矿井生产安全检测的测斜仪系统设计.docx

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矿井生产安全检测的测斜仪系统设计

矿井生产安全检测的测斜仪系统设计

摘要

随钻测斜仪是钻斜井、钻定向井时，测量其井身轨迹的专用仪器。

20世纪90年代以来，各类岩土工程对钻孔孔斜精度的要求越来越高，早期研制和生产的各种钻孔测斜仪大多数不能适应新的市场需求，因此，传统结构原理的测斜仪纷纷被淘汰，新型结构原理的测斜仪不断涌现。

本文从测斜仪的系统组成和工作原理出发，结合基于51系列单片机的系统开发原理及过程，重点研究了井下测试系统的软硬件设计。

该测斜仪的井下测试系统采用Atmel公司89S52单片机为处理器核心，ADXL330和L3G462A三轴传感器为测斜器件，使用AD590温度传感器，MPX4115为压力传感器，ICL7135为A/D转换器件，并采用多路开关选通八路传感器通道，通过RS485总线与地面监控系统进行通信。

在数字电路系统迅速发展的今天，51系列单片机仍然以其不断加强的新系列以及超强的性价比发挥着重要的作用。

单片机稳定性强，能适应野外恶劣的自然环境，适合处理运算量不是很大的控制系统，开发周期短，系统易于维护和扩展。

故本系统采用单片机提供了一个低成本，高效率的测斜仪实现方案，并于实际使用当中取得了良好的结果。

关键词：

测斜仪，51单片机，数据采集

Abstract

Inclinometerisdeviateddrilling,drillingdirectionalwells,measuredwellboretrajectoryspecialinstruments.Sincethe1990s,variousgeotechnicaldrillholedeviationfortheincreasinglyhighdemandprecision,earlydevelopmentandproductionofvariousboreholeinclinometermostadapttothenewmarketdemands,therefore,thetraditionalstructuralprinciplesinclinometerhavebeeneliminated,newstructuralprincipleinclinometeremerging.

Thisarticlefromtheinclinometersystemcompositionandworkingprinciple,combinedwithasystembasedon51MCUdevelopmentprinciplesandprocesses,focusontheundergroundtestsystemhardwareandsoftwaredesign.ThedownholeinclinometertestsystemusingAtmel89S52microcontrollerprocessorcore,ADXL330andL3G462Aaxisinclinometersensordevices,usingAD590temperaturesensor,MPX4115aspressuresensors,ICL7135fortheA/Dconversiondevicesandmulti-wayswitchstrobeeightsensorchannels,throughtheRS485bustocommunicatewiththegroundcontrolsystem.

Inthedigitalcircuitryrapiddevelopmentoftoday,51seriesstillcontinuetostrengthenitsnewseriesaswellassuperiorcostplaysanimportantrole.SCMstability,abletoadapttothewildharshnaturalenvironment,suitableforhandlingcomputingisnotagreatcontrolsystem,shortdevelopmentcycle,thesystemiseasytomaintainandextend.Therefore,thesystemusestheMCUprovidesalow-cost,high-efficiencyinclinometerimplementations,andinactualuseofthemachievedgoodresults.

Keywords:

Inclinometer,51microprocessor,Datacollection

1绪论

1．1研究背景及其目的意义

钻孔测斜仪是钻斜井、定向井时，测量其井身轨迹的专用仪器，主要用来测量钻井过程中各点的倾斜角、方位角和工具面角等。

它是目前国内外在岩体土建工程中应用最广泛的一种精密的检测仪器，可用以观测土石坝、堤防、土体边坡、建筑物基坑、地下建筑工程土体内部以及铁路、港口、公路、水利、高层建筑等基地内部层面的倾斜角度变化和水平位移变化[29]。

山西省具有丰富的矿产资源，特别是煤炭产业是我省的支柱产业，安全生产一直是困扰煤炭生产的一大难题[5]。

钻孔测斜仪是钻斜井、钻定向井时，测量其井身轨迹的专用仪器。

20世纪90年代以来，各类岩土工程对钻孔孔斜精度的要求越来越高，早期研制和生产的各种钻孔测斜仪大多数不能适应新的市场需求，因此，传统结构原理的测斜仪纷纷被淘汰，新型结构原理的测斜仪不断涌现。

