用于煤矿水平定向钻进的自驱动水平振动测量传感器

技术领域

本发明涉及地质仪器仪表技术领域，具体为一种用于煤矿水平定向钻进的自驱动水平振动测量传感器。

背景技术

煤炭是世界上蕴藏量最丰富，分布最为广泛的化石燃料。其又可以分为有烟煤、无烟煤、次烟煤与褐烟煤。为了能更好地将煤炭资源利用起来，研究人员在煤炭资源的勘探和开采之中进行了诸多研究。

作为煤炭资源勘探及开采过程中的重要一环，煤矿井下钻探作业往往也受到诸多限制条件的影响。首先就是井下空间狭小，要求钻探设备能够适应在狭窄空间中的运输和使用；其次，煤矿生产也受到特殊生产条件和生产管理模式的影响，使得企业对钻探设备的技术水平要求并不高，这也在一定程度上对煤矿钻探设备的研究造成了阻碍，这其中就包括了水平定向钻进技术。

水平定向钻进技术是一种用于穿越障碍物铺设管道以及电缆等地下公用设施的技术，这种技术来源于石油钻井技术。目前这种技术在美国的使用最为广泛，美国的定向钻机分为小型(Mini)、中型(Midi)以及大型(Maxi) 三种，小型定向钻机用于通讯行业铺设电力电缆管道，中型定向钻机用于穿越河流、道路和环境敏感区域，大型定向钻机主要用于穿越公路和铁路等重要交通设施。

在这种工作方式中，多数工作通过回转钻杆柱来完成，钻机的扭矩与轴向给进力和回拉力同样重要。显然，在这样的工作条件下，钻杆将会产生剧烈振动，这其中就包括水平振动，因此对这些振动的准确测量有助于工作人员了解钻杆状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于煤矿水平定向钻进的自驱动水平振动测量传感器，可以煤矿水平定向钻进，具体可以反映振幅、振动频率以及加速度等参数，以克服现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于煤矿水平定向钻进的自驱动水平振动测量传感器，包括传感器外壳，所述传感器外壳将传感器内部结构封装起来，所述传感器内部结构包括V形玻璃管，在V形玻璃管内壁等间距设置有多对铜电极层，在V形玻璃管内放置有空心小球，在空心小球表面贴有PTFE感应层，所述空心小球可在V形玻璃管内自由滚动。

作为本发明的进一步方案：所述V形玻璃管的转角处为倒圆弧结构；所述V形玻璃管的转角处的角度为钝角。

作为本发明的进一步方案：所述V形玻璃管两端端口设置有压电陶瓷。

作为本发明的进一步方案：所述V形玻璃管两端与传感器外壳的两端内侧对应，在传感器外壳的两端内侧设置有套筒，V形玻璃管两端卡入套筒内实现V形玻璃管的连接固定。

作为本发明的进一步方案：在传感器外壳内一侧设置有表面覆盖PTFE薄膜的自由小球；在自由小球一旁设置有挡板，在挡板表面上设置有铜电极层和kapton层；所述挡板位于V形玻璃管和传感器外壳的底座之间；即挡板、 V形玻璃管、底座和传感器外壳的壳体围城一个空间将自由小球包裹在内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中空心小球在钻柱起振时，会受惯性作用在V形玻璃管发生滚动，并与粘贴在管壁的电极层感应起电，每对电极独立输出信号，通过确定输出最外层信号的电极位置即可确定振幅，计算多对电极输出信号的时间差即可推算出加速度；同时挡板上的铜电极层和kapton层与自由小球来回碰撞过程感应生电，完成对振动频率的检测，本发明基于摩擦发电原理，可以用于煤矿定向水平钻进中测量水平振动，能反映钻具的水平振动频率、振幅和加速度，并且不需要外部设备供电就能工作，且结构简单，可靠性强，不易发生失真。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1的主视图；

图4为图2的A-A剖视图。

图中：1、传感器外壳；2、空心小球；3、V形玻璃管；4、铜电极层；5、压电陶瓷；6、挡板；7、底座；8、套筒；9、自由小球。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种用于煤矿水平定向钻进的自驱动水平振动测量传感器，包括传感器外壳1，所述传感器外壳1将传感器内部结构封装起来，所述传感器内部结构包括V形玻璃管3，在V形玻璃管3 内壁等间距设置有多对铜电极层4，在V形玻璃管3内放置有空心小球2，在空心小球2表面贴有PTFE感应层，所述空心小球2可在V形玻璃管3内自由滚动；所述V形玻璃管3的转角处为倒圆弧结构；所述V形玻璃管3的转角处的角度为钝角；所述V形玻璃管3两端端口设置有压电陶瓷5；所述V形玻璃管3两端与传感器外壳1的两端内侧对应，在传感器外壳1的两端内侧设置有套筒8，V形玻璃管3两端卡入套筒8内实现V形玻璃管3的连接固定；在传感器外壳1内一侧设置有表面覆盖PTFE薄膜的自由小球9；在自由小球 9一旁设置有挡板6，在挡板6表面上设置有铜电极层和kapton层；所述挡板6位于V形玻璃管3和传感器外壳1的底座7之间；即挡板6、V形玻璃管 3、底座7和传感器外壳1的壳体围城一个空间将自由小球9包裹在内。

具体工作是，初始状态，空心小球2位于V形管底部，如图4所示；起振时，空心小球2会受惯性作用冲上斜坡，并与粘贴在管壁的铜电极层4感应起电。工作时，每对铜电极独立输出信号，通过确定输出最外层信号的铜电极位置即可确定振幅，计算多对铜电极输出信号的时间差即可推算出加速度。同时，当振动过于剧烈，小球会对端口的压电陶瓷产生撞击，也能起到发电的作用。挡板6和自由小球9用于对振动频率的检测，起振时，小球会不断撞击挡板，在撞击——弹回的过程中，6中铜电极的感应电荷量会发生变化从而感应生电

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。