CN2718225Y

CN2718225Y - 非开挖导向仪系统中的探测导向发射探头

Info

Publication number: CN2718225Y
Application number: CN 200420007975
Authority: CN
Inventors: 赵晶
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-27
Filing date: 2004-03-27
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2014-03-27

Abstract

一种非开挖导航仪系统中的探测导向发射探头，采用可以测量地下钻头倾角(水平面为基准±50度)、面向角(钻头轴芯为基准0－360度)、温度、电池能量，通过利用软件进行A/D转换－编码的CPU组将编码串行信号送入调制放大电路将载频为1kHz－50kHz的调制信号发射回地面，由本实用新型以外的地面跟踪接收导向器接收，组成可以在地表不开挖沟槽的条件下，铺设、更换各种电信、电力、石油、煤气、自来水、排污等地下管线的非开挖导向仪系统。本实用新型性能优良、工作时间长、精度可靠性高、成本低廉、能够确稳定地工作。

Description

非开挖导向仪系统中的探测导向发射探头

技术领域

本实用新型涉及一种非开挖导向仪系统中的探测导向发射探头。尤其是涉及一种具有不破坏环境、不影响交通、铺管精度高、施工安全性好、周期短、成本低，并可广泛用于市政、电信、电力、石油、天然气、煤气、自来水、热力、排污等一些无法实施开挖作业的地区，在地表不挖槽的情况下，铺设地下管线工程的非开挖水平钻进孔内随钻高精度非开挖导向仪中的探测导向发射探头。

背景技术

目前在我国大部分地区的市政、电信、电力、石油、天然气、煤气、自来水、热力、排污等的地下铺设管线工程仍采用人工或机械设备进行开放挖槽埋管埋线方法作业，普遍存在着环境污染严重、施工安全性差、铺管精度低、交通堵塞频繁、费工费时作业成本大大提高，很不经济。因此，国际上少数发达国家已开发使用非开挖铺管技术，即在地表不开放挖槽的情况下，利用水平钻进孔内随钻检测及地面跟踪指挥地下钻头钻进方向的导向系统铺设地下管线。这项技术除了美、英、日等少数发达国家开始使用外，其他国家包括我国还处于开发的空白。从国外的一些公司的产品来看，其导向的精度，深度和功能虽然能满足某些工程的作业要求。但是，从技术角度分析，这些导向系统在功能上还不够全面，还不适合我国的国情。在性能和可靠性上还不够完善，同时其价格也极其昂贵。不利于在我国大量推广使用。

非开挖铺管技术是指利用各种岩土钻掘的设备和技术手段，在地表不开挖沟槽的条件下，铺设、更换各种地下管线的施工技术。它与传统的挖槽铺管的施工方法相比，具有不影响交通、环保、施工时间短、成本低、应用广泛等许多特点。非开挖施工法中应用较广的为水平导向钻进法，它可根据预先设计好的铺管线路驱动装有契形钻头的钻杆从地面钻入，并用非开挖导向仪系统导向，引导地下钻头进行定向钻进来实施非开挖铺设地下管线的目的。在非开挖导向钻进中，关键技术是应用高精度非开挖导向仪系统对钻孔轨迹进行控制。而高精度非开挖导向仪系统又是整个钻进机械设备的核心。所以解决非开挖导向仪系统的技术问题对我国大量推广使用现代非开挖铺管技术将带来深远的意义。

非开挖导向仪系统主要由地下探测导向发射探头、地面跟踪接收导向器和钻机同步显示器三部分组成，工作时置于钻头内的探测导向发射探头将钻头所处的位置和工况姿态参数，通过低频无线电信号发射给地面跟踪接收导向器，操作人员根据所按收的信号参数指挥钻机驾驶员及时修正和更改当前的操作，以保证钻头按照设计的路线轨迹完成施工。同时地面跟踪接收导向器又将各种接收到的信号参数通过无线电发送给同步显示器显示出来，供驾驶员操作指示，同时将各种数据保存起来。

高精度导向系统的核心部件之一是探测导向发射探头，而探测导向发射探头是导向非开挖钻进的关键，置于导向钻头的内部，用来监测钻头所处的姿态，把导向钻头的面向角，俯仰角，温度，电池剩余能量等重要信号参数检测出来，并把信息准确无误地传送给地面跟踪接收器，让地面操作人员实时掌握钻孔轨迹，并对轨迹实时控制，达到精确定向的目的。

