一种定向传感器的标定方法

摘要

本发明公开了一种定向传感器的标定方法，属于定向传感器的标定领域。该定向传感器的标定方法，将定向传感器安装在加温标定转台上；调整三轴亥姆霍兹线圈产生磁场，在抵消环境静态磁场后的额外磁场，所述额外磁场的磁感应强度大小等于地磁感应强度大小，磁感应强度的方向与重力场方向相同；调整加温标定转台的温度和三轴角度，获取定向传感器的采集数据；采用总场标定方法对定向传感器进行标定，解决了因环境磁场和地球重力场不同向，标定过程需要重复采集磁性传感器和加速度传感器的数据的问题，标定过程得到了简化，提升了定向传感器的标定效率。

权利要求

1.一种定向传感器的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）利用水平仪（4）校准加温标定转台（2）的水平姿态；

2）将三轴磁性传感器（3）放置在加温标定转台（2）上，三轴亥姆霍兹线圈（1）置于加温标定转台（2）外围，利用三轴磁性传感器（3）校准三轴亥姆霍兹线圈（1）的标定系数、零位偏差及正交性；

调整三轴亥姆霍兹线圈（1）产生磁场，在抵消环境静态磁场后的额外磁场，所述额外磁场的磁感应强度大小等于地磁感应强度大小，磁感应强度的方向与重力场方向相同；

步骤2）中利用三轴磁性传感器（3）校准三轴亥姆霍兹线圈（1）的标定系数、零位偏差的具体过程为：

调整三轴亥姆霍兹线圈（1），在抵消了环境静态磁场后，三轴亥姆霍兹线圈（1）在XB、YB、ZB轴上分别产生两个大小相等，方向相反的矢量磁场；

调整三轴亥姆霍兹线圈（1）的标定系数，直至三轴亥姆霍兹线圈（1）的设定值等于三轴磁性传感器（3）测量值，三轴磁性传感器（3）的测量值为XB1、YB1、ZB1和XB2、YB2、ZB2；

调整三轴亥姆霍兹线圈（1）的零位偏差，使XBmin、YBmin、ZBmin为极小值， 其中，XBmin=XB1+XB2，YBmin=YB1+YB2，ZBmin=ZB1+ZB2；

步骤2）中利用三轴磁性传感器（3）校准三轴亥姆霍兹线圈（1）的正交性的具体过程为：调整三轴亥姆霍兹线圈（1），在抵消环境静态磁场后，其在XB、YB、ZB轴方向上各产生一个磁场，三轴磁性传感器（3）对应的测量值分别为XB3、YB3、ZB3；

通过观察三轴磁性传感器（3）的测量值，沿矢量磁场方向转动加温标定转台（2）的三个轴，调整三轴亥姆霍兹线圈（1）的正交性，直至三轴亥姆霍兹线圈（1）产生的矢量磁场XB平行于测量值XB3，矢量磁场YB平行于测量值YB3，ZB轴平行于测量值ZB3；

3）将定向传感器（5）放置在加温标定转台（2）上；

调整加温标定转台（2）的温度和三轴角度，在不同姿态下，获取定向传感器（5）的采集数据；

采用总场标定的数据处理方法对定向传感器（5）进行标定；

步骤3）中采用总场标定方法对定向传感器（5）进行标定时，同时对磁性传感器和加速度传感器进行标定。

2.根据权利要求1所述的定向传感器的标定方法，其特征在于，步骤3）中采用总场标定方法对定向传感器（5）进行标定的过程为：调整三轴亥姆霍兹线圈（1）使输出的磁场达到总场值标定需求，获取定向传感器（5）的采集数据并入相对应的标定模型中；

利用标定程序运行标定模型，求解出传感器的标定因子、零位偏差和正交偏差；

依据上述数据对定向传感器（5）进行标定。

3.根据权利要求1所述的定向传感器的标定方法，其特征在于，加温标定转台（2）为IDEAL AEROSMITH公司的Model 1503‑TS‑SPL标定转台。

4.根据权利要求1所述的定向传感器的标定方法，其特征在于，三轴磁性传感器（3）为Bartington公司的mag‑03或mag‑13。

5.根据权利要求1所述的定向传感器的标定方法，其特征在于，三轴磁性传感器（3）经过标准磁源溯源处理。

说明书

一种定向传感器的标定方法

技术领域

[0001] 本发明属于涉及石油行业井下定向传感器的标定领域，尤其是一种定向传感器的标定方法。

背景技术

[0002] 在石油钻井、测井行业，通常采用基于磁性和加速度传感器结构的定向传感器来测量井下设备的姿态，它的测量准确性影响着井眼轨迹的精度。为了保证测量的精度，需要
对定向传感器的每个传感器进行溯源标定。

