基于摩擦纳米与电磁感应的涡轮钻具自驱动转速传感器

本实用新型涉及地质钻井及仪器仪表设备领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米与电磁感应的涡轮钻具自驱动转速传感器。

背景技术：

近些年来，在井下煤炭、石油、天然气等能源开采中，其使用的环境(高温、高压)严苛，且随着地球最表面能源逐渐枯竭，人们对于深层资源的需求日益强烈，这要求的钻井深度不断增加，普通的螺杆钻具逐渐不能胜任深井钻探的任务。由于涡轮钻具在深井高温高压环境中性能优良，逐渐取代传统的螺杆钻具。转速作为涡轮钻具的一项直观的性能参数，对于涡轮钻具的深入研究非常重要。然而现在涡轮钻具的转速传感器大多为内部电池供电或者外部井上供电。这样一来，检测人员要经常更换电池或者检测很长的外部线路，这样不仅不利于涡轮钻具转速的长时间测量，施工过程中更换电池延误工期，也会提高施工成本。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种基于摩擦纳米与电磁感应的涡轮钻具自驱动转速传感器，包括：传感器外壳、轴承、转动轴、线圈、条状物、铜电极膜和磁铁；

垂直于转动轴的传感器外壳的两端通过轴承连接于转动轴，转动轴位于传感器外壳的中心位置处，贯穿该传感器外壳；若干磁铁固定于传感器外壳内壁，每个磁铁内侧依次布置若干铜电极膜和条状物，且条状物的一端连接线圈，线圈固定于转动轴上。

进一步地，所述磁铁为扁形磁铁，呈弧状。

进一步地，所述条状物采用kapton材料。

进一步地，所述传感器外壳为内空的圆柱体形状。

进一步地，所述传感器外壳的内壁固定了2个磁铁。

进一步地，每个磁铁的内侧粘接有2个铜电极膜。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：

1.将摩擦纳米发电和磁生电结合起来实现双转速传感器，这样一来，即使一个传感器转速出现了问题，另一个还可以继续实现涡轮钻具转速的测量，大大提高的传感器的可靠性。

2.将摩擦纳米发电和磁生电结合起来，不仅实现了转速传感器的自供电，其产生的电能还能为井下其他设备供电，为其他不易供电的井下设备提供了电能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例中一种基于摩擦纳米和电磁感应的旋转圆柱体式涡轮钻具自驱动转速传感器的主视图；

图2是本实用新型实施例中转速传感器的左视图；

图3是本实用新型实施例中图1中的基于摩擦纳米与电磁感应的涡轮钻具自驱动转速传感器-基于摩擦纳米与电磁感应的涡轮钻具自驱动转速传感器剖面的示意图；

图4是本实用新型实施例中图1中的b-b剖面的示意图；

图5是本实用新型实施例中转速传感器的三维示意图。

上述图中：1-传感器外壳、2-轴承、3-转动轴、4-线圈、5-kapton材料的条状物、6-铜电极膜、7-扁形磁铁。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型的实施例提供了一种基于摩擦纳米与电磁感应的涡轮钻具自驱动转速传感器。

请参考图1～5，图1是本实用新型实施例中一种基于摩擦纳米与电磁感应的涡轮钻具自驱动转速传感器的主视图，图2是本实用新型实施例中转速传感器的左视图，图3是本实用新型实施例中图1中的基于摩擦纳米与电磁感应的涡轮钻具自驱动转速传感器-基于摩擦纳米与电磁感应的涡轮钻具自驱动转速传感器剖面的示意图，图4是本实用新型实施例中图1中的b-b剖面的示意图，图5是本实用新型实施例中转速传感器的三维示意图，该基于摩擦纳米的旋转圆柱体式涡轮钻具自驱动转速传感器，包括传感器外壳1、轴承2、转动轴3、线圈4、条状物5、铜电极膜6和磁铁7。所述磁铁7为扁形磁铁，呈弧状。所述条状物5采用kapton材料。所述传感器外壳1为内空的圆柱体形状。

所述转动轴3贯穿所述传感器外壳1，且二者共轴线，传感器外壳1和转动轴3之间通过轴承2连接，轴承2分为前后两个依次将转动轴3固定于外壳1，使转动轴3只能旋转运动，而不能上下左右移动。

