一种超小型三轴光纤陀螺测姿系统的制作方法

1.本发明涉及光纤陀螺测姿系统领域，尤其是涉及一种超小型三轴光纤陀螺测姿系统。


背景技术：

2.随着地下钻探要求无人化，智能化，数字化的不断提升，对地下钻探测量精度要求不断提高急需一种高精度，高可靠，高效率的姿态航向测量设备。目前测量设备主要有三种方式：三轴磁罗盘加三轴加速度计方式、机械陀螺加三轴加速度计寻北方式和光纤陀螺加三轴加速度计通过转位寻北方式。
3.下面对这三种方式的弊端分别进行分析。
4.三轴磁罗盘加三轴加速度计方式存在以下弊端：
5.1.1)磁罗盘精度低一般航向角只能达到
±
1.5
°
；
6.1.2)需要无磁钢做外套，成本及加工难度大；
7.1.3)容易被铁磁物质干扰；
8.1.4)不能在测量中进行自标定。
9.机械陀螺加三轴加速度计寻北方式存在以下弊端：
10.2.1)由于有挠性连接杆，及转动部件，导致抗振性差；
11.2.2)长时间精度漂移大；
12.2.3)外围电路复杂，需要16k信号发生电路，电机伺服控制电路，调制解调电路，姿态解算电路，电源转换电路。
13.光纤陀螺加三轴加速度计通过转位寻北方式存在以下弊端：
14.3.1)一般采用一至三个光纤陀螺模块和三个石英加速度计组成imu模块通过转位方式进行寻北。造成结构复杂，体积大；
15.3.2)一至二个光纤陀螺模块和三个石英加速度计组成的系统在大于60
°
后航向精度降低，不能进行连续测量；
16.3.3)采用三个光纤陀螺模块和三个石英加速度计组成的系统，内部含有3套光源，3套sagnec信号检测伺服电路，三套光路组件，同时需要给石英加速度计提供
±
12v以上的电源，造成功耗高，电压高，防爆要求高。不适合用电池供电。
17.目前，在国家针对煤矿安全生产上，要求做到数字化，网络化，智能融合发展。提出所有的瓦斯抽排，地下水防治所使用的钻孔，都需要进行轨迹测量，同时测量方位误差要求小于1000米20米。现有钻杆内径为36毫米，大多采用磁罗盘方式进行测量，据用户实际反应，由于地下情况复杂，有磁性矿场影响，会造成钻孔长度400～500米时误差达到90米，不能满足实际要求。如利用国外设备进行测量，整体采购价格将近120万美金。


技术实现要素：

18.目前本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的采用磁罗盘方式进行钻孔
方位测量误差大的缺陷而提供一种超小型三轴光纤陀螺测姿系统。
19.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
20.一种超小型三轴光纤陀螺测姿系统，包括三轴光纤陀螺、姿态和重力传感器和支撑整个系统的架体，所述三轴光纤陀螺包括光源组件和探测组件，所述探测组件连接有控制解算存储通讯电路，所述超小型三轴光纤陀螺测姿系统还包括光源控制电路、电源控制电路和三轴mems imu，所述光源控制电路用于控制所述光源组件中的光源的供电，所述电源控制电路用于控制所述三轴光纤陀螺的供电，所述姿态和重力传感器连接所述探测组件，所述光源控制电路、电源控制电路和三轴mems imu均连接所述控制解算存储通讯电路；
21.所述超小型三轴光纤陀螺测姿系统用于地下钻孔的方位测量，所述超小型三轴光纤陀螺测姿系统为圆柱状结构，所述光源组件的各部分分离设置。
22.进一步地，所述超小型三轴光纤陀螺测姿系统的最大直径不超过34毫米、长度不超过480毫米，所述光源组件中的光纤环2为四极对称绕制。
23.进一步地，所述光源组件中光纤环2的内径为12毫米，外径为23毫米，高度为21毫米，光纤直径60微米，环长，即光纤总长为500米。
24.进一步地，所述超小型三轴光纤陀螺测姿系统还包括数据汇总板，所述探测组件和控制解算存储通讯电路均安装于所述数据汇总板。
25.进一步地，所述姿态和重力传感器为三轴mems加速度计或mems倾角传感器。
