基于摩擦納米發(fā)電機的耐高溫井下振動傳感器研制

張德龍，郭 強，吳 川，周 清，楊 鵬

（1.北京探礦工程研究所，北京100083；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機械與電子信息學(xué)院，湖北武漢430074；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

0 引言

鉆探是固體礦產(chǎn)及深部能源勘探開發(fā)等的重要技術(shù)手段，在鉆進過程中，井下鉆具組合受多種激勵作用而發(fā)生振動，包括軸向振動、橫向振動及扭轉(zhuǎn)振動。過激的振動將損壞鉆具、影響效率、甚至造成井下事故，因此有必要對井下鉆具的振動情況進行實時測量［1］。

國內(nèi)外學(xué)者在鉆柱振動測量方面取得了一些成果，譬如 Kim 等［2］、劉偉等［3］學(xué)者使用三軸加速度計測量井下振動頻率，從而給出了跳鉆、粘滑、橫向振動（沖擊）和渦動等異常振動情況判斷分析方法；Kalista 等［4］、陳波［5］等學(xué)者提出通過壓電加速度計來實現(xiàn)振動頻率測量，建立了模擬鉆柱振動測試的三維直角坐標系，分別模擬測試了鉆柱的縱向振動、橫向振動、隨機振動及跳鉆振動，還進一步研究分析了鉆柱振動信號的時域波形以及頻譜特征；Emmanuel等［6］、翟小強等［7］、吳蔚娓等［8］等學(xué)者提出了具有存儲功能的振動傳感器，并結(jié)合國外振動分級方法以及PDC 鉆頭的技術(shù)發(fā)展，制定了井下鉆具振動分類和風(fēng)險分級標準；Lines 等［9］提出利用陀螺儀測量角速度，隨后通過分析輸出數(shù)據(jù)進一步得到振動頻率；Millan 等［10］提出利用傳感器結(jié)合機器學(xué)習(xí)的方法測量井下振動。

綜上可見，目前現(xiàn)有的振動測量方法可滿足多數(shù)的井下測量需求，但對于高溫井或深井而言，現(xiàn)階段多采取隔熱裝置減緩熱傳播速度來滿足常溫傳感器在高溫井下的使用，但當(dāng)工作時間較長時，現(xiàn)有的隔熱裝置亦無法發(fā)揮作用，因此，能夠耐高溫的振動傳感器無疑將更加適宜實際工況。與此同時，井下傳感器或儀器的供電方式也是隨鉆測量領(lǐng)域的痛點之一，而摩擦納米發(fā)電機技術(shù)為解決耐高溫傳感器及供電問題帶來了曙光。

摩擦納米發(fā)電機來源于納米材料的摩擦起電和靜電感應(yīng)現(xiàn)象，在分布式發(fā)電及傳感器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［11］。例如在傳感器領(lǐng)域，摩擦納米發(fā)電機被廣泛應(yīng)用于手勢監(jiān)測［12］、壓力監(jiān)測［13］、加速度監(jiān)測［14］、旋轉(zhuǎn)監(jiān)測［15］、振動監(jiān)測［16］、健康監(jiān)測［17-18］及運動監(jiān)測［19］等領(lǐng)域。而在發(fā)電領(lǐng)域，摩擦納米發(fā)電機已可利用海洋能［20］、風(fēng)能［21］、振動能［22］、雨水能［23］及生物機械能［24］等進行發(fā)電?？梢?，摩擦納米發(fā)電機非常適合研制具有自發(fā)電功能的傳感器，尤其是摩擦起電現(xiàn)象對高溫不敏感，可據(jù)此研制具有耐高溫及自發(fā)電功能的傳感器?；诖?，筆者團隊將摩擦納米發(fā)電機技術(shù)引入鉆探領(lǐng)域［25-26］，并據(jù)此研制了一種新型的振動傳感器，以滿足高溫井下軸向振動頻率的測量需求，同時還具有發(fā)電的功能。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1 設(shè)計指標

