陀螺测斜仪简介
光纤陀螺测斜仪原理
光纤陀螺测斜仪原理1. 介绍光纤陀螺测斜仪是一种高精度、高分辨率测量姿态角度的仪器。
它利用独特的光学原理，通过测量光线在光纤中的传播速度变化来实现姿态角度的测量。
光纤陀螺测斜仪在工程测量、导航定位、航天等领域有着广泛的应用。
2. 原理光纤陀螺测斜仪的原理基于Sagnac效应，这是一种光学效应。
当光线在闭合光路中传播时，如果光路绕轴旋转，光线在光纤中的传播速度会发生变化。
根据相对论速度叠加原理，传播速度变化会导致光纤中的光程差，从而引起干涉现象。
通过测量干涉现象的变化，可以获得光纤陀螺测斜仪的姿态角度。
3. 组成光纤陀螺测斜仪主要由激光源、光纤、光路调制器、光电探测器和信号处理器等部分组成。
3.1 激光源激光源是光纤陀螺测斜仪的核心组件。
激光源产生一束高度聚焦的激光光束，作为光纤陀螺测斜仪的测量信号。
3.2 光纤光纤是光纤陀螺测斜仪中起到传输光信号的作用的光学器件。
光纤的材料通常为高纯度的二氧化硅。
光纤的一端连接激光源，另一端连接光电探测器。
3.3 光路调制器光路调制器用于产生旋转光路。
它可以通过旋转整个光路块来引入旋转光路，从而实现姿态角度的测量。
3.4 光电探测器光电探测器是用于接收光信号的器件。
它可以将接收到的光信号转换为电信号，并将其送入信号处理器进行处理。
3.5 信号处理器信号处理器主要负责对接收到的电信号进行处理和解析。
它可以计算出光纤陀螺测斜仪的姿态角度，并将结果输出。
4. 测量过程光纤陀螺测斜仪的测量过程如下：1.激光源发出一束激光光束；2.光束经过光纤传输，并经过光路调制器引入旋转光路；3.旋转光路引起光纤中的传播速度变化，从而产生光程差；4.光束到达光电探测器，被转换为电信号；5.电信号经过信号处理器进行处理，并计算出姿态角度。
5. 优势与应用光纤陀螺测斜仪具有以下几个优势：•高精度：光纤陀螺测斜仪可以实现高精度的姿态角度测量，通常可以达到0.01度以下。
•快速响应：光纤陀螺测斜仪的响应速度快，可以实时更新姿态角度信息。
陀螺测斜仪简介
上午9点陀螺指向东南 S
下午3点陀螺指向西南 S
陀螺测斜仪简介
E
E
微硅机械陀螺（电子陀螺）
低精度，漂移大，光纤陀螺和动调陀螺应用后开始淘汰
陀螺测斜仪简介
陀螺测斜仪自寻北概念
通过测量地球自转角速度及其分量来确定北向方位的过 程称作自寻北过程 自寻北的优点是，每个测点上的方位测量都是独立的，测 量精度或误差与前面测点结果的误差无关，所以没有累积 误差。每次都直接寻找北极方向，所以也不会有与地球自
陀螺测斜仪简介
转有关的漂移误差
自寻北陀螺测斜仪方位测量原理
陀螺测斜仪简介
框架式陀螺测斜仪特点
•
相对测量钻孔的方位角，测量不依赖地磁场，可以在磁性矿区 和钻杆、套管里使用
•
• • • •
其原理是根据经典的惯性力学理论，用户很容易理解
结构复杂，制造和调试较困难 使用和维修不够方便 方位测量精度比较低 方位有漂移和累积误差
陀螺测斜仪简介
框架式陀螺测斜仪的时漂
陀螺测斜仪简介
微硅机械陀螺测方位
=K dt + 0
0 t
ω
转过的角度Φ 等于陀螺转动角 速度ω对时间的积分
钻孔的空间方位变化需要对三轴向的陀螺输出积分和转换计算得到，冲击力矩、 与G有关的误差输出、噪声都会被积分造成方位误差。灵敏度低也是误差的主要 因素。和框架陀螺测斜仪一样测量的是相对方位
