光纤陀螺测斜仪

光纤陀螺测斜仪

上海地学仪器研究所

陀螺测斜仪是一种不依赖地球磁场确定钻孔方位的测斜仪器。由于不需要靠地球磁场来确定方位，这使得陀螺测斜仪有更广的应用范围。比如陀螺测斜仪可以用在强磁性矿区和在钻杆中、套管中、钻具中使用。陀螺测斜仪按测量方位的方式大致可分为两类，一类是采用相对方位测量方法。其原理是利用陀螺元件可以敏感和记录角速率的特性，在进行钻孔测量前，先在地面对准一个起始方位位置，并记录陀螺元件的初始输出值。当把仪器下到钻孔的过程中，仪器会随钻孔的轨迹发生自转和公转。这些转动角速率都会引起陀螺元件的输出变化，积分记录这些变化量并和初始值进行对比，就可以确定钻孔轨迹的空间转向，即钻孔的方位变化。这类仪器最早是使用三度平衡框架转子式陀螺元件。高速旋转的转子总是趋于保持在一个空间方向上旋转，比如指向水平面上的正北。理想情况下，仪器的自转和公转不会引起陀螺转子轴向改变，而仪器相对陀螺转子转过的角度就会被连续地记录，结果就可以计算出钻孔的方位信息。显然，除了用框架式陀螺仪元件外，还可以用其它测量角速率的陀螺元件来得到仪器自转和公转的角度，只要对陀螺输出的角速率量积分，就得到仪器转过的角度。测量角速率的陀螺元件种类很多，但因为受到体积、温度、震动等因素限制，能用到测斜仪中的却并不多。影响因素还包括产品精度不高、有噪声和漂移。普通框架式陀螺和其它陀螺元件一样，在使用中会产生输出漂移和噪声，对陀螺输出的角速率量积分过程同时就会把漂移和噪声一同积分进去，漂移和噪声积分的结果将带来方位测量误差，并且误差会随积分时间增大。这是这类陀螺测斜仪最大的缺点。另一类采用自寻北方式工作测量方位，用高灵敏角速率陀螺，直接测量地球自转角速率矢量及地球自转角速率矢量在仪器各坐标轴上的分量，通过复杂的矢量投影计算，就可以得到仪器指向（钻孔方位）的角速率分量大小，再和地球自转角速率矢量相比就知道钻孔的方位。从测量原理上看，这类陀螺测斜仪有很大优势，它是对地球自转角速率直接测量并计算钻孔的方位，这个方位就是真北方位。测量是在各测点独立进行，测量结果没有累计误差。所以有测量准确、使用方便、可靠性高等特点。自寻北方式要求陀螺元件的灵敏度很高，要能敏感到地球自转角速率（15.042°/H ）及其分量值。对元件有体积限制的情况下，已制造出的这样高精度的陀螺产品现在只有极少几种。当然，已制造出的自寻北陀螺测斜仪产品也只有JTL ‐40GX 、JTL ‐40DT 、JTL ‐40D 等几种产品。

陀螺仪元件作为一种角速率敏感器件有很多种。能观测到的陀螺效应非常多（估计有几百种），由于受到各种因素限制，能制成的陀螺仪元件并没有那么多种。能用于测斜仪的陀螺仪元件就更少。采用不同的陀螺仪元件制成的陀螺测斜仪性能差别很大，这可以从现代陀螺仪元件的性能分析看出。

现代陀螺仪是航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性器件。它的发展对一个国家的工业、国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。早期的惯性陀螺仪主要是指机械式陀螺仪，比如框架式陀螺仪。机械式陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。其中机械陀螺仪的漂移是影响精度的最大因数。后来高精度机械式陀螺仪漂移和灵敏度指标提高了很多，框架式支撑陀螺仪改进为静电、气浮、液浮等类型陀螺仪，其中静电陀螺仪的漂移率可以达到0.001°/H ，甚至更高，能够满足惯导级的精度要求。但是无论是早期的滚珠轴承框架式陀螺仪，还是后来发展起来的液浮陀螺仪、挠性陀螺仪和静电陀螺仪，这些机械陀螺都有一个共同的特点，就是采用高速转子。高速转子容易产生质量不平衡问题，容易受到载体加速度的影响，使用前需要一段预热时间，转速才能达到稳定。高速转子的磨损较快令其使用寿命有限。机械陀螺全都存在体积大，结构复杂，可靠性低，带宽和动态范围窄等问题。