由于探测导向发射探头必须获得准确的第一手信息资料，再加上探测导向发射探头安装于地下导向钻头内部，发射的电磁波又必须对各类岩土地层具有很强的穿透能力，还必须面对各种复杂的电磁干扰。所以目前的探头在性能方面还存在探测导向精度低、温度漂移大、抗干扰、抗震动差，发射功率偏小、耗能高、及满足一定波特率的前提下，信号发射衰减大、地层穿透力弱的一系列技术问题。因此如何选择具有地层穿透力强、衰减小的发射频率也是首要考虑的问题。

发明内容

综上所述，为了解决目前发射探头探测精度低、温度漂移大、抗干扰、震动差，发射功率小、耗能高、及信号发射衰减大、地层穿透力弱的技术问题。本实用新型的目的是提供一种非开挖导向仪系统中的探测导向发射探头。该探测导向发射探头具有探测精度高、温度漂移小、抗干扰、震动能力强、发射功率大耗能低、信号发射衰减小、地层穿透力强的优点。并可靠性高，稳定性好，成本低廉，并完全适合我国的国情，再加上市场价格极其低廉，利于在我国大量推广使用。可广泛用于市政、电信、电力、石油、天然气、煤气、自来水、热力、排污等一些无法实施开挖作业的地区铺设管线工程的高精度导向系统中。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：它包括可以测量钻头倾角(以水平面为基准-50度-+50度)的倾角传感器、可以测量地下钻头面向角(以地下钻头轴芯为基准0度-360度)的面向角传感器、可以测量工作温度的温度传感器、可以测量电池工作能量大小的电池电量取样端，他们分别与可以进行A/D转换-编码-环境温度补偿工作的CPU组各个输入端互连，CPU组将各传感器采集的信息利用软件转换成数字编码串行信号并进行环境温度补偿后送入与之互连的反相器，反相器将数字编码串行信号送入信号调制电路转换成载频为1kHz-50kHz的调制信号，信号调制电路将调制信号送入与之互连的功率放大器、功率放大器将调制信号放大通过与之互连的电磁波发射线圈将调制信号发射回地面，由本实用新型探测导向发射探头以外的地面跟踪接收导向器接收，组成可以在地表不开挖沟槽的条件下，铺设、更换各种地下管线的非开挖导向仪系统。在所述的CPU组中烧录固化了相应的软件功能程序，该程序包含了初始化程序、数据采集虑波、数据编码、数据串行发送、休眠设定程序、温度补偿程序、节电模式程序、软件看门狗程序(程序不走飞)、从而保证了探测导向发射探头不仅具有国外同类产品的全部性能，而且性能优良、工作时间长、可靠性高、稳定性好、成本低廉、能够精确稳定地工作。

在所述的面向角传感器、倾角传感器、温度传感器、电池电量取样端、CPU组、反相器、信号调制电路、功率放大器、电磁波发射线圈中包括：

所述的CPU组(5)是由下述电路组合而成，即：U3(CPU)的1、7、8、17、18、19脚，分别与程序的在线烧录口U4(ISP)的1、2、3、4、5、6脚相连，4脚和电阻R4的一端与按键S1的一端的交点相连，电阻R4的另一端接电源+5V，按键S1的另一端接地，9脚和晶振Y1的一端与C6的一端交点相连，10脚和晶振Y1的另一端与电容C5的一端的交点相连，电容C5的另一端和电容C6的另一端与地相连、8、21脚分别与电容C9两端相连，8、22脚相连；

CPU组(5)内U3(CPU)的28、26、23、24脚分别与由双轴加速度计U1、电容C1、C2、电阻R1组成的倾角传感器(2)内双轴加速度计U1的12脚和电容C1、11脚和电容C2及由加速度计U2、电容C3、C4、电阻R3组成的面向角传感器(1)内双轴加速度计U2的12脚和电容C3、11脚和电容C4的交点相连，电容C1、C2、C3、C4的另一端接地，双轴加速度计U1、U3的4，7脚和地相连，13、14脚和电源+5V相连，5脚分别和电阻R1、R3的一端相连，电阻R1、R3的另一端和地相连；