（1）技术很成熟，已经完全国产化 （2）与原框架式陀螺相比有以下特点 机械寿命较长（3000小时） 可靠性较高，故障率小 体积小，便于安装使用
陀螺测斜仪技术
挠性陀螺力矩反响控制电路
实际应用中，挠性陀螺必须同伺服控制电 路一起构成闭路系统称该伺服控制电路为 力矩反响控制回路。
力矩反响控制回路构造如以下图：
力矩反响控制回路工作过程： 载体转动某一小角度Δα〔角增量〕 转子偏离其零位 角传感器输出电压信号Uα Uα经放大、滤波、校正 产生相应控制电流Iα Iα送入陀螺力矩器产生反响力矩MC MC作用于转子使转子进动回到零位 Iα同角增量Δx成比例，对Ic采样、积分，即可得到
探头姿态角算法
在测量过程中，探头坐标系O-XYZ和地理 坐标O-NED的几何关系如以下图所示，其方 向余弦矩阵为：
(1)
由〔1〕式个元素的表达式可知
井眼坐标计算
设测点Pk的方位角和倾斜角的测量值为AK，IK 前一测点PK-1的方位角、倾斜角测量值为AK-1 那么根据最小曲率法可计算出测点PK的坐标增量ΔNK，
挠性陀螺主要组成部件 挠性陀螺
挠陀力 性螺矩 接转器
角 传 感
驱 动 电
壳 体
头子
器机
挠性陀螺力反响电路
挠性陀螺使用时存在的问题 虽然当挠性陀螺到达“动力调谐〞时转
子不复约束成为自由转子，可以测量载体 的角运动，但是当载体运动角度大，使挠 性陀螺电机轴同转子轴线偏离较大时，挠 性接头过大的挠性变形，很可能使接头材 料断裂致使陀螺损坏。
• 陀螺电源
陀螺电源电路框图
三相交流马达电源由三相交流信号发生器和功率驱动电源 组成，由交流信号发生器产生相位相差120度的三相交流信 号，经过功率放大至驱动器，用于驱动陀螺转子以12000 rpm的转速恒速旋转。
为了获得较高的测量精度，必须保证交流信号的频率稳定性、 幅值稳定性、相位稳定性均到达较高的程度。在陀螺测斜仪 探管中，像力反响电路一样，该电路已经集成为一块厚模电 路，使用中只需正确接线即可。其主要技术参数如下： 输入电压 ±15V 输出电压 19V 输出功率 ≥3W 频 率 510Hz 相位差 1200
陀螺测斜仪介绍
杭卅 11 东经 120 度 08 分 北纬 30 度 16 分
3°50'
合肥 12 东经 108 度 20 分 北纬 31 度 52 分
3°52'
福卅 南昌 济南
器 郑卅
武汉
仪 长沙
广卅
学 南宁
海口
地 成都
贵阳 昆明
海 拉萨 上 西安
13 东经 119 度 11 分 14 东经 115 度 51 分 15 东经 117 度 01 分 16 东经 113 度 43 分 17 东经 114 度 20 分 18 东经 112 度 53 分 19 东经 113 度 28 分 20 东经 118 度 06 分 21 东经 110 度 21 分 22 东经 104 度 03 分 23 东经 106 度 43 分 24 东经 102 度 42 分 25 东经 116 度 43 分 26 东经 108 度 57 分
采用特制的光纤陀螺元件。两种陀螺实质上也是角速度敏感元件，但和硅微机械
海 或别的电子陀螺元件不同，其角速度灵敏度非常高，可以直接检测到地球自转角 上 速度及其在各方向的分量。地球自转角速度是一个矢量，定义它的方向是地球自
