的焊接加工中,难以确保其3个磁传感器的测量轴两两完全正交,焊接完成后的磁传感器的3个轴系也会与电路板的安装框架以及测斜仪外管之间的轴系存在一定偏差。同时三轴的磁传感器与三轴的加速度传感器的轴系之间也难以确保其轴系间的相互平行,也会造成一些误差。这些误差均称为安装误差。上述3种误差一般都是采用
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式中:Hx、Hy、Hz——带有误差的三轴磁传感器的输出值;Mx、My、Mz——理论输出的三轴磁传感器值;Kx、Ky、Kz——三轴磁传感器的标度系数;Bx、By、Bz——三轴磁传感器的零位偏差值;eyx、ezx——Y轴、Z轴磁传感器相对于X轴磁传感器的安装误差;exy、ezy——X轴、Z轴磁传感器相对于Y轴磁传感器的安装误差;exz、eyz——X轴、Y轴磁传感器相对于Z轴磁传感器的安装误差。
三轴加速度传感器与磁传感器一样,由于制造工艺的限制也存在零点偏移误差、灵敏度误差和三轴不正交误差。零点偏移误差指无重力加速度输入时,因制造误差加速度传感器也会有一定非零伏的输出电压。灵敏度误差是当被测重力加速度在X、Y和Z轴的分量相等时,三轴加速度传感器灵敏度(标度系数)不一致,输出和标称值之间会出现偏差。本测斜仪所用加速度传感器是三轴一体的,其三轴之间的正交性应该比较好,按理不需要考虑三轴不正交误差。但即便是经过厂商精密加工,其敏感轴通常也会偏离正交坐标系微小的角度。更为主要的是在传感器焊接过程中,无法保证完成后的电路板的3个轴系会与电路板的安装框架以及测斜仪外管之间的轴系保持完全的一致。同时与三轴的磁传感器之间也难以确保两者轴系间的相互平行。这些误差均被认为是三轴不正交误差,需要进行校正。
三轴加速度传感器的这3种误差的模型与三轴磁传感器误差的模型公式相同,均以泊松方程来表示,如
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式中:ax、ay、az——带有误差的三轴加速度传感器的输出值;Gx、Gy、Gz——理论输出的三轴加速度传感器值;kx、ky、kz——三轴加速度传感器的标度系数;gx、gy、gz——三轴加速度传感器的零位偏差值;fyx、fzx——Y轴、Z轴加速度传感器相对于X轴加速度传感器的安装误差;fxy、fzy——X轴、Z轴加速度传感器相对于Y轴加速度传感器的安装误差;fxz、fyz——X轴、Y轴加速度传感器相对于Z轴加速度传感器的安装误差。
测斜仪误差的校正就是通过一定方法分别求解出
为了求解上述误差系数,本项目采用了一种十二位置的校正方法。该方法不要求绝对水平,也无需确定真正的磁北方向,可以利用三轴无磁转台或者铝制六面体完成。该方法主要根据各个位置下的地磁场的垂直分量或者北向分量来得到磁传感器的误差系数。成都地区磁倾角为45.1°,地磁场的垂直分量较北向分量略大,故采用垂直分量作为传感器校正的基准,在北半球垂直分量指向地为正。同时利用铅垂方向的重力加速度作为加速度传感器误差系数求解的基准,重力加速度指向地为正,两者的校正可以同步完成。
校正是在三轴无磁测斜仪校验台上进行的,以磁北作为北向的基准。假定地磁场在北东地方向的磁场分量分别为Mn、Me、Md,重力加速度在北东地方向的分量为gn、ge、gd,测斜仪翻转次序如
由于三轴加速度传感器与三轴磁传感器的误差模型一样,其校正方法和校正公式也是一样的,此处仅以三轴磁传感器的校正给出计算公式。加速度传感器的校正参照磁传感器的方法和计算公式即可完成。
由1、2、3、4位置的数据,可以得到磁传感器的Bx、Kx、exy和exz,其公式如下:
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由5、6、7、8位置的数据,可以得到磁传感器的By、Ky,eyx和eyz,其公式如下:
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由9、10、11、12位置的数据,可以得到磁传感器的Bz、Kz、ezx和ezy,其公式如下:
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上述公式中Md无需知道精确的值,可假定为一常数,常数的大小对测斜仪方位角的计算没有任何影响,Hx1-12、Hy1-12、Hz1-12分别为各翻滚位置下的X轴、Y轴、Z轴的输出值,根据式(
在得到上述系数后,再根据
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其中:
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利用上述式(
将测斜仪装夹在三轴无磁校验台上,调整其坐标系各轴与
注: 表中数值为A/D转换后的数值。
根据得到的传感器误差系数,进行反算,可得到传感器各轴校正计算的系数如
在取得校正系数后,将测斜仪分别以X、Y、Z轴朝上,在水平面内旋转1周,采集三轴磁传感器输出数值,分别做出校正前后磁传感器测量磁场的二维平面曲线(如

图2 三轴磁传感器校正前后水平圆周实验二维图
Fig.2 Two dimensional diagram of horizontal circle experiment of the three axis magnetic sensor before and after correction
十二位置标定法具有校正工作量小,操作简单,计算简便,校正效果明显的特点。可以有效地校正三轴磁传感器和三轴加速度传感器的零位偏差、灵敏度误差以及三轴的不正交误差。通过室内对比实验,测斜仪顶角的均方误差由校正前的0.5°下降为0.06°,方位角均方误差由校正前的21.75°下降为0.82°,该校正结果能够满足测斜仪的使用要求。利用该校正方法,对生产的10多套测斜仪进行了校正,都取得了满意的校正效果,表明该方法适合钻孔测斜仪的校正。
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