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

系統(tǒng)需采集兩個轉(zhuǎn)角、3個分力、3個液壓缸壓力、兩個姿態(tài)角的測量輸出值，處理計算合力矢量的大小和角度，并實時顯示和儲存，其中：

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

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

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

嵌入式處理系統(tǒng)與工控機間采用802.11g無線通信協(xié)議傳輸采集數(shù)據(jù)。工控機完成處理計算，實時顯示全部信息并進行儲存。

圖5 基于cRIO的嵌入式處理系統(tǒng)

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

圖6 測力傳感器輸出濾波放大模塊

系統(tǒng)軟件要求能夠精確測量、檢驗和校正整個導(dǎo)向力控制機構(gòu)和控制算法，圖7為軟件顯示與操作界面。實現(xiàn)的具體功能包括：

1) 導(dǎo)向力控制算法驗證；

2) 近鉆頭慣性測量模塊顯示、校正、標(biāo)定；

3) 轉(zhuǎn)臺參數(shù)測量、顯示、對比；

4) 標(biāo)定參數(shù)、實時控制參數(shù)、工程測量參數(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)定測試系統(tǒng)，在COTAS系統(tǒng)驗證過程中進行了大量測試試驗，試驗獲得：

1) COTAS工具液壓缸壓強/液壓力間擬合關(guān)系式；

2) 慣性測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、相位控制精度測試結(jié)論；

4) 高邊角自動補償功能驗證與效果測試結(jié)論。

綜上試驗中使用效果表明，該系統(tǒng)集兩軸精密轉(zhuǎn)臺和測力儀于一體，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，并實時測量導(dǎo)向力矢量。可以實現(xiàn)對導(dǎo)向力控制機構(gòu)和閉環(huán)反饋算法的測試和檢驗，也可用于對近鉆頭慣性測量模塊的標(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)定和檢驗功能服務(wù)。