一种冰下基岩钻探测控系统技术方案

本发明专利技术公开了一种冰下基岩钻探测控系统，包括基岩钻探测控舱中包括485CAN总线模块、主控电路板、舱内温度传感器、舱内压力传感器、三轴姿态传感器、降压电路板和电机变压器；舱外部包括拉杆位移传感器、舱外压力传感器、导电滑环、三相电流电压传感器、舱外温度传感器、电机、电机转速传感器、泵、导电滑环二和流量计。本发明专利技术通过各个传感器获取基岩钻探测控舱外部位移信号，环境实时温度、压力，舱内实时温度、压力，舱体当前的倾斜角度和方位角度，钻进电机的转速、电压和电流以及循环液流量等信息，并将这些信息借助电能与数据传输系统，通过高抗拉强度铠装复合电缆传输至冰面测控软件上。

A Detection and Control System for Subglacial Bedrock Drilling

The invention discloses a detection and control system for subglacial bedrock drill, which comprises a 485CAN bus module, a main control circuit board, an in-cabin temperature sensor, an in-cabin pressure sensor, a three-axis attitude sensor, a voltage-reducing circuit board and a motor transformer; and the outside of the cabin includes a pull rod displacement sensor and an out-cabin pressure sensor. It includes a device, a conductive sliding ring, a three-phase current and voltage sensor, an external temperature sensor, a motor, a motor speed sensor, a pump, a conductive sliding ring II and a flowmeter. The invention obtains the information of the external displacement signal of the bedrock drilling detection control cabin, real-time temperature and pressure of the environment, real-time temperature and pressure in the cabin, the current inclination angle and azimuth angle of the cabin, the speed, voltage and current of the drilling motor and the flow rate of circulating fluid through various sensors, and transmits the information by means of electric energy and data. The transmission system is transmitted to the ice surface measurement and control software through the armored composite cable with high tensile strength.