[0003] 目前，在石油行业基于加速度和磁性传感器结构的定向传感器通常采用总场标定(total field calibration)的方法。该方法通过改变定向传感器的空间姿态，分别利用标
准地球磁场和重力场单独标定磁性传感器和加速度传感器。这种方法使用环境磁场溯源，
对磁场环境有苛刻要求；并且，由于环境磁场和地球重力场并不同向，使得它的标定过程需
要重复采集多个空间姿态的数据。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服定向传感器标定过程中磁性传感器与加速度传感器需分开标定的缺点，提供一种定向传感器的标定方法。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

[0006] 一种定向传感器的标定方法，包括以下步骤：

[0007] 1)利用水平仪校准加温标定转台的水平姿态；

[0008] 2)将三轴磁性传感器放置在加温标定转台上，三轴亥姆霍兹线圈置于加温标定转台外围，利用三轴磁性传感器校准三轴亥姆霍兹线圈的标定系数、零位偏差及正交性；

[0009] 3)将定向传感器放置在加温标定转台上；

[0010] 调整三轴亥姆霍兹线圈产生磁场，在抵消环境静态磁场后的额外磁场，所述额外磁场的磁感应强度大小等于地磁感应强度大小，磁感应强度的方向与重力场方向相同；

[0011] 调整加温标定转台的温度和三轴角度，在不同姿态下，获取定向传感器的采集数据；

[0012] 采用总场标定的数据处理方法对定向传感器进行标定。

[0013] 进一步的，步骤3)中采用总场标定方法对定向传感器进行标定时，同时对磁性传感器和加速度传感器进行标定。

[0014] 进一步的，步骤3)中采用总场标定方法对定向传感器进行标定的过程为：

[0015] 调整三轴亥姆霍兹线圈使输出的磁场达到总场值标定需求，获取定向传感器的采集数据并入相对应的标定模型中；

[0016] 利用标定程序运行标定模型，求解出传感器的标定因子、零位偏差和正交偏差；

[0017] 依据上述数据对定向传感器进行标定。

[0018] 进一步的，步骤2)中利用三轴磁性传感器校准三轴亥姆霍兹线圈的标定系数、零位偏差的具体过程为：

[0019] 调整三轴亥姆霍兹线圈，在抵消了环境静态磁场后，三轴亥姆霍兹线圈在XB、YB、ZB轴上分别产生两个大小相等，方向相反的矢量磁场；

[0020] 调整三轴亥姆霍兹线圈的标定系数，直至三轴亥姆霍兹线圈的设定值等于三轴磁性传感器测量值，三轴磁性传感器的测量值为XB1、YB1、ZB1和XB2、YB2、ZB2；

[0021] 调整三轴亥姆霍兹线圈的零位偏差，使XBmin、YBmin、ZBmin为极小值，其中，XBmin＝XB1+XB2，YBmin＝YB1+YB2，ZBmin＝ZB1+ZB2。

[0022] 进一步的，步骤2)中利用三轴磁性传感器校准三轴亥姆霍兹线圈的正交性的具体过程为：

[0023] 调整三轴亥姆霍兹线圈，在抵消环境静态磁场后，其在XB、YB、ZB轴方向上各产生一个磁场，三轴磁性传感器对应的测量值分别为XB3、YB3、ZB3；

[0024] 通过观察三轴磁性传感器的测量值，沿矢量磁场方向转动加温标定转台的三个轴，调整三轴亥姆霍兹线圈的正交性，直至三轴亥姆霍兹线圈产生的矢量磁场XB平行于测
量值XB3，矢量磁场YB平行于测量值YB3，ZB轴平行于测量值ZB3。

