CN111917194B - 一种旋转导向钻井工具的电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转导向钻井工具的电能传输装置，包括旋转芯轴，旋转芯轴上设有发电装置以及与发电装置电连接的发射线圈组件，发射线圈组件包括第一初级线圈和第二初级线圈，第一初级线圈和第二初级线圈通过第一切换电路并联连接，以使得发电装置与第一初级线圈或第二初级线圈择一进行连接，第一初级线圈与第二初级线圈并行绕制于旋转芯轴上；非旋转套，非旋转套套设在旋转芯轴的外侧，非旋转套上设有接收线圈组件，接收线圈组件与发射线圈组件通过电感耦合。本发明通过设置发射线圈组件和接收线圈组件，在发射线圈组件或接收线圈组件的初始线圈发生故障时，通过启用备用线圈，提高了旋转导向工具工作的可靠性，同时降低了维护成本。

Description

一种旋转导向钻井工具的电能传输装置

技术领域

本发明涉及石油钻井设备技术领域，具体涉及一种旋转导向钻井工具的电能传输装置。

背景技术

旋转导向钻井工具可精准制导，在降低开发成本的同时最大化的开发油气资源，是一项尖端的自动化钻井技术。旋转导向钻井工具由非旋转外套和旋转芯轴两大部分通过上下轴承连接形成一可相对转动的结构，旋转芯轴上设有涡轮发电机，非旋转外套上设有井斜测试模块等需要供电，一般通过电磁感应原理实现从旋转芯轴到非旋转外套的供电。供电原理为：涡轮发电机产生交流电，经整流滤波和功率因素校正后变为较为平滑的直流电，直流电通过高频逆变电路将直流电转变为高频交流电，为旋转芯轴上的初级线圈供电，初级线圈产生交变电磁场，非旋转外套上的次级线圈以非接触的感应方式产生了交流感应电动势，交流电经整流滤波变成直流电给负载供电。

恶劣环境、线圈密封性不好、进入泥浆以及大负载工作时，线圈会发生老化甚至故障，从而导致非旋转外套上的电路板由于电源故障而不能工作。现有技术中一般采用在线圈的物理结构上进行优化来提高线圈的使用寿命，例如增加绕线的耐温耐压或者增加线圈的散热方式等，或者，对故障线圈进行替换。但是，采用优化物理结构的线圈依旧无法规避突发状况导致的线圈故障，而对故障线圈的替换需要直接拆开钻井工具重新更换一个新线圈，费时费力。如何提高线圈工作的可靠性仍是亟需解决的问题。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供了一种旋转导向钻井工具的电能传输装置，通过设置发射线圈组件和接收线圈组件，在发射线圈组件或接收线圈组件的某个线圈发生故障时，通过启用另一个备用线圈，提高了旋转导向钻井工具的电能传输装置工作的可靠性，同时降低了维护成本。

一方面，本发明为了解决上述技术问题，提供了如下技术方案：

一种旋转导向钻井工具的电能传输装置，包括

旋转芯轴，所述旋转芯轴上设有发电装置以及与所述发电装置电连接的发射线圈组件，所述发射线圈组件包括第一初级线圈和第二初级线圈，所述第一初级线圈和所述第二初级线圈通过第一切换电路并联连接，以使得所述发电装置与所述第一初级线圈或所述第二初级线圈择一进行连接，所述第一初级线圈与所述第二初级线圈并行绕制于所述旋转芯轴上；

非旋转套，所述非旋转套套设在所述旋转芯轴的外侧，所述非旋转套上设有接收线圈组件，所述接收线圈组件与所述发射线圈组件通过电感耦合。

在本申请的一些实施例中，所述接收线圈组件包括第一次级线圈和第二次级线圈，所述第一次级线圈与所述第二次级线圈通过第二切换电路并联设置，以使得所述发射线圈组件与所述第一次级线圈或第二次级线圈择一进行电感耦合，所述第一次级线圈与所述第二次级线圈并行绕制于所述非旋转套上。

在本申请的一些实施例中，所述第一切换电路包括第一开关模块、第一处理模块和第一采样模块；

所述第一开关模块的第一引脚通过所述第一处理模块与所述第一采样模块连接，所述第一开关模块的第二引脚与所述第二初级线圈的输出端相连；

所述第一采样模块用于采集所述第一初级线圈的输出端的电信号，并用于根据所述电信号获得相应的电压值；

所述第一处理模块在接收到来自所述第一采样模块的电压值小于预设阈值时，控制所述第一开关模块闭合。

在本申请的一些实施例中，所述第一切换电路还包括第一故障判定模块；

所述第一故障判定模块与所述第一初级线圈并联，且所述第一故障判定模块的一端与所述第一处理模块连接。

在本申请的一些实施例中，所述第一采样模块包括电流感应器和电阻；

所述电流感应器的输出端与所述电阻的一端连接，所述电流感应器用于感应所述第一初级线圈的输出端的电流；

所述第一处理模块包括放大器、第一滤波器、现场可编辑逻辑门阵列FPGA和第一MCU；

所述放大器的一端与所述电阻的另一端连接；

所述FPGA的第一引脚通过所述第一滤波器与所述放大器的另一端连接，所述FPGA的第二引脚与所述第一开关模块的第一引脚连接，所述FPGA的第三引脚与所述第一MCU的第一引脚连接。

在本申请的一些实施例中，所述第一采样模块包括耦合线圈；

所述第一处理模块包括整流器、第二滤波器、电平转换器和第二MCU；

所述整流器与所述耦合线圈并联；

所述电平转换器的第一引脚通过所述第二滤波器与所述整流器连接，所述电平转换器的第二引脚与所述第一开关模块的第一引脚连接，所述电平转换器的第三引脚与所述第二MCU的第一引脚连接。

在本申请的一些实施例中，所述第一故障判定模块包括激励器和判别器；

所述激励器的一端与所述第一初级线圈的输入端连接，所述激励器的另一端与所述第一MCU的第二引脚连接；或者，所述激励器的一端与所述第一初级线圈的输入端连接，所述激励器的另一端与第二MCU的第二引脚；

所述判别器的一端与所述第一初级线圈的输出端连接，所述判别器的另一端与所述第一MCU的第三引脚连接；或者，所述判别器的一端与所述第一初级线圈的输出端连接，所述判别器的另一端与第二MCU的第三引脚连接。

在本申请的一些实施例中，所述第一初级线圈的输入端、所述第二初级线圈的输入端及所述第一MCU的第四引脚均与谐振补偿模块连接；

或者，所述第一初级线圈的输入端、所述第二初级线圈的输入端及所述第二MCU的第四引脚均与谐振补偿模块连接。

在本申请的一些实施例中，所述第二切换电路包括第二采样模块、第二处理模块、第二开关模块及第二故障判定模块；

所述第二采样模块的一端通过所述第二处理模块与所述第二开关模块的第一引脚连接，所述第二采样模块用于采集所述第一次级线圈的输出端的电信号，并用于根据所述电信号获得相应的电压值；

所述第二处理模块在接收到来自所述第二采样模块的电压值小于预设阈值时，控制所述第二开关模块闭合；

所述第二故障判定模块的一端与所述第二处理模块连接，且所述第二故障判定模块与所述第一次级线圈并联。

在本申请的一些实施例中，所述装置还包括整流滤波器和电池模块；

所述整流滤波器并联在所述第一次级线圈的两端，所述整流滤波器的输出端与所述电池模块的一端连接，所述电池模块的另一端与所述第二切换电路连接。

另一方面，旋转芯轴上设有中控电路，用于控制非旋转套筒上的姿态测量电路和液压控制电路等电路，旋转芯轴上设有的中控电路与非旋转套筒上设置的姿态测量电路、液压控制电路之间需要进行信号传输，现有技术中，分别在旋转主轴以及非旋转套筒上各设置一个信号传输线圈，从而使旋转主轴和非旋转套筒上的电路实现双向通信。由于石油钻井井下工作环境恶劣，旋转芯轴和非旋转套筒上设置的信号传输线圈容易发生老化、故障，导致通信错误，影响旋转导向钻井工具的正常使用，为了提高旋转导向钻井工具中信号传输的可靠性，本发明还提供了一种旋转导向钻井工具的信号传输系统，所述旋转导向钻井工具包括旋转芯轴，所述系统包括：