将两块扁形磁铁7固定在外壳1内壁上，然后把四块铜电极膜6粘接到两块扁形磁铁7上，每块扁形磁铁7上粘接两块铜电极膜6，且这两块铜电极膜6间隔一定距离。此外，将线圈4固定在转动轴3上，随着转动轴3一起转动。这样一来，线圈4随着转动轴3一起转动，从而切割固定在传感器外壳1内壁上的扁形磁铁7产生的磁感线，从而发生电磁感应中的磁生电现象。而且转速不同，由电磁感应产生的电流也不同，且和转速成正比，从而由不同电流就可以判断转速情况。

当转动轴3静止时，由于线圈4中没有磁通量发生变化，所以线圈4中没有电流产生，当转动轴3旋转时，线圈4内通过的磁通量最大，其开路电压和短路电流以及电荷转移公式分别表示为：

其中，n表示线圈4的匝数；φ表示磁通量；rcoil表示线圈4的电阻，表示电磁发电时的开路电压，表示电磁发电时的短路电流，表示电磁发电时的转移电荷量，δφ表示磁通量的变化量。线圈4随着转动轴3继续旋转，磁通量逐渐减少，直至为0，此时，开路电压和短路电流也为0。线圈4随着转动轴3继续旋转后，线圈4与最开始的状态方向相反，进而磁通量的方向也相反，因此输出电流最大，方向相反。然后线圈4继续旋转后，磁通量再次逐渐为0，此时输出电压和电流也为0。此时，完成了一个工作周期，即将进行下一个工作周期。由此可知，转动轴3每旋转一圈，电磁发电过程就会产生一个完整的交流信号，因此可以根据信号频率来确定转速。此外，转动轴3每旋转一圈，线圈4的磁通量变化都是一样的，换而言之，磁通量的变化大小与转速成正比，由公式(1)和公式(2)可知，输出电流也与转速成正比。因此可以通过电磁发电时的输出电流大小来确定转速。

将kapton材料的条状物5的一端固定到线圈4上，线圈4又固定在转动轴3上，从而条状物5也随着转动轴3一起旋转。如图4，条状物5具有一定的韧性，从而可以做到弯曲。当转动轴3旋转起来条状物5另一端就可以与铜电极膜6实现接触、分开、接触、分开……。铜电极膜6作为正极，条状物5作为负极。每一次接触摩擦时，都产生电流信号，该电流信号为波形信号。根据波形信号的频率即可计算出摩擦生电频率，由于涡轮钻具每转动一圈，条状物5就会和铜电极膜6发生一次摩擦生电，从而可计算出所述涡轮钻具的转速。铜电极膜6不仅可以作为正极摩擦材料，也可以作为导电极。四块铜电极膜6被分为两个不同的导电极：第一导电极和第二导电极，相对的2块铜电极膜6组成一个导电极。通过与kapton材料的条状物5的旋转摩擦，电荷就在这两个不同导电极中进行转移。

当kapton材料的条状物5与铜电极膜6接触时，铜电极膜6带正电，kapton材料的条状物5带负电，铜电极膜6和kapton相互接触时产生电荷，极性相反的电荷处于相互平衡状态，此时，外部电路中没有电荷流动，电压接近零。随着转动轴3的转动，kapton慢慢与第一导电极分离，从而逐渐接触第二导电极，这时第一导电极的正电荷转移到第二导电极，从而在第一导电极和第二导电极之间产生电动势以及电流，电流方向由第一导电极流向第二导电极。转动轴3继续旋转，kapton材料的条状物5完全与第二导电极接触，正负电荷处于平衡状态，故外部电路无电荷流动，电压再次为0。最后kapton材料的条状物5逐渐与第二导电极分离，与第一导电极接触，电流从第二导电极流向第一导电极。每循环一次，外部电路就产生一个交流信号，信号频率与转速成正比，从而实现转速的测量。

这样一来，电磁感应和摩擦纳米发电都可以作为转速传感器，两者结合起来，大大提高了整个转速传感器系统的可靠性，且提供可观的电能，可以为其他井下设备供电。

本实用新型的有益效果是：

1.将摩擦纳米发电和磁生电结合起来实现双转速传感器，这样一来，即使一个传感器出现了问题，另一个可以继续实现涡轮钻具转速的测量，大大提高的传感器的可靠性。

2.将摩擦纳米发电和磁生电结合起来，不仅实现了转速传感器的自供电，其产生其他电能还能为井下其他设备供电，为其他不易供电的井下设备提供了电能。

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