基于光传递的中心通缆钻杆及其数据传输系统

本发明涉及钻探装备，尤其涉及一种基于光传递的中心通缆钻杆及其数据传输系统。

背景技术：

1、钻探工艺技术在预防与治理煤矿井下瓦斯、水的突出灾害得到了广泛的应用，钻杆作为煤矿井下钻探工艺中主要的钻具装备，目前其主要功能仅是钻头与钻机的连接推进装置及孔口水压与气压传动装置，测量功能并未得到有效开发。随着科学技术的不断发展，智能钻杆概念也逐步被人们提出，这些技术都要求钻孔口与孔底之间建立高速稳定的信息通道，有线电缆的连接方式可以直接向孔底传感器供电，实现孔底与孔口设备之间的通讯，实时性好，数据传输率高，配置有传输电缆的钻杆被称为通缆钻杆。由于钻杆是分段式的，因此钻杆的连接处传输电缆也需要进行连接，目前业界一直使用的是用金属接触连接的中心通缆结构。

2、比如，专利申请号为cn200710018252.7的专利申请给出了中心通缆式通缆钻杆的技术方案，该中心通缆结构为目前通缆钻杆最为成熟的结构，专利申请号为cn202010303711.1的专利则给出了一种基于中心通缆的矿用钻杆及数据采集传输系统。这些技术的特点是信号线缆从钻杆中心通过，钻杆接口处，线缆之间通过弹簧插接、端面或侧面接触等方式来实现钻杆间信号通道的延伸。

3、但是这种连接结构会存在如下缺陷：中心通缆的结构复杂，钻杆接口处的密封难度高，需要大量精密的密封措施来防止管道内的高压水进入钻杆内部(可以参见《矿用中心通缆式钻杆关键技术研究》-燕南飞)。若密封措施不到位，则易受管道内水压渗入影响，因此稳定性差，且难以在震动工况下工作。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提供一种基于光传递的中心通缆钻杆及其数据传输系统，以解决上述提及的至少一个问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下方案：

3、根据本发明的第一方面，提供一种基于光传递的中心通缆钻杆，所述中心通缆钻杆包括：多个分段的钻杆，所述钻杆间通过密封措施进行连接，所述钻杆内部包括光信号接受模块、光信号发送模块和电源管理模块，所述光信号接受模块和所述光信号发送模块之间通过导线连接，所述电源管理模块分别和所述光信号接受模块及所述光信号发送模块相连接，所述光信号接受模块用于将光信号转换为电信号，所述电信号经过导线传输至所述光信号发送模块，所述光信号发送模块用于将所述电信号转换为光信号并发送至与当前钻杆相连的下一钻杆内的光信号接受模块。

4、优选的，本发明实施例中上述光信号接受模块为一光电转换电路。

5、优选的，本发明实施例中上述光电转换电路包括光敏二极管、rc并联电路、运算放大器和比较器，所述光敏二极管连接所述运算放大器的反相输入端，所述rc并联电路两端分别连接至所述运算放大器的反相输入端和输出端，所述运算放大器的输出端连接至所述比较器的负输入端，所述比较器的输出端连接至所述导线，所述运算放大器的同相输入端和所述比较器的正输入端接地。

6、优选的，本发明实施例中上述光信号发送模块包括限流电阻和发光二极管，所述限流电阻和发光二极管进行串联。

7、优选的，本发明实施例中上述光电转换电路包括光敏二极管和三极管，所述光信号发送模块包括一发光二极管，所述光敏二极管一端连接供电线，另一端连接三极管的基极，所述三极管发射机接地，集电极通过所述导线连接至所述发光二极管。

8、优选的，本发明实施例中上述光电转换电路包括光敏二极管、第一电阻和三极管，所述光信号发送模块包括第二电阻和发光二极管，所述光敏二极管一端连接供电线，另一端连接三极管的基极，所述第一电阻和所述光敏二极管并联，所述三极管发射机接地，集电极通过所述导线连接至所述发光二极管，所述第二电阻和所述发光二极管并联。

9、优选的，本发明实施例中上述电源管理模块包括电源管理芯片和可充电电池，所述电源管理芯片用于利用供电线上的电压提供的能量对所述可充电电池充电，以及在供电稳定时提供稳定的电源电压，并在供电消失时切换至由所述可充电电池提供电源电压。

10、优选的，本发明实施例中上述钻杆间供电线的连接通过物理接触的方式进行连接。

11、优选的，本发明实施例中上述导线设置在绝缘管道内，所述绝缘管道为附壁式管道，设置在所述钻杆内壁上。

12、根据本发明的第二方面，提供一种基于光传递的中心通缆钻杆数据传输系统，所述数据传输系统包括设置在中心通缆每段钻杆内的光信号接受模块、光信号发送模块和电源管理模块，所述光信号接受模块和所述光信号发送模块之间通过导线连接，所述电源管理模块分别和所述光信号接受模块及所述光信号发送模块相连接，所述光信号接受模块用于将光信号转换为电信号，所述电信号经过导线传输至所述光信号发送模块，所述光信号发送模块用于将所述电信号转换为光信号并发送至与当前钻杆相连的下一钻杆内的光信号接受模块。