第一采集器，所述第一采集器用于采集初级信号传输回路的初级信号，所述初级信号传输回路包括设置于所述旋转芯轴上的初级信号传输线圈组件，所述初级信号传输线圈组件包括第一初级信号传输线圈和第二初级信号传输线圈；

第一处理器，所述第一处理器与所述第一采集器电连接，用于获取所述初级信号，并根据所述初级信号，确定所述初级信号传输回路是否异常；以及在所述初级信号传输回路异常的情况下，向第三故障判定模块发送相应的第一启动信号；

所述第三故障判定模块设置于所述初级信号传输回路中，用于根据所述第一启动信号启动，并判定所述初级信号传输线圈组件的工作状态。

在本申请的一些实施例中，所述旋转导向钻井工具还包括非旋转套筒，所述系统还包括：

第二采集器，所述第二采集器用于采集次级信号传输回路的次级信号，所述次级信号传输回路包括设置与所述非旋转套筒的次级信号传输线圈组件，所述次级信号传输线圈组件包括第一次级信号传输线圈和第二次级信号传输线圈；

第二处理器，所述第二处理器与所述第二采集器电连接，用于获取所述次级信号，并根据所述次级信号，确定所述次级信号传输回路是否异常；以及在所述次级信号传输回路异常的情况下，向第四故障判定模块发送相应的第二启动信号；

所述第四故障判定模块设置于所述次级信号传输回路中，用于根据所述第二启动信号启动，并判定所述次级信号传输线圈组件的工作状态。

在本申请的一些实施例中，所述初级信号传输回路包括：

第一控制器、第一调制解调滤波模块、第二调制解调滤波模块、第三开关模块、第一谐振补偿模块、第二谐振补偿模块、第一处理器、第一采集器、第三故障判定模块、初级信号传输线圈组件；

所述第一控制器分别与所述第一调制解调滤波模块的一端、第二调制解调滤波模块的一端、第一处理器相连；所述第一调制解调滤波模块的另一端通过第三开关模块与第一谐振补偿模块的一端相连，第一谐振补偿模块的另一端与所述第一初级信号传输线圈的输入端相连，所述第一初级信号传输线圈的输出端与所述第一控制器相连；所述第二调制解调滤波模块的另一端通过第三开关模块与所述第二谐振补偿模块的一端相连，所述第二初级信号传输线圈的输出端与所述第一控制器相连；所述第一采集器的一端连接所述第一初级信号传输线圈的输入端，所述第一采集器的另一端连接所述第二初级信号传输线圈的输入端；所述第三故障判定模块的另一端分别连接所述第一初级信号传输线圈的输出端、第二初级信号传输线圈的输出端；所述第一采集器以及所述第三故障判定模块均连接所述第一处理器。

在本申请的一些实施例中，所述次级信号传输回路包括：

第二控制器、第三调制解调滤波模块、第四调制解调滤波模块、第四开关模块、第三谐振补偿模块、第四谐振补偿模块、第二处理器、第二采集器、第四故障判定模块、次级信号传输线圈组件；

所述第二控制器分别与所述第三调制解调滤波模块的一端、第四调制解调滤波模块的一端、第二处理器相连；所述第三调制解调滤波模块的另一端通过第四开关模块与第三谐振补偿模块的一端相连，第三谐振补偿模块的另一端与所述第一次级信号传输线圈的输入端相连，所述第一次级信号传输线圈的输出端与所述第二控制器相连；所述第四调制解调滤波模块的另一端通过第四开关模块与所述第四谐振补偿模块的一端相连，所述第二次级信号传输线圈的输出端与所述第二控制器相连；所述第二采集器的一端连接所述第一次级信号传输线圈的输入端，所述第二采集器的另一端连接所述第二次级信号传输线圈的输入端；所述第四故障判定模块的另一端分别连接所述第一次级信号传输线圈的输出端、第二次级信号传输线圈的输出端；所述第二采集器以及所述第四故障判定模块均连接所述第二处理器。

通过设置初级信号传输线圈组件，有效地提高了旋转导向钻井工具信号传输的可靠性，降低维护成本，提高使用寿命；并且，可以根据初级信号传输线圈组件的工作状态，确定信号传输的工作模式，以提供不同的工作模式，在保证信号传输正常运行的情况下，尽可能的提高信号传输速率、节约能源消耗。

本发明的有益效果：

1.本发明通过设置发射线圈组件和接收线圈组件，发射线圈组件包括第一初级线圈和第二初级线圈，接收线圈组件包括第一次级线圈和第二次级线圈组件，在第一初级线圈发生故障时启用第二初级线圈，在第一次级线圈发生故障时启用第二次级线圈，提高了旋转导向钻井工具的电能传输装置的可靠性，降低了维护成本。

2.本发明通过设置第一切换电路，第一采样模块、第一开关模块、第一故障判定模块和第一处理模块相互配合，在第一初级线圈所在电路发生故障时，通过闭合第一开关模块，启用第二初级线圈，并确定故障是否由第一初级线圈引起，方便后续对旋转导向钻井工具的维修，提高旋转导向钻井工具的故障判定的准确性，降低维护成本；通过设置谐振补偿模块，无论在使用第一初级线圈还是第二初级线圈时，整个电路的工作效率均能达到最佳状态。

3.本发明通过设置第二切换电路，第二采样模块、第二开关模块、第二故障判定模块和第二处理模块相互配合，在第一次级线圈所在电路发生故障时，通过启用第二故障模块，确定故障是由第一次级线圈引起的，再闭合第二开关模块，启用第二次级线圈，提高旋转导向钻井工具的电能传输装置工作的可靠性，降低维护成本；通过设置整流滤波器和电池模块，在系统正常工作时，第一次级线圈通过电磁感应可以耦合得到初级线圈组件的交流电信号，此交流电信号通过整流滤波器的整流滤波后，对第二切换电路直接供电，同时对电池模块进行充电；当第一次级线圈不能耦合得到初级线圈的交流电信号时，比如初级电路正常断电或者第一次级线圈发生故障等情况时，电池模块为第二切换电路供电，保证第二切换电路的正常工作，并在判定到执行是否需要切换的这段时间内为非旋转套上的负载供电，保证旋转导向钻井工具的正常运行，提高了旋转导向钻井工具工作的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本说明书实施例提供的一种旋转导向钻井工具的电能传输装置中第一初级线圈和第二初级线圈在旋转芯轴上的缠绕结构示意图或第一次级线圈和第二次级线圈在非旋转套上的缠绕结构示意图；

图2为本说明书实施例提供的一种旋转导向钻井工具的电能传输装置中第一切换电路的电路框图；

图3为本说明书实施例提供的一种旋转导向钻井工具的电能传输装置中第一切换电路的一种电路图；

图4为本说明书实施例提供的一种旋转导向钻井工具的电能传输装置中第一切换电路的另一种电路图；

图5为本说明书实施例提供的一种旋转导向钻井工具的电能传输装置中第二切换电路的电路框图；

图6为本说明书实施例提供的一种旋转导向钻井工具的电能传输装置中第二切换电路的一种电路图；

图7为本说明书实施例提供的一种旋转导向钻井工具的电能传输装置中第二切换电路的另一种电路图；

图8为本说明书实施例提供的一种旋转导向钻井工具的信号传输系统的结构示意图；

图9为本说明书实施例提供的一种旋转导向钻井工具的信号传输方法的流程图；

图10为本说明书实施例提供的一种旋转导向钻井工具的信号传输系统的另一种结构示意图；

图11为本说明书实施例提供的一种旋转导向钻井工具的信号传输方法的另一种流程图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。

