基于 STM32 的高精度抗干扰测斜仪

1万 · 2024-2-4 10:39

基于 STM32 的高精度抗干扰测斜仪
测斜仪是石油勘探、地质勘察中测量钻头轨迹参数的重要测量工具，它能测量出方位
角、工具面角和倾斜角三个姿态参数。

硬件部分，综合考虑测斜仪的精度、
功耗和体积等因素，对其进行硬件电路的设计，主要包括系统控制模块、磁场测量模块、
加速度测量模块和电源模块。本系统采用 ST 公司的 STM32F407 作为系统的控制核心，采
用 HMC1001 和 HMC1002 磁阻传感器来测量地磁场，采用精度较高的放大器 AMP04，对
磁场信号进行放大，采用 CS5509A/D 转换模块对放大后的磁阻信号进行模数转换。采用
ADXL362 加速度传感器测量重力加速度。为提高系统抗干扰性，在磁阻传感器的信号处
理中设计了置位复位脉冲电路。软件部分分为上位机与下位机，下位机采用 Keil5 软件使
用 C 语言进行编程，使用 Labview 进行上位机设计。单片机使用串口通信将数据发送给上
位机，然后通过上位机界面进行显示。整个系统设计完成后，分别进行了硬件电路调试、
系统软件的测试以及上位机的通信测试，测试表明测斜仪能够稳定输出方位角、倾斜角以
及工具面角，方位角输出最大原始误差为 3.39°

1万 · 2024-2-4 10:42

(1) 系统测斜仪的测量部件在整个测斜过程中实时检测测斜探管的方位角、倾斜角和工
具面角，并且方位角的偏差不超过 0.5°。
(2) 系统的测量部件能保存检测结果的原始数据，并提供读取或下载方式，方便日后数
据处理分析；
(3) 系统掉电时应存储当前的系统工作参数以及采样数据，保证数据的不丢失，使系统
下次上电后能恢复最近一次的工作状态继续执行。
为了实现以上指标，在参照现有研究成果的基础上，通过电路设计、芯片选择、算法
设计等来提高测斜仪的测量精度。通过反复对信号采集电路的设计、信号处理电路的设计、
加入神经网络算法等方法，最终实现高精度方位角测量。
首先需要设计测斜系统的总体结构，本课题将围绕提高测斜仪精度和抗干扰性两方面
进行设计，系统主要由加速度传感器、磁阻传感器、信号处理、单片机、串口通信以及上
位机组成。重点研究内容是测斜仪的研制和误差补偿。测斜仪的基本结构设计如图 2-1 所
示。

1万 · 2024-2-4 10:43

1万 · 2024-2-4 10:44

比，可以用于测量磁场的变化。通过将各向异性磁阻材料制成电阻器并与电路连接，
可以将材料中的电阻变化转换为电压或电流信号，并进行信号处理和检测。可以使用差分
电桥电路或自补偿电桥电路等电路来检测磁阻传感器的信号。通过处理检测到的信号，计
算出磁场的大小和方向。
各向异性磁阻传感器，可以同时测量多个方向上的磁场变化，并将其转换为坐标系中
的磁场向量。各向异性磁阻传感器具有响应速度快、精度高、抗干扰能力强等优点，在姿
态控制、导航定位等领域得到了广泛应用。
当今大部分各向异性传感器采用的都是坡莫合金，它是一种强磁性金属，其磁阻随着
磁场和电流间夹角的变化呈现出显著的各向异性效应。这种效应指的是合金的磁阻率在不
同方向上具有不同的值，即在不同的方向上，该合金对磁场敏感度不同。各向异性磁阻效
应是由于合金中存在的晶格畸变引起的。晶格畸变会导致电子在不同的晶格方向上具有不
同的迁移率和散射率，从而导致电阻率在不同的方向上具有不同的值。具体磁阻效应如图
3-4 所示。