【技术实现步骤摘要】
一种冰下基岩钻探测控系统
本专利技术属于电控系统领域，特别地涉及一种冰下基岩钻探测控系统。
技术介绍
近年来，关于地球南北两极大陆板块的形成与演化过程、古气候环境变化等科学问题一直困扰着众多极地科考领域的科学家们，这些问题的解决对我们掌握极地的地质结构以及大陆板块构造格局的演变，进而打开人们通向古气候和古环境变化的大门具有重要的科学意义。而冰下基岩钻探测控系统在整个冰下基岩研究中处于重要地位，是核心大脑，现有技术中对钻探与监测环境的协同控制，以及冰面各设备的实时监控都没有提出良好的解决方案，而上述问题的解决是获取高质量样品的重要保障。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种冰下基岩钻探测控系统，能够实时采集冰下基岩钻探过程中的各种参数，并对电机的钻进、泵的碎冰回收过程进行控制。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种冰下基岩钻探测控系统，包括基岩钻探测控舱和舱外部，其中，所述基岩钻探测控舱中包括485CAN总线模块、主控电路板、舱内温度传感器、舱内压力传感器、三轴姿态传感器、降压电路板和电机变压器；所述舱外部包括拉杆位移传感器、舱外压力传感器、导电滑环、三相电流电压传感器、舱外温度传感器、电机、电机转速传感器、泵、导电滑环二和流量计；所述降压电路板和电机变压器分别与300V直流电源连接，降压电路板还与所述主控电路板连接，将降压至24V的电压为主控电路板供电；所述电机变压器还与所述电机和泵分别连接，为二者供电；所述485CAN总线模块、舱内温度传感器、舱内压力传感器、三轴姿态传感器、拉杆位移传感器、舱外压力传感器、导电滑环、三相电流电压传感器、舱外温度传感器、电机转速传感器、导电滑环二和流量计分别与主控电路板连接，进行数据传输和控制。优选地，所述主控电路板上设置AD电路，所述舱内压力传感器和舱内温度传感器通过AD电路采集，经主控电路板进行滤波和去噪处理，通过485CAN总线模块传输至上位机。优选地，所述三轴姿态传感器采集方向角和倾斜角度传输给所述主控电路板进行滤波和去噪处理，通过485CAN总线模块传输至上位机。优选地，所述拉杆位移传感器采用LVDT型直线位移传感器。优选地，所述舱外温度传感器采用PT1000型温度传感器。优选地，所述舱外压力传感器采用PCW14-200bar-IM8型微型压力传感器。优选地，所述电机转速传感器通过脉冲信号的频率来对电转速进行采集。优选地，所述脉冲信号为单端脉冲信号转换为的差分信号。优选地，所述导电滑环为圆环形，其环内为所述拉杆位移传感器与主控电路板的连接线。优选地，所述导电滑环二为圆环形，其环内为所述流量计与主控电路板的连接线。本专利技术通过以上设置有益效果为，与现有技术相比，本专利技术能够完成基岩钻探测控舱内的实时温度和压力、舱体当前的姿态监测；舱外拉杆位移传感器的信号采集(该信号间接反映当前钻压)、舱外实时温度监测、循环系统实时流量监测、钻进电机运转过程中的转速和电流的监测，并将所有数据统一打包上传，以实现直观的显示和有效控制。附图说明图1为本专利技术实施例的冰下基岩钻探测控系统的连接结构示意图；图2为本专利技术实施例的冰下基岩钻探测控系统的机械结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。相反，本专利技术涵盖任何由权利要求定义的在本专利技术的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本专利技术有更好的了解，在下文对本专利技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本专利技术。参见图1、2所示为本实施例的冰下基岩钻探测控系统连接结构示意图与机械结构示意图，包括基岩钻探测控舱06和舱外部，其中，基岩钻探测控舱06中包括485CAN总线模块03、主控电路板04、舱内温度传感器05、舱内压力传感器10、三轴姿态传感器11、降压电路板12和电机变压器13；舱外部包括拉杆位移传感器01、舱外压力传感器02、导电滑环09、三相电流电压传感器07、舱外温度传感器08、电机17、电机转速传感器14、泵18、导电滑环二15和流量计16；降压电路板12和电机变压器13分别与300V直流电源通过1500M铠装电缆线连接，300V的直流电源采用VICOR的DCDC开关电源，降压电路板12还与主控电路板04连接，将降压至24V的电压为主控电路板04供电，能量利用效率高达89％；电机变压器13还与电机17和泵18分别连接，为二者供电；485CAN总线模块03、舱内温度传感器05、舱内压力传感器10、三轴姿态传感器11、拉杆位移传感器01、舱外压力传感器02、导电滑环09、三相电流电压传感器07、舱外温度传感器08、电机转速传感器14、导电滑环二15和流量计16分别与主控电路板04连接，进行数据传输和控制。具体实施例中，基岩钻探测控舱06是被放置于冰下高压低温的复杂环境中，舱内的温度和压力作为内部控制系统的保护屏障。主控电路板04上设置AD电路，舱内压力传感器10和舱内温度传感器05通过AD电路采集，经主控电路板04进行滤波和去噪处理，通过485CAN总线模块03传输至上位机。操作人员可以快速的得知舱内外压强是否异常，温度变化是否明显，低温会不会导致主控电路板04不工作的等问题，十分必要。在钻进过程中，舱体的倾斜角度和方位角度也是重要的监测参数，通过三轴姿态传感器11采集方向角信息和倾斜角度信息，经过主控电路板04滤波去噪处理，最后通过485CAN总线模块03传输到上位机进行实时姿态展示监测。因为在钻进过程中，我们要尽量保证钻具要竖直向下进行切削，如果没有实时监测钻具的倾斜角度，钻具可能不会沿竖直向下方向钻进，随着钻进深度的加大，钻孔就会倾斜严重，最终可能会导致钻进失败。所以能稳定的监测钻具当前的倾斜角是非常重要的，姿态数据与其他监测信号通过总线统一上传到冰面测控软件。除此以外，该部分还有一个重要功能，我们通过方位角监测功能来帮助工作人员判断钻具反扭是否失效，如果方位角在一段时间内持续发生变化，那么说明反扭系统失效，该系统失效不仅会导致钻进实验的失败，而且有可能导致铠装电缆伴随钻具发生旋转而扭结甚至断裂。监测方案如下：如果发生反扭装置成功，方向角会变化一定角度且不再变化，若发生反扭失效那么方向角会持续发生偏离，以此方式进行循环，这时候应该调整转速或更换钻进模块；如果在5s内，方位角一直发生同一趋势的变化，那么意味着该反扭装置不起作用，便应该立即切断电机电源，防止电缆扭结。实时采集的信号与部分控制信号需要通过一种传输机制，分别传输到冰面测控软件与冰下压力测控舱内，一种有效稳定快速的总线机制就显得尤为重要，能够实现稳定、长距离传输的485CAN总线模块03可以完成此项功能，并且两路总线通信，在极地的酷寒条件下更能保证通讯的可靠性。拉杆位移传感器01具有非常重要的作用，它的信号直接反映了钻具当前钻压的大小，所以该位移传感器信号获取的稳定性要求较高，并且该传感器的信号采集模块部分要求具有较强的抗干扰能力。拉杆位移传感器01使用LVDT(LinearVariableDifferentialT本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，包括基岩钻探测控舱和舱外部，其中，所述基岩钻探测控舱中包括485CAN总线模块、主控电路板、舱内温度传感器、舱内压力传感器、三轴姿态传感器、降压电路板和电机变压器；所述舱外部包括拉杆位移传感器、舱外压力传感器、导电滑环、三相电流电压传感器、舱外温度传感器、电机、电机转速传感器、泵、导电滑环二和流量计；所述降压电路板和电机变压器分别与300V直流电源连接，降压电路板还与所述主控电路板连接，将降压至24V的电压为主控电路板供电；所述电机变压器还与所述电机和泵分别连接，为二者供电；所述485CAN总线模块、舱内温度传感器、舱内压力传感器、三轴姿态传感器、拉杆位移传感器、舱外压力传感器、导电滑环、三相电流电压传感器、舱外温度传感器、电机转速传感器、导电滑环二和流量计分别与主控电路板连接，进行数据传输和控制。

【技术特征摘要】
1.一种冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，包括基岩钻探测控舱和舱外部，其中，所述基岩钻探测控舱中包括485CAN总线模块、主控电路板、舱内温度传感器、舱内压力传感器、三轴姿态传感器、降压电路板和电机变压器；所述舱外部包括拉杆位移传感器、舱外压力传感器、导电滑环、三相电流电压传感器、舱外温度传感器、电机、电机转速传感器、泵、导电滑环二和流量计；所述降压电路板和电机变压器分别与300V直流电源连接，降压电路板还与所述主控电路板连接，将降压至24V的电压为主控电路板供电；所述电机变压器还与所述电机和泵分别连接，为二者供电；所述485CAN总线模块、舱内温度传感器、舱内压力传感器、三轴姿态传感器、拉杆位移传感器、舱外压力传感器、导电滑环、三相电流电压传感器、舱外温度传感器、电机转速传感器、导电滑环二和流量计分别与主控电路板连接，进行数据传输和控制。2.如权利要求1所述的冰下基岩钻探测控系统，其特征在于，所述主控电路板上设置AD电路，所述舱内压力传感器和舱内温度传感器通过AD电路采集，经主控电路板进行滤波和去噪处理，通过485CAN总线模块传输至上位机。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：刘敬彪，刘本坤，营房全，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33