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。

实施例1

本实施例提供了一种旋转导向钻井工具的电能传输装置，包括

旋转芯轴，旋转芯轴上设有发电装置以及与发电装置电连接的发射线圈组件，发射线圈组件包括第一初级线圈和第二初级线圈，第一初级线圈和第二初级线圈通过第一切换电路并联连接，以使得发电装置与第一初级线圈或与第二初级线圈择一进行连接，第一初级线圈与第二初级线圈并行绕制于旋转芯轴上；

非旋转套，非旋转套套设在旋转芯轴的外侧，非旋转套上设有接收线圈组件，接收线圈组件与发射线圈组件通过电感耦合。

接收线圈组件包括第一次级线圈和第二次级线圈，第一次级线圈与第二次级线圈通过第二切换电路并联设置，以使得发射线圈组件与第一次级线圈或第二次级线圈择一进行电感耦合，第一次级线圈与第二次级线圈并行绕制于非旋转套上。

现有技术中的旋转芯轴上只设有一个初级线圈，当初级线圈坏掉时，旋转导向钻井工具的电能传输装置必须通过更换线圈来重新正常工作，本实施例通过在旋转芯轴上设置发射线圈组件，发射线圈组件包括两个初级线圈，在第一初级线圈发生故障时，第二初级线圈作为备用线圈，通过第一切换电路进行启用，能够有效解决初级线圈发生故障时必须对初级线圈进行更换的问题，提高了旋转导向钻井工具的电能传输装置工作的稳定性，节省了更换初级线圈所用的时间。

现有技术中的非旋转套上也只设有一个次级线圈，当次级线圈发生故障时，无法与初级线圈通过电感耦合产生电动势，就无法为非旋转套上的负载供电，也必须更换次级线圈来重新使旋转导向工具正常工作，也存在更换次级线圈的麻烦，本实施例在非旋转套上设置接收线圈组件，接收线圈组件包括第一次级线圈和第二次级线圈，当第一次级线圈出现故障时，第二次级线圈作为备用线圈，通过切换到第二切换电路进行启用，节省了更换次级线圈所用的时间，提高了旋转导向钻井工具的电能传输装置工作的稳定性。

由于发射线圈组件或接收线圈组件中都包括初始线圈和备用线圈，且备用线圈对旋转导向钻井工具的电能传输装置的正常工作起到重要的替换作用，所以初始线圈和备用线圈的缠绕方式也非常重要，采用的是并行绕制的缠绕方式，缠绕方式如图1所示，图1中的A1为第一初级线圈的输入端，A2为第一初级线圈的输出端，B1为第二初级线圈的输入端，B2为第二初级线圈的输出端，A1与A2组成第一初级线圈，B1与B2组成第二初级线圈；或者，A1为第一次级线圈的输入端，A2为第一次级线圈的输出端，B1为第二次级线圈的输入端，B2为第二次级线圈的输出端，A1与A2组成第一次级线圈，B1与B2组成第二次级线圈。

如图2所示，本实施例还提供了旋转导向钻井工具的电能传输装置中的第一切换电路。

旋转芯轴上的发电装置，发电装置一般是涡轮发电机，产生交流电，经整流滤波和功率因素校正后变为较为平滑的直流电，直流电通过控制电路1将直流电转变为高频交流电，为旋转芯轴上的发射线圈组件供电。控制电路1一般为高频逆变电路。

第一切换电路4包括第一开关模块43、第一处理模块42和第一采样模块41和第一故障判定模块44；

第一开关模块43的第一引脚通过第一处理模块42与第一采样模块41连接，第一开关模块43的第二引脚与第二初级线圈3的输出端相连；

第一采样模块41用于采集第一初级线圈2的输出端的电信号，并用于根据电信号获得相应的电压值；

第一处理模块42在接收到来自第一采样模块41的电压值小于预设阈值时，控制第一开关模块43闭合；

第一故障判定模块44与第一初级线圈2并联，且第一故障判定模块44的一端与第一处理模块42连接。

第一初级线圈2的输入端、第二初级线圈3的输入端及第一处理模块42均与谐振补偿模块5连接。

发射线圈组件或接收线圈组件，由于其绕线的方式电感参数会随之改变，可以预先理论计算或者实际计算得到第二初级线圈或第二次级线圈的电感参数集Li(i＝1,2,……),其中Li＝{Lpi，Lsi，Mi}，Lpi表示初级线圈电感值，Lsi表示次级线圈电感值，Mi表示初级线圈和次级线圈的互感值。当第一初级线圈与第一次级线圈有效时，电感参数集合L1；当第二初级线圈与第一次级线圈有效时，电感参数集合L2；当第一初级线圈与第二次级线圈有效时，电感参数集合L3；当第二初级线圈与第二次级线圈有效时，电感参数集合L4。

谐振补偿模块由可控的电容阵列组成，至少应可以配置4种电容值，记为C1、C2、C3、C4，分别与电感参数集L1、L2、L3、L4匹配构成谐振电路，保证了第一初级线圈与第一次级线圈、第二初级线圈与第一次级线圈、第一初级线圈与第二次级线圈、第二初级线圈与第二次级线圈工作时整个电路处于谐振状态，此时电路的效率最高。

第一切换电路的工作原理是：

设置Vth为第一开关模块导通的阈值电压，设置V1为第一开关模块本身的电压，V2为第一采样模块采集到的第一初级线圈的输出端的电压，设置第一开关模块断开时V1>Vth，且V1-V2<Vth，第一开关模块闭合时V1-V2>Vth，整个电路系统共有三种状态，分别为空闲状态、工作状态以及自动切换状态。

在空闲状态时，整个系统不工作；

在工作状态时，第一采样模块采集到的电压信号通过第一处理模块输出电压V2，由于V1-V2<Vth，第一开关模块处于断开状态，此时第一初级线圈正常工作，第二初级线圈不工作；

在自动切换状态时，主要包括三个步骤：(1)第一采样模块采集不到第一初级线圈输出端的电信号，表示第一初级线圈所在的电路出现了故障，此时启动第一故障判定模块；(2)第一故障判定模块从第一初级线圈的输入端输入信号并采集输出端的输出信号，如果输出端检测不到对应的输出信号，则表示第一初级线圈出现故障，此时进入步骤(3)，如果输出端可以检测到对应的输出信号，则表示第一初级线圈没有故障，第一初级线圈所在电路的其他部分出现了故障，此时第一处理模块将结果反馈给控制电路；(3)第一处理模块根据第二初级线圈的参数控制并改变谐振补偿模块中谐振电容的容值，使电路工作在谐振状态，然后将输出电压V2置零，此时V1-V2＝V1>Vth，第一开关模块闭合，第二初级线圈工作。

如图3所示，本申请实施例还提供了一种第一切换电路中各模块的具体电路。

第一采样模块41包括第一电流感应器411和第一电阻412；

第一电流感应器411的输出端与第一电阻412的一端连接，第一电流感应器411用于感应第一初级线圈2的输出端的电流信号；

第一处理模块42包括第一放大器421、第一滤波器422、第一现场可编辑逻辑门阵列FPGA 423和第一MCU 424；

第一放大器421的一端与第一电阻412的另一端连接；

第一FPGA 423的第一引脚通过第一滤波器422与第一放大器421的另一端连接，第一FPGA 423的第二引脚与第一开关模块43的第一引脚连接，第一FPGA 423的第三引脚与第一MCU 424的第一引脚连接；

