CN102590785A - 井下钻车钻杆姿态测量仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种井下钻车钻杆姿态测量仪，包括发射模块和接收模块，所述发射模块含有三个发射探头T1、T2和T3，所述接收模块含有两个接收探头R1和R2，R1和R2均固定于钻杆上，所述发射模块与接收模块之间通过红外信号进行同步。本发明井下钻车钻杆姿态测量仪采用收发异体的结构，即发射装置和接收装置分属两个独立的系统，不存在线路的耦合，系统间采用红外信号进行同步，使设备更紧凑，拆装更方便，并且满足安全要求，不仅测量精度高，也提高了生产效率和节约了人力。

Description

井下钻车钻杆姿态测量仪
技术领域
本发明涉及一种井下钻车钻杆姿态测量仪。
背景技术
井下钻车与钻杆的姿态测量一直是煤矿作业中的一个重要问题，是保证钻进方位精确的前提。然而，由于井下工况极其恶劣，受信号屏蔽影响严重，GPS等设备无法正常工作，同时地磁场紊乱，传统的陀螺仪等设备精度大大降低，以MEMS传感系统为例，由于受磁场干扰的影响，方位角始终无法稳定测量；若采用旋转编码器，虽不受磁场干扰的影响，但由于钻车和钻杆在工作中发生急剧的机械振动，导致旋转编码器计数产生偏差，影响最终的测量精度。从实际操作来看，一般采用人工测量钻车与钻杆姿态的方式，不仅难以保证测量精度，也降低了生产效率，浪费人力资源。
尽管超声测距技术已趋于成熟，然而要应用到井下钻车与钻杆姿态测量还需要解决两个问题：第一，需要把所测的距离转化为最终所需的空间姿态角。从文献来看，目前在这方面的研究还较少；第二，大多数超声测距设备都采用收发同体的结构，即发射装置和接收装置是在同一个系统内，受同一个处理器的控制，这样做的好处是处理器能够方便地区分通道并且获知超声传输的时间，公开号为CN 101173986A的发明专利《一种无盲区的超声测距仪》即代表了这样一种收发同体的超声测距仪。但是，井下设备往往要求安装和拆卸方便，同时出于安全考虑，要求尽量减少额外的线路，若采用收发同体的结构，发射探头和接收探头间必然存在线路的连接，使系统不够紧凑。
发明内容
本发明在于克服上述不足，提供一种可以保证测量精度、提高生产效率并且节约人力的井下钻车钻杆姿态测量仪。
本发明的目的是这样实现的：
本发明井下钻车钻杆姿态测量仪包括发射模块和接收模块，所述发射模块含有三个发射探头T1、T2和T3，所述接收模块含有两个接收探头R1和R2，R1和R2均固定于钻杆上，所述发射模块与接收模块之间通过红外信号进行同步。
本发明井下钻车钻杆姿态测量仪，所述接收模块包括超声波接收电路、红外接收电路、温度传感器、按键模块和显示模块，所述超声波接收电路包括CX20106A集成芯片及其外围电路，所述红外接收电路包括TSOP1838SS3V集成芯片及其外围电路；所述温度传感器采用DS18B20单总线数字式温度传感器；所述按键模块包括六个按键；所述显示模块包括数码管组、RS232接口和RS485总线接口。
本发明井下钻车钻杆姿态测量仪，所述发射模块和接收模块均采用STM32F103系列 ARM芯片做核心处理器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明井下钻车钻杆姿态测量仪采用收发异体的结构，即发射装置和接收装置分属两个独立的系统，不存在线路的耦合，系统间采用红外信号进行同步，使设备更紧凑，拆装更方便，并且满足安全要求，不仅测量精度高，也提高了生产效率和节约了人力。
附图说明
图1是本发明井下钻车钻杆姿态测量仪在煤矿井下巷道内的姿态角测量示意图；
图2是发射探头与接收探头的空间坐标关系图；
图3是发射探头与接收探头红外与超声波信号时序图；
图4是接收探头在工作状态下的程序流程图；
图5是系统硬件组成框图；
图6是接收探头状态切换示意图。
具体实施方式
以下介绍本发明的优选实施例，该部分仅仅是对本发明的举例说明，而非对本发明及其应用或用途的限制。根据本发明得出的其它实施方式，也同样属于本发明的技术创新范围。方案中有关参数的设定也并不表明只有举例值可以使用。
如图1所示，图1为本发明井下钻车钻杆姿态测量仪在煤矿井下巷道内的姿态角测量示意图，测量时，发射模块设定一个参考空间直角坐标系，将XOY平面设为水平面，所述发射模块含有三个发射探头T1、T2和T3，T1、T2和T3均位于水平面内，T1位于原点，T2位于X轴正方向并与T1距离为d1，T3位于Y轴正方向并与T1距离为d2；接收模块包括两个接收探头，分别示为R1和R2，所述两个接收探头均固定于钻杆上，钻杆与水平面的夹角θ定为俯仰角、与X轴正向的夹角φ定为偏航角，俯仰角和偏航角的确定使钻杆相对于参考坐标系的空间姿态也得到了确定。
如图2所示，图2是发射探头与接收探头的空间坐标关系图，通过超声测距测得三个发射探头与两个接收探头之间的距离T1R1、T2R1、T3R1、T1R2、T2R2和T3R2后，根据公式(1)和(2)可解出两个接收探头的坐标值，再根据公式(3)和(4)即可解算出钻杆的俯仰角和偏航角；
公式(1)
Figure 2012100456547100002DEST_PATH_IMAGE002
                  
