一种摩擦发电自驱动式井下转速和转向传感器

技术领域

本发明涉及高端钻井装备及智能仪器仪表领域，具体涉及一种摩擦发电自驱动式井下转速和转向的测量传感器。

背景技术

井下动力钻具钻进是一种重要的钻进方法，广泛应用于深井和大口径井的钻井作业。转速大小是反映井下动力钻具工作状态的重要参数之一，当前动力钻具测量转速的方法为使用现有转速传感器或者利用地磁参考进行测量，测量精度低、误差率高。且这些方法均需使用井下锂电池或涡轮发电进行供能，这两种供能方式存在结构复杂，运行寿命较短、维护成本高等缺点。

由于井下钻具运动状态复杂，其旋转方向难以测量。在钻具正常工作时一般为恒定方向旋转，但是当发生卡钻、粘滑等情况时，动力钻具的旋转方向发生复杂变化。当前还没有能够直观、准确地反映动力钻具旋转方向的测量方法和设备。

通过实时监测动力钻具转速、转向可以及时反映井下工况，有助于司钻及时采取相应对策以保证正常钻井和钻井施工的安全性。因此，有必要设计一种无需外部电源供电且可同时检测转速及转向的井下自驱动传感器以解决上述技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种摩擦发电自驱动式井下转速和转向传感器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种摩擦发电自驱动式井下转速和转向传感器，包括传感器外壳、转动轴、三角形铜箔和聚酰胺薄膜，所述传感器外壳为圆筒形，用于连接井下动力钻具的壳体；所述转动轴位于传感器外壳中心位置处，通过轴承与传感器外壳同轴心配合；所述转动轴表面设有聚氯乙烯薄膜，转动轴与井下动力钻具的传动轴连接，随井下动力钻具的传动轴旋转；所述三角形铜箔粘附于传感器外壳内壁，其表面覆盖有聚酰胺薄膜。

优选的，所述聚酰胺薄膜覆盖于铜箔表面，聚氯乙烯薄膜粘贴于转动轴表面且与聚酰胺薄膜相接触。

优选的，所述三角形铜箔形状为等腰三角形，等腰三角形的顶点与底边中点重合。

优选的，所述聚氯乙烯薄膜的厚度为100μm。

优选的，所述聚酰胺薄膜的厚度为50μm。

优选的，所述三角形铜箔底边长度与和聚酰胺薄膜长度及聚氯乙烯薄膜长度一致，上述三者底边与顶边均各自对齐。

优选的，所述三角形铜箔与传感器外壳同轴心且位于传感器外壳中心处。

优选的，所述聚氯乙烯薄膜与转动轴阶梯长度一致。

基于以上结构，转动轴随动力钻具的传动轴旋转时，聚氯乙烯薄膜与聚酰胺薄膜相互摩擦。

基于摩擦起电原理，由于聚氯乙烯薄膜和聚酰胺薄膜的摩擦电极性不同，聚氯乙烯薄膜和聚酰胺薄膜表面分别产生负摩擦电荷和正摩擦电荷。

基于静电感应原理，聚氯乙烯薄膜和聚酰胺薄膜表面上的负摩擦电荷和正摩擦电荷将在三角形铜箔表面产生静电感应效应。由于三角形铜箔径向尺寸的持续变化，当转动轴持续旋转时，聚氯乙烯薄膜在三角形铜箔表面的静电感应效应将产生周期性变化，从而使三角形铜箔上产生感应电流。

