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摘要：设计了一种基于PNI公司的磁感式传感器和MEMS加速度传感器的矿用钻孔测斜仪数据采集系统。论述了系统总体的结构，重点测斜仪对数据采集系统进行了研究，给出了利用磁感式传感器和MEMS加速度传感器融合的方法来测得地球磁场信息和重力场信息的方法，为测斜仪后续计算姿态信息和误差补偿奠定了良好的基础。设计的数据采集系统具有体积小、功耗低、可靠性高，成本低等特点，满足测斜仪数据采集系统要求。
关键词：磁感式传感器；MEMS加速度传感器；数据采集；测斜仪
0引言
煤矿井下钻探工艺是探查和治理地质构造、老空区、探放水、瓦斯泄压等致灾因素的常用手段［15］。目前钻探工艺中常采用钻孔测斜仪对钻孔轨迹进行测量，钻孔测斜仪测量测得两个重要的参数，倾角和方位角，从而计算出钻孔轨迹，以确定钻进轨迹是否按照设计的轨迹进行钻进，而倾角和方位角的计算需要得到地磁场信息和地球重力场信息，目前大多矿用钻孔测斜仪数据获得都是通过磁阻传感器或者磁通门传感器来感知地球磁场信息，这样的数据采集系统成本较高，测量的大多是电信号，处理电路相对复杂，体积大，功耗高，磁滞较大［69］。本文基于磁感式传感器和MEMS加速度传感器以及专用的测量驱动芯片设计的测斜仪数据采集系统具有磁滞小、响应速度快、功耗低、体积小、硬件结构简单的优点［1015］。可以为钻孔测斜仪后续的姿态解算以及误差补偿提供有力的支撑。
1采集系统总体结构
本文设计的测斜仪数据采集系统的整体框图如图1所示。系统主要由电源、2个SENR65和1个SENZ65磁感式传感器、采集驱动芯片3DMagIC、MEMS三轴加速度传感器、16位A／D转换芯片和STM32F103微处理器组成。3个单轴磁感式传感器配合3DMagIC采集驱动芯片用于测量地球磁场的地磁场信息；加速度的采集选用三轴MEMS加速度传感器测量，加速度传感器将采集到的加速度信息转换成模拟的电压值，通过16位A／D转换芯片转换后送入到STM32微处理器处理。通过RS232串口通信可以将采集到的信息通过上位机的VC程序显示，从而计算倾角、工具面向角、方位角。
2电源电路设计
电源模块是测斜仪数据采集系统必不可少的一部分，电源电路的优劣直接影响到整个系统工作的可靠性。本文的电源部分任务是将本安电池组输出的5V电压的转换为系统所用的3．3V工作电压。为了保证系统的稳定性、低功耗、体积小，本文设计采用美国国家半导体公司推出的微功耗线性稳压器LP29853．3作为系统电源芯片，该器件具有输出电压精度高，功耗低，芯采用SOT235小型封装，并且有过热、过流保护功能，价格也极具竞争力。其连接电路如图2所示。
3磁传感器电路设计
本文设计的测斜仪数据采集系统选用2只SENR65和1只SENZ65传感器并且配备有集成度较高的专用驱动模块3DMagIC专用测量驱动芯片来测量地球磁场信息。SENR65磁感式传感器是美国PNI公司基于磁感应技术研制的最新产品，地磁场变化同电感的变化成比例关系，其通过测量震荡电路的电感变化，从而得到有关的地磁场信息。PNI磁感传感器具有磁场测量范围大、功耗低、抗噪性能好、分辨率高、温度范围广和价格低等优点。设计时3个传感器布局尽可能距离相近，从而减小磁场梯度的影响，3个传感器互相垂直放置，形成一个标准的正交系，减小安装误差。此外，传感器与阻值为68欧的偏置电阻相连接，减小了各轴的传感器灵敏度和放大电路特性不完全同引起的测量误差。系统采用专用驱动模块3DMagIC，可缩短研制周期，简化布局。它可以独立控制和驱动每个传感器轴进行测量，不受温度和零点的影响，具有极低的功耗，典型值仅为250μA。而且专用驱动芯片内部实现了磁场微弱信号的放大和数字量的转换，从而省去了在传感器和微处理器之间加A／D转换芯片的麻烦。磁传感器测得的磁场信息经过专用驱动芯片转换为数字量后，通过SPI总线与微处理器进行通信，从而计算得到地球磁场信息，改总线支持全双工通信，传输速率快。专用驱动芯片配合三轴PNI传感器在本系统的应用大大简化了电路设计，并且省去了信号调理部分，具有体积小，稳定性好，价格低等特点。在本文中采用驱动模块的标准模式，能够对3个轴的磁场依次测量，响应时间较短，达到15～30ms。驱动模块和传感器连接的电路如图3所示。
4加速度传感器电路设计
矿用测斜仪系统倾角和工具面向角的测量一般都是通过加速度传感器测量计算得到。本文设计的数据采集系统采用MEMS三轴加速度计传感器，该加速度传感器采用模拟量输出，零点对应1．65V。其测量范围为±2g，灵敏度系数为560mV／g，非线性度为0．1％FS，2．8～3．3V均可工作；功耗低，静态电流约1．1mA。并且其内部对外部温度变化和电压波动引起的偏差进行了补偿，测量误差较小。更为重要的是该加速度计外围电路简单，只需要几个电容就可以完成电路的设计。因为该加速度传感器采用三轴模拟输出，所以需要AD转换电路进行转换。本文采用凌特公司的16位的AD转换芯片，该芯片把加速度传感器输出的模拟电压转换成数字量送给微处理器计算。可以单电源供电，运行速率高、功耗底，跟处理器之间的连接通过串行总线连接，大大精简了A／D转换器与微处理器之间的连接，使得系统运行更加准确流畅。图4示出了加速度传感器测量电路。
5数据采集设计
整个采集系统软件设计采用模块化设计思路。本文下位机软件采用的开发工具是KeilMDK，上位机软件用VCC＋＋编写。软件系统的设计根据硬件电路各个模块完成的不同功能，采用模块化的设计方式，把采集系统要完成的功能模块化，再编写各个模块的软件。对各个模块的功能完成软件调试后，再对各个模块完成协调整合，最后得到整个采集的数据。整个软件采集界面通过串口数据框显示当前串行接口接收到的数据帧；另外，传感器数据框显示矿用测斜仪采集系统的HX，HY，HZ3个分量的地磁场值和GX，GY，GZ3个方向的重力加速度的当前测量值和总矢量值；传感器自身输出稳定性是决定数据采集系统测量精度的关键，本系统设计的数据采集系统加速度传感器的输出可基本稳定在0．001V，磁感式传感器因为是数字量输出，数据的跳动基本可以控制在20个nT。完全满足矿用测斜仪数据采集系统精度要求。本文用C＋＋语言编写的数据采集界面如图5所示。
6结语
设计了基于PNI磁感传感器和MEMS加速度传感器的矿用测斜仪数据采集系统，重点介绍了采集系统的原理框图及采集系统的硬件电路，例如磁传感器和加速度传感器采集电路。实验表明，该采集系统的分辨率和测量范围都达到了矿用测斜仪数据采集系统的要求，并为后续测斜仪误差处理提供了坚实数据基础，达到了预期目的，具有重要的现实意义。
作者:樊依林 单位:中煤科工集团西安研究院有限公司