它是目前国内外在岩体土建工程中应用最广泛的一种精密的检测仪器，可用以观测土石坝、堤防、土体边坡、建筑物基坑、地下建筑工程土体内部以及铁路、港口、公路、水利、高层建筑等基地内部层面的倾斜角度变化和水平位移变化圈。

在煤层地质异常体探测（如断层）与采前瓦斯抽采、煤矿井下定向钻进施工作业中，难免会发生钻孔偏斜和偏离设计位置，如果不能实时精确确定钻孔姿态和位置信息，会给施工带来很大的盲目性而容易导致钻孔报废，钻孔事故频繁或其它安全事故的发生[6]。

迫切要求矿井施工中能够实时、精确地掌握钻孔的位置信息，以避免安全事故的发生。

测斜仪系统设计的完成，对我省的矿产资源开发，特别是煤炭生产安全监测有重大的社会意义[。

测斜仪该成果还可应在油田生产、矿产勘探、井下找孔、旧井及老井的二次开发等领域中，为我国的矿产资源生产带来了极大的安全保障，提高了不可再生资源有效利用率，具有重大的社会价值[11]。

1．2国内外研究现状

先进国家在设计钻孔测斜仪时采用加速度计和磁通门研制成功的钻孔测斜仪产品极为广泛普遍。

而在采用新型陀螺发展钻孔测斜技术方面，美国采用了双轴加速度计的电动调谐的双轴速率陀螺和挠性陀螺，提高了陀螺测斜仪的性能[3]。

这些新型陀螺具有可以减少漂移、提高精度、不需要地面对准等技术优点[4]。

我国钻孔倾斜仪的研究起步较晚，一些重要工程所急需的钻孔倾斜仪，都是从国外进口。

面向矿井生产安全监测的随钻测量和定位问题一直以来是困扰业界的一项技术难题，目前市面上随钻测斜系统主要有采用惯性导航技术和磁测技术两大类。

国外公司的导向定位仪器实现了钻头姿态参数的测量以及钻头的定位与定深，但价格昂贵、操作复杂、过于依赖操作人员等不足，有的还存在这样或那样的使用限制，无法有效满足地下自动定向钻进测量的要求。

通过对其文献的研究和仪器的具体分析，发现多数都是在某一方面致力于解决工程问题，对随钻测量方法和定位技术并没有从理论上进行系统的研究，已有的测量方法还不成熟、不完善，精度和误差等因素也没有进行深入的探讨，得出指导性的结论[9]。

我国的煤田测井始于1954年，经过近六十年的发展，测井技术经历了从模拟测井到数字测井、数控测井、成像测井的发展历程，特别是随钻测井技术的快速发展，现已成为煤田地质勘探不可缺少的勘探手段。

随着电子技术、计算机技术和新材料等现代科学技术的发展，测井方法和技术装备不断完善，测井解决地质问题的能力越来越强［7］。

20世纪80年代，南京水利科学院和南京自动化设备厂等一些单位研制成功了电阻应变片式钻孔倾斜仪;1986年航天部33所与北京水科院联合研制成功伺服加速度计式钻孔倾斜仪，正式定型为CX一01型数字显示测斜仪，在国内使用广泛;随后航天部702所开发研究成功5512型滑动式测斜仪（伺服加速度计式）;冶金工业部武汉勘察研究院研制成功CX一56型高精度钻孔测斜仪（液体泡光电式）;为解决测斜管扭转问题，1990年中国水科院仪表研究所研制成功了CN型测扭仪。

到90年代，很多厂家已生产出多种类型用于土工测试的倾斜仪。

目前在滑坡监测领域，国内外深部位移监测设计孔深多在80m以内，销售的仪器也多配以50~80m电缆，采用人工提拉、有缆测量。

但是，在孔深超过80m，甚至达300多米，有缆人工提拉测量受到先天制约[15]。

目前，测斜仪的在测斜技术上取得了一些最新进展，随着微位移检测技术的发展和对地壳形变观测仪器要求的不断提高，短基线倾斜仪的研究也取得了很大的进展，新的测量原理和新的结构设计不断涌现。