通过计算机模拟分析及实验验证可得，在不同的转速条件下，输出电信号的幅值不受转速的影响，但其频率与转速呈正相关关系，具体可表示为：

式中：f表示输出电信号的频率，Hz；n表示转速，rpm。可见其输出电信号的和转速呈正相关关系。

进一步地，设置输出开路电压峰值的90％为高参考电平，输出开路电压峰值的10％为低参考电平，t

通过以上理论分析及实验验证可得：转动轴的转速可以通过输出电信号的频率进行表征；转动轴的旋转方向可以通过t

本发明的有益功效在于：

(1)通过设计三角形铜箔结构，实现了单通道检测旋转方向，相较于现有传感器，其结构更加简单，旋转方向信息无需信号处理即可获得，降低了使用成本；

(2)输出电信号的频率f(Hz)与转速n(rpm)之间具有以下关系：

(3)相较于传统测量传感器及方法，无需外部电源供电，且发电性能优异，转速为400rpm时，输出开路电压可达约600伏。

附图说明

图1是本发明一实施例的摩擦发电自驱动式井下转速和转向传感器的三维爆炸图；

图2是本发明一实施例的摩擦发电自驱动式井下转速和转向传感器的三维示意图；

图3是本发明一实施例的摩擦发电自驱动式井下转速和转向传感器的俯视图；

图4是本发明一实施例的摩擦发电自驱动式井下转速和转向传感器的主视图；

图5是本发明一实施例的图4的A-A剖面示意图；

图6是本发明一实施例的图4的B-B剖面示意图；

图7是本发明一实施例的摩擦发电自驱动式井下转速和转向传感器在不同转速条件下的开路电压图；

图8是本发明一实施例的摩擦发电自驱动式井下转速和转向传感器所得测量转速与商用传感器所得测量转速的拟合图；

图9是本发明一实施例的摩擦发电自驱动式井下转速和转向传感器在200rpm的转速下顺时针旋转的开路电压图；

图10是本发明一实施例的摩擦发电自驱动式井下转速和转向传感器在200rpm的转速下逆时针旋转的开路电压图。

其中，附图标记

1.传感器外壳；2.轴承；3.转动轴；4.聚氯乙烯薄膜；5.三角形铜箔；6.聚酰胺薄膜。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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1-3：

本发明实施例公开了一种摩擦发电自驱动式井下转速和转向传感器，包括传感器外壳1、轴承2、转动轴3、聚氯乙烯薄膜4、三角形铜箔5和聚酰胺薄膜6。

传感器外壳为圆筒形，用于连接井下动力钻具的壳体；通过轴承配合使转动轴在传感器外壳中只能旋转运动，限制了转动轴其他方向的运动；

请参阅图4-6：

聚氯乙烯薄膜粘附于转动轴外壁，三角形铜箔粘附于传感器外壳内壁，其表面覆盖有聚酰胺薄膜。由于聚氯乙烯薄膜和聚酰胺薄膜具有不同的摩擦电极性，当转动轴随井下动力钻具的传动轴旋转时，聚氯乙烯薄膜与聚酰胺薄膜相互摩擦，分别在各自表面产生负摩擦电荷和正摩擦电荷。

为了增大摩擦起电效应，选择聚氯乙烯薄膜的厚度为100μm，聚酰胺薄膜的厚度为50μm。

为了使输出电信号更加平齐规整，设置三角形铜箔底边长度与和聚酰胺薄膜长度及聚氯乙烯薄膜长度一致，且上述三者底边与顶边均各自对齐。

三角形铜箔的形状为等腰三角形，三角形铜箔的顶点与底边中点重合。通过三角形铜箔径向的尺寸变化，当转动轴持续旋转时，聚氯乙烯薄膜在三角形铜箔上的静电感应效应周期性变化，因此三角形铜箔上输出电信号的频率f(Hz)与转速n(rpm)之间具有以下关系：

从而通过计算三角形铜箔上电信号的频率可计算出转动轴转速。

转速对输出电信号有一定影响，参见图7，当转速由200rpm逐步增加至1000rpm时，开路电压由300V逐渐增至950V，这是由于转速增大使聚氯乙烯薄膜所受离心力增大，从而使聚氯乙烯薄膜与聚酰胺薄膜摩擦更加充分。

如图8所示，将不同转速的开路电压信号进行傅里叶变换求出对应的特征频率，根据特征频率求出本发明测量转速。进一步地，将所得测量转速与商用传感器所测得转速进行拟合，所得拟合曲线相关系数为0.99998，证明本传感器具有良好的线性度。

由于转动轴顺时针旋转时，聚氯乙烯薄膜由三角形铜箔顶点向底边运动，转动轴逆时针旋转时，聚氯乙烯薄膜由三角形铜箔底边向顶点运动，因此通过分析输出电信号的瞬态特征，可以判断转动轴旋转方向。参见图9-10，在转动轴转速为200rpm下，设置输出开路电压峰值的90％为高参考电平，输出开路电压峰值的10％为低参考电平，tr为开路电压由低参考电平至高参考电平所经历的时间，tf为开路电压由高参考电平至低参考电平所经历的时间。当tr>tf时，转动轴为顺时针旋转；当tr

参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。