技术领域
[0001] 本
发明涉及三维振动传感器技术领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机与电磁感应的三维振动传感器。
背景技术
[0002] 随着表层
能源的枯竭，人们对于深层资源的需求日益强烈，普通的螺杆钻具逐渐不能胜任深井钻探的任务。而
涡轮钻具因在深井高温高压环境中性能优良，故其已逐渐取代传统的螺杆钻具。涡轮钻具在深井中工作时，通过对钻具振动
信号的及时收集，有利于实时监测钻具井下的工况信息，以及时发现工作中的异常，并可及时调节钻具以维持其较为优良的工作状态。
[0003] 对于涡轮钻具的振动信号，通常使用传感器对信号进行收集。传统的传感器在深井中使用时，一方面传统的传感器无法长期在高温和高压的环境下工作；另一方面传统的传感器还存在供电问题，即需通过
电路或
电池对传感器进行供电。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的
实施例提供了一种基于摩擦纳米发电机与电磁感应的三维振动传感器。
[0005] 本发明的实施例提供一种基于摩擦纳米发电机与电磁感应的三维振动传感器，包括壳体，及设置于所述壳体内部的电磁感应装置、第一摩擦纳米发电装置和四个第二摩擦纳米发电装置，所述电磁感应装置包括柱状磁
铁和
铜线圈，所述柱状
磁铁可活动弹性连接在所述壳体上，所述铜线圈固定在所述柱状磁铁正下方；所述第一摩擦纳米发电装置包括第一PTFE
薄膜和第一铜
电极，所述第一铜电极固定在所述柱状磁铁的下表面，所述第一PTFE薄膜位于所述第一铜电极正下方且其与所述第一铜电极之间留有间隙；四所述第二摩擦纳米发电装置均匀分布在所述壳体内，且每一所述第二摩擦纳米发电装置均包括T型撞柱、圆弧
叶片、第二PTFE薄膜和第二铜电极，所述T型撞柱位于所述柱状磁铁周围，且所述T型撞柱连接所述圆弧叶片，所述第二PTFE薄膜贴在所述圆弧叶片的外圆弧面上，所述第二铜电极为圆弧状，且所述第二铜电极安装在所述壳体内壁上，所述第二PTFE薄膜与所述第二铜电极相对设置且其与所述第二铜电极之间留有间隙，所述电磁感应装置用于产生
电流以为所述三维振动传感器供电，所述第一摩擦纳米发电装置用于测量蜗轮钻具在竖直方向的振动
频率，四所述第二摩擦纳米发电装置用于测量蜗轮钻具在
水平方向和前后方向的振动频率。
[0006] 进一步地，所述壳体包括内壳和
外壳，所述外壳嵌套在所述内壳外部，且所述外壳位于所述内壳下方。
[0007] 进一步地，每一所述T型撞柱的大头端均靠近所述柱状磁铁，其另一端穿过所述内壳连接在所述圆弧叶片的内圆弧面上。
[0008] 进一步地，所述T型撞柱外套设有复位
弹簧，且所述
复位弹簧位于所述T型撞柱的大头端与所述内壳之间。
[0009] 进一步地，所述内壳包括上端盖和下端盖，所述上端盖下方设有悬挂弹簧，所述悬挂弹簧一端固定在所述上端盖上，其另一端连接磁铁座，所述柱状磁铁固定在所述磁铁座上。
[0010] 进一步地，所述下端盖纵截面为工字型，所述铜线圈缠绕在所述下端盖上，所述第一PTFE薄膜贴于所述下端盖的上表面且其位于所述铜线圈上方。
[0011] 进一步地，四所述圆弧叶片均位于所述内壳与所述外壳之间，且四所述圆弧叶片均匀分布。
[0012] 本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种基于摩擦纳米发电机与电磁感应的三维振动传感器分别通过所述第一摩擦纳米发电装置和四所述第二摩擦纳米发电装置测量所述蜗轮钻具在竖直方向、水平方向及前后方向的振动频率，以对所述蜗轮钻具进行实时监控，从而得到所述蜗轮钻具的三维振动频率，以便及时发现异常并对所述蜗轮钻具进行调整；另外本发明可通过所述电磁感应装置产生感应电流，从而为本发明所述的三维振动传感器供电。