转轴并指向北极，数值为 15.04 度/小时。由于地球自转角速度非常稳定，利用测 量地球自转角速度和在各方向的分量值，来确定钻孔方向与地球自转角速度矢量 间的关系，从而计算出钻孔的方位。从这种方法可以看出其自寻北陀螺测斜仪名 称的含意。自寻北就是指，不需要测前先对北，直接在测量点找出地球自转角速 度的方向即真北方向。采用自寻北技术是陀螺测斜仪的一大技术飞跃。尽管自寻 北陀螺测斜还有不少缺点，但它的优势非常明显，主要体现在以下几个方面。
上海地学仪器研究所技术文档
陀螺测斜仪
SinoGyro系列动调式陀螺测斜仪★仪器简介SinoGyro动调式陀螺测斜仪的核心测量惯性体由动调式速率陀螺及石英加速度计组成。
该仪器特别适用于有磁性干扰的丛式井、加密井的钻探测量以及在完井后的套管内或钻杆内进行测量，在打水平井和老井的二次开发中发挥重要作用。
该系统可以自动寻北，测量前后无需校北，操作使用方便。
★主要技术参数λ可测参数：井斜角、方位角、工具面角、温度方位角： 0-360°、误差≤±1°λλ井斜角： 0-75°、误差≤±0.2°工具面角：0-360°、误差≤±1°λλ测井方式：点测井下λ工作温度：-20℃—175℃λ耐压：100Mpa抗冲击强度：300g,1.5ms(1/2Sine)λ电缆要求：单芯电缆λλ外型尺寸：外径：φ46mm×2160mm★应用范围井迹测量λλ开窗侧钻定向λ钻井绕障导向λλ直井定向射孔检测油、套管偏磨λ★主要使用单位（中国）λ大庆油田λ胜利油田江汉油田λλ大港油田中原油田λ新疆塔里木油田λ北京欧盛文石油设备有限公司是一家从事石油设备研发、生产、销售、工程技术服务和国际贸易的高新技术企业。
公司自行研发、设计、生产油田测井系列仪器，其中SinoGyro系列动调式陀螺测斜仪、过油管高精度光纤陀螺测斜仪、MWD无限随钻测斜仪、存储/直读多参数测井仪、便携式生产数控系统、存储热采多参数测试仪等在国内具有领先水平，并在各大油田中被广泛使用。
公司奉行“技术创新促发展，生产质量求生存，诚实守信待客户”的企业方针，为广大客户提供优质的产品和满意的服务。
光纤陀螺测斜仪说明书
光纤陀螺技术是国外对我国实行技术封锁的高新技术技术之 一，国内的研制主要针对军用领域，光纤陀螺测斜技术的研究则刚刚 起步。
北航和上海地学仪器是国内最早研究光纤陀螺测斜的主要单位，已有各种 精度的光纤陀螺测斜仪用于不同领域。后者近 30 年陀螺测斜的研制 经验和技术优势，并结合地质测井行业对高精度测斜仪器的迫切需 求，最新研制出各型光纤陀螺测斜仪 。 3 基本工作原理 3．1 基本工作原理
测量
钻进方向
各类工程等
用于有缆长辅助且无连续测量要求 的各类测井环境
4 研制现状 4．1 研制目标
仪器适用于小尺寸、大斜度的测井需求，能进行有线测井和随钻 测井。
仪器适应井径 50 -150mm 适应井内物质性质 钻井液或空气
4
仪器测量范围 仪器测量精度 使用环境温度
方位角 倾斜角 方位角
方便实现以下工作模式切换 。
工作模式
应用领域
仪器调试模式
完成仪器初始值装订及惯性器件的
测漂和定标
与电缆组合测 用 于常规 有线测井 的快速 连续 测
仪器 量
量，尤其适用于套管井或有磁性物
质干扰的井眼轨迹测量
测量 与电缆组合连续 用于组合测井，实现高精度连续测