[0025] 进一步的，加温标定转台为IDEAL AEROSMITH公司的Model 1503‑TS‑SPL标定转台。

[0026] 进一步的，三轴磁性传感器为Bartington公司的mag‑03或mag‑13。

[0027] 进一步的，三轴磁性传感器经过标准磁源溯源处理。

[0028] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的定向传感器的标定方法，调整三轴亥姆霍兹线圈的磁场方向，使得磁场和重力场同方向，转动加温标定转台，在同一位
置能够同时得到定向传感器的磁性传感器和加速度传感器的采集数据，经总场标定方法进
行数据处理，得到标定值进行标定，解决了因环境磁场和地球重力场不同向，标定过程需要
重复采集磁性传感器和加速度传感器的数据的问题，标定过程得到了简化，提升了定向传
感器的标定效率；进一步的，通过三轴亥姆霍兹线圈的磁场溯源和磁场方向的调节，提升了
定向传感器的标定准确率；本发明提出的定向传感器的标定方法，能够为石油工程测井、钻
井类定向传感器提供在任意磁倾角和温度下的校验数据。

附图说明

[0029] 图1为本发明的定向传感器的标定方法的实施例的流程示意图；

[0030] 图2为三轴亥姆霍兹线圈的校准时的示意图；

[0031] 图3为校正三轴亥姆霍兹线圈XB轴的零位偏差和标度因子的原理示意图；

[0032] 图4为校正三轴亥姆霍兹线圈的正交偏差的原理示意图；

[0033] 图5为定向传感器安装在加温标定转台上的结构示意图；

[0034] 图6为加温标定转台的结构示意图；

[0035] 图7为定向传感器的结构示意图。

[0036] 其中：1‑三轴亥姆霍兹线圈；2‑加温标定转台；3‑三轴磁性传感器；4‑水平仪；5‑定向传感器；501‑磁性传感器；502‑加速度传感器。

具体实施方式

[0037] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是
本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范
围。

[0038] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用
的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或
描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆
盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于
清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品
或设备固有的其它步骤或单元。

[0039] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0040] 参见图1，图1为本发明的定向传感器的标定方法的实施例的流程示意图，包括以下步骤：

[0041] S1.三轴磁性传感器在标准磁源中溯源

[0042] 这个步骤保证了三轴磁性传感器本身的测量精度和准确性，以及向三轴亥姆霍兹线圈和定向传感器传导的磁性测量数据的有效性。

[0043] S2.利用三轴磁性传感器标定三轴亥姆霍兹线圈的磁场

[0044] 标定三轴亥姆霍兹线圈的磁场又分为标定三轴亥姆霍兹线圈1的标定系数、零位偏差和正交性；首先，校准加温标定转台2的方位；参见图2，图2为三轴亥姆霍兹线圈的校准
时的示意图，将溯源标定后的三轴磁性传感器3固定到加温标定转台2上，三轴亥姆霍兹线
圈1在抵消了环境静态磁场后，在XB轴方向产生一个矢量磁场，通过观察三轴磁性传感器3
的测量值，调节加温标定转台2的方位，使它的正北测量方向对准三轴亥姆霍兹线圈1的XB
轴矢量磁场的正方向；

[0045] 标定三轴亥姆霍兹线圈1的标定系数、零位偏差的具体过程为：

[0046] 参见图3，图3为校正三轴亥姆霍兹线圈XB轴的零位偏差和标度因子的原理示意图，三轴亥姆霍兹线圈1在抵消了环境静态磁场后，在XB、YB、ZB轴上分别产生两个大小相等，
方向相反的矢量磁场；在三轴磁性传感器3的观察测量值为XB1、YB1、ZB1和XB2、YB2、ZB2；调整三
轴亥姆霍兹线圈1的标定系数和零位偏差，使三轴亥姆霍兹线圈1的设定值等于三轴磁性传
感器3测量值，并使XBmin、YBmin、ZBmin为极小值，其中：

[0047] XBmin＝XB1+XB2  (1)

[0048] YBmin＝YB1+YB2  (2)

[0049] ZBmin＝ZB1+ZB2  (3)

[0050] 标定三轴亥姆霍兹线圈1的正交性的具体过程为：

[0051] 参见图4，图4为校正三轴亥姆霍兹线圈的正交偏差的原理示意图；三轴亥姆霍兹线圈1在抵消了环境静态磁场后，分别在XB、YB、ZB轴上产生一个矢量磁场，三轴磁性传感器3
的测量值为XB3、YB3、ZB3；分别沿矢量磁场方向转动加温标定转台2的三个轴，通过观察垂直
方向两轴在三轴磁性传感器3的测量值，调整三轴亥姆霍兹线圈1的正交调节功能，使三轴
亥姆霍兹线圈1在XB、YB、ZB轴方向的磁场平行于测量值XB3、YB3、ZB3，并互相垂直；