附图说明
[0013] 图1是本发明一种基于摩擦纳米发电机与电磁感应的三维振动传感器的主视图。
[0014] 图2是图1中A-A的剖面示意图。
[0015] 图3是图1中B-B的剖面示意图。
[0016] 图中：1-壳体，11-内壳，12-外壳，13-上端盖，14-下端盖，2-电磁感应装置，21-柱状磁铁，22-铜线圈，23-悬挂弹簧，24-磁铁座，3-第一摩擦纳米发电装置，31-第一PTFE薄膜，32-第一铜电极，4-第二摩擦纳米发电装置，41-T型撞柱，42-圆弧叶片，43-第二PTFE薄膜，44-第二铜电极，45-复位弹簧。
具体实施方式
[0017] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
[0018] 请参考图1和图2，本发明的实施例提供了一种基于摩擦纳米发电机与电磁感应的三维振动传感器，包括壳体1，及设置于所述壳体1内部的电磁感应装置2、第一摩擦纳米发电装置3和四个第二摩擦纳米发电装置4。
[0019] 所述壳体1包括内壳11和外壳12，所述外壳12嵌套在所述内壳11外部，且所述外12壳位于所述内壳11下方，所述内壳11包括上端盖13和下端盖14，且所述下端盖14纵截面为工字型，本实施例中所述内壳11和所述外壳12均为圆柱体，从而本发明所述的三维振动传感器可作为一个短节安装在涡轮钻具上。
[0020] 所述电磁感应装置2包括柱状磁铁21和铜线圈22，本实施例中所述柱状磁铁21为圆柱体，所述柱状磁铁21可活动弹性连接在所述壳体1上，优选地，所述上端盖13下方设有悬挂弹簧23，所述悬挂弹簧23一端固定在所述上端盖13上，其另一端连接磁铁座24，所述柱状磁铁21固定在所述磁铁座24上，从而当所述涡轮钻具振动时，所述柱状磁铁21也会随着一起振动，所述铜线圈22固定在所述柱状磁铁21正下方，本实施例中所述铜线圈22缠绕在所述下端盖14上，所述电磁感应装置2用于产生电流以为所述三维振动传感器供电，具体地，当所述柱状磁铁21上下振动时，所述铜线圈22内的磁通量会发生变化，从而铜线圈22内会产生感应电流。
[0021] 请参考图2和图3，所述第一摩擦纳米发电装置3包括第一PTFE薄膜31和第一铜电极32，所述第一铜电极32固定在所述柱状磁铁21的下表面，所述第一PTFE薄膜31位于所述第一铜电极32正下方且其与所述第一铜电极32之间留有间隙，所述第一PTFE薄膜31贴于所述下端盖14的上表面且其位于所述铜线圈22上方，本实施例中由于所述第一PTFE薄膜31与所述第一铜电极32电负性不同，因此当所述柱状磁铁21带动所述第一铜电极32碰撞所述第一PTFE薄膜31时，会产生第一
电信号，且所述第一电信号脉冲与所述柱状磁铁21的振动频率一致，而此时所述柱状磁铁21的振动频率又与所述蜗轮钻具的振动频率相同，因此所述第一摩擦纳米发电装置3可用于测量所述蜗轮钻具在竖直方向的振动频率。
[0022] 四所述第二摩擦纳米发电装置4均匀分布在所述壳体1内，且每一所述第二摩擦纳米发电装置4均包括T型撞柱41、圆弧叶片42、第二PTFE薄膜43和第二铜电极44，所述T型撞柱41位于所述柱状磁铁21周围，且所述T型撞柱41连接所述圆弧叶片42，本实施例中各所述T型撞柱41的大头端均靠近所述柱状磁铁21，其另一端穿过所述内壳11连接在所述圆弧叶片42的内圆弧面上，所述T型撞柱41外套设有复位弹簧45，且所述复位弹簧45位于所述T型撞柱41的大头端与所述内壳11之间，本实施例中当所述柱状磁铁21撞击任一所述T型撞柱41后，被撞击的所述T型撞柱41均会在与其对应的所述复位弹簧45的作用下自动复位，从而各所述T型撞柱41均可被所述柱状磁铁21连续撞击。
