Измерителем поля в феррозондовом магнитометре является феррозонд (или магнитомодулярный датчик), представляющий собой катушку с ферромагнитным сердечником. Первичная обмотка сердечника возбуждается от вспомогательного звукового генератора частотой 200 гц. Под его воздействием меняется магнитная проницаемость материала сердечника, а это, вследствие законов индукции, приводит к тому, что во вторичной обмотке катушки возникает электродвижущая сила, пропорциональная вектору напряженности магнитного поля Земли, направленному вдоль оси сердечника.
Для измерения вертикальной составляющей феррозонд ориентируется по вертикали особым маятником, помещенным в кардановом подвесе. Последний снабжен демпфирующим устройством для быстрого затухания колебаний. Феррозонд подключается к измерительному блоку. В нем помещен звуковой генератор, переключатель поддиапазонов, переключатель компенсации магнитного поля, измерительный индикаторный прибор. Среди отечественных магнитометров к этому типу относится магнитометр М-17, предназначенный для измерения с точностью до 15 нТл.
Использование геомагнитных приборов на основе магнитных датчиков (феррозондов), обеспечивающих учет поправки дирекционного угла, позволяет избавиться от части погрешности измерения. Поэтому в ряде систем местоопределения магнитные датчики направления, представляющие, как правило, трехкомпонентные измерители магнитного поля Земли, дополняются другими приборами, позволяющими компенсировать искажения магнитного поля, возникающие из-за различных факторов. В качестве таких приборов наиболее часто используются датчики ускорения - акселерометры. Сочетание магнитных датчиков направления с акселерометром иногда называют бесплатформенным магнитным компасом.
Принцип работы этого прибора состоит в следующем. Магнитные датчики измеряют полный вектор магнитного поля Земли. Однако для вычисления направления необходимо знать не полный вектор, о только его горизонтальную составляющую. Для этого с помощью трехкомпонентного акселерометра определяется направление вертикали в приборной системе координат, после чего вычисляются величина и направление горизонтальной составляющей магнитного поля Земли по отношению к скважине, т.е. её направление. Устранения погрешностей, связанных с искажениями магнитного поля Земли, можно добиться путем предварительной калибровки прибора, для чего достаточно снять показания магнитных датчиков в четырех положениях, получающихся поворотом прибора на 90° в горизонтальной плоскости.
В настоящее время известны акселерометры тензорезистивного, пьезорезистивного и пьезоэлектрического типа. Однако пока они имеют значительные габариты и массу, а также энергопотребление. Более перспективным направлением можно считать создание чувствительных элементов (ЧЭ) датчиков ускорения на основе емкостного принципа преобразования с использованием электростатической компенсации на материалах из кремния. ЧЭ, разработанные на основе этой технологии, получили название микромеханических. Конструкция ЧЭ емкостного типа представляет собой плоский дифференциальный конденсатор, имеющий две неподвижные пластины и внутренний подвижный электрод. Для таких чувствительных элементов характерны потенциально высокая термоустойчивость, стабильность метрологических характеристик во времени, отсутствие шумов и самонагрева. Принцип действия емкостного акселерометра основан на измерении разности емкостей между подвижным электродом и неподвижными пластинами. При отсутствии воздействия ускорения воздушные зазоры между подвижным электродом и неподвижными пластинами одинаковы, и соответственно сохраняется равенство значений емкостей. При воздействии ускорения в каком-либо направлении изменяются величины воздушных зазоров, в результате чего появляется разность емкостей и токов, протекающих через эти емкости. С помощью дифференциального усилителя эта разность усиливается и преобразуется в выходное напряжение, пропорциональное величине ускорения. Акселерометры на основе емкостных чувствительных элементов позволяют измерять ускорения до нескольких десятков м/с2, имеют ток потребления в пределах единиц мА, могут быть выполнены в виде интегральных микросхем. Кроме акселерометров, в качестве корректоров геомагнитных приборов могут использоваться датчики угловой скорости на основе гироскопов. Принцип действия которых основан но эффекте Саньяка. По круговому оптическому пути благодаря расщеплению луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если система находится в покое относительно инерционного пространство, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины, поэтому при сложении лучей в расщепителе нет фазового сдвига. Однако когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве, между световыми волнами возникает разность фаз, пропорциональная угловой скорости вращения. Имеется также информация о создании гироскопов на основе электрохимических преобразователей, гирочувствительных пьезорезонансных датчиков, емкостных преобразователей.
