CN112832747B - 内外环嵌套式压扭传感器弹性体结构及感应元件密封方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内外环嵌套式压扭传感器弹性体结构及感应元件密封方法，涉及感应设备和钻进设备技术领域，解决了传感器粘贴不便以及密封失效的问题。该结构包括嵌套外壳、胶筒、应变片、防水垫圈和异形紧固螺母，嵌套外壳沿轴线设置有导流口，嵌套外壳还具有安装槽，胶筒固定设置在安装槽内，应变片贴设在胶筒上，胶筒和安装槽的筒壁之间设置有连接层，防水垫圈压设在胶筒的端部并与安装槽的开口贴合，异形螺母装配在安装槽的开口位置。嵌套外壳可以和钻杆等设备连接，应变片配置在构建的应变场区域内，从而方便监测压力和扭矩，另外该弹性体结构还具有密封性好，提高监测部件的使用寿命，加工简单，安装方便等优点。

Description

内外环嵌套式压扭传感器弹性体结构及感应元件密封方法

技术领域

本发明涉及感应设备和钻进设备技术领域，尤其是一种内外环嵌套式扭传感器弹性体结构及感应元件密封方法。

背景技术

传感器是一种将被测量的信息按一定规律转换为电信号或其他所需形式的信息输出的检测装置，能够满足信息的传输﹑处理、存储、显示、记录和控制等要求。在电阻应变式传感器设计制造领域，如何保证材料及构件的形变、应变得到实时的准确的测量，同时保证应变元件的密封是长期存在的难点和热点问题。

目前，在现场工程施工过程中，传感器参数的精确测量对高效、安全生产十分重要。压扭传感器是工业领域中测量受力部件压力和扭矩的常用工具。现有的压扭传感器在测量过程中，往往由于传感器内外部结构以及应变片布局方式，导致传感器的测量精度不佳，且传统的压扭传感器不具备防水、防高压功能，难以使得传感器适应更为复杂的工作环境。例如，在煤矿生产过程中，一般由钻孔外测量仪表测得数据推算近钻头处钻压、扭矩，但钻孔外钻杆和近钻头处钻杆受力差异性较大，导致推算结果的可信度低，且近钻头处传感器长时间处于钻孔内，受到钻孔内水和粉尘的影响，传感器测量元件和电路易发生损坏，极易引起事故发生；在石油钻井过程中，随着钻井深度的增加，实时测量钻进过程中钻井工程参数变化的传感器在内部泥浆外部石油的高压作用下极易发生损坏，导致测量元件浸透失效，给钻井生产的安全与效率带来很大影响；在深海取样作业中，海浪和洋流以及深海强水压对水下监测传感器的外形结构、密封技术及防水抗压性能要求很高。因此，要使得传感器测量钻压、扭矩的结果更为准确，更好地指导工程施工过程，传感器材料结构以及对测量感应元件的密封是传感器长时间稳定工作的前提。

由此可见，在复杂环境下压扭传感器的设计需要解决以下两个问题：第一，水、泥浆、或粉尘侵入传感器内部导致测量电路无法正常工作；第二，测量元件与测量电路需要放置在不同槽体内，槽体间需要开导线孔，而在部件内部加工导线孔困难，往往需要分别加工，然后再焊接到一起，工序繁琐不易于加工。为此，需要对现有的传感器的安装部件及密封方法做进一步的改进。

发明内容

为了解决复杂环境下传感器粘贴不便，以及密封失效导致的传感器无法工作的问题，本发明提供了一种内外环嵌套式压扭传感器弹性体结构及感应元件密封方法，具体的技术方案如下。

一种内外环嵌套式压扭传感器弹性体结构，其特征在于，包括嵌套外壳、胶筒、应变片、防水垫圈和异形紧固螺母，所述嵌套外壳沿轴线设置有导流口，嵌套外壳上还开设有安装槽，胶筒固定设置在安装槽内，应变片贴设在胶筒上；所述胶筒和安装槽的筒壁之间设置有连接层，防水垫圈压设在胶筒的端部并与安装槽的开口贴合，异形紧固螺母装配在安装槽的开口位置；所述嵌套外壳的两端设置有安装部。

