CN203298719U - 同时测量倾角和滚角的电容式传感器 - Google Patents

Abstract

一种同时测量倾角和滚角的电容式传感器，用于水平定向钻机传感器技术领域，以测量物体的姿态角。四个电容外极板及两个等位保护环通过镀银工艺制作在筒状石英外支撑内，镀银内极板经挡板与筒状石英外支撑连接为一体，形成测量电容，与液体电介质一起组成测量组件；并设有数据采集电路，电路内设有补偿软件，测量组件外部设有用良性导体制成的屏蔽层。本实用新型结构简单，分辨率高，测量范围大；灵敏度高，动态响应好；工作可靠，易实现非接触测量；抗过载能力强；能耗低；能在高温、辐射、强烈振动的恶劣条件下工作；可广泛应用于物体的姿态测量。

Description

同时测量倾角和滚角的电容式传感器

技术领域

本实用新型涉及水平定向钻机测量技术领域，具体说是一种可同时测量倾角和滚角的电容式传感器***。

背景技术

在水平定向钻机施工过程中，有四个参数是最重要的：钻头深度、钻头位置、钻头倾角及钻头滚角（俗称钟面角）。其中对于角度的测量，均采用数个传感器进行组合测量，如多个加速度传感器组合、倾角传感器和滚角传感器组合。目前几乎所有的仪器测量技术均采用倾角传感器和滚角传感器组合测量的方法。但由于传感器工作环境复杂,条件恶劣,一般的倾角传感器很容易失效,滚角的测量则多采用一些国外专利技术；且所实际采用的滚角(钟面角)传感器，大多是点输出，滚角分辨率比较低.目前市场上并没有发现能够完成测量滚角(钟面角)的通用传感器。

以上所说的多种传感器组合方法虽然能够完成测量工作,但是这种测量方式会导致测量探头体积比较大，电路复杂，尤其是体积大，使用非常不便。

发明内容

为克服现有多传感器组合测量方式的不足，本实用新型的发明目的在于提供一种同时测量倾角和滚角的电容式传感器，以实现对倾角和滚角的同时测量。

为实现上述目的，本实用新型在筒状石英外支撑的内侧分别镀有相互独立的第一电容外极板、第二电容外极板、第三电容外极板、第四电容外极板及第一等位保护环和第二等位保护环，上述四个电容外极板及上述两个等位保护环为镀银层；筒状石英外支撑的两侧分别安装挡板,在筒状石英外支撑的内部安装内极板，带有密封圈的螺钉将内极板与挡板固定，内极板为外部镀银的细小圆柱体，右端的挡板外侧装有固定挡板；上述四个电容外极板及上述两个等位保护环、内极板形成测量电容；数据采集电路板装在屏蔽挡板与固定挡板之间，数据采集电路板分别用传输电缆与上述四个电容外极板及上述两个等位保护环、内极板连接；上述四个电容外极板及上述两个等位保护环、内极板、筒状石英外支撑、挡板、固定挡板、四个电容外极板与内极板间的中空密封腔体、以及在密封腔体内注入的电介质组成传感器的测量组件；左端的挡板外装有屏蔽支撑挡板，屏蔽层固定在屏蔽支撑挡板与屏蔽挡板之间、测量组件外。

所述数据采集电路板带有对传感器温度进行补偿的补偿软件，根据所用电介液的温度系数，通过预知介质的温度系数，在后续测量电路的信号输出前，根据当时的工作温度进行补偿。

所述屏蔽支撑挡板、屏蔽层、屏蔽挡板、固定挡板采用金属导体材料制作。

所述屏蔽支撑挡板，屏蔽层之间、挡板与筒状石英外支撑之间、固定挡板与屏蔽层、挡板之间、屏蔽挡板与屏蔽层之间装有密封元件。

使用时，将传感器与待测物体相固定，即将传感器装在待测物体的内孔中，当待测物体姿态发生变化时，比如，产生一个倾斜或者滚动，或者二者同时产生，电介质在传感器内部的分布位置就会改变，从而引起了各测量电容中电容值的分别改变。也就是说，电介质在内、外极板间位置的改变可以直接由各测量电容的电容值的改变反映出来，其改变反映了传感器的倾角（或滚角）变化。 将被测量的倾角和滚角的变化转换成传感器电容量的变化，以准确测量出被测物体的倾角和滚角。

本实用新型采用镀层工艺来制作测量电容部件，采用电容原理同时实现了倾角和滚角的同时测量，将数据采集电路集成于传感器内，便于独立使用，并从结构上解决了电介质泄露问题，镀银工艺的采用使电容极板更薄，结构更简单，使传感器的抗震效果得到了极大的提高；且传感器及数据采集电路外侧设有屏蔽层，提高了抗外界磁、电场的性能，使测量更精确。

