基于PDA及蓝牙技术的无缆钻孔测斜仪

中心议题
    * 提出了一种基于PDA及蓝牙技术的无缆钻孔测斜仪
    * 给出了具体设计及实现
解决方案
    * 系统主体包括测斜仪探头和PDA
    * 配套设备包括钢丝绳、绞车和深度计
    * 仪器测量方式为自动存储式

0　引言-基于PDA和蓝牙的无缆钻孔测斜仪的研发背景

常规的钻孔测斜仪系统由测斜仪探头、测井电缆、绞车、控制系统、数字采集器和笔记本计算机等几部分组成,其中测井电缆既是连接测斜仪探头与数字采集器的导线,也是提升测斜仪的牵引绳,笔记本计算机则进行测斜数据的采集和处理等。测井电缆、绞车和控制系统的配置既增加了成本,同时也极大的增大了测斜仪系统的质量,特别是目前的钻孔深度较深,需要配备的电缆长度较长,一般均需配备1000 m甚至更长,加上绞车和电机,质量有好几百千克,野外搬迁、运输困难,特别是许多车辆无法开到工作现场的机台,其搬迁全靠人力,往往需要10来人才能将整套系统搬运至机台,费时费力。为了减轻现场搬运劳动强度,同时降低使用单位配置成本,我所特别研制开发了基于PDA和蓝牙的无缆钻孔测斜仪。

1　基于PDA和蓝牙的无缆钻孔测斜仪系统简介

1.1　基于PDA和蓝牙的无缆钻孔测斜仪系统的组成

系统主体包括测斜仪探头和PDA(掌上电脑)(如图1所示),配套设备包括钢丝绳、绞车和深度计。全套系统简单,轻便,非常适合野外作业需求,仪器的下放和提升用钢丝绳或钻具进行,而钢丝绳和绞车不需要另行配备,直接利用机台上现有设备即可;深度计可用简易的带计数功能的孔口滑轮代替。

取消测井电缆,充分利用机台现有的钢丝绳和绞车,极大的降低了系统质量,减轻了搬运工作强度,在测斜时需要搬运的东西仅包括测斜仪探头和孔口滑轮,该工作仅需2人即可完成,同时也大幅度节约了配置成本。

1.2　基于PDA和蓝牙的无缆钻孔测斜仪的主要特点

(1)仪器采用进口三轴磁阻传感器和两轴加速度计作为测量敏感元件,精度高,稳定性好,适用于无磁干扰的钻孔测斜。

(2)测斜仪探头内置充电锂电池和存储器,利用锂电池供电,利用存储器进行测量数据的存储,彻底取消了测井电缆。

(3)采用PDA取代笔记本计算机进行测斜操作和控制,提高了仪器的便携性,同时也降低了配置成本。

(4)PDA与测斜仪探头之间的通讯采用蓝牙连接,减少了数据电缆的插拔和使用,提高了野外操作的简便性。

(5)仪器测量方式为自动存储式,其工作方式是:在地面上由PDA向测斜仪探头发送测量指令后,探头内的单片机即开始按设定的采样间隔自动采集测量数据并进行保存,仪器下放到达需要测量的孔段,让其保持静止稳定状态,采用PDA记录下当前时间,然后将仪器再下放到另一个测点,静止稳定,记录其时间,以此方法,直到完成所有测点的测量,然后将仪器从孔内提出,与掌上电脑(PDA)通过蓝牙进行连接,利用PDA中的测量软件将数据读出、进行相应处理即可,可在测量现场快速获得测斜结果。

1.3　基于PDA和蓝牙的无缆钻孔测斜仪的主要技术指标

顶角0~70°±0. 5°;方位角0~360°±3°(3°≤顶角≤70°);工作温度-10~75℃;耐压: 15 MPa;外型尺寸Φ33 mm×1000 mm。

2　基于PDA和蓝牙的无缆钻孔测斜仪硬件设计

测斜仪探头结构如图2所示,主要包括传感器、测量电路、锂电池和蓝牙模块。

2.1　传感器

传感器选用的是国外进口集成的传感器(如图3所示),它包括两轴加速度计和三轴磁阻传感器,其精度高,稳定性好,磁场测量范围±2 Gauss,磁场分辨率<1 mGauss,加速度计量程±90°,分辨率<0. 02°,工作温度范围为-40~85℃,传感器内部配有温度传感器,具有温度自补偿的功能,供电电压7~15 V(DC),输出为RS232串口数字信号,波特率1200~38400可调。

2.2　测量电路

测量电路包括单片机、存储器以及通信接口电路,单片机采用AT89S52,存储器采用AMD的AM29F040B,通信接口电路采用RS232C串行通信方式传送数据,串行口电平转换采用MAX3232芯片,图4为测量电路板实物图。

