【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及煤系气钻井检测领域，具体涉及一种用于煤系气钻井的振动累积式自供电输出型传感器。
技术介绍
1、钻井是煤系气开采的重要技术手段。在钻井过程中需要对振动频率进行测量。在煤系气钻井的复杂工况中，采用缆线式供电会增加钻具加工难度与成本，电池式供电由于电池更换需要频繁提钻，影响钻井效率，而自供电方式作为传感器的新型供电方式，在实现自身传感的同时，可以收集环境能为其它元器件供电，十分适用于钻井工况。目前井下自供电传感器多以参数测量为主，在电能输出性能方面研究较少，其发电量难以支撑器件长时间工作，因此有必要研制高输出功率的传感器。
2、振动由于自身特性存在从增加到衰减的状态转变，且具有周期性，无法实现运动能的持续累积。自供电传感器是基于摩擦纳米发电原理，同时自身属于惯性机械式传感器，输出功率极低。对于惯性机械式振动传感器，其内部大多存在振动缓解装置，以避免传感器受到持续冲击出现损伤，这使得输出能量将大打折扣。要想将振动能尽可能的收起起来，则需要克服其衰减阶段，使其转化为持续性运动，才能实现能量累积。
3、因此亟需一种能够累积振动能量的发电结构，为振动频率检测以及其它用电元器件供电。
技术实现思路
1、本专利技术为解决现有自供电输出型传感器受振动衰减影响输出功率较低的问题。提供了一种用于煤系气钻井的振动累积式自供电输出型传感器，设置振动传感单元用于振动频率检测，并设置传动单元将钻井过程中的往复振动，转化为运动方向固定的圆周运动，并利用圆周运动结合发电单元实现电
2、为了解决上述问题，本专利技术的技术方案是：
3、一种用于煤系气钻井的振动累积式自供电输出型传感器，包括外壳，所述外壳内部设置振动传感单元、传动单元和发电单元，所述振动传感单元包括弹簧组、上滑块、下滑块和摩擦纳米发电模块，所述弹簧组分设于外壳的两端，弹簧组一端与外壳固定，另一端分别与上滑块和下滑块固定，所述上滑块和下滑块之间设置摩擦纳米发电模块，靠近所述下滑块位置设置有限位梁，所述限位梁与外壳固定；
4、所述传动单元包括主齿轮、副齿轮以及棘轮推杆和棘轮，所述主齿轮为梯形齿轮，主齿轮的大径端与所述副齿轮啮合，副齿轮与所述棘轮推杆固定，棘轮推杆与所述棘轮转动连接，所述下滑块的侧部设置有齿条，所述齿条与主齿轮的小径端啮合；
5、所述发电单元包括磁体、线圈和线圈底座，所述磁体与棘轮的背面固定，所述线圈和线圈底座固定，线圈底座的另一端与外壳固定。
6、作业原理：在钻井过程中钻具振动，振动产生的动能被弹簧组捕捉，受弹簧组影响上滑块和下滑块随弹簧组运动，受限位梁限制在运动过程中上滑块和下滑块将分离，此过程中设置在上滑块和下滑块之间的摩擦纳米发电模块工作，输出模拟信号，从而反应振动的频率，并输出电能。
7、在下滑块运动时，振动动能造成的往复运动会经过主齿轮、副齿轮以及棘轮推杆和棘轮转换为圆周运动供磁体转动，线圈和磁体发生相对旋转，导体切割磁感线产生感应电流，发电单元输出交流电。
8、进一步地，所述摩擦纳米发电模块包括第一铜电极、第二铜电极和pvdf摩擦层，所述第一铜电极与所述上滑块的下端固定，第一铜电极的下端设置pvdf摩擦层，所述第二铜电极的下端与所述下滑块的上端固定；
9、所述第一铜电极和第二铜电极之间电性连接有采样电路。
10、上滑块向上运动，下滑块受限位梁限制，pvdf摩擦层与第二铜电极发生分离，由于通路正电荷从第二铜电极转移到第一铜电极中，形成位移电流。
11、进一步地，所述磁体包括多个s极磁铁和多个n极磁铁，所述s极磁铁和n极磁铁呈扇形结构，多个所述s极磁铁和n极磁铁交叉设置，且多个s极磁铁和n极磁铁组合后呈圆盘状结构；
12、所述线圈底座为圆盘状结构，所述线圈数量为多个，多个所述线圈沿线圈底座的圆周等距阵列。
13、利用棘轮的圆周运动结合带动磁体旋转，磁体相对于线圈旋转，切割磁感线，产生感应电流。
14、优选的，多个所述线圈之间串接构成线圈组，所述线圈组的出线端连接有储电模块。
15、线圈组的输出端连接有储电模块用于将输出电能进行存储供其它电器元件使用。
16、优选的，所述外壳为内部中空的方形结构，所述外壳内设置有转轴和轴承，所述轴承与外壳固定，且轴承的圆心与所述主齿轮的小径端的圆心位于同一直线上，轴承的内侧面与转轴固定连接，所述转轴另一端穿过主齿轮的小径端，且与主齿轮的小径端固定。
17、设置轴承和转轴确保传动单元稳定运行。
18、进一步地，所述限位梁为一字型板体，限位梁的下端设置有侧板，所述侧板的上端与限位梁的下端接触，所述侧板的侧部与所述下滑块固定。
19、设置侧板结合限位梁对下滑块进行限位。
20、通过上述技术方案，本专利技术的有益效果为：