26.进一步地，所述光源组件包括一个光源、一个第一耦合器、三个第二耦合器和三个检测单元，每个所述检测单元包括一个光纤环、一个y波导和一个探测器，所述y波导连接所述光纤环，所述第一耦合器分别连接三个第二耦合器和光源，每个所述第二耦合器还分别连接检测单元的y波导和探测器，所述三个检测单元的光纤环以两两正交的方式连接所述架体。
27.进一步地，所述探测组件包括依次连接的光信号检测差分放大电路和信号检测伺服电路，所述信号检测伺服电路连接所述姿态和重力传感器，所述光信号检测差分放大电路的数量为三个，每个所述光信号检测差分放大电路分别连接一个检测单元的探测器。
28.进一步地，所述架体包括主骨架和骨架光纤盘，所述骨架光纤盘用于安装光纤，所述第一耦合器、第二耦合器和y波导均连接所述骨架光纤盘，所述光源、光纤环、探测器、探测组件、控制解算存储通讯电路、光源控制电路、电源控制电路和三轴mems imu均连接所述主骨架。
29.进一步地，所述信号检测伺服电路包括模数转换芯片、信号控制处理芯片、数模转换芯片、辅助闭环芯片和温度采集芯片，所述模数转换芯片、信号控制处理芯片、数模转换芯片和辅助闭环芯片依次连接，所述信号控制处理芯片还分别连接所述温度采集芯片和姿态和重力传感器。
30.进一步地，所述模数转换芯片的型号为ad9235，所述信号控制处理芯片的型号为fpga，所述数模转换芯片的型号为ad9744，所述辅助闭环芯片的型号为ad5883，所述温度采集芯片的型号为ds18b20。
31.进一步地，所述超小型三轴光纤陀螺测姿系统还连接有为整个系统供电的电源，该电源为电池。
32.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
33.(1)本发明将三轴光纤陀螺测姿系统用于地下钻孔的方位测量，相较于采用磁罗盘方式进行测量，不存在磁性矿场影响的缺陷，大幅提高了测量精度，且降低了采购成本；
34.超小型三轴光纤陀螺测姿系统为圆柱状结构，采用光源组件的各部分分离设置的方式，使得系统整体适应地下钻杆的规格需求；
35.通过三轴mems imu实时检测系统的运动状态信息，在系统静止时，通过电源控制电路为光纤陀螺供电，实现快速启动测量，提高光纤陀螺零偏重复性，同时降低功耗，以满足充电一次使用一天的要求，只用 5v电源即可工作，减少防爆认证难度；
36.(2)采用小直径高精度单轴光纤环，以及圆柱状结构的主骨架，将系统整体的直径控制在34mm，长度控制在480mm以下，可适用于大多数钻杆的直径，满足小型化需求；
37.(3)通过三轴mems加速度计测量重力投影，通过三轴光纤陀螺敏感地球自转的角速度，不用旋转光纤陀螺就能测量出地球真北方向，同时通过投影坐标转换的方式，可以对全方位进行测量而不损失精度；由于没有运动部件，去除了石英挠性加速度计，整机的抗冲击，抗振动性能极为出色；
38.(4)本发明测姿系统寻北时功耗小于6w，姿态保持时功耗小于2w；
39.(5)所有部件安装在主骨架上形成固连，减少因安装造成的测量误差，同时提高了整体的结构强度；
40.(6)采用光路、电路分开设计的方案，提高系统的可维护性；
41.(7)本发明测姿系统非常适合要求高精度测量轨迹，如钻孔轨迹，及水平钻孔轨迹，随钻测量轨迹等。
附图说明
42.图1为本发明超小型三轴光纤陀螺测姿系统的爆炸图；
43.图中，1、光源，2、光纤环，3、y波导，4、探测器，5、数据汇总板，6、导热板，7、压线板，8、电源板，9、光源板，10、架体，11、外罩，12、电池仓转接头，13、套管转接头。
具体实施方式
44.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
45.实施例1
