專利名稱：超聲波/聲波鉆探采樣器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于鉆探采樣的小型鉆探采樣器，具體涉及一種超聲波/聲波鉆探采樣器。這種鉆探采樣器不僅適合于外星球的深空探測(cè)，也可作為地球巖石和礦物采樣的一種便攜式鉆探采樣裝置。
背景技術(shù)：
隨著人類探索太空事業(yè)的不斷發(fā)展，少數(shù)西方發(fā)達(dá)國(guó)家已實(shí)現(xiàn)了人類登月夢(mèng)想，并正在實(shí)施對(duì)火星的登陸探測(cè)。然而，在太空探測(cè)任務(wù)中，當(dāng)探測(cè)進(jìn)展到發(fā)射航天器和探測(cè)器，并在外星球表面軟著陸時(shí)，直接在地表或其下層，甚至深層進(jìn)行鉆探采樣是一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)。無(wú)論是對(duì)這些直接鉆取樣品進(jìn)行在線、實(shí)時(shí)分析，還是將樣品帶回地球后再作進(jìn)一步研究，都具有很高的研究和分析價(jià)值。但是，在外星球上鉆探、采樣，卻受到各種各樣條件的限制，比如采樣裝置的體積和重量、能耗的大小、特殊的環(huán)境條件(真空、高溫或低溫、低重力)、較小的工作平臺(tái)(如月球巡視車或?qū)Ｓ脵C(jī)器人)等。可以形象地說，采樣在地球上“易如反掌”，但在外星球上卻“比登天還難”。
從目前來看，盡管歐美等國(guó)的深空探測(cè)器已經(jīng)登陸火星，但對(duì)外星球鉆探取樣技術(shù)的研究仍在繼續(xù)，人們正在努力尋求更適合的鉆探采樣方法和裝置。據(jù)申請(qǐng)人了解，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)及其下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)正在致力于研究一種新型的超聲波/聲波鉆探采樣裝置(Ultrasonic/Sonic Driller/Corer，簡(jiǎn)稱USDC)。德國(guó)的帕德博恩大學(xué)也在進(jìn)行類似的研究。但是由于技術(shù)封鎖，無(wú)法得到相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步資料和內(nèi)容，而在國(guó)內(nèi)還沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、無(wú)需潤(rùn)滑、無(wú)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可應(yīng)用于高真空、外星球的新型的超聲波/聲波鉆探采樣器。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種超聲波/聲波鉆探采樣器，包括超聲波驅(qū)動(dòng)器、自由質(zhì)量塊以及鉆桿三部分；所述超聲波驅(qū)動(dòng)器是一蘭杰文振子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由頭部、尾部、一組壓電陶瓷片、對(duì)應(yīng)數(shù)量的電極片和軸向夾緊機(jī)構(gòu)組成，其中，壓電陶瓷片和電極片的排列形式為一組壓電陶瓷片在軸向以同極性側(cè)面相對(duì)疊放，而電極片則一隔一夾放在各壓電陶瓷片兩側(cè)形成高頻交流激勵(lì)電極，這種排列形式通過軸向夾緊機(jī)構(gòu)夾持后，與頭部、尾部固定為一體；鉆桿安裝在頭部前端，鉆桿與頭部之間設(shè)有一段軸頸，軸頸的前、后方分別設(shè)有碰撞端面，自由質(zhì)量塊滑動(dòng)套裝在軸頸上，并與前、后方的碰撞端面配合形成往復(fù)碰撞結(jié)構(gòu)。
上述技術(shù)方案中的有關(guān)內(nèi)容解釋如下1、上述方案中，為了使結(jié)構(gòu)更加緊湊，可以在頭部向后沿軸線設(shè)有螺桿，所述壓電陶瓷片和電極片通過中心通孔穿套在螺桿上，并通過帶內(nèi)螺紋的尾部緊固形成軸向夾緊機(jī)構(gòu)。
2、上述方案中，所述鉆桿可拆卸固定在頭部前端。所述鉆桿為球形頭鉆桿、盤形頭鉆桿、空心管鉆桿或?qū)嵭你@桿。