[0052] S3.利用三轴亥姆霍兹线圈标定定向传感器

[0053] 参见图5，图5为定向传感器安装在加温标定转台上的结构示意图；将待标定的定向传感器5安装在加温标定转台2上；三轴亥姆霍兹线圈1在抵消了环境静态磁场后，调整三
轴亥姆霍兹线圈1的ZB轴，产生额外的磁场，产生的磁场矢量为地球磁场大小，并且平行于
重力场方向；

[0054] 参见图6，图6为加温标定转台的结构示意图，其三轴都可以旋转从而调节角度，通过调整加温标定转台2内的温度，在不同温度状态下，转动加温标定转台2的三轴对定向传
感器进行标定。

[0055] 参见图7，图7为定向传感器的结构示意图，以磁性传感器标定为例，选择标定模型为：

[0056]

[0057] 其中，Mx、My、Mz是磁性传感器的三轴矢量，Vx、Vy、Vz是磁性传感器采集的原始电压数据，mxx、myy、mzz分别是磁性传感器三轴的标度因子，mxy、mxz、myx、myz、mzx、mzy是正交偏差，
Vox、Voy、Voz是磁性传感器三轴的零位偏差。

[0058] 标定程序是对传感器的标定因子、零位偏差和正交偏差求解的过程，通过不同温度点的标定，标定因子和零位偏差可以是相对温度变化的一个函数的解集。

[0059] 数据处理方法采用总场标定(total field calibration)方法进行数据处理，R Estes和P Walters在1989年SPE会议上发表的论文“Improvement of Azimuth Accuracy 
by Use of Iterative Total Field Calibration Technique and Compensation for 
System Environment”提出的总场标定(total field calibration)的方法是目前定向传
感器最先进的标定方法。

[0060] 通过加温标定转台2三轴的转动，获得多个Mx、My、Mz的传感器采集数据；在传感器测量时，“总场标定”的方法通过其它装置获得总场值，且总场值是磁性传感器三个轴的矢
量和。如总场值TMF为：

[0061]

[0062] 在本发明中，通过调整三轴亥姆霍兹线圈1的磁场发生强度使总场值TMF达到标定需求；调整三轴亥姆霍兹线圈1的ZB轴为50μT，使得TMF为50μT，模拟当地的地球磁场强度；

[0063] 求解(4)式中，同一温度下磁通门传感器的12个标定值为常数；

[0064] 利用传感器在多个方向上的总场强约束和迭代计算，可以在不需要精确刻度架的情况下，标定定向传感器5；

[0065] 三个加速度传感器的测量值Ax、Ay、Az使用相同的方法获得12个标定值。

[0066] 本发明利用调整三轴亥姆霍兹线圈1的磁场方向，使得磁场和重力场同方向，在转动加温标定转台2时，在同一位置可以同时标定定向传感器5的磁性传感器和加速度传感
器。

[0067] 使用上述标定值在(4)式中，完成三个磁性传感器和三个加速度传感器的校正计算。

[0068] 利用本发明的定向传感器的标定方法标定后的定向传感器进行验算，具体过程为：

[0069] 使用校正后的传感器输出值，对在一定姿态下定向传感器5测量的工具面θ、倾角α、方位ω等参数进行验算，例如(6)、(7)、(8)式：

[0070]

[0071]

[0072]

[0073] 为了方便模仿不同纬度的井眼轨迹，调整磁倾角DIP进行验证，例如调整三轴亥姆霍兹线圈(1)ZB和XB轴，如(9)式所示：

[0074]

[0075] 验证定向传感器定向传感器5标定后测量精度的方法，例如：

[0076] 调整三轴亥姆霍兹线圈1的ZB轴为40μT，XB轴为30μT，磁倾角为36.9°；在不同温度状态下，将加温标定转台2的倾角分别固定在4°、45°和90°；转动加温标定转台2的工具面，
从0°开始，每间隔45°记录定向传感器5测量的倾角、方位角、工具面角等参数；通过计算定
向传感器5转动一周测量值最大值和最小值的差值，判断定向传感器的测量精度；测量精度
为：倾角≤±0.1°，方位角≤±0.6°。

[0077] 加温标定转台2用的是IDEAL AEROSMITH公司的Model 1503‑TS‑SPL标定转台；三轴磁性传感器3用的是Bartington公司的mag‑03或mag‑13

[0078] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书
的保护范围之内。