优选的是，连接层为液态胶制作而成，所述安装槽的空间内形成应变场监测区域。

优选的是，安装槽的开口处设置有螺纹，异形紧固螺母和安装槽的螺纹相互配合，异形紧固螺母封堵安装槽的开口。

优选的是，应变片沿着胶筒360°展开并粘贴，应变片固定在应变场监测区域中。

优选的是，嵌套外壳为一体式结构，使用合金模具钢制作而成；嵌套外壳的制作具体是：合金模具钢进行球化退火，粗加工后进行应力退火；嵌套外壳最终的热处理在真空炉中进行，热真空度为10-8，淬火温度冷却时充入高纯度氮气，回火时进行两次充气冷却后，在进行一次随炉冷却。

优选的是，嵌套外壳两端的安装部为螺纹结构、插销结构或螺栓连接结构。

一种内外环嵌套式压扭传感器感应元件的密封方法，利用上述的一种内外环嵌套式扭转传感器弹性体结构，步骤包括

S1.制作嵌套外壳；

S2.在嵌套外壳的安装槽内注入液态胶；

S3.将粘贴有应变片的胶筒推入安装槽中，所述应变片在胶筒长度方向上的任意位置固定，液态胶将胶筒和应变片固定在安装槽内壁上；

S4.插入防水垫圈，防水垫圈压紧胶筒；

S5.拧紧异形紧固螺母，完成安装槽的密封。

进一步优选的是，内外环嵌套式扭转传感器弹性体结构配置在钻机上，嵌套外壳连接在与钻头相连的钻杆上，测量钻头位置的钻压和扭矩。

进一步优选的是，内外环嵌套式扭转传感器弹性体结构配置在石油钻井设备上或深海钻井设备上。

本发明提供的一种内外环嵌套式压扭传感器弹性体结构及感应元件密封方法，其有益效果包括：

(1)弹性体结构的嵌套外壳将承受外力传递的压力扭矩传递给相应的应变片等结构，由于嵌套外壳为一体式结构，所以不需要制作开槽和开孔，所以制作方式更加简便，另外嵌套外壳通过自身结构提供了一个优良的应变区。

(2)该弹性体结构中嵌套外壳和连接层、紧固螺母等结合从而在安装槽形成了密闭腔体，具备良好的密封性，从而保证了测量元件和电路的密封性，应变片粘贴在胶筒上，胶筒和嵌套外壳紧密结合，从而可以测定嵌套外壳的压扭变形，计算测量结构的轴力和扭矩，另外应变片和胶筒粘贴的更加方便，监测的位置更加精确。

(3)使用内外环嵌套式压扭传感器感应元件的密封方法密封的压扭传感器，可以方便的配置在任意的待测位置，并且传感器受到外壳和密封部件的保护，该密封方式可以利用至煤矿钻孔、石油钻井和深海钻井设备等多种设备上，其装配方式简单、灵活性好。

