專利名稱：隨鉆測(cè)斜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于定向鉆孔測(cè)斜領(lǐng)域的鉆孔測(cè)斜儀，具體而言，涉及一種適用于隨鉆定向鉆孔測(cè)斜施工的隨鉆測(cè)斜儀。
背景技術(shù)：
鉆孔測(cè)斜儀廣泛應(yīng)用于煤炭、地質(zhì)勘探、石油、市政、交通、水利等行業(yè)的定向鉆孔測(cè)斜領(lǐng)域，按使用方式分為非隨鉆測(cè)斜儀和隨鉆測(cè)斜儀。非隨鉆測(cè)斜儀以全方位鉆孔測(cè)斜儀為代表，雖然在一定傾角范圍內(nèi)可以獲得較高的精度，例如，在傾角(-90° -+90° )范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)誤差±0.2°，但是，此類測(cè)斜儀只能在鉆孔施工之后測(cè)量，而無(wú)法在隨鉆過(guò)程中實(shí)時(shí)掌握鉆進(jìn)的軌跡和趨勢(shì)。隨鉆測(cè)斜儀尤其適用于煤礦井下瓦斯抽放鉆孔、放水孔、超前勘探孔等隨鉆定向鉆孔測(cè)斜施工。然而，由于使用工況惡劣，工作周期長(zhǎng)等因素，基于儀器壽命和節(jié)電的需要，現(xiàn)有的隨鉆測(cè)斜儀中，普遍采用半導(dǎo)體加速度計(jì)、磁通計(jì)作為傳感器。這樣，雖然儀器的抗振性能得到了加強(qiáng)，功耗降低，使用時(shí)間也較長(zhǎng)，但是，半導(dǎo)體傳感器的精度受諸多因素影響，不能達(dá)到較高的水平，由此大為限制了儀器在井下近水平煤層長(zhǎng)鉆孔施工中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種精度高、使用周期長(zhǎng)、抗振耐用的測(cè)斜儀，以滿足隨鉆定向測(cè)斜的需要。根據(jù)本發(fā)明，提供一種隨鉆測(cè)斜儀，包括上位機(jī)、探管以及探管電源，所述上位機(jī)包括工控機(jī)以及接口電路，所述探管包括測(cè)量模塊，所述測(cè)量模塊包括傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及接口電路，其特征在于，所述工控機(jī)通過(guò)其接口電路以一定工作比例喚醒所述探管，所述探管被喚醒后，采集所述傳感器的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將所述檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)所述接口電路將所述數(shù)字信號(hào)傳輸給工控機(jī)。優(yōu)選的是，所述傳感器包括三個(gè)相互正交的石英加速度傳感器，分別用以檢測(cè)重力加速度在三個(gè)方向上的分量。優(yōu)選的是，所述傳感器包括三個(gè)相互正交的磁通量傳感器，分別用以檢測(cè)地磁場(chǎng)在三個(gè)方向上的分量。優(yōu)選的是，所述傳感器包括三軸磁通門，用以檢測(cè)地磁場(chǎng)在三個(gè)方向上的分量。優(yōu)選的是，所述工作比例為10: I。優(yōu)選的是，所述測(cè)量模塊的接口電路采用電流環(huán)信號(hào)與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。優(yōu)選的是，所述探管電源采用可充電的鎳氫電池。優(yōu)選的是，所述探管電源中設(shè)有保護(hù)電路，用以防止電池短路和不明原因的電源電壓升聞。按照本發(fā)明，隨鉆測(cè)斜儀采用休眠、喚醒工作模式，能夠有效節(jié)約電能。并且，本發(fā)明的隨鉆測(cè)斜儀中，使用高精度高抗振石英加速度傳感器與磁通量傳感器來(lái)替代現(xiàn)有技術(shù)中的半導(dǎo)體傳感器，不僅提高了儀器精度，而且儀器可靠性和工作時(shí)間也得到了有效保證。進(jìn)一步地，隨鉆測(cè)斜儀采用可充電的鎳氫電池作為探管電源，使得儀器安全可靠，工作時(shí)間明顯延長(zhǎng)。