在工作溫度方面，由于溫度梯度的存在，井下溫度會隨著鉆進深度的增加而升高，因此將工作溫度設(shè)置為大于175 ℃以滿足一般高溫井的需求。對于工作濕度，由于傳感器必須密封在單獨設(shè)計的測量儀器中使用，而密閉的測量短節(jié)內(nèi)空氣濕度較低，因此傳感器對空氣濕度沒有具體要求，但濕度適應(yīng)范圍越寬越好。對于輸出信號幅值，根據(jù)晶體管-晶體管邏輯（TTL-transistor Logic）輸入高電平的檢測標準，輸出電壓幅值應(yīng)大于2 V。目前井下低功耗供電儀器的功率約mW 級別，因此傳感器具備為其他隨鉆測量低功率儀器供電的潛力，以期將來解決井下供電問題，即傳感器具有發(fā)電功能，因此輸出功率越多越好。此外，傳感器的設(shè)計尺寸應(yīng)盡可能小，以盡可能滿足小尺寸鉆探需求。根據(jù)以上詳細介紹，設(shè)計指標如表1 所示。

表1 設(shè)計指標Table 1 Design indicators

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)

由于實際使用時傳感器是安裝于特殊設(shè)計的密封短節(jié)內(nèi)，因此傳感器設(shè)計時僅需進行簡單密封即可。如圖 1（a）到圖 1（c）所示，傳感器主要由固定球、活動球和支撐臺組成。固定球固定在支撐臺上，與支撐臺保持靜止，而活動球則嵌入在固定球內(nèi)，可自由移動。將銅粘貼在固定球的上下端部，其尺寸為40 mm×40 mm。由于納米材料的摩擦起電效果更好，因此將聚四氟乙烯納米材料（PTFE）粘貼在固定球上下端的銅（Cu）上，其尺寸為45 mm×45 mm，以確保聚四氟乙烯能完全覆蓋銅。其中聚四氟乙烯作為負極摩擦層產(chǎn)生電荷，而銅作為電極層用于導(dǎo)出聚四氟乙烯產(chǎn)生的電荷?；顒忧虻谋砻嬉喔街粚鱼~，由于銅本身具有導(dǎo)電性，因此可以同時用作正摩擦層和電極層。由于承載較小，考慮到傳感器整體的輕便性，因此支撐臺采用聚乳酸（PLA）材料3D 打印而成。固定球和活動球均采用亞克力（Acrylic）空心材料制成，外徑分別為100 mm 和75 mm，壁厚均為3 mm。此外，在傳感器的外部使用304 不銹鋼進行二次封裝密封，以滿足傳感器的基本密封性能。不銹鋼外殼的外徑為105 mm，厚度為2 mm。

1.3 工作原理

傳感器通過支撐臺固定在測量短節(jié)內(nèi)，當(dāng)發(fā)生軸向振動時，活動球相對于固定球上下運動，并由于摩擦起電和靜電感應(yīng)產(chǎn)生同頻率的摩擦電信號，隨后便可通過統(tǒng)計摩擦電信號的振動頻率，以實現(xiàn)對井底鉆具振動頻率的測量。圖2 所示為傳感器的工作過程示意圖，現(xiàn)結(jié)合圖2 對其工作原理進一步解釋說明。

圖2 傳感器工作原理示意Fig.2 Working principle of the sensor

當(dāng)傳感器至少工作一次時，由于摩擦起電作用，可對活動球進行預(yù)充電，圖2a（Ⅰ）顯示了傳感器的初始狀態(tài)，此時在摩擦電和靜電感應(yīng)作用下，Cu 比PTFE 更容易失去電子，因此活動球的摩擦層帶正電，固定球的摩擦層帶負電，系統(tǒng)處于電荷平衡狀態(tài)，因此外部電路中沒有電流產(chǎn)生。圖2a（Ⅱ）為振動發(fā)生時的狀態(tài)，活動球從固定球的下端往上端移動。在此階段，系統(tǒng)的電荷平衡被打破，下端PTFE上的電子通過電極流向上端電極，電子流過外部負載，在固定球的上下摩擦層形成電勢差，產(chǎn)生電流。圖2a（Ⅲ）為活動球接觸固定球上部摩擦層時的狀態(tài)，由于摩擦起電和靜電感應(yīng)，上部摩擦帶負電荷，電荷再次處于平衡狀態(tài)，此時上下端電極電勢差為0，外部電路無電流。圖2a（Ⅳ）為活動球從固定球的上端往下端移動，在固定球的上下電極形成與圖2（Ⅱ）反向的電勢差，從而使得電子反向流過外負載形成反向電流。進一步回到圖2a（Ⅰ），此時活動球下落到初始位置狀態(tài)，電荷轉(zhuǎn)移到下摩擦層，下摩擦層又回到初始狀態(tài)。在傳感器工作過程中，理論輸出的電壓信號如圖2（b）所示。由此可見，當(dāng)鉆具每振動一次，傳感器在外部電路都將輸出一個脈沖信號，因此通過統(tǒng)計脈沖信號的頻率便可實現(xiàn)振動頻率的檢測。