CPU组(5)内U3(CPU)25脚与温度传感器(3)内U4的2脚相连，温度传感器(3)内U4的1脚与电源+5V相连，3脚与地相连，CPU组(5)内U3(CPU)3、15脚分别和由集成电路U6、电阻R3组成的反相器(6)内集成电路U6的1脚与电阻R3的交点相连，电阻R3的另一端接电源+5V；

CPU组(5)内U3(CPU)27脚与电池电量取样端(4)相连，反相器(6)内集成电路U6的2脚和由集成电路U7、电阻R5组成的信号调制电路(7)内集成电路U7的5脚与7脚的交点相连；4脚和信号调制电路(7)内集成电路U7的1脚与4脚的交点相连；反相器(6)内集成电路U6的5、7、9、11及13脚都接地；14脚和电源+5V相连。信号调制电路(7)内集成电路U7的2脚与3脚的交点和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端和由晶体管U8、电容C7、C8组成的功率放大器(8)内晶体管U8的基极相连；信号调制电路(7)内U7的7脚接地，14脚和电源+5V相连；功率放大器(8)内晶体管U8的发射极接地，集电极和电容C7、C8及电磁波发射线圈(4)的交点相连，电容C7、C8和电磁波发射线圈(4)的另一端的交点与电源+5V相连。

工作时，倾角传感器(2)内双轴加速度计U1(双轴为X轴和Y轴，他们相互垂直)的11脚即X轴、12脚即Y轴、电容C1、C2以及CPU组(5)内的U3(CPU)的28脚、26脚用于对地下钻头倾角的测量，倾角传感器(2)内双轴加速度计U1的11脚输出的电压值和12脚输出的电压值随着X、Y轴相对水平位置的改变而改变，其输出经电容C1、C2滤波后进入CPU组(5)内U3(CPU)的28、26脚进行模数转换，得到X、Y轴的输出数字量，再参考此时的倾角传感器(2)内双轴加速度计U1的X、Y轴的数字输出量，便可得对应于倾角的数字编码串行信号，测量范围为以水平面作基准-50度-+50度角；

面向角传感器(1)双轴加速度计U2(双轴为X轴和Y轴(他们相互垂直)的11、12脚、电容C3、C4和CPU组(5)内U3(CPU)的24、23脚构成对地下钻头面向角的测量，面向角以地下钻头轴芯为基准全方位的360度采用“12点”表示，每点的范围为30度；面向角传感器(1)内双轴加速度计U2和倾角传感器(2)内双轴加速度计U1要相对垂直，它们的X轴相互垂直，Y轴相互重合；面向角传感器(1)双轴加速度计U2(垂直水平放置)的11脚即X轴相对重力加速度方向的改变而改变，其输出电压经电容C3滤波后进入CPU组(5)内U3(CPU)的24脚，面向角传感器(1)内双轴加速度计U2的12脚即Y轴相对重力加速度方向的改变而改变，其输出电压经电容C4滤波后进入CPU组(5)内U3(CPU)的23脚，他们的电压值分别由对应的CPU组(5)内的U3(CPU)的23，24脚进行模数转换，得到X、Y轴的输出数字量，再参考此时的面向角传感器(1)内双轴加速度计U2的X、Y轴的数字输出量，便可得对应于面向角的数字编码串行信号；

温度传感器(3)即U4的2脚和CPU组(5)内U3(CPU)的25脚用于对地下钻头的温度的测量，其灵敏度为10毫伏每度，即当温度传感器周围的环境温度每改变1度时，其2脚电压输出就改变10毫伏，2脚输出经CPU组(5)内的U3(CPU)的25脚模数转换，就得到对应于温度值的数字编码串行信号；

电池电量取样端(4)内的电源正端接CPU组(5)内的U3(CPU)的27脚进行模数转换，以CPU组(5)内的U3(CPU)的内部参考电压源为基准，当电池的电压高于基准电压若干伏时其模数转换之后的数量值为若干值，当低于基准电压时，相对基准电压输出的电压每减少10毫伏，数值量就减1；由CPU组(5)内的U3(CPU)的27脚模数转换后的数量值就可得到对应于即时电压值的数字编码串行信号；

