二维PSD在石油钻杆曲率自动检测系统中的应用.pdfVIP

《冶金自动化)2006年增刊(S2) 二维PSD在石油钻杆曲率自动检测系统中的应用 孟秀娟，代东明，赖康生，王晓旭 (大连理工大学物理系，辽宁大连116023) 【摘要】对石油钻杆曲率的检测是石油勘探中一项关键的技术。本文提出了一种新的基于器件的钻杆曲率检 测系统。该系统与传统检测方法相比有着测量精度高，测量装置体积小，使用简单等特点。 [关键词]曲率；二维PSD器件；单片机；测量系统 0引言 ，I=Io(￡一xA)／(2t) (1) 近年来，微型计算机和传感器技术飞速发展， ／2=／o(￡+xA)／(2￡) (2) 在精密测量技术中有所应用。已有的应用实例包 括自动跟踪全站仪、电子数字水准仪，GPS定位技 术，数字测图技术，数字摄影等。并向着测量方式 卜P层 的多样化发展，如多传感器融合技术，多功能化， +一I层 便携式测量仪器以及智能化[1以]。本文利用微型 计算机和传感器技术，提出了一种新的基于PSD 卜N层 ， 器件的钻杆曲率检测系统。该测量装置可以嵌入 到钻杆底部并且按照钻杆内壁的几何形状发生相 应弯曲，而钻杆形状的不同会造成光路相应的不 Io=11+12 同进而在PSD器件上形成不同位置的光斑。通过 图l PSI)结构原理图 ．检测光斑在PSD光敏面上的位置可以推算出钻杆 中心曲线的变化，从而得出钻杆的曲率。 其中两电极的中心为坐标原点，xA表示光点 1基于PSD的钻杆曲率检测系统 的坐标，￡表示两电极之间的距离的一半，根据，l 1．1位置敏感器件Ⅸ；D 和，2可以计算出入射光的位置。可以看出，位置 一维PSD的工作原理基于半导体的横向光电 敏感器件PSD与通常的光电器件(如CCD)不同， 它没有工作死区，可以给出光点在整个光敏面上 效应[3|。图1显示了其结构原理图。PSD由三层 构成，最上层是P层，最下层是N层，中间插入较 移动的连续性位置数据。‘PSD可以获得与光斑强 度、形状、尺寸无关的准确定位信息，加上它输出 厚的高阻I层，形成P-I—N结构，此结构的特点是I 层耗尽区宽，结电容小，光生载流子几乎全部都在 线性好、分辨率高、响应速度快、噪声低，器件尺寸 I层耗尽区中产生，没有扩散分量的光电子，因此 小，易于实现测量装置小型化，不需要扫描，从而 响应速度比普通P-N结光电二极管要快的多，当 简化了外围电路，具有较高的性价比，因此它在物 PSD表面受到光照射时，在光斑位置处产生比例 体对准、定位、位置、距离及角度测量、变形和振动 于光能量的电子一空穴对流过P层电阻，分别从 的测量方面均可获得广泛的应用【5刊。 设置在P层相对的两个电极上输出光电流j，和 1．2基于PSI)的钻杆曲率检测系统原理 一 ，2，由于P层电阻是均匀的，电子输出的光电流反 检测系统如图2所示，光路图如图3所示，石 比于入射光位置到各自电极之间的距离，因此光 油钻杆一端放置LED平行光出射装置，另一端放 电流，l和如可以用下列公式表示【4J： 置PSD，LED出射的平行光经过凸透镜后聚焦到 [收稿日期]