测量
量
模式
MWD组 合 用于 MWD 过程中，实时监测钻头的
o
0～360
o
o
0 ～65
倾角小于
o
o
5 时，优于±2
倾角大于 5 o时 ，优于±1o
倾斜角 ±0.1o
最高80 ℃
联系地址 ： 上海桂平路６８０号 联系人： 刘工、朱工、陈工、张工、毛工
电话（传真）： ０２１－６４８５７５８３、６４８５７９８３
倾斜测量原理
倾斜测量原理一、引言倾斜测量是指通过测量物体相对于水平面的倾斜角度来获取准确的倾斜信息的一种技术手段。
倾斜测量在工程、建筑、地质勘测等领域有着广泛的应用。
本文将介绍倾斜测量的原理及其应用。
二、倾斜测量原理倾斜测量的原理主要是通过测量物体的倾斜角度来获取倾斜信息。
常用的倾斜测量原理有以下几种：1.水平仪原理：水平仪是一种常见的用于测量物体水平方向的仪器。
其原理是利用液面与水平方向保持平行的特性来判断物体的水平倾斜情况。
当液面保持水平时，物体即为水平；当液面倾斜时，物体即为倾斜。
2.陀螺仪原理：陀螺仪是一种利用陀螺效应来测量物体倾斜角度的仪器。
其原理是利用陀螺仪内部的陀螺保持自身方向不变的特性，通过测量陀螺仪在倾斜状态下相对于水平面的角度来获取倾斜信息。
3.加速度计原理：加速度计是一种利用物体受力情况来测量倾斜角度的仪器。
其原理是通过测量物体受到的重力加速度和其他加速度的合成来计算物体的倾斜角度。
加速度计可通过测量物体在三个轴向上的加速度来获取倾斜信息。
4.全站仪原理：全站仪是一种常用的测量仪器，可以通过测量物体相对于水平面的倾斜角度来获取倾斜信息。
其原理是利用全站仪内部的倾斜传感器测量物体的倾斜角度，并通过计算和分析来获取准确的倾斜信息。
三、倾斜测量的应用倾斜测量在工程、建筑、地质勘测等领域有着广泛的应用。
以下是倾斜测量的几个典型应用场景：1.工程测量：倾斜测量在工程测量中常用于测量建筑物、桥梁、道路等结构物的倾斜情况，以确保其安全性和稳定性。
倾斜测量可以帮助工程师判断结构物是否符合设计要求，及时发现和解决倾斜问题。
2.地质勘测：倾斜测量在地质勘测中用于测量地质构造的倾斜情况，以帮助地质学家了解地壳运动和地质变化的情况。
倾斜测量可以提供准确的倾斜角度信息，为地质研究和地质灾害预防提供重要参考。
3.导航定位：倾斜测量在航空、航海、汽车导航等领域有着重要的应用。
通过测量飞机、船舶、汽车等交通工具的倾斜角度，可以帮助导航系统准确计算航向和位置，提高导航的精度和可靠性。
测斜仪
CX―6型陀螺测斜仪外经40mm,进口传感器,电子陀螺,可测定强磁性地区及有铁套管的钻孔中方位角及顶角，精度:顶角：0.1度，范围:0-60度,方位角2度。
0-360度,（适合于各类钻孔）新产品:CX-6B:无线自动存储式陀螺测斜仪.无需电缆,由钢绳将探头放入孔中,定时采样,存储,回到地面直接传入计算机.技术参数优于CX-6A.一、概述CX―6型陀螺测斜仪主要针对磁性矿地区及在铁套管中测量钻孔斜度及方位而设计。
普通测斜仪钻孔方位角主要依靠指南针或磁敏元件定向，在磁性矿地区或在铁管中，由于指南针或磁敏元件的磁感应受到磁性体的影响，钻孔的方位角难以确定。
因此，在磁性较强的环境中测量方位角最有效的办法是采用不受磁性体干扰的陀螺仪定向。
陀螺仪有机械式和电子式两大类。