46.如图1所示，本实施例提供一种超小型三轴光纤陀螺测姿系统，包括三轴光纤陀螺、姿态和重力传感器和支撑整个系统的架体10，三轴光纤陀螺包括光源组件和探测组件，探测组件连接有控制解算存储通讯电路，超小型三轴光纤陀螺测姿系统还包括光源控制电路、电源控制电路和三轴mems imu，光源控制电路用于控制光源组件中的光源1的供电，电源控制电路用于控制三轴光纤陀螺的供电，姿态和重力传感器连接探测组件，光源控制电路、电源控制电路和三轴mems imu均连接控制解算存储通讯电路；
47.超小型三轴光纤陀螺测姿系统用于地下钻孔的方位测量，超小型三轴光纤陀螺测姿系统为圆柱状结构，光源组件的各部分分离设置，光源组件中的光纤环2为内径12毫米，外径23毫米，高度21毫米光纤直径60微米，4极对称绕制，环长500米。
48.该超小型三轴光纤陀螺测姿系统的控制方法包括以下步骤：
49.测姿定位步骤：探测组件通过姿态和重力传感器测量重力阴影，通过三轴光纤陀螺探测地球自转的角速度，然后基于地球自转为15
°
/h的原理，采用投影坐标转换的方式进行测姿定位；
50.电源控制步骤：控制解算存储通讯电路根据三轴mems imu的探测数据，判断系统处于静止状态还是运动状态，若系统处于运动状态，则打开光源控制电路、关闭电源控制电路；若系统处于静止状态，则打开光源控制电路以及电源控制电路，执行测姿定位步骤。
51.下面对各部分进行具体描述。
52.一、光源组件
53.光源组件包括一个光源1、一个第一耦合器、三个第二耦合器和三个检测单元，每个检测单元包括一个光纤环2、一个y波导3和一个探测器4，y波导3连接光纤环2，第一耦合器分别连接三个第二耦合器和光源1，每个第二耦合器还分别连接检测单元的y波导3和探测器4，三个检测单元的光纤环2以两两正交的方式连接架体10。
54.二、探测组件
55.探测组件包括依次连接的光信号检测差分放大电路和信号检测伺服电路，信号检测伺服电路连接姿态和重力传感器，光信号检测差分放大电路的数量为三个，每个光信号检测差分放大电路分别连接一个检测单元的探测器4。
56.信号检测伺服电路包括模数转换芯片、信号控制处理芯片、数模转换芯片、辅助闭环芯片和温度采集芯片，模数转换芯片、信号控制处理芯片、数模转换芯片和辅助闭环芯片依次连接，信号控制处理芯片还分别连接温度采集芯片和姿态和重力传感器。
57.模数转换芯片的型号为ad9235，信号控制处理芯片的型号为fpga，数模转换芯片的型号为ad9744，辅助闭环芯片的型号为ad5883，温度采集芯片的型号为ds18b20。
58.三、姿态和重力传感器
59.姿态和重力传感器为三轴mems加速度计或mems倾角传感器。
60.四、具体结构
61.超小型三轴光纤陀螺测姿系统整体的最大直径不超过34毫米、长度不超过480毫米。
62.架体10包括主骨架和骨架光纤盘，骨架光纤盘用于安装光纤，第一耦合器、第二耦合器和y波导3均连接骨架光纤盘，光源1、光纤环2、探测器4、探测组件、控制解算存储通讯电路、光源控制电路、电源控制电路和三轴mems imu均连接主骨架。
63.超小型三轴光纤陀螺测姿系统还包括数据汇总板5、电源板8和光源板9，探测组件和控制解算存储通讯电路均安装于数据汇总板5，通过该数据汇总板5连接主骨架；数据汇总板5连接有导热板6，接入该数据汇总板5的线束通过一个压线板7固定；
64.电源板8和光源板9连接在主骨架的一端，光源控制电路安装于光源板9，电源控制电路安装于电源板8。
65.超小型三轴光纤陀螺测姿系统还连接有为整个系统供电的电源，该电源为电池。主骨架连接电源板8和光源板9的一端还连接有电池仓转接头12，用于接入电池；另一端连接有套管转接头13，用于连接不同直径的金属套管。
66.具体实施：
67.本实施提供一种超小型三轴光纤陀螺测姿系统，其直径为34mm，长度为350mm～480mm。内部包含三个小直径高精度单轴光纤环2，三个y波导3，一个1*3耦合器，三个2*2耦合器，一个sld光源，一个高精度三轴mems加速度计，一个三轴mems imu，一个光源控制电路，三个光信号检测差分放大电路，一个sagnec信号检测伺服电路，一个控制解算存储通讯电路，结构安装骨架，三个光纤环安装板。结构安装骨架包括主骨架和骨架光纤盘。
