一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器

摘要

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器，包括：用于与钻具连接的壳体；滑动设置于壳体内的滑块，滑块表面设有纳米材料膜；设置于滑块滑动路径上的摩擦电极；沿着滑块滑动方向间隔设置于壳体内的多个感应电极；以及分别与各感应电极连接的单片机，滑块受钻具振动作用滑动，纳米材料膜与摩擦电极摩擦带电，各感应电极与带电后的摩擦电极产生静电感应，单片机检测各感应电极上产生的电信号，并根据各感应电极位置关系计算出振动幅值。本发明的有益效果：可计算出钻具振动幅值及振动频率，实现对钻具工作安全情况的监测；收集钻具轴向振动能量为单片机供电，实现传感器自供电。

权利要求

1.一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器，其特征在于，包括：用于与钻具连接的壳体；

滑动设置于所述壳体内的滑块，所述滑块表面设有纳米材料膜；

设置于所述滑块滑动路径上的摩擦电极；

沿着所述滑块滑动方向间隔设置于所述壳体内的多个感应电极，所述滑块为圆盘状，所述感应电极为圆筒状铜片，所述感应电极包围所述滑块，所述壳体为中空的圆柱筒体，所述壳体轴线处设有导向柱，所述滑块可滑动的套设于所述导向柱上，各所述感应电极设置于所述壳体的内壁上；

分别与各所述感应电极连接的单片机，所述滑块受钻具振动作用滑动，所述纳米材料膜与所述摩擦电极摩擦带电，各所述感应电极与带电后的摩擦电极产生静电感应，所述单片机检测各所述感应电极上产生的电信号，并根据各所述感应电极位置关系计算出振动幅值；

以及与所述摩擦电极连接的静电计，所述静电计用于采集所述纳米材料膜与所述摩擦电极产生电信号的频率作为钻具振动频率。

2.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器，其特征在于：所有感应电极均匀分布，且相邻两所述感应电极之间的间距、所述滑块和纳米材料膜的厚度和、每一所述感应电极的高度相等。

3.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器，其特征在于：所述摩擦电极为圆形铜片，所述摩擦电极固定于所述导向柱的下端，所述摩擦电极与所述滑块平行设置。

4.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器，其特征在于：所述纳米材料膜与所述滑块之间还设有缓冲材料层。

5.如权利要求1所述的一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器，其特征在于：所述纳米材料膜为PTFE薄膜。

说明书

一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及井底钻具振动参数测量设备技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器。

背景技术

[0002] 在钻井过程中，井下钻具组合受交变应力的影响会发生疲劳破损，特别是钻头和底部钻具组合部分受振动和冲击的影响极易损坏，甚至引起工程事故。钻具设备的损坏与
不同类型的井下振动有关。因此，利用随钻振动和冲击参数监测来实现对井底钻具状态的
监测，成为一项势在必行的技术。

[0003] 钻具振动主要有三种类型，根据对钻具影响程度从小到大分别为扭转振动、轴向振动、横向振动。其中扭转振动和轴向振动在钻具工作过程中一直存在，而横向振动通常由
扭转振动和轴向振动引起。现阶段，监测钻具轴向振动参数的原理主要是利用综合录井仪、
MWD(随钻测量)、LWD(随钻测井)、FEWD(随钻地层评价)等进行井下钻具振动测量，测量数据
主要用来对识别井下复杂情况，优化钻具结构，对于钻具工作可靠性监测较少，同时需要较
大电源供电，因此急需研制一种新的采集钻具振动数据的监测传感器。

发明内容

[0004] 有鉴于此，为了解决井下钻具轴向振动参数监测的问题，本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器。

