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摘要：設計了一種基于PNI公司的磁感式傳感器和MEMS加速度傳感器的礦用鉆孔測斜儀數據采集系統。論述了系統總體的結構，重點測斜儀對數據采集系統進行了研究，給出了利用磁感式傳感器和MEMS加速度傳感器融合的方法來測得地球磁場信息和重力場信息的方法，為測斜儀后續計算姿態信息和誤差補償奠定了良好的基礎。設計的數據采集系統具有體積小、功耗低、可靠性高，成本低等特點，滿足測斜儀數據采集系統要求。
關鍵詞：磁感式傳感器；MEMS加速度傳感器；數據采集；測斜儀
0引言
煤礦井下鉆探工藝是探查和治理地質構造、老空區、探放水、瓦斯泄壓等致災因素的常用手段［15］。目前鉆探工藝中常采用鉆孔測斜儀對鉆孔軌跡進行測量，鉆孔測斜儀測量測得兩個重要的參數，傾角和方位角，從而計算出鉆孔軌跡，以確定鉆進軌跡是否按照設計的軌跡進行鉆進，而傾角和方位角的計算需要得到地磁場信息和地球重力場信息，目前大多礦用鉆孔測斜儀數據獲得都是通過磁阻傳感器或者磁通門傳感器來感知地球磁場信息，這樣的數據采集系統成本較高，測量的大多是電信號，處理電路相對復雜，體積大，功耗高，磁滯較大［69］。本文基于磁感式傳感器和MEMS加速度傳感器以及專用的測量驅動芯片設計的測斜儀數據采集系統具有磁滯小、響應速度快、功耗低、體積小、硬件結構簡單的優點［1015］。可以為鉆孔測斜儀后續的姿態解算以及誤差補償提供有力的支撐。
1采集系統總體結構
本文設計的測斜儀數據采集系統的整體框圖如圖1所示。系統主要由電源、2個SENR65和1個SENZ65磁感式傳感器、采集驅動芯片3DMagIC、MEMS三軸加速度傳感器、16位A／D轉換芯片和STM32F103微處理器組成。3個單軸磁感式傳感器配合3DMagIC采集驅動芯片用于測量地球磁場的地磁場信息；加速度的采集選用三軸MEMS加速度傳感器測量，加速度傳感器將采集到的加速度信息轉換成模擬的電壓值，通過16位A／D轉換芯片轉換后送入到STM32微處理器處理。通過RS232串口通信可以將采集到的信息通過上位機的VC程序顯示，從而計算傾角、工具面向角、方位角。
2電源電路設計
電源模塊是測斜儀數據采集系統必不可少的一部分，電源電路的優劣直接影響到整個系統工作的可靠性。本文的電源部分任務是將本安電池組輸出的5V電壓的轉換為系統所用的3．3V工作電壓。為了保證系統的穩定性、低功耗、體積小，本文設計采用美國國家半導體公司推出的微功耗線性穩壓器LP29853．3作為系統電源芯片，該器件具有輸出電壓精度高，功耗低，芯采用SOT235小型封裝，并且有過熱、過流保護功能，價格也極具競爭力。其連接電路如圖2所示。
3磁傳感器電路設計
本文設計的測斜儀數據采集系統選用2只SENR65和1只SENZ65傳感器并且配備有集成度較高的專用驅動模塊3DMagIC專用測量驅動芯片來測量地球磁場信息。SENR65磁感式傳感器是美國PNI公司基于磁感應技術研制的最新產品，地磁場變化同電感的變化成比例關系，其通過測量震蕩電路的電感變化，從而得到有關的地磁場信息。PNI磁感傳感器具有磁場測量范圍大、功耗低、抗噪性能好、分辨率高、溫度范圍廣和價格低等優點。設計時3個傳感器布局盡可能距離相近，從而減小磁場梯度的影響，3個傳感器互相垂直放置，形成一個標準的正交系，減小安裝誤差。