為更好地理解本發(fā)明，下文以實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。附圖中:圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的上位機(jī)電路示意圖；圖2為該實(shí)施例的探管結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為該實(shí)施例的測(cè)量模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為該實(shí)施例的測(cè)量模塊電路示意圖；圖5為該實(shí)施例的探管電源結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中，隨鉆測(cè)斜儀由上位機(jī)、探管以及探管電源等部件構(gòu)成。其中，上位機(jī)例如可采用隔爆兼本安型，探管及探管電源例如可采用本安型。參照?qǐng)D1，圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的上位機(jī)電路示意圖。其中，上位機(jī)包括工控機(jī)以及接口電路。例如，工控機(jī)可選用防爆型工控機(jī)，在Window系統(tǒng)下運(yùn)行控制軟件，并為接口電路提供+5V電源(POW)，采用RS232標(biāo)準(zhǔn)與接口電路進(jìn)行雙向通迅。工控機(jī)通過(guò)接口電路與下位機(jī)探管進(jìn)行數(shù)據(jù)通迅，下傳控制命令，接收上傳數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，接口電路可采用電流環(huán)信號(hào)與探管進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。為節(jié)省探管的電池能量，探管平時(shí)設(shè)為休眠狀態(tài)，工控機(jī)可通過(guò)接口電路以一定工作比例(即，休眠與工作的比例)喚醒探管，并啟動(dòng)通訊。優(yōu)選地，該工作比例可設(shè)為約10: I。按照本發(fā)明，該接口電路的抗干擾能力較強(qiáng)，端電壓和電流均符合本安規(guī)范?？商鎿Q地，也可使用外部鉆桿做地線，使用鉆桿中間與鉆桿絕緣并貫穿的銅線做信號(hào)線進(jìn)行通迅，通迅速率可達(dá)600bps，通迅距離大于1000米。通過(guò)該信號(hào)線亦可喚醒下位機(jī)探管,并啟動(dòng)通訊。參照?qǐng)D2，圖2為該實(shí)施例的探管結(jié)構(gòu)示意圖。探管是隨鉆測(cè)斜儀的核心部件，它包括觸點(diǎn)組件21、測(cè)量模塊22、徑向減振器23、軸向緩沖器24、抗壓筒25及密封圈26等組件。其中，抗壓筒25可由無(wú)磁高強(qiáng)度銅合金材料制造，能夠保護(hù)儀器不受水壓、沖蝕、彎曲、擠壓等外力的影響。在使用導(dǎo)線鉆桿的場(chǎng)合中，觸點(diǎn)組件21可用做儀器探管與導(dǎo)線鉆桿連接的接口，它由一組觸點(diǎn)彈簧和一組滑環(huán)座以及相關(guān)的絕緣密封系統(tǒng)構(gòu)成。徑向減振器23與軸向緩沖器24的作用在于，為儀器的精密電子元器件、傳感器提供可靠的全方位抗沖擊、抗振保護(hù)。測(cè)量模塊22的結(jié)構(gòu)如圖3所示，該模塊中設(shè)有傳感器、電路板等部件。優(yōu)選地，傳感器包括石英加速度傳感器35 (Gx)、36 (Gy)、37 (Gz)，它們相互正交，分別用以檢測(cè)重力加速度在三個(gè)方向上的分量。傳感器還包括三個(gè)相互正交的磁通量傳感器，分別用以檢測(cè)地磁場(chǎng)在三個(gè)方向上的分量。這里，可替換地，三個(gè)相互正交的磁通量傳感器也可集成為一個(gè)三軸磁通門，圖3中示出了三軸磁通門31。此外，傳感器還可包括一個(gè)溫度傳感器以及一個(gè)電池電壓傳感器。圖3中，還示出了測(cè)量模塊22中的處理器板32、磁通門電路板33、直流電源板34。參照?qǐng)D4，圖4為該實(shí)施例的測(cè)量模塊電路示意圖。如圖4所示，傳感器部分中，3*G表示上述三個(gè)石英加速度傳感器，3*M表示上述三個(gè)磁通量傳感器，TEMP表示上述溫度傳感器，VBAT表不上述電池電壓傳感器；8*CH表不八個(gè)模擬開(kāi)關(guān),分別用來(lái)切換相應(yīng)的傳感器;ADC表示模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；P0W_1、P0ff_2表示開(kāi)關(guān)電源。