一种多方位振动识别式容错型传感器

技术领域

本发明涉及振动传感器设备技术领域，尤其涉及一种多方位振动识别式容错型传感器。

背景技术

振动传感器常常应用于钻探过程中钻具的振动参数测量，但是目前的振动传感器的应用环境大多为环境友好型，而在钻探过程中，由于未知地层的影响经常会发生间歇但剧烈的振动，当振动激励过大时很容易导致振动传感器的损伤，再加上持续性的工作，振动传感器的可靠性会不断下降，当振动传感器内部局部失效后，振动传感器测量所得数据的准确性降低，使振动传感器的可靠性难以保证。

并且振动传感器对于参数的测量往往不局限于单一参数，如钻具在与不同地质岩石撞击发生多方位振动，其中包括轴向振动与横向振动，振动传感器可以实现轴向运动与横向运动振动参数的同步测量，在这种情况一般需要增加冗余机构实现整体性能的提升，但是目前的冗余机构仅仅针对轴向运动和横向运动振动参数其中一种设计，这样会对另一种运动的振动参数造成影响，导致振动传感器产生测量误差，无法真实地反映井下钻具的具体振动情况。

发明内容

有鉴于此，为了解决井下复杂工况下振动传感器增加冗余机构会导致误差的问题，本发明的实施例提供了一种多方位振动识别式容错型传感器。

本发明的实施例提供一种多方位振动识别式容错型传感器，包括外壳、以及设置于所述外壳内的滑块、限位体和多个侧边块；

所述滑块上部与所述外壳顶部通过第一弹性件连接，所述滑块侧面环绕周向设有多个间隔设置的第一纳米材料摩擦层，所述第一纳米材料摩擦层倾斜设置；

所述限位体固定设置于所述滑块的下方；

各所述侧边块环绕所述限位体间隔设置，每一所述侧边块与所述限位体之间通过第二弹性件连接，每一所述侧边块上端设有倾斜设置的第一金属电极，每一所述第一金属电极与一所述第一纳米材料摩擦层上下贴合设置，每一所述侧边块的外侧壁设有第二纳米材料摩擦层，所述外壳内壁与每一纳米材料摩擦层相对的位置设有第二金属电极；

在所述外壳产生振动时，所述第一金属电极与所述第一纳米材料摩擦层摩擦产生的电信号的频率反映轴向振动频率，所述第二金属电极与所述第二纳米材料摩擦层摩擦产生的电信号的频率反映横向振动频率。

进一步地，所述滑块为上部直径大、下部直径小的圆台形，各所述第一纳米材料摩擦层环绕所述滑块侧面均匀间隔设置。

进一步地，所述外壳为圆柱形，所述滑块与所述外壳同轴设置。

进一步地，所述限位体为圆柱形，所述侧边块为弧形块，各所述侧边块均匀分布于一圆周上，各所述侧边块与所述限位体同轴设置。

进一步地，所述第二弹性件为横向弹簧，所述横向弹簧设置于所述限位体的径向方向，所述横向弹簧一端连接所述限位体、另一端连接一所述侧边块。

进一步地，所述横向弹簧位于所述侧边块的中分线上。

进一步地，所述第一弹性件包括多个竖向弹簧，每一所述竖向弹簧上端连接所述外壳顶部、下端连接所述滑块上表面。

进一步地，还包括电荷检测仪，所述电荷检测仪分别连接各所述第一金属电极和各所述第二金属电极。

进一步地，所述侧边块的数量至少为六个。

进一步地，所述第一纳米材料摩擦层和所述第一纳米材料摩擦层均为Kapton摩擦材料，所述第一金属电极和所述第二金属电极均为铜电极。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1、本发明的一种多方位振动识别式容错型传感器，可用于钻进过程中对轴向振动与横向振动频率进行测量，在轴向振动时第一金属电极与第一纳米材料摩擦层接触并摩擦产生的电信号反映轴向振动频率，在横向振动时第二金属电极与第二纳米材料摩擦层接触并摩擦产生的电信号的频率反映横向振动频率，可以同时实现轴向振动与横向振动频率的测量。

2、本发明的一种多方位振动识别式容错型传感器，通过设置多个第一金属电极与多个第一纳米材料摩擦层测量轴向振动频率，设置多个第二金属电极与第二纳米材料摩擦层测量横向振动频率，通过限位体、侧边块和第二弹性件的配合，将轴向振动和横向振动隔离，降低整体测量误差；并且在钻具与地质岩石撞击等复杂工况下，部分侧边块上端和侧面无法进行摩擦产生电信号，其他侧边块上端或侧面必然会进行摩擦产生电信号，使该传感器具有容错能力，在不完全失效情况下仍符合井下参数测量的精度要求，大大增强了传感器的工作稳定性。