此外，傳感器與阻值為68歐的偏置電阻相連接，減小了各軸的傳感器靈敏度和放大電路特性不完全同引起的測量誤差。系統采用專用驅動模塊3DMagIC，可縮短研制周期，簡化布局。它可以獨立控制和驅動每個傳感器軸進行測量，不受溫度和零點的影響，具有極低的功耗，典型值僅為250μA。而且專用驅動芯片內部實現了磁場微弱信號的放大和數字量的轉換，從而省去了在傳感器和微處理器之間加A／D轉換芯片的麻煩。磁傳感器測得的磁場信息經過專用驅動芯片轉換為數字量后，通過SPI總線與微處理器進行通信，從而計算得到地球磁場信息，改總線支持全雙工通信，傳輸速率快。專用驅動芯片配合三軸PNI傳感器在本系統的應用大大簡化了電路設計，并且省去了信號調理部分，具有體積小，穩定性好，價格低等特點。在本文中采用驅動模塊的標準模式，能夠對3個軸的磁場依次測量，響應時間較短，達到15～30ms。驅動模塊和傳感器連接的電路如圖3所示。
4加速度傳感器電路設計
礦用測斜儀系統傾角和工具面向角的測量一般都是通過加速度傳感器測量計算得到。本文設計的數據采集系統采用MEMS三軸加速度計傳感器，該加速度傳感器采用模擬量輸出，零點對應1．65V。其測量范圍為±2g，靈敏度系數為560mV／g，非線性度為0．1％FS，2．8～3．3V均可工作；功耗低，靜態電流約1．1mA。并且其內部對外部溫度變化和電壓波動引起的偏差進行了補償，測量誤差較小。更為重要的是該加速度計外圍電路簡單，只需要幾個電容就可以完成電路的設計。因為該加速度傳感器采用三軸模擬輸出，所以需要AD轉換電路進行轉換。本文采用凌特公司的16位的AD轉換芯片，該芯片把加速度傳感器輸出的模擬電壓轉換成數字量送給微處理器計算?？梢詥坞娫垂╇?，運行速率高、功耗底，跟處理器之間的連接通過串行總線連接，大大精簡了A／D轉換器與微處理器之間的連接，使得系統運行更加準確流暢。圖4示出了加速度傳感器測量電路。
5數據采集設計
整個采集系統軟件設計采用模塊化設計思路。本文下位機軟件采用的開發工具是KeilMDK，上位機軟件用VCC＋＋編寫。軟件系統的設計根據硬件電路各個模塊完成的不同功能，采用模塊化的設計方式，把采集系統要完成的功能模塊化，再編寫各個模塊的軟件。對各個模塊的功能完成軟件調試后，再對各個模塊完成協調整合，最后得到整個采集的數據。整個軟件采集界面通過串口數據框顯示當前串行接口接收到的數據幀；另外，傳感器數據框顯示礦用測斜儀采集系統的HX，HY，HZ3個分量的地磁場值和GX，GY，GZ3個方向的重力加速度的當前測量值和總矢量值；傳感器自身輸出穩定性是決定數據采集系統測量精度的關鍵，本系統設計的數據采集系統加速度傳感器的輸出可基本穩定在0．001V，磁感式傳感器因為是數字量輸出，數據的跳動基本可以控制在20個nT。完全滿足礦用測斜儀數據采集系統精度要求。本文用C＋＋語言編寫的數據采集界面如圖5所示。
6結語
設計了基于PNI磁感傳感器和MEMS加速度傳感器的礦用測斜儀數據采集系統，重點介紹了采集系統的原理框圖及采集系統的硬件電路，例如磁傳感器和加速度傳感器采集電路。實驗表明，該采集系統的分辨率和測量范圍都達到了礦用測斜儀數據采集系統的要求，并為后續測斜儀誤差處理提供了堅實數據基礎，達到了預期目的，具有重要的現實意義。
作者:樊依林 單位:中煤科工集團西安研究院有限公司