CPU组(5)内的U3(CPU)的3脚为串行输出口，上述倾角、面向角、温度值及电池量利用软件经U3(CPU)AD转换-编码后由此串行口串行输出，经反相器(6)内集成电路U6的1脚进2脚反相输出、输入到信号调制电路(7)内电子开关集成电路U7的的通/断控制端5、13脚(高电平通，低电平断)作为调制信号；CPU组(5)内U3(CPU)的15脚输出1kHz-50kHz的频率作为载波经反相器(6)内集成电路U6的3脚进4脚反相输出加到信号调制电路(7)内集成电路U7的1、4脚输入，然后由倾角、面向角、温度值及电池量组成的数字编码串行信号作为调制信号调制载波；信号调制电路(7)内集成电路U7的2、3脚输出的调制波经过电阻R5加到功率放大器(8)内晶体管U8的基极，由集电极放大经电磁波发射线圈(4)和电容C7、C8构成中心频率为1kHz-50kHz的的选频回路将数字编码串行调制信号发射出去；

CPU组(5)内U3(CPU)的9、10脚和电容C5、C6及晶振Y1组成CPU的振荡源，21脚即内部参考电压源脚通过电容C9和22脚的交点相连以降低模数转换时的噪声；

电阻R4，按键开关S1以及CPU组(5)内U3(CPU)的4脚(外中断脚)构成对探测导向发射探头的触发换频，电阻R4为上拉电阻将CPU组(5)内U3(CPU)的4脚拉成高电平，正常使用时用一默认频率，当需要换频时，按下S1(S1的一端接地)使得U2的4脚变为低电平而产生中断，从而达到换频的目。

由于本实用新型采用上述的技术方案，所以探测导向发射探头性能优良、工作时间长、可靠性高、稳定性好、成本低廉、能够精确稳定地工作，并完全适合我国的国情，再加上市场价格极其低廉，利于在我国大量推广使用，达到了广泛用于市政、电信、电力、石油、天然气、煤气、自来水、热力、排污等一些无法实施开挖作业的地区铺设管线工程的高精度导向仪系统中的目的。

本实用新型的有益效果是：

1.由于采用了加速度计作为面向角、倾角姿态的传感器，体积小、功能强的单片CPU作为信号AD转换及编码调制，使整个探头体积小、精度高、稳定性好、抗干扰、抗震动能力强，调试方便、寿命长、噪声低、显著提高了综合性能。

2.选择合适的低频方式(1kHz-50kHz)发射无线电磁波和采用无磁材料作为结构件，使信号发射衰减小、地层穿透力强、发射效率高、稳定性好、抗干扰能力强。

3.由于设置了休眠模式，所以当地下钻头停止工作到设定时间时，探测导向发射探头立即转入到节电模式，地下钻头一旦恢复工作，探测导向发射探头马上复活，恢复工作，节省了电池能量，保证了探测导向发射探头的长时间正常稳定地工作。

4.由于利用软件进行温度补偿，所以极大地提高了探头的抗温漂能力。

5.由于采用了软件冗余设计，设置了软件陷阱(看门狗)，定时喂狗，保证了探测导向发射探头电路正常工作(程序不走飞)。

附图说明

图一是本实用新型的电原理框图。

图二是本实用新型的实施例具体电路图

图中：1面向角传感器、2倾角传感器、3温度传感器、4电池电量取样端、5CPU组、6反相器、7信号调制电路、8功率放大器、9电磁波发射线圈。

具体实施方式

在图一中，可以测量钻头倾角(以水平面为基准-50度-+50度)的倾角传感器(2)、可以测量钻头面向角(以钻头轴芯为基准0度-360度)的面向角传感器(1)、可以测量工作温度的温度传感器(3)、可以测量电池工作能量大小的电池电量取样端(4)，分别与可以进行A/D转换-编码-环境温度补偿工作的CPU组(5)各个输入端互连，CPU组(5)将各传感器采集的信息利用软件转换成数字编码串行信号并进行环境温度补偿后送入与之互连的反相器(6)、反相器(6)将数字编码串行信号送入信号调制电路(7)转换成载频为1kHz-50kHz的调制信号、信号调制电路(7)将调制信号送入与之互连的功率放大器(8)、功率放大器(8)将调制信号放大通过与之互连的电磁波发射线圈(9)将调制信号发射回地面，由本实用新型探测导向发射探头以外的地面跟踪接收导向器接收，组成可以在地表不开挖沟槽的条件下，铺设、更换各种地下管线的非开挖导向仪系统。