附图说明

图1是嵌套外壳的结构示意图；

图2是异形紧固螺母的结构示意图；

图3是内外环嵌套式压扭传感器弹性体结构的剖面结构示意图；

图4是内外环嵌套式压扭传感器感应元件的密封方法的流程示意图；

图中：1-嵌套外壳，2-胶筒，3-应变片，4-防水垫圈，5-异形紧固螺母，6-导流口，7-安装槽，8-连接层。

具体实施方式

结合图1至图4所示，对本发明提供的一种内外环嵌套式压扭传感器弹性体结构及感应元件密封方法具体实施方式进行说明。

一种内外环嵌套式压扭传感器弹性体结构，其结构具体包括嵌套外壳1、胶筒2、应变片3、防水垫圈4和异形紧固螺母5，该弹性体结构的嵌套外壳将承受外力传递的压力扭矩传递给相应的应变片等结构，由于嵌套外壳为一体式结构，所以不需要制作开槽和开孔，所以制作方式更加简便，另外嵌套外壳通过自身结构提供了一个优良的应变区；胶筒、应变片和连接层组合共同完成监测，并且具有更加简便的安装方式。嵌套外壳沿轴线设置有导流口，导流口可以通过水或空气，其直径根据实际钻进需要进行确定。嵌套外壳1上还开设有安装槽7，安装槽7的一段封堵另一端具有环形的开口，安装槽7的尺寸以及位置关系根据实际需要设定。胶筒2固定设置在安装槽内，应变片3贴设在胶筒上。胶筒2和安装槽7的筒壁之间设置有连接层，连接层将胶筒2、应变片3和安装槽7连接为一个整体，防水垫圈4压设在胶筒的端部并与安装槽的开口贴合，异形紧固螺母5装配在安装槽的开口位置，异形紧固螺母5压紧防水垫圈4从而将安装槽7密封。嵌套外壳1的两端设置有安装部，通过安装部将嵌套外壳配置在需要监测轴力和扭矩的结构上。内外环嵌套式压扭传感器弹性体的嵌套外壳整体性好，便于对内部应变感应元件进行胶结密封，灵活性较好，加工方式简单便利。

连接层8可以为液态胶制作而成，从而方便制作安装，安装槽7的空间内形成应变场监测区域。安装槽7的开口处设置有螺纹，异形紧固螺母5和安装槽的螺纹相互配合，异形紧固螺母5封堵安装槽的开口，异形紧固螺母5恰好嵌入安装槽的端口。

应变片3沿着胶筒360°展开并粘贴，应变片3固定在应变场监测区域中，或者按照其他方式粘贴，从而方便准确的测量轴力和扭矩等。

嵌套外壳为一体式结构，使用合金模具钢制作而成。嵌套外壳1是内外环嵌套式压扭传感器弹性体结构主要的部件，嵌套外壳1主要作用是：承受外力所产生的压力和扭矩，并将该压力、扭矩传递给相连部件；产生一个反应灵敏的应变区(应变场)，防止出现应力集中的现象，让粘贴在此区的测量元件准确反映实际应变数值；嵌套外壳为整体加工而成，具有良好密封性，对内部测量元件实现密封和保护。其中，嵌套外壳的制作具体是：合金模具钢进行球化退火，粗加工后进行应力退火；考虑到外壳在热处理时要求变形小，嵌套外壳最终的热处理在真空炉中进行，热真空度为10-8，这样可以保证弹体性的表面不氧化脱碳，淬火温度冷却时充入高纯度氮气，回火时进行两次充气冷却后，再进行一次随炉冷却。嵌套外壳采用合金模具钢中的H13钢材料，H13钢易于购买、价格合理、便于处理且保证性能，该钢种经处理后具有相当高的强度和韧性，且其淬透性也相当好，外壳经最终热处理后，不需再经磨削加工而直接使用。嵌套外壳的中空设计导流口，主要用于进行水冷或者风冷，即压风或通水的降温制冷通道，故中空处也称为导流口。在导流口内部通水时，水压对传感器强度影响较小，可以忽略不计。另外测量传感器的导流口壳体部分还可与胶筒、防水垫圈配合，导流口末端的螺纹与异形紧固螺母相匹配，从而更好地对测量传感器整体进行密封及固定。嵌套外壳1两端的安装部为螺纹结构、插销结构或螺栓连接结构，根据具体的安装方式可以调整嵌套外壳两端的结构。

另外，该弹性体结构中嵌套外壳1和连接层8、异性紧固螺母5等结合从而在安装槽形成了密闭腔体，具备良好的密封性，从而保证了测量元件和电路的密封性，应变片3粘贴在胶筒上，胶筒2和嵌套外壳1紧密结合，从而可以测定嵌套外壳1的压扭变形，计算测量结构的轴力和扭矩，另外应变片3和胶筒2粘贴的更加方便，监测的位置更加精确。