本發(fā)明工作原理是在壓電陶瓷片的電極片上施加超聲波頻率的高頻交流激勵(lì)電壓，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，驅(qū)使超聲波驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生一階縱振振型的超聲波頻率的共振，并通過其頭部將振幅放大；自由質(zhì)量塊依靠驅(qū)動(dòng)器的激勵(lì)和聲學(xué)耦合作用，在頭部與鉆桿之間產(chǎn)生聲波頻率的往復(fù)碰撞；自由質(zhì)量塊的碰撞和沖擊，通過鉆桿傳遞到鉆頭與巖石的界面接觸，當(dāng)這種沖擊強(qiáng)度超過被鉆介質(zhì)的壓潰強(qiáng)度時(shí)，接觸部位的介質(zhì)就破碎了，從而達(dá)到鉆探采樣的目的。
由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、重量輕、功耗低。
2、本發(fā)明整個(gè)裝置無(wú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，幾乎沒有旋轉(zhuǎn)力矩，因而無(wú)需周向保持力矩。
3、本發(fā)明無(wú)運(yùn)動(dòng)副，不需要潤(rùn)滑。
4、本發(fā)明所使用的鉆頭無(wú)需刃口，因而不存在鉆頭磨鈍的問題。
5、本發(fā)明可在高溫或低溫條件下工作。
6、本發(fā)明可以根據(jù)鉆探采樣的不同要求，通過更換不同結(jié)構(gòu)形式的鉆桿(比如球形頭鉆桿、盤形頭鉆桿、空心管鉆桿、實(shí)心鉆桿等)，得到不同用途的鉆探采樣品。
7、本發(fā)明適用于硬度大的物質(zhì)，臺(tái)花崗巖、玄武巖、沙巖、凝灰?guī)r等，也適應(yīng)于中等硬度的物質(zhì)，如土壤、冰、閃長(zhǎng)巖和石灰石等。
8、本發(fā)明應(yīng)用范圍廣，除可用于地球正常環(huán)境下的鉆探取樣，更適合于高真空、外太空、外星球的物質(zhì)取樣。


附圖1為本發(fā)明超聲波/聲波鉆探采樣器的結(jié)構(gòu)示意圖。
以上附圖中1、頭部螺桿；2、尾部；3、壓電陶瓷片；4、電極片；5、超聲波驅(qū)動(dòng)器；6、頭部；7、自由質(zhì)量塊；8、軸頸；9、實(shí)心鉆桿；10、碰撞端面。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例參見附圖1所示，本發(fā)明是基于利用壓電陶瓷片壓電效應(yīng)激出的一階縱振而研制成的新型超聲波/聲波鉆探采樣器。該裝置由超聲波驅(qū)動(dòng)器5、自由質(zhì)量塊7和實(shí)心鉆桿9三部分組成。所述超聲波驅(qū)動(dòng)器5是一個(gè)蘭杰文振子，該蘭杰文振子由頭部6、尾部2、四個(gè)壓電陶瓷片3和五個(gè)電極片4組成，其中，壓電陶瓷片3和電極片4的排列形式為四個(gè)壓電陶瓷片3在軸向以同極性側(cè)面相對(duì)疊放(比如，第一個(gè)與第二個(gè)正極相對(duì)，第二個(gè)與第三個(gè)負(fù)極相對(duì)，第三個(gè)與第四個(gè)正極相對(duì)；或者反過來，第一個(gè)與第二個(gè)負(fù)極相對(duì)，第二個(gè)與第三個(gè)正極相對(duì)，第三個(gè)與第四個(gè)負(fù)極相對(duì))。而五個(gè)電極片4則一隔一夾放在四個(gè)壓電陶瓷片3兩側(cè)形成高頻交流激勵(lì)電極。所述頭部6向后沿軸線設(shè)有頭部螺桿1，所述壓電陶瓷片3和電極片4通過中心通孔穿套在頭部螺桿1上，并通過帶內(nèi)螺紋的尾部2緊固形成軸向夾緊機(jī)構(gòu)，這樣將頭部6、尾部2、壓電陶瓷片3和電極片4固定為一體。實(shí)心鉆桿9可拆卸安裝在頭部6前端，實(shí)心鉆桿9與頭部6之間設(shè)有一段軸頸8，軸頸8的前、后方分別設(shè)有碰撞端面10，自由質(zhì)量塊7滑動(dòng)套裝在軸頸8上，并與前、后方的碰撞端面10配合形成往復(fù)碰撞結(jié)構(gòu)。對(duì)于不同鉆探物質(zhì)可以采用不同的鉆桿，比如更換為球形頭鉆桿、盤形頭鉆桿或空心管鉆桿。
本實(shí)施例是利用超聲波驅(qū)動(dòng)器5的一階縱振振型，產(chǎn)生超聲波頻率的共振，與自由質(zhì)量塊7發(fā)生聲學(xué)耦合作用，驅(qū)使自由質(zhì)量塊7在軸頸8上的前、后兩個(gè)碰撞端面10之間產(chǎn)生聲波頻率的往復(fù)碰撞，并通過實(shí)心鉆桿9將碰撞和沖擊能量傳遞到被鉆介質(zhì)，致使被鉆介質(zhì)破碎，達(dá)到鉆取樣品的目的。