[0023] 所述第二PTFE薄膜43贴在所述圆弧叶片42的外圆弧面上，本实施例中四所述圆弧叶片42均位于所述内壳11与所述外壳12之间，且四所述圆弧叶片42均匀分布，所述第二铜电极44为圆弧状，且所述第二铜电极44安装在所述壳体1内壁上，所述第二PTFE薄膜43与所述第二铜电极44相对设置且其与所述第二铜电极44之间留有间隙，同样当所述柱状磁铁21在水平方向或前后方向撞击任一所述T型撞柱41时，被撞击的所述T型撞柱41会带动所述圆弧叶片42上的所述第二PTFE薄膜43径向移动，并撞击与所述第二PTFE薄膜43对应的所述第二铜电极44，从而产生第二电信号，且所述第二电信号脉冲与所述柱状磁铁21在水平方向或前后方向上的振动频率相同，而此时所述柱状磁铁21的振动频率又与所述蜗轮钻具的振动频率相同，因此四所述第二摩擦纳米发电装置4可用于测量蜗轮钻具在水平方向和前后方向的振动频率。
[0024] 本发明的工作原理为：
[0025] 在进行深井钻探之前，将本发明所述的三维振动传感器安装在所述涡轮钻具上，当所述涡轮钻具上下振动时，所述柱状磁铁21也会跟着上下振动，从而所述第一铜电极32与所述第一PTFE薄膜31相互
接触，由于两个材料电负性不同，因此可以产生所述第一电信号，而所述第一电信号脉冲与所述蜗轮钻具的振动频率一致，故通过所述第一摩擦纳米发电装置3可以测量所述涡轮钻具竖直方向的振动频率，且此时由于电磁效应，当所述柱状磁铁21上下振动时，所述铜线圈22会产生感应电流，从而可以使用感应电流为本发明所述的三维振动传感器供电；当所述涡轮钻具水平振动时，所述柱状磁铁21也会跟着水平振动并撞击其四周的其中一所述T型撞柱41，此时所述T型撞柱41带动与其相连的所述扇形叶片41径向移动，使得所述扇形叶片41上的所述第二PTFE薄膜43碰撞所述第二铜电极44，从而产生所述第二电信号，由于所述柱状磁铁21的四周装了四个所述T型撞柱41，因此所述蜗轮钻具在水平方向和前后方向的振动频率均可测量，因此，由以上工作原理便可以得到所述蜗轮钻具在三维方向的振动频率，另外所述第一摩擦纳米发电装置3和四三生树第二摩擦纳米发电装置4所产生的电量也都可以收集起来，从而为本发明所述的三维振动传感器或其他部件供电。
[0026] 本发明的一种基于摩擦纳米发电机与电磁感应的三维振动传感器分别通过所述第一摩擦纳米发电装置3和四所述第二摩擦纳米发电装置4测量所述蜗轮钻具在竖直方向、水平方向及前后方向的振动频率，以对所述蜗轮钻具进行实时监控，从而得到所述蜗轮钻具的三维振动频率，以便及时发现异常并对所述蜗轮钻具进行调整；另外本发明可通过所述电磁感应装置2产生感应电流，从而为本发明所述的三维振动传感器供电。
[0027] 在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的
位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本
申请请求保护的范围。
[0028] 在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0029] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