3、本发明的一种多方位振动识别式容错型传感器，各所述侧边块分别在不同的方位，通过对每一侧边块侧边摩擦产生的电信号进行检测，可以确定具体发生摩擦的一个或多个侧边块，从而可以确定横向振动的方位，通过分析所有侧边块输出电信号的情况来判断横向振动的方位，能够更加精确地反映出井下钻具振动的具体情况。

附图说明

图1是本发明一种多方位振动识别式容错型传感器的主视图；

图2是本发明一种多方位振动识别式容错型传感器的内部结构图；

图3是图1中的A-A剖面示意图；

图4是图1中的B-B剖面示意图；

图5是滑块的示意图；

图6是侧边块的示意图；

图7是本发明一种多方位振动识别式容错型传感器测量轴向振动频率的原理图；

图8是本发明一种多方位振动识别式容错型传感器测量横向振动频率的原理图。

图中：1、外壳；2、滑块；3、限位体；4、侧边块；5、竖向弹簧；6、第一纳米材料摩擦层；7、第一金属电极；8、第二纳米材料摩擦层；9、第二金属电极；10、横向弹簧。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

进一步需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；可以是机械连接,也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1、2和3，本发明的实施例提供了一种多方位振动识别式容错型传感器，可应用于轴向振动和横向振动的频率的同时测量，尤其适用于对钻具钻探过程中与地质岩石撞击发生多方位振动时的振动参数测量，该多方位振动识别式容错型传感器主要包括外壳1、以及设置于所述外壳1内的滑块2、限位体3和多个侧边块4。

所述外壳1起着封装及防护作用，可以根据实际应用环境灵活设置成多种形状。如本实施例中所述外壳1为圆柱形，且内部呈中空设置。

所述滑块2设置于所述外壳1内，所述滑块2上部与所述外壳1顶部通过第一弹性件连接，如本实施例中所述第一弹性件包括多个竖向弹簧5，每一所述竖向弹簧5上端连接所述外壳1顶部、下端连接所述滑块2上表面，各所述竖向弹簧5均匀分布，使所述滑块2保持水平。

如图3和5所示，所述滑块2侧面环绕周向设有多个间隔设置的第一纳米材料摩擦层6，所述第一纳米材料摩擦层6倾斜设置，各所述第一纳米材料摩擦层6环绕所述滑块2侧面均匀间隔设置。所述第一纳米材料摩擦层6的数量可以根据需要设置为多个，一般可以根据实际容纳空间尽可能的多，如本实施例中直接将各所述第一纳米材料摩擦层6连接为一体。

所述滑块2的形状也可以设置为多种形式，如圆台形、圆锥形等。优选的，本实施例中所述滑块2为上部直径大、下部直径小的圆台形。所述滑块2与所述外壳1同轴设置，使所述滑块2位于所述外壳1的中央。

如图3和4所示，所述限位体3设置于所述外壳1底面上且位于所述滑块2的下方，所述滑块2与所述限位体3上下相对设置。所述限位体3形状也可以设置为多种形式，如多棱柱形，圆柱形等。优选的，本实施例中所述限位体3为圆柱形，所述限位体3同样设置于所述外壳1的轴线上。

所述侧边块4的数量与所述第一纳米材料摩擦层6的数量保持一致，所述侧边块4的数量越多测量结果越精确，一般所述侧边块4的数量至少为六个。各所述侧边块4环绕所述限位体3间隔设置。如图6所示，这里所述侧边块4为弧形块，各所述侧边块4均匀分布于一圆周上，各所述侧边块4与所述限位体3同轴设置，且各所述侧边块4环绕限位体3均匀分布。

每一所述侧边块4与所述限位体3之间通过第二弹性件连接。所述第二弹性件为横向弹簧10，所述横向弹簧10设置于所述限位体3的径向方向，所述横向弹簧10一端连接所述限位体3、另一端连接一所述侧边块4。为了保证所述横向弹簧10可带动所述侧边块4稳定的沿着所述限位体3的径向方向运动，所述横向弹簧10位于所述侧边块4的中分线上。

每一所述侧边块4上端设有倾斜设置的第一金属电极7，如本实施例中所述侧边块4上端设有倾斜的弧形的端面，所述第一金属电极7贴合设置于该端面上。每一所述第一金属电极7恰好与一所述第一纳米材料摩擦层6上下贴合设置，在所述第一纳米材料摩擦层6向下运动时可与其下方相对的所述第一金属电极7接触摩擦。每一所述侧边块4的外侧壁设有第二纳米材料摩擦层8，所述外壳1内壁与每一纳米材料摩擦层相对的位置设有第二金属电极9，在所述第二纳米材料摩擦层8横向运动时会与其相对的所述第二金属电极9接触摩擦。

所述第一纳米材料摩擦层6和所述第一纳米材料摩擦层6可以由纳米摩擦材料制成，如本实施例中均为Kapton摩擦材料(聚酰亚胺薄膜材料)。所述第一金属电极7和所述第二金属电极9为金属导电片，如本实施例中均为铜电极。所述第一纳米材料摩擦层6、所述第一纳米材料摩擦层6、所述第一金属电极7和所述第二金属电极9均通过粘附实现固定。