從本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)可以看出，該裝置非常適合于在月球等外星球表面上鉆探采樣。由于這種裝置體積小、重量輕、軸向力小、無(wú)回轉(zhuǎn)保持力矩，一方面便于攜帶，另一方面能以月球巡視車或探月機(jī)器人等小型裝置作為工作平臺(tái)，并適于低重力條件。由于它能耗低，克服了深空探測(cè)能量需求的限制。由于它無(wú)需潤(rùn)滑能適應(yīng)外星球上真空、高溫或低溫等惡劣的工作條件。由于它可以實(shí)現(xiàn)深孔施鉆，又適應(yīng)各種硬度的材料，決定它幾乎可以鉆取外星球上任何樣品。由于它振動(dòng)小、無(wú)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以在鉆頭或鉆桿上安裝微小型傳感器，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)或遙測(cè)分析。總之，本方案不僅適合于深空探測(cè)，在地球上作為一個(gè)便攜式鉆探采樣裝置也是很有實(shí)際使用價(jià)值的。
上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種超聲波/聲波鉆探采樣器，其特征在于包括超聲波驅(qū)動(dòng)器、自由質(zhì)量塊以及鉆桿三部分；所述超聲波驅(qū)動(dòng)器是一蘭杰文振子結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由頭部、尾部、一組壓電陶瓷片、對(duì)應(yīng)數(shù)量的電極片和軸向夾緊機(jī)構(gòu)組成，其中，壓電陶瓷片和電極片的排列形式為一組壓電陶瓷片在軸向以同極性側(cè)面相對(duì)疊放，而電極片則一隔一夾放在各壓電陶瓷片兩側(cè)形成高頻交流激勵(lì)電極，這種排列形式通過軸向夾緊機(jī)構(gòu)夾持后，與頭部、尾部固定為一體；鉆桿安裝在頭部前端，鉆桿與頭部之間設(shè)有一段軸頸，軸頸的前、后方分別設(shè)有碰撞端面，自由質(zhì)量塊滑動(dòng)套裝在軸頸上，并與前、后方的碰撞端面配合形成往復(fù)碰撞結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆探采樣器，其特征在于所述頭部向后沿軸線設(shè)有螺桿，所述壓電陶瓷片和電極片通過中心通孔穿套在螺桿上，并通過帶內(nèi)螺紋的尾部緊固形成軸向夾緊機(jī)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉆探采樣器，其特征在于所述鉆桿可拆卸固定在頭部前端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鉆探采樣器，其特征在于所述鉆桿為球形頭鉆桿、盤形頭鉆桿、空心管鉆桿或?qū)嵭你@桿。
全文摘要
一種能在外星球獲取樣品的超聲波/聲波鉆探采樣器。該裝置主要有超聲波驅(qū)動(dòng)器、自由質(zhì)量塊和鉆桿三部分組成。其構(gòu)成是超聲波驅(qū)動(dòng)器是由設(shè)在頭部的螺桿與帶內(nèi)螺紋的尾部夾緊壓電陶瓷片及其電極片而構(gòu)成。超聲波驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生超聲波頻率的共振，與自由質(zhì)量塊發(fā)生聲學(xué)耦合作用，驅(qū)使自由質(zhì)量塊在鉆桿軸頸上產(chǎn)生聲波頻率的往復(fù)碰撞，并通過鉆頭將碰撞和沖擊能量傳遞到被鉆介質(zhì)，致使被鉆介質(zhì)破碎，達(dá)到鉆取樣品的目的。該鉆探采樣器具有結(jié)構(gòu)輕巧、便于攜帶、能耗低、無(wú)需周向保持力矩、無(wú)運(yùn)動(dòng)副、無(wú)需潤(rùn)滑、鉆探能力強(qiáng)、適應(yīng)各種硬度的介質(zhì)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N1/04GK1945260SQ200610096958
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月19日
發(fā)明者李志榮, 陶亦亦, 許海, 羅晉平, 汪紅兵 申請(qǐng)人:蘇州市職業(yè)大學(xué)