Продукт: Инерциальная навигационная система (ИНС) на основе инерциального измерительного блока (ИМББ).
Основные характеристики:
Направленные буровые установки с феррозондовым датчиком состоят из акселерометров и феррозондовых датчиков и в основном используются в наклонно-направленном бурении, нефтяной промышленности и других областях для измерения наклона скважины, азимутального угла и угла наклона буровой головки. Направленное бурение в нефтяной промышленности началось в конце XIX века, когда была внедрена технология роторного бурения, заменившая старую технологию бурения тонно-тонными бурильными установками, без учета проблемы стабилизации бурильной колонны для контроля траектории скважины. Однако измерения в скважинах показали, что ранние «вертикальные» скважины были далеки от «вертикальных». Как при вертикальном, так и при наклонно-направленном бурении необходимо определить положение скважины под поверхностью. Для этого требуется использование измерительных приборов, которые могут измерять наклон и азимут вдоль ствола скважины на разных глубинах. Положение скважины относительно поверхности может быть рассчитано на основе накопленных результатов измерений.
В данной статье будет представлена структура и принцип работы ферромагнитного направляющего устройства, а также рассмотрены основные параметры измерения: угол наклона скважины, угол заточки инструмента и азимутальный угол.
В качестве акселерометра используется датчик ускорения свободного падения на основе магнитожидкостной подвески, обладающий высокой ударопрочностью и малыми размерами, а его точность составляет около ± 0,1%. Конструкция показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Блок-схема структуры управления режимом работы MEMS-гироскопа.
Согласно динамическому уравнению режима работы вибрирующего МЭМС-гироскопа, непрерывную передаточную функцию можно получить с помощью преобразования Лапласа:
Где mx — эквивалентная масса режима работы гироскопа, ωx = √kx/mx — резонансная частота режима работы, а Qx = mxωx/cx — добротность режима работы.
Согласно анализу емкости детектирования зубцов гребенки, при игнорировании краевого эффекта связь преобразования смещения в емкость является линейной, а коэффициент усиления дифференциальной емкости, изменяющийся со смещением, может быть выражен следующим образом:
Где nx — количество активных гребенчатых частот, управляемых гироскопическим режимом, ε0 — диэлектрическая постоянная вакуума, hx — толщина управляющих детектирующих гребенок, lx — длина перекрытия управляющей детектирующей активной и неподвижной гребенчатых частот в состоянии покоя, и dx — расстояние между зубцами.
В данной работе используется схема преобразования напряжения в конденсатор, представляющая собой кольцевую диодную схему, принципиальная схема которой показана на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема кольцевой диодной цепи.
На рисунке C1 и C2 — дифференциальные конденсаторы гироскопа, C3 и C4 — демодуляционные конденсаторы, а Vca — амплитуда прямоугольного импульса. Принцип работы: когда прямоугольный импульс находится в положительной полупериоде, диоды D2 и D4 включаются, затем конденсатор C1 заряжает C4, а C2 — C3; когда прямоугольный импульс находится в положительной полупериоде, диоды D1 и D3 включаются, затем конденсатор C1 разряжается на C3, а C2 — на C4. Таким образом, после нескольких циклов прямоугольного импульса напряжение на демодулированных конденсаторах C3 и C4 стабилизируется. Выражение для этого напряжения:
В рассматриваемом в данной работе кремниевом микромеханическом гироскопе статическая емкость составляет несколько пикофарад, а изменение емкости менее 0,5 пФ, в то время как емкость демодуляции, используемая в схеме, составляет порядка 100 пФ, поэтому имеются CC0》∆C и C2》∆C2, а коэффициент преобразования напряжения конденсатора определяется по упрощенной формуле:
Где Kpa — коэффициент усиления дифференциального усилителя, C0 — демодуляционная емкость, C — статическая емкость детектирующей емкости, Vca — амплитуда несущей, а VD — падение напряжения на диоде в открытом состоянии.
Фазовое управление является важной частью управления приводом MEMS-гироскопа. Технология фазовой автоподстройки частоты позволяет отслеживать изменение частоты входного сигнала в захваченном частотном диапазоне и фиксировать фазовый сдвиг. Поэтому в данной работе для фазового управления гироскопом используется технология фазовой автоподстройки частоты, а её базовая блок-схема показана на рисунке 3.
Рисунок 3. Блок-схема базовой структуры ФАПЧ.
ФАПЧ (PLL) — это система автоматического регулирования фазы с отрицательной обратной связью. Принцип её работы можно кратко описать следующим образом: внешний входной сигнал ui(t) и сигнал обратной связи uo(t) на выходе генератора управляемого напряжением (VCO) одновременно подаются на фазовый дискриминатор для сравнения фаз двух сигналов, а на выходе фазового дискриминатора выдаётся сигнал ошибки напряжения ud(t), отражающий разность фаз θe(t) двух сигналов; сигнал проходит через фильтр контура, отфильтровывая высокочастотные компоненты и шум, получая управляющий напряжением генератор uc(t). Управляющий напряжением генератор регулирует частоту выходного сигнала в соответствии с этим управляющим напряжением, постепенно приближая её к частоте входного сигнала, и в итоге получается выходной сигнал uo(t). Когда частота ui(t) становится равной uo(t) или достигает стабильного значения, контур переходит в заблокированное состояние.
Автоматическая регулировка усиления (АРУ) — это замкнутая система отрицательной обратной связи с регулировкой амплитуды, которая в сочетании с фазовой автоподстройкой частоты обеспечивает амплитудно-фазовую стабильность колебаний в режиме управления гироскопом. Ее структурная схема показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Блок-схема структуры автоматической регулировки усиления.
Принцип работы автоматической регулировки усиления можно кратко описать следующим образом: сигнал ui(t), содержащий информацию о перемещении гироскопа, поступает на линию обнаружения амплитуды, сигнал амплитуды перемещения извлекается путем умножения и демодуляции, а затем высокочастотная составляющая и шум фильтруются с помощью фильтра нижних частот; в результате получается относительно чистый сигнал постоянного напряжения, характеризующий перемещение, который затем управляется сигналом до заданного опорного значения через ПИ-регулятор и выдается электрический сигнал ua(t), управляющий амплитудой перемещения, что завершает регулировку амплитуды.
В данной статье представлен контур управления режимом работы MEMS-гироскопа, включая модель, преобразование емкости в режим блокировки, преобразование емкости в напряжение, фазовую автоподстройку частоты и автоматическую регулировку усиления. Компания Micro-Magic Inc., производитель MEMS-гироскопических датчиков, провела подробные исследования MEMS-гироскопов и часто популяризировала и распространяла соответствующие знания о них. Для более глубокого понимания MEMS-гироскопов можно обратиться к параметрам MG-501 и MG1001.
Если вас интересует более подробная информация и продукция в области MEMS, пожалуйста, свяжитесь с нами.
Xml политика конфиденциальности блог Карта сайта
Авторское право
@ Микро-Магия Инк Все права защищены.
ПОДДЕРЖИВАЕМАЯ СЕТЬ
русский