21、（1）本专利技术有效地提高了输出功率，首先设置了弹簧组捕捉振动产生的动能利用上滑块和下滑块带动摩擦纳米发电模块产生电能，接着利用传动单元，将下滑块产生的直线位移通过主齿轮和副齿轮转换为圆周运动，接着通过棘轮推杆和棘轮将圆周运动的方向固定，从而克服了振动衰减影响。将钻井过程中的往复振动，转化为运动方向固定的圆周运动，达到振动能量的转化与累积。棘轮在圆周运动过程中带动磁体做圆周运动，磁体相对于和线圈底座固定的线圈做相对运动，导体切割磁感线产生感应电流，发电单元输出交流电。
22、（2）本专利技术利用摩擦纳米发电模块检测钻井过程中的振动频率。弹簧组输入振动激励使上滑块和下滑块运动，下滑块受限位梁的限制，在运动到限位梁位置时，下滑块无法继续向上运动，此时上滑块和下滑块分离，因此pvdf摩擦层与第二铜电极发生分离，由于通路正电荷从第二铜电极转移到第一铜电极中，形成位移电流。电流输出频率与振动频率一致，从而实现振动频率的检测。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种用于煤系气钻井的振动累积式自供电输出型传感器，其特征在于，包括外壳（1），所述外壳（1）内部设置振动传感单元、传动单元和发电单元，所述振动传感单元包括弹簧组（2）、上滑块（3）、下滑块（4）和摩擦纳米发电模块，所述弹簧组（2）分设于外壳（1）的两端，弹簧组（2）一端与外壳（1）固定，另一端分别与上滑块（3）和下滑块（4）固定，所述上滑块（3）和下滑块（4）之间设置摩擦纳米发电模块，靠近所述下滑块（4）位置设置有限位梁（5），所述限位梁（5）与外壳（1）固定；
2.根据权利要求1所述的一种用于煤系气钻井的振动累积式自供电输出型传感器，其特征在于，所述摩擦纳米发电模块包括第一铜电极（13）、第二铜电极（14）和PVDF摩擦层（15），所述第一铜电极（13）与所述上滑块（3）的下端固定，第一铜电极（13）的下端设置PVDF摩擦层（15），所述第二铜电极（14）的下端与所述下滑块（4）的上端固定；
3.根据权利要求1所述的一种用于煤系气钻井的振动累积式自供电输出型传感器，其特征在于，所述磁体（16）包括多个S极磁铁和多个N极磁铁，所述S极磁铁和N极磁铁呈扇
4.根据权利要求3所述的一种用于煤系气钻井的振动累积式自供电输出型传感器，其特征在于，多个所述线圈（12）之间串接构成线圈组，所述线圈组的出线端连接有储电模块。
5.根据权利要求1所述的一种用于煤系气钻井的振动累积式自供电输出型传感器，其特征在于，所述外壳（1）为内部中空的方形结构，所述外壳（1）内设置有转轴（17）和轴承（18），所述轴承（18）与外壳（1）固定，且轴承（18）的圆心与所述主齿轮（6）的小径端的圆心位于同一直线上，轴承（18）的内侧面与转轴（17）固定连接，所述转轴（17）另一端穿过主齿轮（6）的小径端，且与主齿轮（6）的小径端固定。
6.根据权利要求1所述的一种用于煤系气钻井的振动累积式自供电输出型传感器，其特征在于，所述限位梁（5）为一字型板体，限位梁（5）的下端设置有侧板（19），所述侧板（19）的上端与限位梁（5）的下端接触，所述侧板（19）的侧部与所述下滑块（4）固定。
...【技术特征摘要】
1.一种用于煤系气钻井的振动累积式自供电输出型传感器，其特征在于，包括外壳（1），所述外壳（1）内部设置振动传感单元、传动单元和发电单元，所述振动传感单元包括弹簧组（2）、上滑块（3）、下滑块（4）和摩擦纳米发电模块，所述弹簧组（2）分设于外壳（1）的两端，弹簧组（2）一端与外壳（1）固定，另一端分别与上滑块（3）和下滑块（4）固定，所述上滑块（3）和下滑块（4）之间设置摩擦纳米发电模块，靠近所述下滑块（4）位置设置有限位梁（5），所述限位梁（5）与外壳（1）固定；
2.根据权利要求1所述的一种用于煤系气钻井的振动累积式自供电输出型传感器，其特征在于，所述摩擦纳米发电模块包括第一铜电极（13）、第二铜电极（14）和pvdf摩擦层（15），所述第一铜电极（13）与所述上滑块（3）的下端固定，第一铜电极（13）的下端设置pvdf摩擦层（15），所述第二铜电极（14）的下端与所述下滑块（4）的上端固定；
3.根据权利要求1所述的一种用于煤系气钻井的振动累积式自供电输出型传感器，其特征在于，所述磁体（16）包括多个s极磁铁和多个n极磁...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁青松，张栋，吴川，张翼飞，潘光智，刘金润，许军，李鹏飞，李丛，董果果，云辉，
申请(专利权)人：河南省地质研究院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。