此外，该多方位振动识别式容错型传感器还包括电荷检测仪，所述电荷检测仪分别连接各所述第一金属电极7和各所述第二金属电极9，可以检测所述第一金属电极7和所述第二金属电极9上产生的电信号。所述电荷检测仪可以选择静电计，可以直接采集输出的电信号波形图，进而确定电信号的频率。

该多方位振动识别式容错型传感器在对钻具轴向振动和横向振动的频率进行测量的工作过程中：

轴向振动的频率测量：如图7所示，在所述外壳1接受轴向振动时，所述滑块2因轴向振动向下运动，进而使所述第一纳米材料摩擦层6与其下方相对所述第一金属电极7接触摩擦产生电信号。具体的，在所述滑块2振动过程中，所述滑块2向下运动，如图7(ⅰ)所示，所述第一纳米材料摩擦层6与所述第一金属电极7的初始接触，接触面积最大，所述第一纳米材料摩擦层6表面感应出负电荷，所述第一金属电极7表面感应出正电荷，此时检测出所述第一金属电极7的电信号(电压)最大；而后如图7(ⅱ)、(ⅲ)所示，所述滑块2继续向下运动，会推动所述侧边块4向外运动，这样所述第一纳米材料摩擦层6与所述第一金属电极7的接触面积逐渐减小直至错开，所述第一金属电极7上的正电荷被大地中和，检测出所述第一金属电极7的电信号逐渐减小直至最小，所述滑块2对所述侧边块4的推动力不足以使所述侧边块4接触到所述外壳1内壁；之后如图7(ⅳ)所示，所述滑块2向上运动，所述第一纳米材料摩擦层6与所述第一金属电极7的截面面积逐渐增大，检测出所述第一金属电极7的电信号逐渐增大直至最大。所述滑块2如此反复上下运动，即可测量出所述第一纳米材料摩擦层6与所述第一金属电极7摩擦产生电信号的频率，根据该电信号的频率即可确定轴向振动频率。

横向振动的频率测量：如图8所示，在所述外壳1接受横向振动时，各所述侧边块4因横向振动而横向运动，进而使所述第二纳米材料摩擦层8与其相对所述第二金属电极9接触摩擦产生电信号。具体的，如图8(ⅰ)所示，初始位置时每个侧边块4与所述外壳1内壁相分离；而后如图8(ⅱ)所示，每个侧边块4朝向一所述第二金属电极9运动，使所述第二纳米材料摩擦层8与所述第二金属电极9接触并摩擦生电，所述第二纳米材料摩擦层8与所述第二金属电极9表面产生等量的异号电荷，此时检测出所述第二金属电极9的电信号(电压)最大；之后如图8(ⅲ)、(ⅳ)所示，所述第二纳米材料摩擦层8与所述第二金属电极9分离并朝向远离所述第二金属电极9的方向运动，所述第二金属电极9上的电荷流向大地逐渐被中和，检测出所述第二金属电极9的电信号逐渐减小。所述侧边块4如此反复横向运动，即可测量出所述第二纳米材料摩擦层8与所述第二金属电极9摩擦产生电信号的频率，根据该电信号的频率即可确定横向振动频率。

在实际测量时，由于该多方位振动识别式容错型传感器，一个所述第二纳米材料摩擦层8与一个所述第二金属电极9构成的一组横向测量模块，可获得一组横向振动测量输出电信号，这样会获得多组横向振动测量输出电信号，其中输出电信号越强烈，说明对应的所述第二纳米材料摩擦层8方位越接近真实的横向振动发生方位，因此横向振动测量输出电信号越大越接近真实的横向振动方位，因此选择最强烈的轴向振动测量输出电信号作为横向振动方位测量结果。

需要说明的是，在同时轴向振动和横向振动的频率测量，在测量轴向振动频率时，横向振动可能使所述侧边块4横向移动，进而使所述侧边块4可能挤压所述滑块2，本发明中通过所述限位体3和所述横向弹簧10配合限制所述侧边块4横向移动距离，进而避免因所述侧边块4剧烈运动，影响所述第一纳米材料摩擦层6与所述第一金属电极7摩擦从而导致传感器输出错误的轴向振动信号。同样的，在测量横向振动频率时，轴向振动可能会使所述滑块2将所述侧边块4挤开，通过所述限位体3和所述横向弹簧10配合限制所述侧边块4横向移动距离，使所述侧边块4与所述外壳1内壁无法接触，而横向振动对侧边块4的作用力远远大于所述滑块2对所述侧边块4的作用力，因此所述侧边块4相当于仅仅在横向振动的作用下与所述外壳1内壁接触，确保所述侧边块4不会因为轴向振动而产生足够的位移接触到传感器的内壁从而导致传感器输出错误的横向振动信号。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。