机械式陀螺仪零点漂移较大、使用寿命较短、价格高。
GX―6型陀螺测斜仪采用电子式陀螺仪，它具有体积小、寿命长、零点漂移小、价格较低等优点，是磁性矿地区及在铁套管中测量钻孔方位角较理想的传感器。
CX―6型陀螺测斜仪测量钻孔顶角（钻孔轴线与纵垂线间夹角）的传感器采用高性能的SMR元件作为敏感元件，可无触点的对倾斜角度进行测量，具有测量角度范围大、精度高、分辨率可达千分之一度、灵敏度高、寿命长、耐环境污染、抗振动等特点。
钻孔测斜仪测量顶角主要采用进口伺服加速度传感器，钻孔测斜仪是在野外环境中使用的仪器，在运输及使用过程中振动是难以避免的。
SMR是一种新型的传感元件，它除了有伺服加速度传感器的优良性能外，最主要的优点是抗振动5000g，特别适合野外使用。
CX―6型陀螺测斜仪整个测试过程由单片机及一台笔记本电脑控制，全部采样过程的分析计算、曲线及成果表的显示及打印均由软件自动完成。
工作界面采用VB语言编制，中文菜单、操作简便。
二、基本工作原理仪器工作原理：X方向SMR传感器是用于测量钻孔在X方向的倾斜偏移量，Y方向SMR传感器是用于测量钻孔在Y方向的倾斜偏移量。
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陀螺测斜仪简介
陀螺测斜仪自寻北概念
通过测量地球自转角速度及其分量来确定北向方位的过 程称作自寻北过程 自寻北的优点是，每个测点上的方位测量都是独立的，测 量精度或误差与前面测点结果的误差无关，所以没有累积 误差。每次都直接寻找北极方向，所以也不会有与地球自
陀螺测斜仪简介
转有关的漂移误差
自寻北陀螺测斜仪方位测量原理
陀螺测斜仪简介
转子
框架
框架式陀螺元件测方位
框架陀螺元件组装结构图 三轴框架作为转子支 承，可以保证外力矩 不会传递到转子上， 转子轴向就可以总是 指向空间某固定方向
陀螺测斜仪简介
框架式陀螺元件测方位
1.在地面先对准一个方向，再 启动陀螺
2.下井测量时，因钻孔方位变 化所转过的角度会被仪器测 量出来
陀螺测斜仪简介
陀螺测斜仪分类（按陀螺元件分）
框架式陀螺测斜仪 微硅机械陀螺测斜仪 光纤陀螺测斜仪
动调陀螺测斜仪
陀螺测斜仪简介
其它还可以按测量方式和用途分陀螺测斜仪为：无缆陀 螺测斜仪、冻结孔陀螺测斜仪、水平孔陀螺测斜仪、全 向孔陀螺测斜仪等等
框架式陀螺元件
Z轴
X轴 Y轴
没有外力矩作用在陀螺转 子时，转子轴在惯性空间 中的取向会保持稳定不变
（1）技术很成熟，已经完全国产化 （2）与原框架式陀螺相比有以下特点 机械寿命较长（3000小时） 可靠性较高，故障率小 体积小，便于安装使用
目前已成功用在钻孔测斜仪中、能敏感和测量地球自转角速度的陀螺元件只有 光纤陀螺和动力调谐陀螺
陀螺测斜仪简介
动力调谐陀螺（DTG）内部结构及原理
动力调谐陀螺结构图
Ω=15.042 °/ H Ω ——是个常数
在纬度为Φ 的地区
水平分量 垂直分量
ΩH = Ω× cos Φ
ΩZ = Ω× sin Φ
陀螺测斜仪简介
北半球Φ 取正值，南半球取负值。水平分量 对寻北有意义，要得到其准确值，就要知道
当地纬度准确值
自寻北陀螺测斜仪方位测量原理
Ω
ΩH ΩZ
测量出Ω及在钻孔轴向的分量大小，再经过 数学计算得到钻孔的方位角
陀螺测斜仪简介
微硅机械陀螺测方位
=K dt + 0