第一故障判定模块44包括第一激励器441和第一判别器442；

第一激励器441的一端与第一初级线圈2的输入端连接，第一激励器441的另一端与第一MCU 424的第二引脚连接；

第一判别器442的一端与第一初级线圈2的输出端连接，第一判别器442的另一端与第一MCU 424的第三引脚连接；

第一初级线圈2的输入端、第二初级线圈3的输入端及第一MCU 424的第四引脚均与谐振补偿模块5连接。

第一采集模块中的第一电流感应器可以选择比如TALEMA公司的AS103，第一处理模块中的第一放大器可以选择OPA2211，第一滤波器可以由多级放大器构成，第一MCU可以选择STM32系列IC，第一FPGA可以选用Altera公司的EP1K10TC100-3，谐振补偿模块选择可配置电容阵列，第一激励器可以选择电压发生器，第一判别器可以选择简单的AD采集芯片。

具体工作原理如下(整个电路系统共有三种状态，分别为空闲状态、工作状态以及自动切换状态)：

1.空闲状态：空闲状态下，整个系统不工作；

2.工作状态：第一电流传感器采集获得交流电流弱信号，经第一电阻R1转换为交流电压弱信号，交流电压弱信号经过第一放大器放大，第一滤波器滤波，得到干净的交流信号传给第一FPGA，第一FPGA采集到了交流信号输出V2电平，由于V1-V2<Vth，第一开关模块处于断开状态，此时第一初级线圈工作，第二初级线圈不工作；

3.自动切换状态：当第一初级线圈所在电路出现故障时，第一采样模块采集不到电信号，第一FPGA采集不到可以识别的交流信号，此时第一MCU控制第一激励器给第一初级线圈的输入端输入一个直流电平V，第一判别器对第一初级线圈的输出端采样：(1)如果得到了与第一初级线圈输入端的输入信号对应的采样信号，则第一初级线圈没有故障，整个第一初级线圈的电路其它部分出现了故障，此时，第一MCU将结果反馈给控制电路；(2)如果第一初级线圈的输出端采集不到信号，则说明第一初级线圈出现了故障，如果此时是第一次级线圈工作的话，则将谐振补偿模块的电容值修改为C2，如果此时是第二次级线圈工作的话，将谐振补偿模块的电容值修改为C4，然后将第一FPGA输出的电平V2置零，此时V1-V2＝V1>Vth，第一开关模块闭合，第二初级线圈工作。

如图4所示，本申请实施例还提供了另一种第一切换电路中各模块的具体电路。

第一采样模块41包括第一耦合线圈413；

第一处理模块42包括第一整流器425、第二滤波器426、第一电平转换器427和第二MCU 428；

第一整流器425与第一耦合线圈413并联；

第一电平转换器427的第一引脚通过第二滤波器426与第一整流器425连接，第一电平转换器427的第二引脚与第一开关模块43的第一引脚连接，第一电平转换器427的第三引脚与第二MCU 428的第一引脚连接。

第一故障判定模块44包括第一激励器441和第一判别器442；

第一激励器441的一端与第一初级线圈2的输入端连接，第一激励器441的另一端与第二MCU 428的第二引脚；

第一判别器442的一端与第一初级线圈2的输出端连接，第一判别器442的另一端与第二MCU 428的第三引脚连接；

第一初级线圈2的输入端、第二初级线圈3的输入端及第二MCU 428的第四引脚均与谐振补偿模块5连接。

图4与图3的区别在于第一采样模块和第一处理模块，图4中的第一采样模块为第一耦合线圈，第一处理模块包括第一整流器、第二滤波器、第一电平转换器和第二MCU，其中第一整流器可以采用四个二极管组成的全桥整流、第二滤波器可以选择滤波电容、第一电平转换器可以选择常用的DC-DC芯片，第二MCU可以选择STM32系列芯片。

具体工作原理如下(整个电路系统共有三种状态，分别为空闲状态、工作状态以及自动切换状态)：

1.空闲状态：空闲状态下，整个系统不工作；

2.工作状态：第一耦合线圈与第一初级线圈的输出端通过电磁感应耦合得到交流电压，电压经过第一整流器和第二滤波器得到直流电平，经第一电平转换器得到V2，由于V1-V2<Vth，第一开关模块处于断开状态，此时第一初级线圈工作，第二初级线圈不工作；

3.自动切换状态：当第一耦合线圈输出为0，第一处理模块的输入为0，第一故障判定模块判定为第一初级线圈出现故障时，(1)将谐振补偿模块的电容值对应修改；(2)将第一整流器、第二滤波器以及第一电平转换器的输出电压V2置零，此时V1-V2＝V1>Vth，第一开关模块闭合，第二初级线圈工作；第一故障判定模块判定第一初级线圈没有故障时，是电路系统的其他部分出现问题，此时第二MCU将结果反馈给控制电路。

如图5所示，本申请实施例提供了旋转导向钻井工具的电能传输装置中的第二切换电路。

第二切换电路8包括第二采样模块81、第二处理模块82、第二开关模块83及第二故障判定模块84；

第二采样模块81的一端通过第二处理模块82与第二开关模块83的第一引脚连接，第二采样模块81用于采集第一次级线圈6的输出端的电信号，并用于根据电信号获得相应的电压值；

第二处理模块82在接收到来自第二采样模块81的电压值小于预设阈值时，控制第二开关模块83闭合；

第二故障判定模块84的一端与第二处理模块82连接，且第二故障判定模块84与第一次级线圈7并联。

旋转导向钻井工具的电能传输装置还包括整流滤波器10、电池模块11和补偿模块9；

整流滤波器10并联在第一次级线圈6的两端，整流滤波器10的输出端与电池模块11的一端连接，电池模块11的另一端与第二切换电路8连接；

补偿模块9的一端与第二处理模块82连接，且补偿模块9可以与第二次级线圈7串联，也可以与第二次级线圈7并联。

第一切换电路与第二切换电路不同的地方在于，为了保证第二切换电路的正常工作，第二切换电路中还包括整流滤波器和电池模块，在第一次级线圈正常工作时，整流滤波器将交流电转换成直流电，给电池模块供电，还可以增加电源管理模块，以控制当电池模块充满电后就不再继续充电；当第一次级线圈出现故障，需要通过第二切换电路切换到第二次级线圈时，电池模块为第二切换电路供电，保证第二切换电路的正常工作，否则会出现第二切换电路供不上电，不能实现自动切换到启用第二次级线圈。

第二切换电路的工作原理与第一切换电路的工作原理相同或相似，相同的部分不再赘述，不同的地方在于切换电路的供电方式：第一切换电路中的第一故障判定模块、第一开关模块等支电路是直接由发电装置供电的，当正常断电时，这些支电路以及整个第一切换电路都不再工作；第二切换电路由整流滤波器整流后的直流电直接供电或者由电池模块供电，当整个系统正常工作时，第一次级线圈可以通过电磁感应耦合得到初级线圈的交流电信号，此时第二切换电路和负载由整流滤波器得到的直流电供电；当第一次级线圈不能耦合得到初级线圈的交流电时，比如初级电路正常断电、两个初级线圈全部出现故障、第一次级线圈出现故障或者次级电路出现故障的情况下，第二切换电路由电池模块供电，此时第二故障判定模块会判定第一次级线圈是否真的出现故障，在第二故障判定模块判定第一次级线圈出现故障时，第二开关模块进行切换，在第二故障判定模块判定第一次级线圈没有故障时，第二开关模块则不切换，在判定并执行是否需要进行第一次级线圈向第二次级线圈切换前，负载也由电池模块进行供电。

补偿模块的设置是为了根据电路拓扑和线圈电感谐振来提高过电效率的。

如图6所示，本申请实施例还提供了旋转导向钻井工具的电能传输装置中第二切换电路中各模块的具体电路。

第二采样模块81包括第二电流感应器811和二电阻R2 812；

第二电流感应器811的输出端与第二电阻R2 812的一端连接，第二电流感应器811用于感应第一次初级线圈6的输出端的电流信号；

第二处理模块82包括第二放大器821、第三滤波器822、第二现场可编辑逻辑门阵列FPGA 823和第三MCU 824；

第二放大器821的一端与第二电阻812的另一端连接；

第二FPGA 823的第一引脚通过第三滤波器822与第二放大器821的另一端连接，第二FPGA 823的第二引脚与第二开关模块83的第一引脚连接，第二FPGA 823的第三引脚与第三MCU 824的第一引脚连接；

