CN108412485A - 一种定向钻头的面向角测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定向钻头的面向角测量装置，包括钻头(1)、钻杆(2)、轴模块、光源发射模块、二维位置探测器(11)、测量模块(12)。一方面，由于二维位置探测器(11)上的光敏元件的响应速度很快，因此基于二维位置探测器(11)制作的面向角测量装置的响应速度相比现有技术提出的面向角测量装置的响应速度更快；另一方面，由于光敏元件的规格比较小，使得二维位置探测器(11)上与圆形光圈对应的光敏元件将360°的面向角测量范围细化，从而使得面向角的测量精度更高；此外，二维位置探测器(11)是现成的集成模块，基于二维位置探测器(11)制作面向角探测器时，制作工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及非开挖工程施工技术领域，尤其是涉及一种定向钻头的面向角测量装置和方法。
背景技术
定向钻头钻进技术是我国进几年来发展最快的施工技术之一，具有铺管精度高、施工场地需求简单等特点，在铺设电力、通信、煤气和自来水管线等地下工程建设中得到了广泛的应用。
钻头的跟踪与导向是定向钻进的关键技术之一，为了控制钻头按照预期的轨迹钻进，需要了解钻头的随钻姿态信息，钻头的随钻姿态信息包括倾斜角、方位角、面向角和内部器件温度。
目前，在相关技术中，已经提出了通过光电式面向角传感器，或者在光电式面向角传感器的基础上设计的光电滚珠式面向角传感器，来测量定向钻头的面向角。
然而，现有技术中提出的光电式面向角传感器和光电滚珠式面向角传感器的制作工艺都比较复杂，而且响应速度较慢，测量精度也不高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种工艺简单，响应速度较快，测量精度较高的面向角测量装置及方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：
一种定向钻头的面向角测量装置，包括钻头、与钻头固定连接的钻杆、设在钻杆内部空腔中的轴模块、可运动的设在轴模块上并沿钻杆内部空腔的轴向发射光信号的光源发射模块、用于接收从光源发射模块发射的光信号并根据不同位置接收到的光信号产生对应的电信号的二维位置探测器、根据电信号计算面向角并输出面交角计算结果的测量模块，二维位置探测器、测量模块均固定设在钻杆内部空腔中，二维位置探测器与测量模块连接。
由于当钻头转动时，与钻头连接的钻杆带动轴模块、二维位置探测器和测量模块一起同步转动，而光源发射模块始终保持在固定的位置，使得光源发射器沿钻杆内部空腔的轴向稳定地发射光信号，光信号射在二维位置探测器上形成圆形光圈。其中，光圈上的不同位置分布着若干不同的光敏元件，由于二维位置探测器上的光敏元件的响应速度较快，并且不同光敏元件对应不同的面向角，因此，当光敏元件接收到光信号后，可以将光信号快速地转换成对应的电信号，然后二维位置探测器将电信号传输至测量模块，测量模块计算面向角并发送计算结果。另外，由于光敏元件的规格比较小，二维位置探测器上与圆形光圈对应的位置上分布的光敏元件的数量的较多，从而使得面向角的测量精度更高，而且，二维位置探测器是现成的集成模块，基于二维位置探测器制作面向角探测器时，简化了制作工艺。
作为优选，轴模块包括轴底座、轴、可运动的设在轴上并用于带动光源发射模块的转动机构，轴底座固定设在钻杆内部空腔中，轴固定设在轴底座的中心，转动机构可运动的设在轴上。其中，轴底座、轴和圆环形成的组合结构用于支撑光源发射模块，而圆环在轴上可以发生运动是为了使光源发射模块在自身重力的作用下始终保持在轴的下方，从而实现光源发射模块稳定地发射光信号。
作为优选，转动机构包括可运动的套在轴上并用于带动光源发射模块的圆环，用于固定圆环的第一挡板和第二挡板，第一挡板和第二挡板均固定在轴上。在圆环直接套在轴上的情况下，为了保证圆环不沿钻杆内部空腔的轴线发生前后滑动，可以在轴上固定挡板并与圆环相贴，其中，第一挡板和第二挡板分别用于防止圆环沿沿钻杆内部空腔的轴线向前滑动和向后滑动。
作为优选，还包括滚珠，滚珠镶嵌在圆环和轴之间。通过在圆环和轴之间镶嵌滚珠，将圆环和轴之间的滑动摩擦转换成滚动摩擦，减小了圆环和轴之间的摩擦力，从而避免固定设在圆环上的光源发射器由于重力偏小，造成光源发射模块随着钻头的转动而发生来回抖动。