[0005] 本发明的实施例提供一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器，包括：

[0006] 用于与钻具连接的壳体；

[0007] 滑动设置于所述壳体内的滑块，所述滑块表面设有纳米材料膜；

[0008] 设置于所述滑块滑动路径上的摩擦电极；

[0009] 沿着所述滑块滑动方向间隔设置于所述壳体内的多个感应电极；

[0010] 以及分别与各所述感应电极连接的单片机，所述滑块受钻具振动作用滑动，所述纳米材料膜与所述摩擦电极摩擦带电，各所述感应电极与带电后的摩擦电极产生静电感
应，所述单片机检测各所述感应电极上产生的电信号，并根据各所述感应电极位置关系计
算出振动幅值。

[0011] 进一步地，包括与所述静电计摩擦电极连接的静电计，所述静电计用于采集所述纳米材料膜与所述摩擦电极产生电信号的频率作为钻具振动频率。

[0012] 进一步地，所述滑块为圆盘状，所述感应电极为圆筒状铜片，所述感应电极包围所述滑块。

[0013] 进一步地，所有感应电极均匀分布，且相邻两所述感应电极之间的间距、所述滑块和纳米材料膜的厚度和、每一所述感应电极的高度相等。

[0014] 进一步地，所述壳体为中空的圆柱筒体，所述壳体轴线处设有导向柱，所述滑块可滑动的套设于所述导向柱上，各所述感应电极设置于所述壳体的内壁上。

[0015] 进一步地，所述摩擦电极为圆形铜片，所述摩擦电极固定于所述导向柱的下端，所述摩擦电极与所述滑块平行设置。

[0016] 进一步地，所述纳米材料膜与所述滑块之间还设有缓冲材料层。

[0017] 进一步地，所述纳米材料膜为PTFE薄膜。

[0018] 本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器，钻具振动过程中带动滑块滑动，纳米材料膜与摩擦
电极摩擦带电，检测纳米材料膜与各感应电极发生静电感应产生电信号，并结合各感应电
极的位置关系可计算出钻具振动幅值，还可通过检测纳米材料膜与摩擦电极摩擦生电的频
率确定钻具的振动频率，实现对钻具工作安全情况的监测；通过收集钻具轴向振动能量为
单片机供电，实现传感器自供电；感应电极和纳米材料膜静电感应，无接触摩擦，减少磨损，
有效提高工作寿命与可靠性；另外本传感器径向尺寸小，具有较好的密封性，可以满足安装
在钻具上进行振动测量的要求，同时还具有结构简单，对材料要求较低，制造成本较低的优
点。

附图说明

[0019] 图1是本发明一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器的立体图；

[0020] 图2是本发明一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器的爆炸图；

[0021] 图3是本发明一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器的主视图；

[0022] 图4是图3中的A‑A剖面示意图；

[0023] 图5是图3中的B‑B剖面示意图。

[0024] 图中：1‑外壳、2‑顶盖、3‑滑块、4‑纳米材料膜、5‑摩擦电极、6‑感应电极、7‑导向柱、8‑缓冲材料层。

具体实施方式

[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

[0026] 请参考图1、2和3，本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米发电机的自供电井下钻具振动传感器，包括壳体、及容置于所述壳体内的滑块3、摩擦电极5、多个感应电极6和单
片机。

[0027] 所述壳体为封闭绝缘壳体，所述壳体连接井下钻具，与钻具同步振动。这里所述壳体为中空的圆柱筒体，具体包括上端开口的中空圆柱外壳1和顶盖2，所述顶盖2与所述外壳
1上端口盖合，密封所述外壳1上端口。

[0028] 请参考图4，所述滑块3滑动设置于所述外壳1内，钻具振动时所述滑块3在重力与惯性作用下上下振动。在本实施例中，所述外壳1轴线处设有导向柱7，所述导向柱7下端固
定于所述外壳1底部、上端固定于所述顶盖2上。所述滑块3可滑动的套设于所述导向柱7上，
所述滑块3沿着所述导向柱7上下滑动。