自从上个世纪七十年代以来，陀螺仪的发展己经进入了一个全新的阶段。1976年提出了光纤陀螺仪的基本设想以后，光纤陀螺仪就得到了非常迅速的发展，同时激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。由于光纤陀螺仪具有结构紧凑，灵敏度高，工作可靠等优点，所以目前光纤陀螺仪在很多的领域已经在取代了一些机械式陀螺仪，成为现代导航仪器中的关键部件。和光纤陀螺仪同时发展的有环式激光陀螺仪、集成式振动陀螺仪等。集成式振动陀螺仪具有高的集成度、体积小，是现代陀螺仪的一个重要的发展方向。

压电振动陀螺仪有振弦、音叉、音片、H型、方框型、MF型、圆环型、杯型、圆管型、圆片型等结构形式。振动陀螺仪的一大特点是体积小、结构简单、可靠性高。一些复杂的机械陀螺仪有多达300个零件，激光陀螺和光纤陀螺也至少有十几个零件，而压电振动陀螺只有几个工作部件：振梁和换能器。它既无机械陀螺的转动部件，又无光纤陀螺和激光陀螺由于光藕合带来的许多麻烦，从而大大提高了可靠性，它还具有许多优良特性。启动时间很短(<15秒)、角速率测量范围宽、具有耐冲击振动等恶劣环境的能力。压电振动陀螺的缺点是精度较低，主要应用于小型飞机的姿态控制、汽车的安全导航、舰船稳定控制等方面。

硅微机械陀螺存在诸多问题，精度不很高、稳定性差，但可靠性高，目前仅在一些低精度场合应用。高精度场合它的应用还处于初始阶段。随着技术的发展和需求的导引，其前景却十分广阔。尤其是它可以批量生产，其价格低廉(在美国市场上有的硅微陀螺仪价格低到50美元左右)，具有很大的竞争优势。

光纤陀螺仪是一种全固态的光学陀螺仪，它的主要优点在于：①无运动部件，器件牢固稳定、耐冲击、对加载体加速度不敏感。②结构简单，零部件少，价格中等。③启动时间短(原理上可瞬间启动)。④检测灵敏度和分辨率极高(可达10rad/s)。⑤可直接用数字输出与计算机联接。⑥动态范围极宽(约为2000°/s)。⑦寿命长，信号稳定可靠。⑧易于采用集成光路技术。⑨克服了因激光陀螺闭锁现象带来的负效应。⑩可与环形激光陀螺一起组成捷联式惯性系统。光纤陀螺与其它陀螺相比有着非常大的优势，具体各种性能比较见下表。

从自寻北测量原理上看，几种陀螺元件都能用到测斜仪里，但受到体积和应用环境限制，目前容易实现的产品有动力调谐陀螺、和光纤陀螺。从光纤陀螺仪与其它陀螺相比的优劣可以看出，采用光纤陀螺制造测斜仪具有非常大的优势。但目前光纤陀螺用到测斜仪中也有不少问题。首先是体积限制导致精度不高。光纤陀螺的精度很大程度上依赖于光纤环路的总面积，在很小的体积范围内不能把光环面积做到很大。现在国内能制成的产品精度都不高，输出稳定性在0.2°～0.3°/H左右，这样制成自寻北测斜仪的方位误差会在7°以上。所以现在还要进口高精度光纤陀螺仪来制造测斜仪。其次，测斜仪要使用在高温高压环境下工作，