2 試驗測試

試驗測試分為3 部分，一是測量振動頻率的傳感測試，二是測量振動發(fā)電性能，三是測量對環(huán)境的適應(yīng)性。測試平臺的搭建如圖3 所示，其中圖3（a）為測試裝置的原理圖，圖3（b）是根據(jù)圖3（a）原理圖搭建的實際測試平臺照片。測試時利用搭建的振動平臺進行測試，通過調(diào)節(jié)控制器，可在同一幅值下獲得不同的振動頻率。傳感器固定在振動平臺上，輸出信號由靜電計測量，然后通過數(shù)據(jù)采集卡收集測量數(shù)據(jù)，最終數(shù)據(jù)被傳輸?shù)诫娔X軟件進行顯示，具體測試結(jié)果如下。

圖3 測試設(shè)備Fig.3 Test devices

2.1 傳感性能測試

通過對傳感器的傳感特性進行測試，得到以下結(jié)論。

（1）如圖4（a）所示，井下鉆具的振動頻率與電壓脈沖的個數(shù)相對應(yīng)，因此通過電路統(tǒng)計電壓脈沖信號可以測量振動頻率。進一步將低通濾波器對測試波形進行濾波處理，可得如圖4（b）所示結(jié)果。由于普通單片機（微程序控制單元）均具有脈沖測量功能，且觸發(fā)方式具有負脈沖觸發(fā)模式，因此可以將單片機相應(yīng)的引腳直接連接到傳感器進行振動頻率的統(tǒng)計。

（2）如圖4（c）所示，為了研究傳感器與振動源的安裝距離對輸出信號的影響規(guī)律，測試了不同振動距離下的傳感器輸出信號，結(jié)果表明：傳感器輸出信號幅值與安裝距離成反比，但相關(guān)性近似，且當(dāng)距離＞150 cm 時，輸出電壓將降至約5 V，此時信噪比不明顯。因此，傳感器與振源的安裝距離應(yīng)小于150 cm，并且距離越近其信噪比越好。

（3）圖4（d）為對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后所得的相對誤差散點圖，其中每個頻率下測量10 次?？梢?，當(dāng)振動頻率≯8 Hz 時，相對誤差≯4%；當(dāng)振動頻率＞8 Hz 時，相對誤差明顯增大，因此該傳感器的測量范圍為0～8 Hz。

圖4 傳感性能測試結(jié)果Fig.4 Performance test results of the sensor

2.2 發(fā)電性能測試

該傳感器利用摩擦起電原理研發(fā)，其測量過程也是發(fā)電過程，因此可將井下鉆具振動能量轉(zhuǎn)化為電能，為此，我們對傳感器的發(fā)電性能進行了測試。如圖5（a）至圖5（d）所示，其中傳感器的電荷轉(zhuǎn)移、開路電壓、短路電流、輸出功率均為100 次測量值的平均值，其中傳感器的電荷轉(zhuǎn)移，開路電壓和短路電流都隨振動頻率的增加而增大。當(dāng)振動頻率為8 Hz 時，傳感器的電荷轉(zhuǎn)移、開路電壓、短路電流均達到最大值，最大電荷轉(zhuǎn)移27×10-9C，最大電壓為70 V，最大電流為12×10-7A。此外，當(dāng)外接電阻時，輸出功率隨外接電阻的增大先增大后減少，且當(dāng)外接5×107Ω 的電阻時，得到最大功率為 4.2×10-5W。如圖5（e）所示，為了直觀顯示該自供電傳感器的發(fā)電性能，將傳感器的輸出功率經(jīng)電路處理后存儲到電容中，閉合開關(guān)K1，打開開關(guān)K2。大約3 min 后，當(dāng)開關(guān)K2 開啟時，點亮一個0.25 W 的LED（發(fā)光二極管）。此外，將該傳感器的輸出經(jīng)整流橋直接給電容（50 V、20 μF）時，可以在500 s 的時間將電容充電到最大電壓，其充電曲線如圖5（f）所示。因此，當(dāng)多個這樣的自供電傳感器并聯(lián)時，如果將發(fā)電量存儲一段時間，就有可能為低功率井下測量儀器提供間歇性電源。