0 t
ω
转过的角度Φ 等于陀螺转动角 速度ω对时间的积分
钻孔的空间方位变化需要对三轴向的陀螺输出积分和转换计算得到，冲击力矩、 与G有关的误差输出、噪声都会被积分造成方位误差。灵敏度低也是误差的主要 因素。和框架陀螺测斜仪一样测量的是相对方位
可靠性高、使用方便、测量精度高三大优点使得自寻北式陀螺仪很有前景
陀螺测斜仪简介
顶角测量新技术--重力加速度计测量倾角的原理
（现在测斜仪都采用的技术）
U出 = K ×sinθ
力矩反馈平衡式测量， 精度可达2″
无缆自寻北陀螺测斜仪介绍
可以不需要专门的测井电缆下井测斜。很好地解决了
边远山区及交通不便地区的测斜困难问题
陀螺测斜仪简介
框架式陀螺测斜仪特点
•
相对测量钻孔的方位角，测量不依赖地磁场，可以在磁性矿区 和钻杆、套管里使用
•
• • • •
其原理是根据经典的惯性力学理论，用户很容易理解
结构复杂，制造和调试较困难 使用和维修不够方便 方位测量精度比较低 方位有漂移和累积误差
陀螺测斜仪简介
框架式陀螺测斜仪的时漂
框架陀螺时漂会由地球自转引起，漂移总是方位增大方向，每小 时达10多度的数量级。为了使用方便，厂家会进行力矩补偿，尽 可能消除这项漂移。其它还有阻力矩和冲击力矩造成的漂移
上午9点陀螺指向东南 S
下午3点陀螺指向西南 S
陀螺测斜仪简介
E
E
微硅机械陀螺（电子陀螺）
低精度，漂移大，光纤陀螺和动调陀螺应用后开始淘汰
陀螺测斜仪简介
光纤陀螺测方位（最新技术）
Sagnac效应闭环光纤陀螺元件（closed loop Fiber Optic Gyro）可以测 量地球自转角速度及其在钻孔倾斜方向的分量
陀螺测斜仪简介
动力调谐陀螺测方位
另一种可直接测量地球自转角速度的陀螺是动力调谐陀 螺（Dynamically Tuned Gyro， DTG）
北极
南极地球表Βιβλιοθήκη 上磁场方向和当地径线方向的夹角分布情况
在东半球和我国的绝大部分地区磁偏角是负的
ΦN=ΦM + ( -D )
陀螺测斜仪简介
仪器配套简单、轻便，可靠性高，测量精度高 及操作使用方便是这款仪器的最大优点
陀螺测斜仪简介
无缆光纤陀螺测斜仪
测量指令和数据用 无线连接通信
陀螺测斜仪简介
深度信号也是 无线连接
磁北和真北方位角的不同
由于两北极不重合，各地存 在磁偏角。磁北和真北方位 有差别，自寻北陀螺测斜仪 得到的方位是真北
陀螺测斜仪简介
Ω数量级太小，要高精度陀螺元件才能敏
感到这个量及各分量 受孔径限制，元件难于制造
陀螺测斜仪简介
Ω数量级小但是一稳定值，测斜过程中虽 然要花费一定时间，但测量结果可以做到 几乎没有漂移误差
利用测量地球自转角速度和在各方向的分量值，来确定钻孔方向 与地球自转角速度矢量间的关系，从而计算出钻孔的方位。从这种测 量方法就可以看出其自寻北陀螺测斜仪名称的含意。 自寻北的优点是不需要测前先对北，直接在测量点找出地球自转角速 度的方向即真北方向。采用自寻北技术是陀螺测斜仪的一大技术飞跃。 尽管自寻北陀螺测斜还有不少缺点，但它的优势非常明显，主要体现 在以下几个方面 1．自主找北，不需要事先对北，没有对北误差。 2．没有框架陀螺所需的三度平衡框架，可靠性高。 3．每个测量点寻北，不需要电子陀螺的积分测量环节，从而 没有随机漂移误差，方位测量结果是真北。