作为优选，光源发射模块包括沿钻杆内部空腔的轴向发射光信号的光源发射器、为光源发射器供电的发射器电源，光源发射器、发射器电源均固定设在圆环底部，发射器电源与光源发射器连接。通过将发射器电源与光源发射器一起固定在圆环上，可以使得发射器电源稳定地位光源发射器供电。
作为优选，二维位置探测器与轴底座平行。通过将二维位置探测器与轴底座平行，可以使得光源发射器发出的光信号射在二维位置探测器上形成圆形光圈
作为优选，测量模块包括根据电信号计算面向角的计算子模块和发送面向角计算结果的发送子模块，计算子模块连接于二维位置探测器和发送子模块之间。通过将计算面向角和发送面向角计算结果的功能设置在不同的模块上，可以对不同模块上的功能进行单独的优化与改进，避免在同一模块上优化其中一种功能时影响到其他功能。
一种定向钻头的面向角测量方法，包括：
当钻头发生转动时，光源发射器基于自身重力始终保持在钻杆内部空腔中的固定位置，并沿钻杆内部空腔的轴向发射光信号；
固定设在钻杆内部空腔中的二维位置探测器与钻头同步转动，使得光源发射器发射出的光信号射在二维位置探测器上形成圆形光圈；其中，二维位置探测器上与圆形光圈对应的位置分布着若干不同的光敏元件；
当光敏元件接收到光信号后，光敏元件将光信号转换为对应的电信号，二维位置探测器将电信号传输至测量模块；
测量模块根据二维位置探测器传输的电信号，计算面向角，并发送面交角计算结果；其中，不同的光敏元件对应于不同的面向角。
由于当钻头转动时，与钻头连接的钻杆带动轴模块、二维位置探测器和测量模块一起同步转动，而光源发射模块始终保持在固定的位置，使得光源发射模块沿钻杆内部空腔的轴向稳定地发射光信号，光信号射在二维位置探测器上形成圆形光圈。其中，光圈上的不同位置分布着若干不同的光敏元件，由于二维位置探测器上的光敏元件的响应速度较快，并且不同光敏元件对应不同的面向角，因此，当光敏元件接收到光信号后，可以将光信号快速地转换成对应的电信号，然后二维位置探测器将电信号传输至测量模块，测量模块计算面向角并发送计算结果。另外，由于光敏元件的规格比较小，二维位置探测器上与圆形光圈对应的位置上分布的光敏元件的数量的较多，从而使得面向角的测量精度更高，而且，二维位置探测器是现成的集成模块，基于二维位置探测器制作面向角探测器时，简化了制作工艺。
本发明具有的有益效果是：
在本发明中，一方面，由于二维位置探测器上的光敏元件的响应速度很快，因此基于二维位置探测器制作的面向角测量装置的响应速度相比现有技术提出的面向角测量装置的响应速度更快；另一方面，由于光敏元件的规格比较小，使得二维位置探测器上与圆形光圈对应的光敏元件将360°的面向角测量范围细化，从而使得面向角的测量精度更高；此外，二维位置探测器是现成的集成模块，基于二维位置探测器制作面向角探测器时，制作工艺简单。
附图说明
图1为本发明的钻头与钻杆的结构示意图。
图中：1、钻头，2、钻杆，3、轴底座，4、轴，5、圆环，6、滚珠，7、第一挡板，8、第二挡板，9、发射器电源，10、光源发射器，11、二维位置探测器，12、测量模块
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，图1为本发明的钻头与钻杆的结构示意图。
在本发明中，一种定向钻头的面向角测量装置，包括钻头1、与钻头1固定连接的钻杆2、设在钻杆2内部空腔中的轴模块、可运动的设在轴模块上并沿钻杆2内部空腔的轴向发射光信号的光源发射模块、用于接收从光源发射模块发射的光信号并根据不同位置接收到的光信号产生对应的电信号的二维位置探测器11、根据电信号计算面向角并输出面向角计算结果的测量模块12，二维位置探测器11、测量模块12均固定设在钻杆2内部空腔中，二维位置探测器11与测量模块12连接。
其中，二维位置探测器11具备以下特点：
(1)、由于二维位置探测器11采用PIN型硅光电二极管结构，光信号射在不同的光敏元件上时，输出为对应于每个光敏元件的电信号，从而使得光信号所射中的光敏元件与电信号之间有着严格的对应关系；
(2)、光电载流子的产生和输运均发生在导带中，与外电路无接触，所以具有高均匀性、高位置分辨、低噪声的特点；
(3)、在硅光二极管PN结的P区和N区之间加入一个本征型的i型区，所以具有非常高的光电响应速度和较宽的光谱范围；
(4)、二维位置探测器11的输出很容易通过运算放大器进行匹配，进行差分放大、分离、组合和其他运算。