此外，測(cè)量模塊還包括接口電路。其中，開(kāi)關(guān)電源P0W_1、P0W_2將來(lái)自探管電源的電池電壓轉(zhuǎn)換為±5V和±15V，給相應(yīng)的電路供電。全部電路均符合本安規(guī)范。上述傳感器感受其輸入量，并與其伺服電路一起將輸入量變換成與之對(duì)應(yīng)的輸出電壓，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC將這些電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并輸入到存儲(chǔ)器有關(guān)單元，供井斜、方位、工具面等參數(shù)的計(jì)算。測(cè)量模塊的接口電路優(yōu)選采用電流環(huán)信號(hào)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通迅。如前文所述，探管受上位機(jī)的控制，優(yōu)選按約10: I的工作比例被喚醒。當(dāng)探管被上位機(jī)喚醒之后，采集傳感器的信號(hào)，計(jì)算出井斜、方位、工具面，以及溫度和電池電壓等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，再由接口電路傳輸給上位機(jī)。參照?qǐng)D5，圖5為該實(shí)施例的探管電源結(jié)構(gòu)示意圖。探管電源包括抗壓筒51，電池組52、54，組合減振座53。電池組52、54由充電電池、保護(hù)電路、減振墊、外殼支撐管、填充膠組成。以上組件有效地保證了探管電源使用的安全可靠性。優(yōu)選地，探管電源采用可充電的鎳氫電池，例如，電池型號(hào)為C900，9000mAH，電池組可由十八節(jié)電池串聯(lián)連接而成，電池串聯(lián)后用保護(hù)電路保護(hù)。探管電源的端電壓即為，
1.2V*18 = 21.6V，整個(gè)探管電源相當(dāng)于由18個(gè)端電壓1.2V的電池串聯(lián)而成，每個(gè)電池容量為9000mAH，所以整個(gè)探管電源的容量為21.6V/9000mAH,即9AH。探管電源可間歇放電，S卩，在隨鉆測(cè)斜儀工作時(shí)，探管電源放電，在隨鉆測(cè)斜儀不工作時(shí)探管電源也停止工作。優(yōu)選地，探管電源內(nèi)設(shè)有保護(hù)電路，用以防止電池短路和不明原因引起的電源電壓升高。當(dāng)電池短路時(shí)，保護(hù)電路可在IOuS內(nèi)切斷負(fù)載回路，防止電池由于外部短路引起危險(xiǎn)火花。當(dāng)不明原因的電壓升高時(shí)，保護(hù)電路可及時(shí)切斷電源回路，使負(fù)載處于無(wú)電的狀態(tài)。作為探管電源用保護(hù)電路，可采取兩組保護(hù)電路串聯(lián)工作，以有效保護(hù)探管電源。探管電源還具有防反接功能。為在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上使探管電源保證不會(huì)接反，探管電源的兩端可用專用的接插件作為電器聯(lián)接插頭，并沒(méi)有電器上的導(dǎo)線或接線端子裸露在外面，使用戶沒(méi)有機(jī)會(huì)接觸到插頭。而且，內(nèi)部充電端設(shè)有三個(gè)保護(hù)用的二極管，以防止充電端短路。探管電源兩端也可采用一公一母兩種不同的插頭設(shè)計(jì)，以確保反向聯(lián)不上。由于探管電源的組裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探管電源的保護(hù)電路和探管電源本身可不采用分腔設(shè)計(jì)。電池之間用固定套隔離，保護(hù)電路本身與電池之間用絕緣材料的固定套固定，使保護(hù)電路與電池隔離。本發(fā)明中，由于采用高精度抗振石英加速度傳感器以及三軸高精度磁通門，使得儀器精度可在全傾角(-90° -+90° )、全方位(0° -360° )范圍內(nèi)達(dá)到傾角誤差±0.2°，方位角誤差±1°，工具面相角誤差±1°的水平。