[发明专利]一种定向钻头的面向角测量装置和方法

说明书

本发明公开了一种定向钻头的面向角测量装置，包括钻头(1)、钻杆(2)、轴模块、光源发射模块、二维位置探测器(11)、测量模块(12)。一方面，由于二维位置探测器(11)上的光敏元件的响应速度很快，因此基于二维位置探测器(11)制作的面向角测量装置的响应速度相比现有技术提出的面向角测量装置的响应速度更快；另一方面，由于光敏元件的规格比较小，使得二维位置探测器(11)上与圆形光圈对应的光敏元件将360°的面向角测量范围细化，从而使得面向角的测量精度更高；此外，二维位置探测器(11)是现成的集成模块，基于二维位置探测器(11)制作面向角探测器时，制作工艺简单。

技术领域

本发明涉及非开挖工程施工技术领域，尤其是涉及一种定向钻头的面向角测量装置和方法。

背景技术

定向钻头钻进技术是我国进几年来发展最快的施工技术之一，具有铺管精度高、施工场地需求简单等特点，在铺设电力、通信、煤气和自来水管线等地下工程建设中得到了广泛的应用。

钻头的跟踪与导向是定向钻进的关键技术之一，为了控制钻头按照预期的轨迹钻进，需要了解钻头的随钻姿态信息，钻头的随钻姿态信息包括倾斜角、方位角、面向角和内部器件温度。

目前，在相关技术中，已经提出了通过光电式面向角传感器，或者在光电式面向角传感器的基础上设计的光电滚珠式面向角传感器，来测量定向钻头的面向角。

然而，现有技术中提出的光电式面向角传感器和光电滚珠式面向角传感器的制作工艺都比较复杂，而且响应速度较慢，测量精度也不高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种工艺简单，响应速度较快，测量精度较高的面向角测量装置及方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种定向钻头的面向角测量装置，包括钻头、与钻头固定连接的钻杆、设在钻杆内部空腔中的轴模块、可运动的设在轴模块上并沿钻杆内部空腔的轴向发射光信号的光源发射模块、用于接收从光源发射模块发射的光信号并根据不同位置接收到的光信号产生对应的电信号的二维位置探测器、根据电信号计算面向角并输出面交角计算结果的测量模块，二维位置探测器、测量模块均固定设在钻杆内部空腔中，二维位置探测器与测量模块连接。

由于当钻头转动时，与钻头连接的钻杆带动轴模块、二维位置探测器和测量模块一起同步转动，而光源发射模块始终保持在固定的位置，使得光源发射器沿钻杆内部空腔的轴向稳定地发射光信号，光信号射在二维位置探测器上形成圆形光圈。其中，光圈上的不同位置分布着若干不同的光敏元件，由于二维位置探测器上的光敏元件的响应速度较快，并且不同光敏元件对应不同的面向角，因此，当光敏元件接收到光信号后，可以将光信号快速地转换成对应的电信号，然后二维位置探测器将电信号传输至测量模块，测量模块计算面向角并发送计算结果。另外，由于光敏元件的规格比较小，二维位置探测器上与圆形光圈对应的位置上分布的光敏元件的数量的较多，从而使得面向角的测量精度更高，而且，二维位置探测器是现成的集成模块，基于二维位置探测器制作面向角探测器时，简化了制作工艺。

作为优选，轴模块包括轴底座、轴、可运动的设在轴上并用于带动光源发射模块的转动机构，轴底座固定设在钻杆内部空腔中，轴固定设在轴底座的中心，转动机构可运动的设在轴上。其中，轴底座、轴和圆环形成的组合结构用于支撑光源发射模块，而圆环在轴上可以发生运动是为了使光源发射模块在自身重力的作用下始终保持在轴的下方，从而实现光源发射模块稳定地发射光信号。

作为优选，转动机构包括可运动的套在轴上并用于带动光源发射模块的圆环，用于固定圆环的第一挡板和第二挡板，第一挡板和第二挡板均固定在轴上。在圆环直接套在轴上的情况下，为了保证圆环不沿钻杆内部空腔的轴线发生前后滑动，可以在轴上固定挡板并与圆环相贴，其中，第一挡板和第二挡板分别用于防止圆环沿沿钻杆内部空腔的轴线向前滑动和向后滑动。