这里面比较有代表性的研究成果有折叠摆倾斜仪、激光倾斜仪以及二维垂直摆倾斜仪等[8]。

从研究方面看，高精度倾斜仪的发展方向主要集中在以下几个方面:

1、追求仪器的小型化、实用化，拓宽仪器的安装场所，方便倾斜仪的使用。

2、尽可能拓展仪器测量频带，监测不同频段地面倾斜运动，以获取丰富的地倾斜信息。

3、实现倾斜仪的数字化[29]。

倾斜仪的数字化是新一代地壳形变观测仪器的显著特点，很多地震台站不仅要求新型倾斜仪具有数字化功能，而且不断对已有的倾斜仪进行数字化改造。

4、改进仪器灵敏度标定方法和对比不同倾斜仪器的观测结果。

高精度倾斜仪观测精度的提高除了与仪器、使用环境和设备管理等密切相关以外，在很大程度取决于其自身灵敏度标定的准确性。

倾斜仪灵敏度标定工作是研究的重要方面之一，尤其是避免中间环节不确定性的直接标定法[28]。

1．3该课题主要研究内容

本设计要求采用加速度计和陀螺仪研制测斜仪系统，用于解决矿井钻孔施工中实时精确掌握钻孔姿态和位置测量的难题。

本设计面向矿井生产安全监测领域，主要应用在矿井施工、煤矿井下定向钻进、石油测井，避免矿井钻孔事故发生。

设计主要是测斜仪地下采集部分的设计[30]。

本课题主要研究内容：

1、学习测斜仪系统原理及测井方法，完成面向矿井生产安全监测的测斜仪系统设计；

2、对所设计的系统进行仿真分析；

3、完成系统硬件电路原理图设计、PCB版图等；

2测斜仪的整体方案设计

2．1测斜仪的测斜原理

2.1.1测斜原理

将三轴MEMS加速度计和陀螺仪沿钻具的基本轴线安装，就构成基于以钻具为载体的MEMS陀螺随钻测量系统，如图1所示。

图2.1基于三轴MEMS陀螺仪和加速度计的随钻测斜系统

矿井钻孔施工中，钻具不仅可以沿三个坐标轴平动，亦可以沿三个坐标轴转动。

三轴加速度计实时监测系统的平移运动，输出沿钻具三个坐标轴的比力信息：

（2.1）

而三轴陀螺仪实时监测系统的旋转运动，输出沿钻具三个坐标轴的角速度信息：

（2.2）

于是，钻具随钻测量系统就可以视为基于地下钻具这个特殊载体的捷联惯性导航系统，剩下的关键问题在于如何通过加速度计和陀螺仪的测量输出解算出钻具的姿态。

基于MEMS加速度计和陀螺仪的随钻测量系统的解算过程如图2.2所示。

通过解算不仅可以得到方位角、倾角和面向角等姿态信息，而且能够得到钻孔位置信息实现定位。

针对随钻测量系统的工作特点，我们对解算过程作进一步的优化设计。

考虑到钻具在地层中钻进时速率很小，由速度变化引起的加速度可以忽略，可以认为加速度计仅仅受地球重力的影响。

根据惯性导航基本方程：

（2.3）

载体静止，则有：

（2.4）

所以：

由上式可解出：

倾角：

（2.5）

面向角：

（2.6）

又由:

（2.7）

载体静止时:

（2.8）

可得到:

（2.9）

（2.10）

由上式（2.10）可解出：

方位角：

（2.11）

所以，根据三轴MEMS加速度计和三轴MEMS陀螺仪测量值可由公式（2.5）、（2.6）和（2.11）解出方位角

、倾角

（顶角为

）和面向角

，完成姿态的解算。

钻孔轨迹一般是由直线或曲线段组成的空间曲线，对其的描述可分为设计钻孔轨迹、实际钻孔轨迹和与实际近似的绘制钻孔轨迹。

其中，实际钻孔轨迹是指施工时钻头沿孔底破碎面中心移动时形成的点的实际几何轨迹。

为了正确地描述钻孔轨迹，空间每个测点上需要测量的对象包括三项，即该点处的孔深、顶角（或倾角）和方位角，这些也被称为钻孔轨迹的基本要素。

直观起见，我们在常用的地理坐标系中对其进行描述，如图4所示。

其中，O代表开孔点，X轴代表北向（N），Y轴代表东向（E），Z轴代表垂向（D），路径OABC为实际的钻孔轨迹，而A′、B′、C′分别为测点A、B、C在水平面的投影。

下面以A点为例，给出各基本要素的具体定义。

图2.2钻孔轨迹的基本要素

孔深：

测点处的钻孔深度，分为斜深和垂深两种，前者是指孔口到测点的钻孔曲线实长，通常由钻杆长度来衡量，图中用LA表示，后者是指测点距地表的铅垂距离，图中用HA表示。

顶角（倾角）：

钻孔当前点的切线与铅垂线之间的夹角，如图中βA所示。

而且该切线与铅垂线相交确定一个平面，该平面叫做终点平面（或钻孔弯曲平面）。

可见，钻孔顶角就在该平面内，顶角的余角称为钻孔的倾角，用θA表示。

方位角：

钻孔当前点的切线在水平面的投影与北向之间的夹角，如图中ФA所示。

假设钻孔轨迹空间上第

个测点和第

个测点的坐标分别用

和

表示，测量得到的斜深、垂深、顶角和方位角分别用

和

表示，则这个测段内的基本参数可表示如下：

（2.12）

上式（2.12）利用了两测点间测段为直线且直线方向以前、后测点的平均方向为准的假设，根据这些要素，可以逐点计算出轨迹上任一点的空间坐标。

由于深度有斜深和垂深两种表示方法，对应的轨迹计算方式也有两种。

当采用斜深L表示时，空间测点的三维坐标递推公式（2.13）为：

（2.13）

若是采用垂深H表示，空间测点的坐标递推公式（2.14）为：

（2.14）

通过逐点递推，就可得到各点的空间位置，进而描绘出钻孔三维可视化轨迹。

就传统的姿态解算算法，对大井斜角时测量精度比较高，但在小井斜角测量时，存在方位角和滚转角测量精度差，因此急需寻求一种适用于小角度井斜角测量的姿态解算算法。

在表示陀螺测斜仪的姿态时，测斜仪系统采用北东地（NED）地理坐标系为导航坐标系，用

或

表示，测斜仪坐标系三轴分别指向载体的前部、右部和下部，用

表示，其中

、

、

为加速度计和陀螺仪的敏感轴方向，井下测斜仪的姿态也就是井管的姿态。

测斜仪的姿态所对应的方位角

、俯仰角

、滚转角

所确定的导航坐标系与载体坐标系变换矩阵为：

（2.15）

姿态矩阵的

定义为：

（2.16）

由矩阵元素之间的关系可推导得到：

（2.17）

在井斜角接近垂直测井时，利用式（2.17）提取姿态角，偏航角

和滚动角

会出现较大的提取误差，偏航角

和滚动角

的姿态提取公式中

，

、

、

和

也将同时趋于0，方位角

和滚转角

的计算变得不确定，甚至根本无法正确分辨

和

。

由矩阵元素之间的关系可推导得到：

（2.18）

因此由式（2.18）可得到方位角

和滚转角

之间的另一种表示：

（2.19）

当测井垂直时，俯仰角

，式（14）姿态阵

退化为：

（2.20）

此时，由姿态阵

不能解算得到方位角

和滚转角

，只能解算出

的值，在姿态提取时，可以通过其它辅助测量方法，只要先确定方位角

和滚转角

其中之一，再由式（2.19）就能计算出另一个姿态角值。

测斜仪的方位角

、俯仰角

和滚转角

的随时间的变化率与测斜仪载体坐标系相对于地理坐标系转动的角速度分量

、

和

，它们之间的关系可表示为式（2.21）：

（2.21）

而角速度分量

的另一种表达方式（2.9）：

（2.22）

当测斜仪采用静态测斜的工作方式