此外，本發(fā)明采用先進(jìn)的信號(hào)處理方式，從而降低了功耗，使儀器連續(xù)工作時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)40小時(shí)，正常工作時(shí)間(占空比10: I)可達(dá)6-8周。而且，本發(fā)明采用全向減振技術(shù)，使得抗振抗沖擊性能大幅度提高，達(dá)到振動(dòng)20m/s210-150Hz (全向)，沖擊彡 3000g(軸向)/1500g(徑向)。顯而易見(jiàn)，在此描述的本發(fā)明可以有許多變化，這種變化不能認(rèn)為偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，所有對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的改變，都包括在所附權(quán)利要求書的涵蓋范圍之內(nèi)。`
權(quán)利要求
1.一種隨鉆測(cè)斜儀，包括上位機(jī)、探管以及探管電源，所述上位機(jī)包括工控機(jī)以及接口電路，所述探管包括測(cè)量模塊，所述測(cè)量模塊包括傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及接口電路，其特征在于，所述工控機(jī)通過(guò)其接口電路以一定工作比例喚醒所述探管，所述探管被喚醒后，采集所述傳感器的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將所述檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)所述接口電路將所述數(shù)字信號(hào)傳輸給工控機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的隨鉆測(cè)斜儀，其特征在于，所述傳感器包括三個(gè)相互正交的石英加速度傳感器，分別用以檢測(cè)重力加速度在三個(gè)方向上的分量。
3.如權(quán)利要求1或2所述的隨鉆測(cè)斜儀，其特征在于，所述傳感器包括三個(gè)相互正交的磁通量傳感器，分別用以檢測(cè)地磁場(chǎng)在三個(gè)方向上的分量。
4.如權(quán)利要求1或2所述的隨鉆測(cè)斜儀，其特征在于，所述傳感器包括三軸磁通門，用以檢測(cè)地磁場(chǎng)在三個(gè)方向上的分量。
5.如權(quán)利要求1所述的隨鉆測(cè)斜儀，其特征在于，所述工作比例為10: I。
6.如權(quán)利要求1所述的隨鉆測(cè)斜儀，其特征在于，所述測(cè)量模塊的接口電路采用電流環(huán)信號(hào)與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
7.如權(quán)利要求1所述的隨鉆測(cè)斜儀，其特征在于，所述探管電源采用可充電的鎳氫電池。
8.如權(quán)利要求7所述的隨鉆測(cè)斜儀，其特征在于，所述探管電源中設(shè)有保護(hù)電路，用以防止電池短路和不明原因的電源電壓升高。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種隨鉆測(cè)斜儀，包括上位機(jī)、探管以及探管電源，所述上位機(jī)包括工控機(jī)以及接口電路，所述探管包括測(cè)量模塊，所述測(cè)量模塊包括傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及接口電路，其特征在于，所述工控機(jī)通過(guò)其接口電路以一定工作比例喚醒所述探管，所述探管被喚醒后，采集所述傳感器的檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將所述檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)所述接口電路將所述數(shù)字信號(hào)傳輸給工控機(jī)。按照本發(fā)明，能夠有效節(jié)約電能，并且大幅度提高了儀器精度及可靠性。
文檔編號(hào)E21B47/022GK103104250SQ20111036091
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者牛勇, 王瑤, 劉今, 馬曉華 申請(qǐng)人:北京天和正慶科技發(fā)展有限公司