第二故障判定模块84包括第二激励器841和第二判别器842；

第二激励器841的一端与第一次级线圈6的输入端连接，第二激励器841的另一端与第三MCU 824的第二引脚连接；

第二判别器842的一端与第一次级线圈6的输出端连接，第二判别器842的另一端与第三MCU 824的第三引脚连接。

第二切换电路中各模块的具体电路的工作原理与第一切换电路中各模块的具体电路的工作原理相同或相似，在此不再赘述，需要指出的是，第二采集模块中的第二电流感应器，第二处理模块中的第二放大器、第三滤波器、第三MCU及第二FPGA，第二激励器、第二判别器选择的型号与第一切换电路中第二采集模块中具有相同功能的相对应的部件的型号相同，不再赘述。

如图7所示，本申请实施例还提供了旋转导向钻井工具的电能传输装置中另一种第二切换电路中各模块的具体电路。

第二采样模块81包括第二耦合线圈813；

第二处理模块82包括第二整流器825、第四滤波器826、第二电平转换器827和第四MCU 828；

第二整流器825与第二耦合线圈813并联；

第二电平转换器827的第一引脚通过第四滤波器826与第二整流器825连接，第二电平转换器827的第二引脚与第二开关模块83的第一引脚连接，第二电平转换器827的第三引脚与第四MCU 828的第一引脚连接。

第二故障判定模块84包括第二激励器841和第二判别器842；

第二激励器841的一端与第一次级线圈6的输入端连接，第二激励器841的另一端与第四MCU 828的第二引脚；

第二判别器842的一端与第一次级线圈7的输出端连接，第二判别器842的另一端与第四MCU 828的第三引脚连接。

图7中第二切换电路中各模块的工作原理与图4中第一切换电路中各模块的工作原理相同或相似，不再赘述，其中，图7中第二处理模块中的第二整流器、第四滤波器、第二电平转换器和第四MCU选择的型号与图4中第一处理模块中具有相同功能的相对应的部件的型号相同，不再赘述。

实施例2

本说明书实施例提供了一种旋转导向钻井工具的信号传输系统的结构示意图。如图8所示，该系统包括：初级信号传输回路1000和次级信号传输回路2000。

其中，初级信号传输回路1000可以包括：第一控制器1100、第一调制解调滤波模块1210、第二调制解调滤波模块1220、第三开关模块1300、第一谐振补偿模块1410、第二谐振补偿模块1420、第一处理器1500、第一采集器1600、第三故障判定模块1700、初级信号传输线圈组件1800(包括第一初级信号传输线圈1810、第二初级信号传输线圈1820)。

如图8所示，第一控制器1100分别与第一调制解调滤波模块1210的一端、第二调制解调滤波模块1220一端、第一处理器1500相连。第一调制解调滤波模块1210的另一端通过第三开关模块1300与第一谐振补偿模块1410的一端相连，第一谐振补偿模块1410的另一端与第一初级信号传输线圈1810的输入端相连，第一初级信号传输线圈1810的输出端与第一控制器1100相连。第二调制解调滤波模块1220的另一端通过第三开关模块1300与第二谐振补偿模块1420的一端相连，第二谐振补偿模块1420的另一端与第二初级信号传输线圈1820的输入端相连，第二初级信号传输线圈1820的输出端与第一控制器1100相连。第一采集器1600的一端连接第一初级信号传输线圈1810的输入端，另一端连接第二初级信号传输线圈1820的输入端。第三故障判定模块1700的一端分别连接第一初级信号传输线圈1810的输入端、第二初级信号传输线圈1820的输入端，第三故障判定模块1700的另一端分别连接第一初级信号传输线圈1810的输出端、第二初级信号传输线圈1820的输出端。并且，上述第一采集器1600以及上述第三故障判定模块1700均连接上述第一处理器1500。

上述次级信号传输回路2000可以包括：第三次信号传输级线圈2100、第五谐振补偿模块2200、第五开关模块2300、第五调制解调滤波模块2400，第三控制器2500。其中，第三控制器2500的一端依次连接第五调制解调滤波模块2400、第五开关模块2300、第五谐振补偿模块2200、第三次级信号传输线圈2100的输入端，第三次级信号传输线圈2100的输出端连接第三控制器2500的另一端，形成次级信号传输回路2000，如图8所示。

基于图8所示一种旋转导向钻井工具的信号传输系统，本申请实施例还提供了一种旋转导向钻井工具的信号传输方法，如图9所示，该方法包括以下步骤：S201，第一采集器1600采集初级信号传输回路1000的初级信号，并发送至第一处理器1500。

第一采集器1600分别采集第一初级信号传输线圈1810所在第一支路上的信号、第二初级信号传输线圈1820所在第二支路上的信号。也就是说，在第一支路和第二支路正常的情况下，上述采集的初级信号包括第一支路上的信号、以及第二支路上的信号。需要说明的是，上述第一支路可以是由第一调制解调滤波模块1210、第三开关模块1300、第一谐振补偿模块1410、第一初级信号传输线圈1810组成。第二支路可以是由第二调制解调滤波模块1220、第三开关模块1300、第二谐振补偿模块1420、第二初级信号传输线圈1820组成。

优选地，第一采集器1600采集第一初级信号传输线圈1810、第二初级信号传输线圈1820的信号。

S202，第一处理器1500根据上述初级信号，确定初级信号传输回路1000是否异常。

具体地，第一处理器1500可以根据初级信号中包含的信号，确定初级信号传输回路1000是否异常。也就是说，在第一采集器1600采集到第一支路和第二支路上的信号的时候，表示初级信号传输回路1000正常；在只采集到一条支路(例如第一支路、第二支路)上的信号，或者第一支路和第二支路上的信号都未采集到的情况下，表示初级信号传输回路1000异常。可以明确的是，初级信号传输回路1000异常可以是由于第一支路和/或第二支路断路造成的。

S203，在初级信号传输回路1000异常的情况下，第一处理器1500向设置于初级信号传输回路1000的第三故障判定模块1700发送启动信号。

S204，第三故障判定模块1700在接收到启动信号后，分别向第一初级信号传输线圈1810的输入端、第二初级信号传输线圈1820的输入端发送相应的激励信号。

S205，第三故障判定模块1700分别采集第一初级信号传输线圈1810输出端、第二初级信号传输线圈1820输出端的信号。

S206，第三故障判定模块1700根据分别采集第一初级信号传输线圈1810输出端、第二初级信号传输线圈1820输出端的信号，判定初级信号传输线圈组件1800的工作状态。

在本申请的一些实施例中，初级信号传输线圈组件1800的工作状态可以包括正常状态、异常状态、故障状态。

初级信号传输线圈组件1800的正常状态为第一初级信号传输线圈1810与第二初级信号传输线圈1820均正常工作。需要说明的是，在初级信号传输回路1000正常的情况下，即可说明初级线圈组件1800为正常状态。

初级信号传输线圈组件1800的异常状态为第一初级信号传输线圈1810正常工作、第二初级信号传输线圈1820故障，或者第一初级信号传输线圈1810故障、第二初级信号传输线圈1820正常工作。简单来说，初级信号传输线圈组件1800的异常状态是指第一初级信号传输线圈1810和第二初级信号传输线圈1820其中一个故障。