由于当钻头1转动时，与钻头1连接的钻杆2带动轴模块、二维位置探测器11和测量模块12一起同步转动，而光源发射模块始终保持在固定的位置，使得光源发射器10沿钻杆2内部空腔的轴向稳定地发射光信号，光信号射在二维位置探测器11上形成圆形光圈，即相当于面向角的0～360°。
其中，光圈上的不同位置分布着若干不同的光敏元件，由于二维位置探测11上的光敏元件的响应速度较快，并且不同光敏元件对应不同的面向角，因此，当光敏元件接收到光信号后，可以将光信号快速地转换成对应的电信号，然后二维位置探测器11将电信号传输至测量模块12，测量模块12计算面向角并发送计算结果。另外，由于光敏元件的规格比较小，二维位置探测器11上与圆形光圈对应的位置上分布的光敏元件的数量的较多，从而使得面向角的测量精度更高，而且，二维位置探测器11是现成的集成模块，基于二维位置探测器11制作面向角探测器时，简化了制作工艺。
在本实施例中，轴模块包括轴底座3、轴4、可运动的设在轴上并用于带动光源发射模块的转动机构，轴底座3固定设在钻杆2内部空腔中，轴4固定设在轴底座3的中心，转动机构可运动的设在轴4上。其中，轴底座3、轴4和圆环5形成的组合结构用于支撑光源发射模块，而圆环5在轴4上可以发生运动是为了使光源发射模块在自身重力的作用下始终保持在轴4的下方，从而实现光源发射模块稳定地发射光信号。
在本实施例中，转动机构包括可运动的套在轴4上并用于带动光源发射模块的圆环5，用于固定圆环5的第一挡板7和第二挡板8，第一挡板7和第二挡8均固定在轴4上。在圆环5直接套在轴4上的情况下，为了保证圆环5不沿钻杆2内部空腔的轴线发生前后滑动，可以在轴4上固定挡板并与圆环5相贴，其中，第一挡板7和第二挡板8分别用于防止圆环5沿钻杆2内部空腔的轴线向后滑动和向前滑动。
在本实施例中，还包括滚珠6，滚珠6镶嵌在圆环5和轴4之间。通过在圆环5和轴4之间镶嵌滚珠6，将圆环5和轴4之间的滑动摩擦转换成滚动摩擦，减小了圆环5和轴4之间的摩擦力，从而避免固定设在圆环5上的光源发射模块由于重力偏小，造成光源发射模块随着钻头1的转动而发生来回抖动。
在本实施例中，光源发射模块包括沿钻杆2内部空腔的轴向发射光信号的光源发射器10、为光源发射器10供电的发射器电源9，光源发射器10、发射器电源9均固定设在圆环5底部，发射器电源9与光源发射器10连接。通过将发射器电源9与光源发射器10一起固定在圆环5上，可以使得发射器电源9稳定地为光源发射器10供电。
在本实施例中，二维位置探测器11与轴底座3平行。通过将二维位置探测器11与轴底座3平行，可以使得光源发射器10发出的光信号射在二维位置探测器11上形成圆形光圈
在本实施例中，测量模块12包括根据电信号计算面向角的计算子模块和发送面向角计算结果的发送子模块，计算子模块连接于二维位置探测器11和发送子模块之间。通过将计算面向角和发送面向角计算结果的功能设置在不同的模块上，可以对不同模块上的功能进行单独的优化与改进，避免在同一模块上优化其中一种功能时影响到其他功能。
由于当钻头1转动时，与钻头1连接的钻杆2带动轴模块、二维位置探测器11和测量模块12一起同步转动，而光源发射模块始终保持在固定的位置，使得光源发射模块沿钻杆2内部空腔的轴向稳定地发射光信号，光信号射在二维位置探测器11上形成圆形光圈。其中，光圈上的不同位置分布着若干不同的光敏元件，由于二维位置探测器11上的光敏元件的响应速度较快，并且不同光敏元件对应不同的面向角，因此，当光敏元件接收到光信号后，可以将光信号快速地转换成对应的电信号，然后二维位置探测器11将电信号传输至测量模块12，测量模块12计算面向角并发送计算结果。另外，由于光敏元件的规格比较小，二维位置探测器11上与圆形光圈对应的位置上分布的光敏元件的数量的较多，从而使得面向角的测量精度更高，而且，二维位置探测器11是现成的集成模块，基于二维位置探测器11制作面向角探测器时，简化了制作工艺。
与前述一种定向钻头的面向角测量装置相对应，本发明还提供一种定向钻头的面向角测量方法。
一种定向钻头的面向角测量方法，应用于上述一种定向钻头的面向角测量装置，所述方法包括：
步骤1、当钻头1发生转动时，光源发射器10基于自身重力始终保持在钻杆内部空腔中的固定位置，并沿钻杆2内部空腔的轴向发射光信号；
步骤2、固定设在钻杆2内部空腔中的二维位置探测器11与钻头1同步转动，使得光源发射器10发射出的光信号射在二维位置探测器11上形成圆形光圈；其中，二维位置探测器11上与圆形光圈对应的位置分布着若干不同的光敏元件；