[0029] 请参考图4和5，所述滑块3为圆盘状，所述导向柱7穿过所述滑块3的轴线，所述滑块3表面设有纳米材料膜4，所述纳米材料膜4粘附于所述滑块3的底部和侧壁，跟随所述滑
块3沿着所述导向柱7同步滑动。另外还可以在所述纳米材料膜4与所述滑块3底部之间设置
缓冲材料层8，所述缓冲材料层8起到缓冲作用，延长所述纳米材料膜4的使用寿命。优选的，
所述纳米材料膜4为PTFE薄膜，所述缓冲材料层8为kapton薄膜。

[0030] 所述摩擦电极5设置于所述滑块3滑动路径上，在所述滑块3滑动至所述摩擦电极5时，所述滑块3表面的纳米材料膜4与所述摩擦电极5摩擦起电。在本实施例中，所述摩擦电
极5为圆形铜片，所述摩擦电极5与所述滑块3的直径近似相同。所述摩擦电极5固定于所述
导向柱7的下端，与所述外壳1的底部粘接固定。所述摩擦电极5与所述滑块3平行设置，以使
所述滑块3表面的纳米材料膜4与所述摩擦电极5有较大的接触面积。

[0031] 所有感应电极6沿着所述滑块3滑动方向间隔设置于所述外壳1内，对应到本实施例中，各所述感应电极6设置于所述外壳1的内壁上，所述感应电极6为圆筒状铜片，所述感
应电极6与所述外壳1内径近似相同，且大于所述滑块3的直径，所述感应电极6粘接固定所
述外壳1内壁。所述感应电极6环绕所述导向柱7设置，所述感应电极6包围所述滑块3。

[0032] 关于各所述感应电极6之间的间距可以进行差别设置或等同设置。优选的，为计算简便，使所有感应电极6均匀分布，相邻两所述感应电极6之间的间距相同。且相邻两所述感
应电极6之间的间距、所述滑块3和纳米材料膜4的厚度和、每一所述感应电极6的高度相同。

[0033] 所述单片机与各所述感应电极6连接，这里所述单片机6的多个I/O接口通过导线分别连接各所述感应电极6，所述单片机可检测到各所述感应电极6上产生的电信号。

[0034] 请参考图4和5，上述振动传感器在实际工作时，通过壳体与钻具连接，跟随钻具同步轴向振动，使所述滑块3沿着所述导向柱7往复滑动，所述滑块3表面的纳米材料膜4与摩
擦电极5垂直接触分离，在所述纳米材料膜4与所述摩擦电极5接触时摩擦起电，使所述摩擦
电极5带上电荷，电荷均匀分布于所述纳米材料膜4的底面和侧面。随后在所述滑块3向上滑
动过程中，依次经过各所述感应电极6，在经过每一所述感应电极6时，所述纳米材料膜4侧
面与所述感应电极6的相对面积由0变化到最大再变化到0，由于静电感应的作用，所述纳米
材料膜4在经过每一所述感应电极6时所述感应电极6均可产生电信号，所述单片机对采集
到的所有电信号进行识别，判断出所述滑块3滑动至最高的感应电极6产生的电信号，然后
通过对应的感应电极6的位置关系得到振动幅值。

[0035] 需要说明的是，所述单片机还设有外围电路，通过所述外围电路可存储各所述感应电极6产生的电能为其自身供电，实现传感器自供电。

[0036] 另外为了测量钻具轴向振动频率，上述振动传感器还设有静电计，用于对振动频率的采集，采集所述纳米材料膜4与所述摩擦电极5产生电信号的频率作为钻具振动频率。
所述静电计采用单电极工作模式，所述静电计一端与所述摩擦电极5连接，另一端接地，所
述静电计采集所述纳米材料膜4每次与所述摩擦电极5接触分离时产生的电压输出波，得到
一个时间段内波形个数，从而计算出产生电信号的频率，即为振动频率。

[0037] 在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词
的使用不应限制本申请请求保护的范围。

[0038] 在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

[0039] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。