初级信号传输线圈组件1800的故障状态为第一初级信号传输线圈1810与第二初级信号传输线圈1820均故障。具体地，在第三故障判定模块1700可以采集到第一初级信号传输线圈1810输出端的信号时，说明第一初级信号传输线圈1810正常工作，反之则第一初级信号传输线圈1810故障。第二初级信号传输线圈1820也同理，在此不再加以赘述。

S207，第一处理器1500根据来自第三故障判定模块1700的初级信号传输线圈组件1800的工作状态，确定信号传输的工作模式。

通过上述方式，通过设置第一初级信号传输线圈1810和第二初级信号传输线圈1820，可以有效的提高线圈的可靠性，避免在其中一个初级信号传输线圈出现问题时，造成旋转芯轴与非旋转套筒之间无法进行信号传输。

在本申请的一些实施例中，第一处理器1500根据来自第三故障判定模块1700的初级信号传输线圈组件1800的工作状态，确定信号传输的工作模式，具体可以包括：在初级信号传输线圈组件1800为异常状态下，也就是说初级信号传输线圈组件1800中其中一个初级信号传输线圈故障，在这种情况下，按照正常的信号传输方式进行传输，即初级信号传输线圈组件1800中正常的初级信号传输线圈正常工作。

在本申请的一些实施例中，在初级信号传输回路1000正常的情况下，其信号传输的工作模式可以通过以下实现：

第一处理器1500向第一控制器1100发送相应的指令；

第一控制器1100根据来自第一处理器1500的指令，对相应的数字信号进行分划分，得到相应的第五数字子信号、第六数字子信号；

第五数字子信号通过第一调制解调滤波模块1210进行调制，得到第五频率F5的载波子信号；第六数字子信号通过第二调制解调滤波模块1220进行调制，得到第六频率F6的载波子信号；其中，第五频率F5和第六频率F6不相同；

第五频率F5的载波子信号通过第一谐振补偿模块1410进行电容补偿，并传输至第一初级信号传输线圈1810；第六频率F6的载波子信号通过第二谐振补偿模块1420进行电容补偿，并传输至第二初级信号传输线圈1820；

通过电磁感应，次级信号传输回路2000中的次级信号传输线圈接收到第五频率F5的载波子信号、第六频率F6的载波子信号；

次级信号传输回路2000中的第五调制解调滤波模块2400启动并行双通道，对第五频率F5的载波子信号和第六频率F6的载波子信号进行解调，最终得到相应的数字信号。

通过上述方案可以看出，在初级信号传输线圈故障的情况下，不影响信号传输的正常使用。并且，在初级信号传输线圈组件1800为正常状态的情况下，也就是第一初级信号传输线圈1810和第二初级信号传输线圈1820正常工作的情况下，可以将要相应的数字信号进行划分，并通过相应的初级信号传输线圈组件1800进行传输，也大大提高了信号传输的速度。

需要说明的是，本申请实施例中所提到的调制解调滤波模块可以由调制单元、滤波单元、解调单元组成，例如第一调制解调滤波模块1210、第二调制解调滤波模块1220等。其中，调制单元可以将数字信号调制为相应频率的载波信号，调制单元调制的载波信号的频率可以根据实际需求进行调整设置。解调单元用于对相应频率的载波信号进行解调，得到相应的数字信号，解调的频率可以根据实际需求进行调整设置。滤波单元用于对载波信号进行滤波优化。并且，调制单元、滤波单元以及解调单元都可以具有单通道通信、双通道通信、多通道通信等等。

在本申请的一些实施例中，为了进一步提高上述信号传输系统的可靠性，可以按照与初级信号传输回路1000相同的原理，构建次级信号传输回路3000，如图10所示，该系统包括初级信号传输回路1000、次级信号传输回路3000。其中，初级信号传输回路1000与图8所示初级信号传输回路相同，在本申请实施例中不再加以赘述。

如图10所示，次级信号传输回路3000包括：第二控制器3100、第三调制解调滤波模块3210、第四调制解调滤波模块3220、第四开关模块3300、第三谐振补偿模块3410、第四谐振补偿模块3420、第二处理器3500、第二采集器3600、第四故障判定模块3700、次级信号传输线圈组件3800(包括第一次级信号传输线圈3810、第二次级信号传输线圈3820)。次级信号传输回路3000中的连接方式与图8中所示的初级信号传输回路1000的连接方式相同或相似，在本申请实施例中不在加以赘述。

如图10所示的系统，除了初级信号传输回路1000中包括初级信号传输线圈组件1800外，次级信号传输回路3000中也包含了次级信号传输线圈组件3800，从而可以进一步提高信号传输的安全性、准确性，进一步提高用户体验。

基于图10所示本申请实施例提供的信号传输系统，本申请实施例提供的一种旋转导向钻井工具的信号传输方法，还包括以下步骤(如图11所示)：

S401，第二采集器3600采集次级信号传输回路3000的次级信号。

上述第二采集器3600采集次级传输回路3000的次级信号的方法，与上述第一采集器1600采集初级信号传输回路1000的初级信号的原理相似。具体地，第二采集器3600分别采集第一次级信号传输线圈3810所在第三支路上的信号、第二次级信号传输线圈3820所在第四支路上的信号。也就是说，在第三支路和第四支路正常的情况下，上述的初级信号包括第三支路上的信号、以及第四支路上的信号。需要说明的是，上述第三支路可以是由第三调制解调滤波模块3210、第四开关模块3300、第三谐振补偿模块3410、第一次级信号传输线圈3810组成。第四支路可以是由第四调制解调滤波模块3220、第四开关模块3300、第四谐振补偿模块3420、第二次级信号传输线圈3820组成。

优选地，第二采集器3600采集第一次级信号传输线圈3810输入端、第二次级信号传输线圈3820输入端的信号。

S402，第二处理器3500获取上述次级信号，并根据该次级信号，确定次级信号传输回路3000是否异常。步骤S402与上述步骤S202的工作原理相似，在本申请实施例中不再加以赘述。

S403，在次级信号传输回路3000异常的情况下，向设置于次级信号传输回路3000中的第四故障判定模块3700发送相应的启动信号，以使第四故障判定模块3700启动并判定次级信号传输线圈组件3800的工作状态。需要说明的是，本步骤S403与步骤S203-S206的工作原理相似或相同，因此，在本申请实施例中不在加以赘述。

也就是说，次级信号传输线圈组件3800的工作状态与初级信号传输线圈组件1800的工作状态相似，也可以包括正常状态、异常状态、故障状态。同理，次级信号传输线圈组件3800的正常状态为第一次级信号传输线圈3810与第二次级信号传输线圈3820均正常工作。次级信号传输线圈组件3800的异常状态为第一次级信号传输线圈3810正常工作、第二次级信号传输线圈3820故障，或者第一次级信号传输线圈3810故障、第二次级信号传输线圈3820正常工作。简单来说，次级信号传输线圈组件3800的异常状态是指第一次级信号传输线圈3810和第二次级信号传输线圈3820其中一个故障。次级信号传输线圈组件3800的故障状态为第一次级信号传输线圈3810与第二次级信号传输线圈3820均故障。

在本申请的一些实施例中，上述先执行步骤S201-S206，再执行步骤S401-S403；也可以先执行步骤S401-S403，再执行步骤S201-S206；亦或者，步骤S201-S206与步骤S401-S403同时执行，具体执行顺序在本申请实施例中不加以限制。

再者，由本领域技术人员可知，第一处理器1500与第二处理器3500可以是同一个处理器，也可以是不同的处理器。在第一处理器1500与第二处理器3500不是同一个处理器的情况下，在本申请实施例中，可以是设计一个总处理器，用于管理第一处理器1500和第二处理器3500，并确定信号传输的工作模式。

