旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具雙軸綜合標(biāo)定系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需采集兩個(gè)轉(zhuǎn)角、3個(gè)分力、3個(gè)液壓缸壓力、兩個(gè)姿態(tài)角的測(cè)量輸出值，處理計(jì)算合力矢量的大小和角度，并實(shí)時(shí)顯示和儲(chǔ)存，其中：

1) 兩個(gè)轉(zhuǎn)角 轉(zhuǎn)臺(tái)2軸的轉(zhuǎn)角，為圓形感應(yīng)同步器，其輸出信號(hào)由RS232串口傳輸至工控機(jī)。

2) 3個(gè)分力和3個(gè)缸壓 推力傳感器和缸壓傳感器輸出模擬測(cè)量信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理，調(diào)理模擬信號(hào)再輸入NI-9205模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸入cRIO嵌入式處理系統(tǒng)。

3) 兩個(gè)姿態(tài)角 慣性測(cè)量模塊的輸出經(jīng)RS232串口也進(jìn)入cRIO嵌入式處理系統(tǒng)。

嵌入式處理系統(tǒng)與工控機(jī)間采用802.11g無線通信協(xié)議傳輸采集數(shù)據(jù)。工控機(jī)完成處理計(jì)算，實(shí)時(shí)顯示全部信息并進(jìn)行儲(chǔ)存。

圖5 基于cRIO的嵌入式處理系統(tǒng)

傳感器濾波放大模塊對(duì)輸入信號(hào)差動(dòng)放大，轉(zhuǎn)換為單邊信號(hào)，再濾波去除高頻噪聲。其放大倍數(shù)設(shè)計(jì)后為417.7倍。圖6為其電路原理圖和完成圖。

圖6 測(cè)力傳感器輸出濾波放大模塊

系統(tǒng)軟件要求能夠精確測(cè)量、檢驗(yàn)和校正整個(gè)導(dǎo)向力控制機(jī)構(gòu)和控制算法，圖7為軟件顯示與操作界面。實(shí)現(xiàn)的具體功能包括：

1) 導(dǎo)向力控制算法驗(yàn)證；

2) 近鉆頭慣性測(cè)量模塊顯示、校正、標(biāo)定；

3) 轉(zhuǎn)臺(tái)參數(shù)測(cè)量、顯示、對(duì)比；

4) 標(biāo)定參數(shù)、實(shí)時(shí)控制參數(shù)、工程測(cè)量參數(shù)記錄；

5) 導(dǎo)向工具姿態(tài)數(shù)據(jù)以3D鉆頭姿態(tài)顯示。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)軟件界面

系統(tǒng)應(yīng)用與結(jié)論
應(yīng)用雙軸綜合標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)，在COTAS系統(tǒng)驗(yàn)證過程中進(jìn)行了大量測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)獲得：

1) COTAS工具液壓缸壓強(qiáng)/液壓力間擬合關(guān)系式；

2) 慣性測(cè)量模塊安裝誤差角標(biāo)定修正參數(shù)矩陣；

3) 導(dǎo)向力矢量幅值、相位控制精度測(cè)試結(jié)論；

4) 高邊角自動(dòng)補(bǔ)償功能驗(yàn)證與效果測(cè)試結(jié)論。

綜上試驗(yàn)中使用效果表明，該系統(tǒng)集兩軸精密轉(zhuǎn)臺(tái)和測(cè)力儀于一體，能夠精確地夾持旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具模擬井斜和高邊角變化，并實(shí)時(shí)測(cè)量導(dǎo)向力矢量?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)向力控制機(jī)構(gòu)和閉環(huán)反饋算法的測(cè)試和檢驗(yàn)，也可用于對(duì)近鉆頭慣性測(cè)量模塊的標(biāo)定。

系統(tǒng)為COTAS系統(tǒng)的研制工作提供了不可或缺的技術(shù)基礎(chǔ)和測(cè)試手段。此外，在未來的產(chǎn)業(yè)化過程中，仍將繼續(xù)提供必須的標(biāo)定和檢驗(yàn)功能服務(wù)。