圖5 傳感器發(fā)電性能測試結(jié)果Fig.5 Power generation performance test results of the sensor

2.3 外部環(huán)境測試

當(dāng)用于高溫井或深井時，由于地溫梯度的存在，井下溫度隨鉆深逐漸增加，為此測試了傳感器在高溫下的輸出性能，結(jié)果如圖6（a）所示。可見，當(dāng)溫度＜100 ℃時，輸出電壓受溫度影響不大，當(dāng)溫度＞100 ℃，輸出電壓迅速減少，當(dāng)處于180 ℃時，傳感器輸出電壓下降為38 V，但38 V 的電壓幅值仍然具有較強的信噪比，因此傳感器可滿足180 ℃工況環(huán)境下的使用需求。此外，井下泥漿的存在以及井下地質(zhì)環(huán)境中的地下水可能會導(dǎo)致傳感器的使用環(huán)境存在一定范圍的相對濕度，為此進一步進行了測試，結(jié)果如圖6（b）所示?？梢姰?dāng)相對濕度逐漸增加時，傳感器輸出電壓逐漸降低，當(dāng)相對濕度為90%時，傳感器輸出電壓下降為25 V，該幅值仍然具有較高信噪比，因此傳感器可在高濕度環(huán)境下正常使用。由此可見，該傳感器具有較強的外部環(huán)境適應(yīng)性。

圖6 外部環(huán)境測試Fig.6 External environment test

3 分析與討論

所研制的振動傳感器具有振動測量和發(fā)電的雙重功能，預(yù)期將在鉆探領(lǐng)域取得以下幾方面的應(yīng)用。一是所研制的傳感器具有發(fā)電功能，未來可考慮在井下鉆具組合不同位置處安裝該傳感器，從而形成井下分布式的儲能，為井下低功耗隨鉆測量儀器提供間歇式或?qū)崟r供電；二是所研制的傳感器為自供電式的振動傳感器，當(dāng)環(huán)境溫度達到180 ℃時仍可正常工作，且工作溫度范圍還具有進一步提升的空間，因此未來可用于高溫或超深井下的振動測量；三是基于此原理所研制的傳感器除可測量振動外，理論上還可測量轉(zhuǎn)速、壓力及流量等參數(shù)的測量，因此未來可考慮基于此原理設(shè)計完全密封的隨鉆測量儀器，無需安裝任何傳感器和電源便可實現(xiàn)隨鉆測量功能，形成具有自供電及自傳感功能的新型隨鉆測量儀器；四是基于此原理可設(shè)計具有自發(fā)電功能的智能鉆桿，并在智能鉆桿上增加信號中繼站，利用智能鉆桿的自發(fā)電為信號中繼站供電，從而形成高速的井下信號傳輸網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)論及展望

本研究基于摩擦納米發(fā)電機設(shè)計了一種井下耐高溫的振動頻率傳感器，該傳感器同時具有振動測量與發(fā)電的功能，可在溫度＜180 ℃及濕度＜90%的環(huán)境下正常使用，具有較強的環(huán)境適應(yīng)性。當(dāng)該傳感器用于測量振動時，其測量范圍為0～8 Hz，測量誤差＜4%，信噪比高，抗干擾能力強，且輸出信號幅值與傳感器和振動源的距離成反比。當(dāng)該傳感器用于發(fā)電時，其在8 Hz 工況下的輸出電壓、輸出電流和輸出功率均達到最大值，分別為70 V、12×10-7A 和4.2×10-5W。該傳感器可以點亮一個0.25 W的LED 二極管，以及在500 s 的時間內(nèi)把電容（50 V、2 μF）充電到最大電壓，展示出了其作為井下分布式發(fā)電機的潛能。

但該傳感器仍然存在兩點需進一步改進，一是振動頻率測量范圍較小，無法滿足高頻振動測量需求。解決該問題的關(guān)鍵是從傳感器結(jié)構(gòu)及回復(fù)力方式入手，比如可采用磁懸浮方式對活動球進行懸浮以增加回復(fù)速度，從而提高頻率測量范圍。二是若作為發(fā)電機使用時電量較小，其發(fā)電量無法帶動井下使隨鉆測量儀器工作，因此可從提升摩擦材料發(fā)電性能或聯(lián)合多種井下發(fā)電方式，從而提高發(fā)電量。