在次级信号传输回路3000中包括第一次级信号传输线圈3810、第二次级信号传输线圈3820的情况下，上述步骤S207，根据来自第三故障判定模块1700的初级信号传输线圈组件1800的工作状态，确定信号传输的工作模式，具体可以包括：根据来自第三故障判定模块1700的初级信号传输线圈组件1800的工作状态，以及根据来自第四故障判定模块3700的次级信号传输线圈组件3800的工作状态，确定信号传输的工作模式。具体地，信号传输的工作模式可以包括第一信号传输工作模式、第二信号传输工作模式、第四信号传输工作模式。在初级信号传输线圈组件1800为正常状态、次级信号传输线圈组件3800为异常状态下，信号传输的工作模式为第一信号传输模式；在初级信号传输线圈组件1800为异常状态、次级信号传输线圈组件3800为正常状态下，信号传输模式为第二信号传输工作模式；在初级信号传输线圈组件1800与次级信号传输线圈组件3800均为异常状态下，信号传输模式为第四信号传输工作模式。

其中，第一信号传输工作模式为：

初级信号传输回路1000中的第一控制器1100对相应的数字信号进行划分，得到第一数字子信号、第二数字子信号；

通过第一调制解调滤波模块1210将第一数字子信号调制为第一F1频率的载波子信号，并传输至与第一调制解调滤波模块1210相连的第一初级信号传输线圈1810；以及通过第二调制解调滤波模块1220将第二数字子信号调制为第二频率F2的载波子信号，并传输至与第二调制解调滤波模块1220相连的第二初级信号传输线圈1820；其中，第一频率F1与第二频率F2的频率值不同；

通过电磁感应，次级信号传输线圈组件3800中的正常状态的次级信号传输线圈，接收到第一频率F1的载波子信号以及第二频率F2的载波子信号；

通过与次级信号传输线圈组件3800中正常状态的次级信号传输线圈相连的调制解调滤波模块，解调得到相应的第一数字子信号以及第二数字子信号；

次级信号传输回路3000中的第二控制器3100根据第一数字子信号、第二数字子信号，得到相应的数字信号。

需要说明的是，上述F1与F5可以是相同的，也可以是不同的；上述F2与F6可以是相同的，也可以是不同的。在本申请实施例中，调制的载波信号的频率是根据相应的调制解调滤波模块的相应参数确定的，在调制解调滤波模块的调制参数发生变化的情况下，其调制的载波信号的频率也有所不同。简单来说，在初级信号传输线圈组件1800为正常状态、且次级信号传输线圈组件3800为异常状态的情况下，其工作模式与图8所示的信号传输系统中初级信号传输线圈组件1800为正常状态的工作模式一致，在本申请实施例中不再加以赘述。

此外，第二信号传输工作模式为如下所述：

初级信号传输回路1000中的第一控制器1100通过与正常工作的初级信号传输线圈相连的调制解调滤波模块，将相应的数字信号进行调制，得到相应频率的载波信号；

次级信号传输线圈组件3800中的次级信号传输线圈接收到载波信号，次级信号传输回路3000中的第二控制器3100通过相应的调制解调滤波模块，对载波信号进行解调，得到相应的数字信号。

以初级信号传输线圈组件1800中的第一初级信号传输线圈1810正常工作、第二初级信号传输线圈1820故障为例，第二信号传输工作模式为：初级信号传输回路1000中的第一控制器1100将需要相应的数字信号传输至第一调制解调滤波模块1210，得到第七频率F7的载波信号，并通过第一谐振补偿模块1410传输至第一初级信号传输线圈1810。次级信号传输线圈组件3800中的第一次级信号传输线圈3810、第二次级信号传输线圈3820均能感应到第七频率F7的载波信号。

第一次级信号传输线圈3810连接的第三调制解调滤波模块3210可以对接收到的载波信号进行解调，以得到相应的数字信号。同时，第二次级信号传输线圈3820连接的第四调制解调滤波模块3220也可以对接收到的载波信号进行解调，以得到相应的数字信号。

在实际使用过程中，可能由于一些其他的原因，在不同时刻，第一次级信号传输线圈3810和第二次级信号传输线圈3820所在的回路信号的稳定度和抗干扰性会不一致。因此，第一次级信号传输线圈3810和第二次级信号传输线圈3820所在的回路在不同时刻接收到信号的质量也不一样，可以将不同时刻第三调制解调滤波模块3210解调出的数字信号与第四调制解调滤波模块3220解调出的数字信号进行比较与互相补充，优先选择解调质量高的数据作为最终的接收数据，从而提高了整个接收数据的准确度。

需要说明的是，在第三调制解调滤波模块3220或第四调制解调滤波模块3220无法解调的第七频率F7的载波信号的情况下，可以预先调整第三调制解调滤波模块3220或第四调制解调滤波模块3220的相关参数，以实现可以解调的第七频率F7的载波信号。

以第一初级信号传输线圈1810正常工作、第二初级信号传输线圈1820故障、第一次级信号传输线圈3810正常工作、第二次级信号传输线圈3820故障为例，阐述上述第四信号传输工作模式：先判定第一调制解调滤波模块1210是否与第三调制解调滤波模块3210相对应，也就是说第三调制解调滤波模块3210是否能解调，第一调制解调滤波模块1210调制的载波信号。在上述二者不相对应的情况下，可以先调整第三调制解调滤波模块3210或第一调制解调滤波模块1210调制中的载波频率，使二者相对应。在第一调制解调滤波模块1210是否与第三调制解调滤波模块3210相对应的情况下，可以按照现有技术中的信号传输方式进行信号传输。通过该方案，可以进一步提高信号传输的可靠性。

在本申请的一些实施例中，在初级信号传输回路1000以及次级信号传输回路2000均正常的情况下，其信号传输的工作模式可以为第三信号传输工作模式。具体地，第三信号传输工作模式为：

初级信号传输回路1000中的第一控制器1100对相应的数字信号进行划分，得到第三数字子信号、第四数字子信号；

通过第一调制解调滤波模块1210，将第三数字子信号调制为第三频率F3的载波子信号，并通过第一谐振补偿模块1410传输至第一初级信号传输线圈1810；以及通过第二调制解调滤波模块1220，将第四数字子信号调制为第四频率F4的载波子信号，并通过第二谐振补偿模块1420传输至第二初级信号传输线圈1820；其中，第三频率F3与第四频率F4的频率值不同；

通过电磁感应，第一次级信号传输线圈3810与第二次级信号传输线圈3820，均能接收到第三频率F3的载波子信号以及第四频率F4的载波子信号；

通过与第一次级信号传输线圈3810相连的第三调制解调滤波模块3210，对第三频率F3的载波子信号进行解调，得到相应的第三数字子信号；以及通过与第二次级信号传输线圈3820相连的第四调制解调滤波模块3220，对第四频率F4的载波子信号进行解调，得到相应的第四数字子信号；

次级信号传输回路3000中的第二控制器3100根据第三数字子信号、第四数字子信号，生成相应的数字信号，从而完成信号的传输。

需要说明的是，F3与F1可以是相同的，也可以是不同的；F4与F2可以是相同的，也可以是不同的，在本申请实施例中不加以限定。

通过上述方案，第一控制器1100将需要相应的数字信号进行划分，并且以不同的载波频率进行调制，得到不同载波频率的载波子信号。载波子信号传输到不同的初级信号传输线圈1810、1820，由于电磁感应，次级信号传输线圈组件3800中的次级信号传输线圈3810、3820均感应到载波子信号。通过次级信号传输回路3000中的第三调制解调滤波模块3210、第四调制解调滤波模块3220对信号进行滤波、解调，从而得到相应的数字信号。相较于现有技术中的信号传输方法，在提高信号传输系统可靠性的基础上，还大大提高了信号传输的速度。