公式(2)
公式(3)
Figure 2012100456547100002DEST_PATH_IMAGE006
公式(4)
Figure 2012100456547100002DEST_PATH_IMAGE008
如图3所示，图3是发射探头与接收探头红外与超声波信号时序图，在一个收发周期中，发射探头T1首先在t1时刻同步发射40KHz的超声信号和38KHz的红外信号，由于红外的传播接近光速，因此几乎在同一时刻，接收探头检测到红外信号，相应IO端口由低电平置为高电平，因此接收探头检测到红外上升沿信号时开始计时；经过一段时间A后，接收探头在t2时刻检测到超声信号并产生上升沿中断；再经过一段时间，发射探头T1在t3时刻停止发射信号，因此接收探头几乎同时会产生红外的下降沿信号。此后发射模块延时时间为D，延时结束后发射探头T2在t4时刻开始发射信号；发射探头T2的收发时序与发射探头T1类似，所不同的是发射探头T2信号的持续时间为B，发射探头T2在t5时刻停止发射信号后，发射模块延时时间为D；然后发射探头T3在t6时刻以类似的收发时序发射信号，所不同的是发射探头T3的信号持续时间为C，发射探头T3在t7时刻停止发射信号后，即完成了一个周期的信号收发。可知，Tpluse width记录了信号的持续时间，由此可区分是哪一路信号；Ttrans Time记录了超声波的传输时间，由此可计算超声传播距离。在本发明井下钻车钻杆姿态测量仪的实施例中，持续时间A为15ms，B为30ms，C为45ms，延时时间D为45ms。
如图4所示，图4为接收探头在工作状态下的程序流程图，程序首先进行数据归零，主要是对中断标志及定时器进行操作以控制程序流程。此后，接收探头等待红外上升沿信号，当检测到红外上升沿信号后定时器开始计时。接下来等待红外下降沿信号，当红外下降沿信号到来时定时器停止计时，由此可得到红外信号的持续时间Tpluse width，并与给定的A、B、C三种信号持续时间进行匹配以确定是哪个发射探头，匹配时会留有一定的偏差余量，若仍不能匹配，表示接收到错误信号，则数据归零，重新检测红外上升沿信号；若超过等待时间后仍未检测到红外下降沿信号，则数据归零，重新检测红外上升沿信号。正常情况下，接收到红外下降沿信号前应该接收到超声上升沿信号，若没有发生超声上升沿信号中断，则数据归零，重新检测红外上升沿；若检测到超声上升沿信号，则由此可得到超声传播时间Ttrans Time，并计算传播距离；当发射探头的三路信号都接收到以后，即可计算钻杆姿态角，并在显示模块中显示出来。