步骤3、当光敏元件接收到光信号后，光敏元件将光信号转换为对应的电信号，二维位置探测器11将电信号传输至测量模块12；
步骤4、测量模块12根据二维位置探测器11传输的电信号，计算面向角，并发送面交角计算结果；其中，不同的光敏元件对应于不同的面向角。
在本发明中，当钻头1直线钻进时，钻头1会发生旋转。在钻头1旋转时，所述光源发射器10不会随着钻头1的旋转而发生旋转，始终保持在轴4的正下方，而二维位置探测器11将随着钻头1的旋转而同步旋转。
由于当钻头1转动时，与钻头1连接的钻杆2带动轴模块、二维位置探测器11和测量模块12一起同步转动，而光源发射模块始终保持在固定的位置，使得光源发射器10沿钻杆2内部空腔的轴向稳定地发射光信号，光信号射在二维位置探测器11上形成圆形光圈。
其中，光圈上的不同位置分布着若干不同的光敏元件，由于二维位置探测器11上的光敏元件的响应速度较快，并且不同光敏元件对应不同的面向角，因此，当光敏元件接收到光信号后，可以将光信号快速地转换成对应的电信号，然后二维位置探测器11将电信号传输至测量模块12，测量模块12计算面向角并发送计算结果。
另外，由于光敏元件的规格比较小，二维位置探测器11上与圆形光圈对应的位置上分布的光敏元件的数量的较多，从而使得面向角的测量精度更高，而且，二维位置探测器11是现成的集成模块，基于二维位置探测器11制作面向角探测器时，简化了制作工艺。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界。
Claims (7)
1.一种定向钻头的面向角测量装置，其特征在于：包括钻头(1)、与钻头(1)固定连接的钻杆(2)、设在钻杆(2)内部空腔中的轴模块、可运动的设在轴模块上并沿钻杆(2)内部空腔的轴向发射光信号的光源发射模块、用于接收从光源发射模块发射的光信号并根据不同位置接收到的光信号产生对应的电信号的二维位置探测器(11)、根据电信号计算面向角并输出面交角计算结果的测量模块(12)，二维位置探测器(11)、测量模块(12)均固定设在钻杆(2)内部空腔中，二维位置探测器(11)与测量模块(12)连接。
2.根据权利要求1所述的定向钻头的面向角测量装置，其特征在于：轴模块包括轴底座(3)、轴(4)、可运动的设在轴(4)上并用于带动光源发射模块的转动机构，轴底座(3)固定设在钻杆(2)内部空腔中，轴(4)固定设在轴底座(3)的中心，转动机构可运动的设在轴(4)上。
3.根据权利要求2所述的定向钻头的面向角测量装置，其特征在于：转动机构包括可运动的套在轴(4)上并用于带动光源发射模块的圆环(5)，用于固定圆环(5)的第一挡板(7)和第二挡板(8)，第一挡板(7)和第二挡板(8)均固定在轴(4)上。
4.根据权利要求3所述的定向钻头的面向角测量装置，其特征在于：还包括滚珠(6)，滚珠(6)镶嵌在圆环(5)和轴(4)之间。
5.根据权利要求2-4任一项所述的定向钻头的面向角测量装置，其特征在于：光源发射模块包括沿钻杆(2)内部空腔的轴向发射光信号的光源发射器(10)、为光源发射器(10)供电的发射器电源(9)，光源发射器(10)、发射器电源(9)均固定设在圆环(5)底部，发射器电源(9)与光源发射器(10)连接。
6.根据权利要求5所述的定向钻头的面向角测量装置，其特征在于：二维位置探测器(11)与轴底座(3)平行。
7.一种定向钻头的面向角测量方法，其特征在于，包括：
当钻头(1)发生转动时，光源发射器(10)基于自身重力始终保持在钻杆(2)内部空腔中的固定位置，并沿钻杆(2)内部空腔的轴向发射光信号；
固定设在钻杆(2)内部空腔中的二维位置探测器(11)与钻头(1)同步转动，使得光源发射器(10)发射出的光信号射在二维位置探测器(11)上形成圆形光圈；其中，二维位置探测器(11)上与圆形光圈对应的位置分布着若干不同的光敏元件；
当光敏元件接收到光信号后，光敏元件将光信号转换为对应的电信号，二维位置探测器(11)将电信号传输至测量模块(12)；
测量模块(12)根据二维位置探测器(11)传输的电信号，计算面向角，并发送面交角计算结果；其中，不同的光敏元件对应于不同的面向角。
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