在初级信号传输回路1000以及次级信号传输回路2000均正常的情况下，其信号传输的工作模式可以为第五信号传输工作模式。具体地，第五信号传输工作模式为：

初级信号传输回路1000中的第一控制器1100，对相应的数字信号进行划分，得到第七数字子信号、第八数字子信号；

通过第一调制解调滤波模块1210，将第七数字子信号调制为第八频率F8的载波子信号，并通过第一谐振补偿模块1410传输至第一初级信号传输线圈1810；以及通过第二调制解调滤波模块1220，将第四数字子信号调制为第九频率F9的载波子信号，并通过第二谐振补偿模块1420传输至第二初级线圈182；其中，第八频率F8与第九频率F9的频率值不同；

同理，F8与F1可以是相同的、也可以是不同的；F9与F2可以是相同的，也可以是不同的。

通过电磁感应，第一次级信号传输线圈3810与第二次级信号传输线圈3820，均能接收到第八频率F8的载波子信号以及第九频率F9的载波子信号；

将所述第三调制解调滤波模块3210、第四调制解调滤波模块3220均设置为双通道通信，使得第三调制解调滤波模块3210可以对第八频率F8的载波子信号以及第九频率F9的载波子信号进行解调，得到相应的第七数字子信号、第八数字子信号；第四调制解调滤波模块3220也可以对第八频率F8的载波子信号以及第九频率F9的载波子信号进行解调，得到相应的第七数字子信号、第八数字子信号；

在不同时刻将通过第三解调滤波模块3210得到的第七数字子信号，与第四调制解调滤波模块3220得到的第七数字子信号进行比较；以及将通过第三解调滤波模块3210得到的第八数字子信号，与第四调制解调滤波模块3220得到的第八数字子信号进行比较；选择不同时刻下解调质量高的第七数子信号和第八数字子信号作为次级信号传输线圈组件接收到的信号。

通过第五信号传输工作模式，既可以提高信号的传输效率，还可以保证信传输的正确性。

需要说明的是，在上述的本申请实施例中均是以初级信号传输回路1000作为信号的发送方、次级信号传输回路3000作为信号的接收方。通过上述实施例，由本领域技术人员可知，也可将次级信号传输回路作为信号发送方，其信号传输的工作模式与上述本申请实施例中工作模式相同或相似，在本申请实施例中不在加以赘述。

本申请实施例提供的一种旋转导向钻井工具的信号传输方法，通过设置初级信号传输线圈组件1800，有效地提高了旋转导向钻井工具的信号传输的可靠性，降低维护成本，提高使用寿命。并且，可以根据初级信号传输线圈组件1800的工作状态，确定信号传输的工作模式，以提供不同的工作模式，在保证信号传输正常运行的情况下，尽可能的提高信号传输速率、节约能源消耗。

上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

本发明未详述之处，均为本技术领域人员的公知技术。

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。

Claims (11)

1.一种旋转导向钻井工具的电能传输装置，其特征在于，包括

旋转芯轴，所述旋转芯轴上设有发电装置以及与所述发电装置电连接的发射线圈组件，所述发射线圈组件包括第一初级线圈和第二初级线圈，所述第一初级线圈和所述第二初级线圈通过第一切换电路并联连接，以使得所述发电装置与所述第一初级线圈或所述第二初级线圈择一进行连接，所述第一初级线圈与所述第二初级线圈并行绕制于所述旋转芯轴上；

非旋转套，所述非旋转套套设在所述旋转芯轴的外侧，所述非旋转套上设有接收线圈组件，所述接收线圈组件与所述发射线圈组件通过电感耦合；

所述接收线圈组件包括第一次级线圈和第二次级线圈，所述第一次级线圈与所述第二次级线圈通过第二切换电路并联设置，以使得所述发射线圈组件与所述第一次级线圈或第二次级线圈择一进行电感耦合，所述第一次级线圈与所述第二次级线圈并行绕制于所述非旋转套上。

2.根据权利要求1所述的旋转导向钻井工具的电能传输装置，其特征在于，

所述第一切换电路包括第一开关模块、第一处理模块和第一采样模块；

所述第一开关模块的第一引脚通过所述第一处理模块与所述第一采样模块连接，所述第一开关模块的第二引脚与所述第二初级线圈的输出端相连；

所述第一采样模块用于采集所述第一初级线圈的输出端的电信号，并用于根据所述电信号获得相应的电压值；

所述第一处理模块在接收到来自所述第一采样模块的电压值小于预设阈值时，控制所述第一开关模块闭合。

3.根据权利要求2所述的旋转导向钻井工具的电能传输装置，其特征在于，

所述第一切换电路还包括第一故障判定模块；

所述第一故障判定模块与所述第一初级线圈并联，且所述第一故障判定模块的一端与所述第一处理模块连接。

4.根据权利要求3所述的旋转导向钻井工具的电能传输装置，其特征在于，

所述第一采样模块包括电流感应器和电阻；

所述电流感应器的输出端与所述电阻的一端连接，所述电流感应器用于感应所述第一初级线圈的输出端的电流；

所述第一处理模块包括放大器、第一滤波器、现场可编辑逻辑门阵列FPGA和第一MCU；

所述放大器的一端与所述电阻的另一端连接；

所述FPGA的第一引脚通过所述第一滤波器与所述放大器的另一端连接，所述FPGA的第二引脚与所述第一开关模块的第一引脚连接，所述FPGA的第三引脚与所述第一MCU的第一引脚连接。

5.根据权利要求4所述的旋转导向钻井工具的电能传输装置，其特征在于，所述第一故障判定模块包括激励器和判别器；

所述激励器的一端与所述第一初级线圈的输入端连接，所述激励器的另一端与所述第一MCU的第二引脚连接；

所述判别器的一端与所述第一初级线圈的输出端连接，所述判别器的另一端与所述第一MCU的第三引脚连接。

6.根据权利要求5所述的旋转导向钻井工具的电能传输装置，其特征在于，所述第一初级线圈的输入端、所述第二初级线圈的输入端及所述第一MCU的第四引脚均与谐振补偿模块连接。

7.根据权利要求3所述的旋转导向钻井工具的电能传输装置，其特征在于，

所述第一采样模块包括耦合线圈；

所述第一处理模块包括整流器、第二滤波器、电平转换器和第二MCU；

所述整流器与所述耦合线圈并联；

所述电平转换器的第一引脚通过所述第二滤波器与所述整流器连接，所述电平转换器的第二引脚与所述第一开关模块的第一引脚连接，所述电平转换器的第三引脚与所述第二MCU的第一引脚连接。

8.根据权利要求7所述的旋转导向钻井工具的电能传输装置，其特征在于，所述第一故障判定模块包括激励器和判别器；

所述激励器的一端与所述第一初级线圈的输入端连接，所述激励器的另一端与第二MCU的第二引脚连接；

所述判别器的一端与所述第一初级线圈的输出端连接，所述判别器的另一端与第二MCU的第三引脚连接。

9.根据权利要求8所述的旋转导向钻井工具的电能传输装置，其特征在于，所述第一初级线圈的输入端、所述第二初级线圈的输入端及所述第二MCU的第四引脚均与谐振补偿模块连接。

10.根据权利要求1所述的旋转导向钻井工具的电能传输装置，其特征在于，

所述第二切换电路包括第二采样模块、第二处理模块、第二开关模块及第二故障判定模块；

所述第二采样模块的一端通过所述第二处理模块与所述第二开关模块的第一引脚连接，所述第二采样模块用于采集所述第一次级线圈的输出端的电信号，并用于根据所述电信号获得相应的电压值；

所述第二处理模块在接收到来自所述第二采样模块的电压值小于预设阈值时，控制所述第二开关模块闭合；

所述第二故障判定模块的一端与所述第二处理模块连接，且所述第二故障判定模块与所述第一次级线圈并联。

11.根据权利要求10所述的旋转导向钻井工具的电能传输装置，其特征在于，所述装置还包括整流滤波器和电池模块；

所述整流滤波器并联在所述第一次级线圈的两端，所述整流滤波器的输出端与所述电池模块的一端连接，所述电池模块的另一端与所述第二切换电路连接。

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