参考图一，所述的CPU组(5)中烧录固化了相应的软件功能程序，该程序包含了初始化程序、数据采集虑波、数据编码、数据串行发送、休眠设定程序、温度补偿程序、节电模式程序、软件看门狗程序(程序不走飞)、从而保证了探测导向发射探头精确稳定地工作。

在图二所示的实施例中，所述的CPU组(5)是由下述电路组合而成，即：U3(CPU)的1、7、8、17、18、19脚，分别与程序的在线烧录口U4(ISP)的1、2、3、4、5、6脚相连，4脚和电阻R4的一端与按键S1的一端的交点相连，电阻R4的另一端接电源+5V，按键S1的另一端接地，9脚和晶振Y1的一端与C6的一端交点相连，10脚和晶振Y1的另一端与电容C5的一端的交点相连，电容C5的另一端和电容C6的另一端与地相连、8、21脚分别与电容C9两端相连，8、22脚相连；

Claims

1.一种非开挖导向仪系统中的探测导向发射探头，包含有面向角传感器、倾角传感器、温度传感器、电池电量取样端、CPU组、反相器、信号调制电路、功率放大器、电磁波发射线圈，其特征是：U3的1、7、8、17、18、19脚，分别与程序的在线烧录口U4的1、2、3、4、5、6脚相连，4脚和电阻R4的一端与按键S1的一端的交点相连，电阻R4的另一端接电源+5V，按键S1的另一端接地，9脚和晶振Y1的一端与C6的一端交点相连，10脚和晶振Y1的另一端与电容C5的一端的交点相连，电容C5的另一端和电容C6的另一端与地相连、8、21脚分别与电容C9两端相连，8、22脚相连组合成CPU组；

CPU组内U3的28、26、23、24脚分别与由双轴加速度计U1、电容C1、C2、电阻R1组成的倾角传感器内双轴加速度计U1的12脚和电容C1、11脚和电容C2及由加速度计U2、电容C3、C4、电阻R3组成的面向角传感器内双轴加速度计U2的12脚和电容C3、11脚和电容C4的交点相连，电容C1、C2、C3、C4的另一端接地，双轴加速度计U1、U3的4，7脚和接地，13、14脚和电源+5V相连，5脚分别和电阻R1、R3相连，电阻R1、R3的另一端接地；

CPU组内U3的25脚与温度传感器内U4的2脚相连，温度传感器内U4的1脚与电源+5V相连，3脚与地相连，CPU组内U33、15脚分别和由集成电路U6、电阻R3组成的反相器内集成电路U6的1脚与电阻R3的交点相连，电阻R3的另一端接电源+5V；

CPU组内U3的27脚与电池电量取样端相连，反相器内集成电路U6的2脚和由集成电路U7、电阻R5组成的信号调制电路内集成电路U7的5脚与7脚的交点相连；4脚和信号调制电路内集成电路U7的1脚与4脚的交点相连；反相器内集成电路U6的5、7、9、11及13脚都接地；14脚和电源+5V相连。信号调制电路内集成电路U7的2脚与3脚的交点和电阻R5的一端相连，电阻R5的另一端和由晶体管U8、电容C7、C8组成的功率放大器内晶体管U8的基极相连；信号调制电路内U7的7脚接地，14脚和电源+5V相连；功率放大器内晶体管U8的发射极接地，集电极和电容C7、C8及电磁波发射线圈的交点相连，电容C7、C8和电磁波发射线圈的另一端的交点与电源+5V相连。

2.根据权利要求1所述的非开挖导向仪系统中的探测导向发射探头，其特征是：所述的面向角以地下钻头轴芯为基准全方位的360度采用“12点”表示，每点的范围为30度，面向角传感器内双轴加速度计U2的X轴和Y轴与倾角传感器内双轴加速度计U1的X轴和Y轴，他们的X轴相互垂直，Y轴相互重合。