一种内外环嵌套式压扭传感器感应元件的密封方法，利用上述的一种内外环嵌套式扭转传感器弹性体结构，步骤包括

S1.制作嵌套外壳。

S2.在嵌套外壳的安装槽内注入液态胶。

S3.注胶后立即将粘贴有应变片的胶筒推入安装槽中，应变片在胶筒长度方向上的任意位置固定，液态胶将胶筒和应变片固定在安装槽内壁上，应变片监测嵌套外壳的压扭变形。

S4.插入防水垫圈，防水垫圈压紧胶筒，防水垫圈可以防止外部的水或粉尘的进入。

S5.拧紧异形紧固螺母，完成安装槽的密封。

内外环嵌套式扭转传感器弹性体结构配置在钻机上，嵌套外壳连接在与钻头相连的钻杆上，测量钻头位置的钻压和扭矩。内外环嵌套式扭转传感器弹性体结构通过不同的应变片布置方式以及接桥形式，可以实现单独测量压力、单独测量扭矩或同时测量压力与扭矩。其中应变片沿胶筒表面0～360°展开，钻压测量桥路测量时的应变片沿着0°、90°的粘贴方式测量钻压，扭矩测量桥路的应变片沿着±45°的粘贴方式来测量扭矩。

内外环嵌套式扭转传感器弹性体结构配置在石油钻井设备上或深海钻井设备上。内外环嵌套式扭转传感器弹性体结构通过不同的应变片布置方式以及接桥形式，可以实现单独测量压力、单独测量扭矩或同时测量压力与扭矩。

使用内外环嵌套式压扭传感器感应元件的密封方法密封的压扭传感器，可以方便的配置在任意的待测位置，并且传感器受到外壳和密封部件的保护，该密封方式可以利用至煤矿钻孔、石油钻井和深海钻井设备等多种设备上，其装配方式简单、灵活性好。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种内外环嵌套式压扭传感器弹性体结构，其特征在于，包括嵌套外壳、胶筒、应变片、防水垫圈和异形紧固螺母，所述嵌套外壳沿轴线设置有导流口，嵌套外壳上还开设有安装槽，胶筒固定设置在安装槽内，应变片贴设在胶筒上；所述胶筒和安装槽的筒壁之间设置有连接层，防水垫圈压设在胶筒的端部并与安装槽的开口贴合，异形紧固螺母装配在安装槽的开口位置；所述嵌套外壳的两端设置有安装部；

所述连接层为液态胶制作而成，所述安装槽的空间内形成应变场监测区域；

所述安装槽的开口处设置有螺纹，异形紧固螺母和安装槽的螺纹相互配合，异形紧固螺母封堵安装槽的开口；

所述应变片沿着胶筒360°展开并粘贴，应变片固定在应变场监测区域中。

2.根据权利要求1所述的一种内外环嵌套式压扭传感器弹性体结构，其特征在于，所述嵌套外壳两端的安装部为螺纹结构、插销结构或螺栓连接结构。

3.一种内外环嵌套式压扭传感器感应元件的密封方法，其特征在于，利用权利要求1或2所述的一种内外环嵌套式扭转传感器弹性体结构，步骤包括

S1.制作嵌套外壳；

S2.在嵌套外壳的安装槽内注入液态胶；

S3.将粘贴有应变片的胶筒推入安装槽中，所述应变片在胶筒长度方向上的任意位置固定，液态胶将胶筒和应变片固定在安装槽内壁上；

S4.插入防水垫圈，防水垫圈压紧胶筒；

S5.拧紧异形紧固螺母，完成安装槽的密封。

4.根据权利要求3所述的一种内外环嵌套式压扭传感器感应元件的密封方法，其特征在于，所述内外环嵌套式扭转传感器弹性体结构配置在钻机上，嵌套外壳连接在与钻头相连的钻杆上，测量钻头位置的钻压和扭矩。

5.根据权利要求3所述的一种内外环嵌套式压扭传感器感应元件的密封方法，其特征在于，所述内外环嵌套式扭转传感器弹性体结构配置在石油钻井设备上。

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