本实用新型传感器与现有技术相比，具有以下优点：

 １．结构简单，分辨率高，测量范围大；

 2．灵敏度高，动态响应好；

 3．工作可靠，易实现非接触测量；

 4．抗过载能力强；

 5．能耗低；

 6．能在高温、辐射、强烈振动的恶劣条件下工作；

 7． 独特的数据采集电路，解决了分布电容和非线性的影响，应用广泛。

附图说明

图1是本实用新型的结构简图。

图2是图1的I-I剖视图。

图3是图1的II-II剖视图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，在筒状石英外支撑11的内侧分别镀有相互独立的第一电容外极板7-1、第二电容外极板7-2、第三电容外极板7-3、第四电容外极板7-4及第一等位保护环14-1和第二等位保护环14-2,四个电容外极板及两个等位保护环为镀银层；筒状石英外支撑11的两侧分别安装挡板6,在筒状石英外支撑11的内部安装内极板8，带有密封圈9的螺钉10将内极板8与挡板6固定，内极板8为外部镀银的细小圆柱体，右端的挡板6外侧装有固定挡板12；四个电容外极板、两个等位保护环及内极板8形成测量电容；由于镀银涂层的厚度可以很薄，几个到几十个μm，这就大大降低了极板厚度与极间距之比，在一定程度上也就减小了边缘效应；数据采集电路板4装在屏蔽挡板5与固定挡板12之间，数据采集电路板4分别用传输电缆3与四个电容外极板、两个等位保护环、内极板8连接；四个电容外极板、两个等位保护环、内极板8、筒状石英外支撑11、挡板6、固定挡板12、四个电容外极板、两个等位保护环与内极板8间的中空密封腔体、以及在密封腔体内注入的电介质15组成传感器的测量组件；左端的挡板6外装有屏蔽支撑挡板1，屏蔽层2固定在屏蔽支撑挡板1与屏蔽挡板5之间、测量组件外；屏蔽支撑挡板1、屏蔽层2、屏蔽挡板5、固定挡板12采用金属导体材料制作；屏蔽支撑挡板1，屏蔽层2之间、挡板6与筒状石英外支撑11之间、固定挡板12与屏蔽层2、挡板6之间、屏蔽挡板5与屏蔽层2之间装有密封元件。使用时屏蔽支撑挡板1、屏蔽层2、屏蔽挡板5根据需要接地。传输电缆3及数据线从孔13处穿出。

为减小测量电路与传感器之间的导线带来的寄生电容，将测量电路进行集成，用一个四层数据采集电路板4把所有测量电路进行集成，并将数据采集电路板4安装在传感器的屏蔽层内；如此相当于将传感器和所用的转换电路、传输电缆等，均进行了屏蔽处理，不仅可以消除寄生电容，而且减小了外界电、磁场对传感器的影响。数据采集电路板4带有对传感器温度进行补偿的补偿软件，根据所用电介质15的温度系数，通过预知介质的温度系数，在后续测量电路的信号输出前，根据当时的工作温度进行补偿。

Claims (4)

1.一种同时测量倾角和滚角的电容式传感器，其特征在于：在筒状石英外支撑（11）的内侧分别镀有相互独立的第一电容外极板(7-1)、第二电容外极板（7-2）、第三电容外极板（7-3）、第四电容外极板（7-4）及第一等位保护环（14-1）和第二等位保护环（14-2），上述四个电容外极板及上述两个等位保护环为镀银层；筒状石英外支撑（11）的两侧分别安装挡板（6）,在筒状石英外支撑（11）的内部安装内极板（8），带有密封圈（9）的螺钉（10）将内极板（8）与挡板（6）固定，内极板（8）为外部镀银的细小圆柱体，右端的挡板（6）外侧装有固定挡板（12）；上述四个电容外极板及上述两个等位保护环、内极板（8）形成测量电容；数据采集电路板（4）装在屏蔽挡板（5）与固定挡板（12）之间，数据采集电路板（4）分别用传输电缆（3）与上述四个电容外极板及上述两个等位保护环、内极板（8）连接；上述四个电容外极板及上述两个等位保护环、内极板（8）、筒状石英外支撑（11）、挡板（6）、固定挡板（12）、四个电容外极板与内极板（8）间的中空密封腔体、以及在密封腔体内注入的电介质（15）组成传感器的测量组件；左端的挡板（6）外装有屏蔽支撑挡板（1），屏蔽层（2）固定在屏蔽支撑挡板（1）与屏蔽挡板（5）之间、测量组件外。

2.根据权利要求1所述的同时测量倾角和滚角的电容式传感器，其特征在于：所述数据采集电路板（4）带有对传感器温度进行补偿的补偿软件，根据所用电介液的温度系数，通过预知介质的温度系数，在后续测量电路的信号输出前，根据当时的工作温度进行补偿。

3.根据权利要求1所述的同时测量倾角和滚角的电容式传感器，其特征在于：屏蔽支撑挡板（1）、屏蔽层（2）、屏蔽挡板（5）、固定挡板（12）采用金属导体材料制作。

4.根据权利要求1所述的同时测量倾角和滚角的电容式传感器，其特征在于：屏蔽支撑挡板（1），屏蔽层（2）之间、挡板（6）与筒状石英外支撑（11）之间、固定挡板（12）与屏蔽层（2）、挡板（6）之间、屏蔽挡板（5）与屏蔽层（2）之间装有密封元件。

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