如图5所示，图5为硬件结构框图，所述井下钻车钻杆姿态测量仪包括发射模块和接收模块，所述发射模块和接收模块相互独立，所述发射模块和接收模块均采用STM32F103系列 ARM芯片做核心处理器，运算速度快，可以更精确地记录超声传播时间，以减小由于计时偏差造成的测量误差。所述发射模块包括超声波发射电路和红外发射电路，40KHz超声波信号和38KHz红外信号均由处理器定时器产生。所述接收模块包括超声波接收电路、红外接收电路、温度传感器、按键模块和显示模块，所述超声波接收电路包括CX20106A集成芯片及其外围电路，所述红外接收电路包括TSOP1838SS3V集成芯片及其外围电路；所述温度传感器采用DS18B20单总线数字式温度传感器，对超声波传播速度进行补偿；所述按键模块包括六个按键，以输入发射探头的初始距离以及在五个工作状态间的时间切换；所述显示模块包括数码管组，显示本地实时测得的姿态角。为方便井下钻车钻杆姿态测量仪的调试，所述显示模块设有有RS232接口；为使井下钻车钻杆姿态测量仪方便地挂接在矿山现有工业总线上，所述显示模块设有RS485总线接口。此外，所述发射模块和接收模块均设有JTAG和复位电路等基本外围电路。
如图6所示，图6是接收探头状态切换示意图，所述接收探头定义了五个工作状态，通过按键可进行切换。上电后，接收探头自动进入CAB1状态，此时通过KEY1-KEY4四个按键输入发射探头和发射探头
Figure 2012100456547100002DEST_PATH_IMAGE012
之间间的距离；输入结束后，按下KEY5，进入CAB2状态，此时通过KEY1-KEY4四个按键输入发射探头和发射探头
Figure 2012100456547100002DEST_PATH_IMAGE016
间的距离
Figure 2012100456547100002DEST_PATH_IMAGE018
；再次按下KEY5进入READY状态；此时若按下KEY5则返回CAB1状态，重新输入初始距离，若按下KEY0则进入WORK状态，这是主要的工作状态，将完成红外和超声波信号的接收、距离的测量、姿态角的计算和显示等大部分工作；WORK状态中若按下KEY1则进入PAUSE状态，程序暂停接收红外和超声波信号以及显示；PAUSE状态中若按下KEY1则返回WORK状态，若按下KEY5则返回CAB1状态。

Claims (3)

1.一种井下钻车钻杆姿态测量仪，包括发射模块和接收模块，其特征是：所述发射模块含有三个发射探头T1、T2和T3，所述接收模块含有两个接收探头R1和R2，R1和R2均固定于钻杆上，所述发射模块与接收模块之间通过红外信号进行同步。
2.根据权利要求1所述的一种井下钻车钻杆姿态测量仪，其特征是：所述接收模块包括超声波接收电路、红外接收电路、温度传感器、按键模块和显示模块，所述超声波接收电路包括CX20106A集成芯片及其外围电路，所述红外接收电路包括TSOP1838SS3V集成芯片及其外围电路；所述温度传感器采用DS18B20单总线数字式温度传感器；所述按键模块包括六个按键；所述显示模块包括数码管组、RS232接口和RS485总线接口。
3.根据权利要求1或2所述的一种井下钻车钻杆姿态测量仪，其特征是：所述发射模块和接收模块均采用STM32F103系列 ARM芯片做核心处理器。
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