Датчик направления (феррозонд) представляет собой три ортогонально расположенных датчика магнитного поля. На выходе феррозонда присутствует аналоговый сигнал, величина которого пропорциональна углу поворота относительно магнитного меридиана Земли. Датчик ускорения (акселерометр) представляет собой три ортогонально расположенных емкостных датчика ускорения. На выходе присутствует сигнал, пропорциональный измеряемому ускорению. Датчик служит для устранения ошибки феррозонда, возникающей из-за негоризонтального расположения объекта относительно поверхности Земли.
4. Гироскопические инклинометры
Гироскоп - быстро вращающееся твёрдое тело, ось вращения которого может изменять своё направление в пространстве. Гироскоп обладает рядом интересных свойств, наблюдаемых у вращающихся небесных тел, у артиллерийских снарядов, у детского волчка, у роторов турбин, установленных на судах, и др. Свойства гироскопа к проявляются при выполнении двух условий: 1) ось вращения гироскопа должна иметь возможность изменять своё направление в пространстве; 2) угловая скорость вращения гироскопа вокруг своей оси должна быть очень велика по сравнению с той угловой скоростью, которую будет иметь сама ось при изменении своего направления.
Первое свойство уравновешенного гироскопа с тремя степенями свободы состоит в том, что его ось стремится устойчиво сохранять в мировом пространстве приданное ей первоначальное направление. Если эта ось вначале направлена на какую-нибудь звезду, то при любых перемещениях основания прибора и случайных толчках она будет продолжать указывать на эту звезду, меняя свою ориентировку относительно земных осей.
Второе свойство гироскопа обнаруживается, когда на его ось (или рамку) начинают действовать сила или пара сил, стремящиеся привести ось в движение (т. е. создающие вращающий момент относительно центра подвеса), движение гироскопа безынерционно.
Наиболее существенными признаками, характеризующими применяемые в технике разнообразные гироскопические приборы, являются: тип гироскопа, физический принцип построения чувствительного гироскопического элемента, тип подвеса, назначение гироскопические приборы.
Типы гироскопов. Различают два основных типа гироскопов: с тремя и двумя степенями свободы. Гироскопы с тремя степенями свободы делятся на уравновешенные, или астатические, и неуравновешенные, или позиционные.
Астатическим называется гироскоп, у которого центр тяжести совпадает с точкой пересечения осей карданова подвеса (т. е. с точкой подвеса). Сила тяжести не влияет на движение оси такого гироскопа и её уходы при внешних возмущениях могут вызываться лишь моментами сил в осях подвеса (моменты сил трения и др.). При отсутствии моментов внешних сил гироскоп называется свободным. Хотя астатические гироскопы не обладают избирательностью по отношению к заданному направлению, т. е. "направляющей силой", стремящейся привести ось гироскопа в определенное положение, они используются в ряде гироскопических приборов например, в гироскопах направления, гировертикалях и др., причём прецизионные гироскопы могут применяться без корректирующих устройств.
Позиционным называется гироскоп, обладающий избирательностью по отношению к некоторому направлению; при отклонении его оси от этого направления возникает "направляющая сила", стремящаяся вернуть ось гироскопа в заданное положение. Для придания гироскопу позиционных свойств применяют два способа. Первый состоит в смещении центра тяжести гироскопа относительно точки подвеса. Он используется в гирокомпасах, у которых "направляющая сила" возникает при отклонении оси гироскопа от плоскости меридиана, и в гиромаятниках, у которых "направляющая сила" возникает при отклонении оси гироскопа от вертикали места. Другой способ состоит в применении астатического гироскопа и соответствующей системы коррекции, например маятниковой.
Гироскопы с двумя степенями свободы используют чаще всего в качестве дифференцирующих и интегрирующих гироскопов, которые осуществляют дифференцирование (или интегрирование) входного сигнала, т. е. измеряют производную (или интеграл) от той величины, на воздействие которой реагирует. Например, в гиротахометре дифференцирующий гироскоп, реагируя на поворот объекта, измеряет его угловую скорость, а поплавковый интегрирующий гироскоп, реагируя на угловую скорость объекта, измеряет угол его поворота.