基于光传递的中心通缆钻杆及其数据传输系统

1.本发明涉及钻探装备技术领域，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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下方案：
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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；最后本技术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。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
19.图1是本技术实施例提供的一种基于光传递的中心通缆钻杆的结构示意图；
20.图2是本发明实施例提供的一种光信号接受模块和光信号发送模块的具体结构示
意图；
21.图3是本发明实施例提供的另一种光信号接受模块和光信号发送模块的具体结构示意图；
22.图4是本发明实施例提供的另一种光信号接受模块和光信号发送模块的具体结构示意图；
23.图5是本发明实施例提供的一种电源管理模的结构示意图；
24.图6是基于光传递的中心通缆钻杆数据传输系统的结构示意图。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
26.针对中心通缆技术中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，而导致的各种缺陷，本技术的目的在于提供一种基于光传递的中心通缆钻杆及其数据传输系统，可以简化中心通缆结构，提高中心通缆中数据传输的稳定性。
27.如图1所示为本技术实施例提供的一种基于光传递的中心通缆钻杆的结构示意图，该中心通缆钻杆包括：多个分段的钻杆100，钻杆100之间通过密封措施进行连接，比如通过螺纹、公母接头焊接等方式进行连接。每个钻杆的内部都包含有光信号接受模块110、光信号发送模块120和电源管理模块130，光信号接受模块110和光信号发送模块120之间通过导线140进行连接，而钻杆的接合处的数据传输就由上述光信号接受模块110和光信号发送模块120配合完成。
28.当数据在本实施例的中心通缆钻杆中传输时，光信号接受模块110先将光信号转换为电信号的高低电平，该高低电平的电信号经过导线140传输至光信号发送模块120中，然后光信号发送模块120将该高低电平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110。在这个数据传输过程中，光信号接受模块110和光信号发送模块120由电源管理模块130进行供电。
29.优选的，本实施例中上述光信号接受模块110为一光电转换电路，其由光敏二极管和若干电路元件组成。
30.进一步优选的，如图2所示，该光电转换电路具体可以包括：光敏二极管、rc并联电路、运算放大器和比较器，其中光敏二极管连接所述运算放大器的反相输入端，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140，所述运算放大器的同相输入端和所述比较器的正输入端均接地。
31.采用上述结构的原因在于：由于光敏二极管产生的电流较小，因此需要通过放大才能形成足以驱动下一级的电信号，但是直接使用运算放大器驱动发射端，则需要运算放大器具有较大的带宽和功耗，因此本实施例加入了比较器作为输出级，可以将运算放大器输出的较小电压摆幅以较低的功耗放大为可以驱动发射端发光二极管的电压。
32.优选的，如图2所示，本实施例中光信号发送模块120可以包括限流电阻和发光二
极管，该限流电阻和发光二极管进行串联。
33.图2所示的实施例是本技术较为优选的实施方式，本技术也可以通过其他实施方式来实现光电信号的转换及传输。比如通过图3或图4所示的利用光敏二极管+三极管分立器件搭成的电路。
34.如图3所示，上述光电转换电路可以包括光敏二极管和三极管(图3中虚线所框示的)，而光信号发送模块包括一发光二极管，供电线为光敏二极管和发光二极管供电，光敏二极管一端连接供电线，另一端连接三极管的基极，三极管的发射机接地，其集电极通过导线连接至光信号发送模块的发光二极管。
35.如图4所示，上述光电转换电路还可以包括光敏二极管、第一电阻和三极管(图4中虚线所框示的)，而光信号发送模块包括第二电阻和发光二极管，供电线为光敏二极管和发光二极管供电，其中光敏二极管一端连接供电线，另一端连接三极管的基极，第一电阻和光敏二极管并联，三极管的发射机接地，其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。
36.优选的，本实施例中上述电源管理模块130包括电源管理芯片和可充电电池，该可充电电池和钻杆内的供电线连接，该电源管理芯片用于当系统处于非震动工况时，利用供电线上较高的电压(比如12v)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(比如4.4v)，并在供电消失时切换至由可充电电池提供电源电压。即电源管理模块130可以设置成通常由供电线为光信号接受模块110和光信号发送模块120进行供电。当钻进过程中发生震动工况，使得供电线连接处接触不良的时候，通过电源管理芯片的控制，自动切换至可充电电池为光信号接受模块110和光信号发送模块120进行供电。另外，在非震动工况的时候，通过电源管理芯片的控制可以由供电线为可充电电池进行充电。
37.如图5所示为本实施例提供的一种电源管理模块130的结构示意图，由图3可见其包括电源管理芯片max8934g和4.2v的锂电池，当然，本实施例也可以采用其他具有类似功能的芯片型号，这里仅作为示例使用，并不构成对本技术的限制，且在输出点还连接一个ldo芯片稳压，这样不论在4.4v还是3.7v输出时都能提供稳定的3.3v电源电压。
38.通过电源管理模块130的上述设置，即使由于震动工况导致供电线接触不良，也不会产生信号中断的问题。
39.优选的，本实施例中导线140设置在绝缘管道内，该绝缘管道为附壁式管道，设置在所述钻杆的内壁上。相比于现有技术将绝缘管道设置在钻杆轴心位置，可以增大钻杆内的水流压力，进而有利于钻探。
40.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，在钻杆接口处使用了光信号来代替电信号，由于光信号不需要物理连接，所以对震动工况并不敏感，即使在震动工况下也能正常工作，稳定性更强；另外，在钻杆接合处，即导线的接合处，即使有少量液体进入也不会影响光信号的传递，因此对传输通道进液敏感性较低，从而对密封条件的要求也相应较低，且由于接合处不需要传递电信号，可以避免信号通道被短路的问题。最后本技术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，即使在震动工况下整个数据传输也能正常工作。
41.如图6所示为本技术实施例提供的一种中心通缆钻杆数据传输系统的结构示意图，该数据传输系统600包括设置在中心通缆每段钻杆内的光信号接受模块610、光信号发
送模块620和电源管理模块630，其中光信号接受模块610和光信号发送模块620之间通过导线640连接，所述电源管理模块630分别和所述光信号接受模块610及所述光信号发送模块620相连接，所述光信号接受模块610用于将光信号转换为电信号，所述电信号经过导线640传输至所述光信号发送模块620，所述光信号发送模块620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。
42.优选的，本实施例的数据传输系统中光信号接受模块为一光电转换电路。
43.优选的，本实施例的数据传输系统中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。
44.优选的，本实施例的数据传输系统中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。
45.优选的，本实施例的数据传输系统中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。
46.优选的，本实施例的数据传输系统中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。
47.优选的，本实施例的数据传输系统中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。
48.优选的，本实施例的数据传输系统中钻杆间供电线的连接通过物理接触的方式进行连接。
49.优选的，本实施例的数据传输系统中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。
50.本实施例中数据传输系统结构的详细描述在上述中心通缆钻杆中已经进行了描述，在此不再继续赘述。
51.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数据传输系统，在钻杆接口处使用了光信号来代替电信号，由于光信号不需要物理连接，所以对震动工况并不敏感，即使在震动工况下也能正常工作，稳定性更强；另外，在钻杆接合处，即导线的接合处，即使有少量液体进入也不会影响光信号的传递，因此对传输通道进液敏感性较低，从而对密封条件的要求也相应较低，且由于接合处不需要传递电信号，可以避免信号通道被短路的问题。最后本技术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，即使在震动工况下整个数据传输也能正常工作。
52.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包
括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。
53.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述并不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
54.本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

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。感。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：2023.05.15
技术公布日：2023/7/7