为零，或采用随钻测斜的工作方式时，因为钻进的速度很慢，

可以近似为零处理。

可由式（2.22）整理为式（2.23）：

（2.23）

则可推导得到式（2.23）：

（2.24）

式中

和

分别是地球自转速率和纬度，当方位的变化率

很小时，由式（24）可近似得到下式：

（2.25）

而无论测斜仪任何工作情况下，对于俯仰角

的提取，俯仰角

的均可以按下式（2.17）提取，其提取的误差主要取决于姿态变换阵

的准确度，判断计算所得的仰角是否

，若是，由此可初步判断测井接近垂直状态，利用安装在测斜仪纵轴向的高精度陀螺仪

的输出按式（2.22）积分解算出滚转角

，而方位角

的提取按式（2.19）进行解算。

当判断不是小角度井斜角测量时，方位角

和滚转角

可按下式（2.17）提取。

2.1.2传感器选择

根据本设计测斜模型的原理，需要对X、Y、Z三轴的数据进行测量，故本设计选用三轴加速度计ADXL330和三轴陀螺仪L3G462A作为倾角测量工具。

通过测量加速度与角速度来计算出倾角，以便于完成安全监测。

2．2测斜仪的总体设计方案

在建立了测斜仪的数学模型，并选定测试数学参数的传感器之后，就需要对整个系统进行严谨而镇密的系统设计，包括系统的硬件设计和软件设计。

2.2.1系统硬件设计方案

测斜仪的整个硬件系统包括井下仪器部分和地面监控系统两个部分。

本设计的只涉及井下部分，需要完成数据的采集、处理、存储部分。

整个系统硬件原理框图如下图2.3。

图2.3系统硬件原理框图

本系统中，井下仪器部分主要完成对倾斜角参数的精密测量，并使用微控制器把测得数据经过处理后传递到地面。

采用三轴传感器，测量方向为X轴、Y轴、Z轴，相比以前的测斜仪更精确。

这是一个典型的数据采集系统，当传感器完成测量后，将数据传入A/D芯片进行模数转换，之后再由单片机对数据进行处理。

2.2.2系统软件设计方案

系统硬件离不开软件的支持，只有软件与硬件相结合才能实现测斜仪的功能。

所以软件主要是配合硬件完成数据采集、处理等功能。

3测斜仪的硬件设计

3．1测斜仪的总体架构

测斜仪是以单片机为核心的数据采集系统，三轴加速度计、三轴陀螺仪、温度传感器、压力传感器的八路信号送到A/D转换器进行模数转换，之后在单片机中进行处理。

其硬件结构如图3.1：

图3.1硬件结构图

3．2测斜仪的硬件系统的器件选择

在器件选择方面单片机选择AT89S52，AD转换器选择ICL7135，温度传感器选择AD590，压力传感器选择MPX4115，三轴加速度计选择ADXL330，三轴陀螺仪选择L3G462A。

由于测斜仪需要在地下1000米以下工作所以需要适应温度与压强。

根据地温梯度，地层每加深100米，温度升高3°C，假设地上温度是25℃，则1000米以下是50℃以上。

每下降10米压强增大100Pa,则1000米大约增大10000Pa，地下1000米大约是100000Pa。

在选择陀螺仪、加速度计、温度传感器，压力传感器需要考虑这些因素[30]。

3.2.1控制核心AT89S52

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止【17】。

图3.2AT89S52引脚图DIP封装

各引脚功能如下：

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能：

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5MOSI（在系统编程用）

P1.6MISO（在系统编程用）

P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2INTO（外中断0）

P3.3INT1（外中断1）

P3.4TO（定时/计数器0）

P3.5T1（定时/计数器1）

P3.6WR（外部数据存储器写选通）

P3.7RD（外部数据存储器读选通）

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的