13、由上述技术方案可知，本发明提供的基于光传递的中心通缆钻杆及其数据传输系统，在钻杆接口处使用了光信号来代替电信号，即使在震动工况下也能正常工作，稳定性更强；另外由于光信号对接合处进液并不敏感，因此对密封性要求较低，可以节约成本；最后本申请使用可充电电池对每段钻杆内的单元单独供电，因此对供电稳定性并不敏感。

技术特征：

1.一种基于光传递的中心通缆钻杆，其特征在于，所述中心通缆钻杆包括：多个分段的钻杆，所述钻杆间通过密封措施进行连接，所述钻杆内部包括光信号接受模块、光信号发送模块和电源管理模块，所述光信号接受模块和所述光信号发送模块之间通过导线连接，所述电源管理模块分别和所述光信号接受模块及所述光信号发送模块相连接，所述光信号接受模块用于将光信号转换为电信号，所述电信号经过导线传输至所述光信号发送模块，所述光信号发送模块用于将所述电信号转换为光信号并发送至与当前钻杆相连的下一钻杆内的光信号接受模块。

2.如权利要求1所述的基于光传递的中心通缆钻杆，其特征在于，所述光信号接受模块为一光电转换电路。

3.如权利要求2所述的基于光传递的中心通缆钻杆，其特征在于，所述光电转换电路包括光敏二极管、rc并联电路、运算放大器和比较器，所述光敏二极管连接所述运算放大器的反相输入端，所述rc并联电路两端分别连接至所述运算放大器的反相输入端和输出端，所述运算放大器的输出端连接至所述比较器的负输入端，所述比较器的输出端连接至所述导线，所述运算放大器的同相输入端和所述比较器的正输入端接地。

4.如权利要求3所述的基于光传递的中心通缆钻杆，其特征在于，所述光信号发送模块包括限流电阻和发光二极管，所述限流电阻和发光二极管进行串联。

5.如权利要求2所述的基于光传递的中心通缆钻杆，其特征在于，所述光电转换电路包括光敏二极管和三极管，所述光信号发送模块包括一发光二极管，所述光敏二极管一端连接供电线，另一端连接三极管的基极，所述三极管的发射机接地，集电极通过所述导线连接至所述发光二极管。

6.如权利要求2所述的基于光传递的中心通缆钻杆，其特征在于，所述光电转换电路包括光敏二极管、第一电阻和三极管，所述光信号发送模块包括第二电阻和发光二极管，所述光敏二极管一端连接供电线，另一端连接三极管的基极，所述第一电阻和所述光敏二极管并联，所述三极管的发射机接地，集电极通过所述导线连接至所述发光二极管，所述第二电阻和所述发光二极管并联。

7.如权利要求1所述的基于光传递的中心通缆钻杆，其特征在于，所述电源管理模块包括电源管理芯片和可充电电池，所述电源管理芯片用于利用供电线上的电压提供的能量对所述可充电电池充电，以及在供电稳定时提供稳定的电源电压，并在供电消失时切换至由所述可充电电池提供电源电压。

8.如权利要求7所述的基于光传递的中心通缆钻杆，其特征在于，所述钻杆间供电线的连接通过物理接触的方式进行连接。

9.如权利要求1所述的基于光传递的中心通缆钻杆，其特征在于，所述导线设置在绝缘管道内，所述绝缘管道为附壁式管道，设置在所述钻杆的内壁上。

10.一种基于光传递的中心通缆钻杆数据传输系统，其特征在于，所述数据传输系统包括设置在中心通缆每段钻杆内的光信号接受模块、光信号发送模块和电源管理模块，所述光信号接受模块和所述光信号发送模块之间通过导线连接，所述电源管理模块分别和所述光信号接受模块及所述光信号发送模块相连接，所述光信号接受模块用于将光信号转换为电信号，所述电信号经过导线传输至所述光信号发送模块，所述光信号发送模块用于将所述电信号转换为光信号并发送至与当前钻杆相连的下一钻杆内的光信号接受模块。

技术总结
本发明提供了一种基于光传递的中心通缆钻杆及其数据传输系统，涉及钻探装备技术领域，中心通缆钻杆包括：多个分段的钻杆，钻杆间通过密封措施进行连接，钻杆内部包括光信号接受模块、光信号发送模块和电源管理模块，光信号接受模块和光信号发送模块之间通过导线连接，电源管理模块分别和光信号接受模块及光信号发送模块相连接。本发明在钻杆接口处使用了光信号来代替电信号，即使在震动工况下也能正常工作，稳定性更强；另外由于光信号对接合处进液并不敏感，因此对密封性要求较低，可以节约成本；最后本申请使用可充电电池对每段钻杆内的单元单独供电，因此对供电稳定性并不敏感。

技术研发人员：胡远奇,李浩然,韦浩天,赵子豪,杨家凯
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13