68.下面对各部分进行具体描述。
69.1、除了采用高精度三轴mems加速度计，还可以采用高精度mems倾角传感器作为姿态及重力测量传感器，通过pcb板装配在主骨架上。
70.2、三个小直径高精度单轴光纤环2分别以正交方式通过光纤环安装板安装在主骨架上。
71.3、耦合器和y波导3分别安装在骨架光纤盘纤面上。
72.4、光源1通过螺钉加导热垫直接安装在主骨架上。
73.5、三个光信号检测差分放大电路板，分别安装在光纤盘纤面附近骨架上。通过线缆连接至sagnec信号检测伺服电路。
74.6、sagnec信号检测伺服电路板采用高速模数转换芯片ad9235作为信号采集芯片，fpga作为信号控制处理芯片，高速数模转换芯片ad9744作为闭环控制芯片，ad5883作为辅助闭环芯片，通过ds18b20作为温度采集芯片补偿温度引起的漂移。可同步采集三轴高精度mems加速度计信号。核心检测电路板通过spi总线，或uart总线，同控制解算存储通讯电路板进行通讯。
75.7、控制解算存储通讯电路板，主要控制光纤陀螺部分电源上电控制，光源板9电路上电控制，电源稳压滤波，姿态航向解算，三轴高精度mems加速度计信号采集，一个三轴mems imu信号采集，时标信号记录，根据设定可自动记录当前航向和姿态，也可根据外部信号进入寻北测量。
76.8、通过和一个三轴mems imu进行算法组合提高运动中定位定向精度，也可以单独使用三轴mems imu进行短时间姿态方位保持，并检测系统状态，关闭光纤陀螺电源降低功耗，延长使用时间。
77.9、光源控制电路单独安装在sld光源附近主骨架上，减少干扰。
78.10、头部可分别与不同直径金属套管连接，尾部可连接不同容量电池仓接口。以形成一个密封整体，形成ip67的密封等级。
79.11、同时具有一个rs422接口与外部通讯，以接受命令传输数据。
80.工作原理：
81.本实施例通过一体化设计将三轴光纤陀螺，三轴加速度计，控制解算存储通讯电路集成在小型化结构内，众所周知地球自转为15
°
/h，通过三轴加速度计测量重力投影和三轴光纤陀螺敏感地球自转的角速度通过投影坐标转换方式，不用旋转光纤陀螺就能测量出地球真北方向，同时通过投影坐标转换的方式，可以对全方位进行测量而不损失精度。由于没有运动部件，去除了石英挠性加速度计，整机的抗冲击，抗振动性能极为出色。将直径控制在34mm，长度控制在480mm以下。可适用于大多数钻杆的直径。整机寻北时功耗小于6w，姿态保持时功耗小于2w。所有部件安装在主骨架上形成固连，减少因安装造成的测量误差，同时提高了整体的结构强度。在连续测量中可以通过组合三轴memsimu通过滤波算法，提高运
动中姿态稳定性和方向准确性。在分段测量中通过检测三轴mems imu信号，在系统运动中通过电源控制电路关闭光纤陀螺供电，通过光源控制电路打开光源1供电，当检测到系统静止时，通过电源控制电路打开光纤陀螺供电，通过光源控制电路打开光源1供电，实现快速启动测量，提高光纤陀螺零偏重复性。同时降低功耗，以满足充电一次使用一天的要求。只用 5v电源即可工作。减少防爆认证难度。采用光路、电路分开设计的方案，提高系统的可维护性。同时控制解算存储通讯电路板可以通过上位机对系统进行标定，对sagnec信号检测伺服电路上的fpga进行配置简化标定测试流程。通过与不同的外套配合可以满足ip67密封要求，同时满足不同孔径测量要求。本超小型三轴光纤陀螺测姿系统非常适合要求高精度测量轨迹，如钻孔轨迹，及水平钻孔轨迹，随钻测量轨迹等。
82.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。