2.3　蓝牙通信电路

蓝牙是一种低功耗、短距离无线通信技术,能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑和相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙技术的主要优点是: (1)可以方便地建立无线连接,代替传统的有线电缆连接; (2)移植性较强,适用面广;(3)安全性较高,每一台蓝牙设备的地址全球唯一;(4)蓝牙设备功耗低,成本也较低,与其他通信设备相比,设计开发较为容易。

蓝牙的标准是IEEE802. 15,工作在全球通用的2. 4 GHz频带(即用于工业、科学、医学的全球公用频段,又称ISM频段),带宽为1 Mb/s,并采用时分双工的传输机制来实现全双工传输。通过芯片上的无线接收器,配有蓝牙技术的电子产品能够在10 m的距离内彼此相通,传输速度可以达到每秒钟1 M字节。以往红外线接口的传输技术需要电子装置在视线之内的距离,而现在有了蓝牙技术,这样的麻烦也可以免除了。

蓝牙通信电路是为仪器测量电路和掌上电脑之间进行无线通信,省去了以往的电缆连接,更方便野外的使用。蓝牙通信电路是在蓝牙模块的基础上,进行了二次开发,以满足本仪器的要求。选用的是斯图曼公司的BlueRS+MF3蓝牙芯片, BlueRS+MF3有如下特点:外置天线,工作频率为国际通用的数传频段,支持多种波特率(1200~921600 b/s),工作速率最高可达2178 kb/s,低工作电压(3. 3V),低功耗等。图5为该电路板实物图。

3　基于PDA和蓝牙的无缆钻孔测斜仪的测量原理

当探管处于不同位置的钻孔中时,磁阻传感器的3个敏感轴会根据周围磁场的不同而输出相应的模拟量,通过坐标转换及程序计算,可计算出传感器所在位置的方位角度,从而得到所测钻孔轨迹,钻孔顶角的计算则利用两轴加速度计的输出,进行矢量合成计算。

磁力计测出地磁场H分别在测斜仪X轴、Y轴和Z轴的磁场强度X、Y、Z,加速度计测量出X轴的倾斜角(横滚角)R和Y轴的倾斜角(俯仰角)P,在无罗差的情况下,运用下列旋转方程式可以将X、Y和Z磁场强度读数换算回到水平面(XH,YH):

钻孔方位角:

钻孔顶角:

式中:X——磁阻传感器X轴向的地磁场强度;Y——磁阻传感器Y轴向的地磁场强度;Z——磁阻传感器Z轴向的地磁场强度;XH——磁场强度X轴向水平投影;YH——磁场强度Y轴向水平投影;R——加速度计横滚角;P——加速度计俯仰角。

4　基于PDA的软件设计

本系统采用惠普iPAQ112型号PDA作为硬件开发平台,软件开发平台为Visual basic. net2005的智能设备应用程序开发, PDA的操作系统是WindowsMobile 6. 0(属于Windows CE的高级版本)。

PDA提供蓝牙虚拟串口服务(其虚拟的串口为COM5),一旦与其它蓝牙设备建立了连接,就可以用串口的方式进行蓝牙通讯。本系统的PDA蓝牙作为主设备,主动发起连接,而测斜仪探头端的蓝牙模块作为从设备,始终处于被搜索,被连接的状态。

软件功能主要包括:仪器联机、清除数据、测量计时和数据处理等。

4.1　仪器联机

仪器联机是将PDA和测斜仪探头通过蓝牙虚拟串口服务进行连接,连接成功后, PDA发送指令读取测斜仪探头内已测量钻孔的个数和剩余存储空间等基本信息,为测量准备工作提供参考。

4.2　清除数据

因井下仪器的存储器容量有限,最多能存储9 h的连续数据,因此在开始新的钻孔测斜前,需要对已获得测量结果的数据及时进行清除,以确保下一个钻孔测斜时有足够的空间存储数据。

4.3　测量计时

仪器测量时,井下探头按设定时间间隔自动采集数据并进行存储, PDA记录各测点测量时的时间,通过时间来对应井下仪器的数据。该功能流程主要包括输入钻孔编号、发送测量指令、记录各测斜点时间、输入测点孔深等,其流程如图6所示。

4.4　数据处理

数据处理是测量软件的主要部分,其基本流程是通过提取测量记时文件中的各测斜点对应的时间关系,来读取相应测点的测斜原始数据,并进行相应的计算处理,获得测斜结果,其基本流程如图7所示。

5　结语

基于PDA和蓝牙的无缆钻孔测斜仪,减少了测井电缆和笔记本计算机的配置,具有精度高、可靠性好、质量轻、配套设备少和野外操作简便等优点,极大的减轻了野外作业强度,提高了效率,同时也大幅度降低了使用单位配置成本,具有良好的市场前景。该系统已在多个钻孔中进行应用,获得了用户的好评。