可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生裝置，包括：執(zhí)行單元、信號(hào)耦合單元、智能控制單元、驅(qū)動(dòng)單元。本發(fā)明還公開(kāi)了一種可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生方法，包括步驟：給定freq；計(jì)算參數(shù)；給出或修正驅(qū)動(dòng)脈沖；采集應(yīng)力波特性；判斷是否滿足；存取參數(shù)。本發(fā)明的有益效果在于，閉環(huán)反饋修正方法實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波單脈沖，脈沖特性逐步逼近并存儲(chǔ)，可重復(fù)調(diào)用，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接，無(wú)回彈限位結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生的噪聲，可實(shí)現(xiàn)超低沖擊能量應(yīng)力波，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投產(chǎn)資金需求少，利于量產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生裝置及方法，屬于實(shí)驗(yàn)或工程測(cè)量的信號(hào) 發(fā)生的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 為實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆探質(zhì)量的三維監(jiān)控，其中一項(xiàng)重要的工作就是及時(shí)度量單孔鉆探結(jié)束 時(shí)的鉆桿長(zhǎng)度，需要滿足兩個(gè)關(guān)鍵要素 ：1)自動(dòng)測(cè)量（規(guī)避人為因素）；2)及時(shí)（每個(gè)鉆孔 鉆探結(jié)束時(shí)度量）。傳統(tǒng)落錘實(shí)驗(yàn)裝置，通常是落錘從某一實(shí)驗(yàn)設(shè)定高度釋放，沿導(dǎo)桿自由 落體沖擊標(biāo)準(zhǔn)式樣，然后測(cè)試式樣，取得需要的數(shù)據(jù)。當(dāng)這些落錘沖擊試樣機(jī)在落錘沖擊實(shí) 驗(yàn)中，落錘打擊試樣后，因?yàn)槁溴N和試樣的碰撞根據(jù)試樣的材質(zhì)不同，有時(shí)落錘會(huì)產(chǎn)生一定 高度的反彈后形成二次沖擊甚至是三次沖擊。按照這種傳統(tǒng)方式，項(xiàng)目試樣鉆桿為鋼材，幾 乎每次都產(chǎn)生多次沖擊，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判別；手錘雖然實(shí)驗(yàn)效果較為理想，但是不能滿足自 動(dòng)測(cè)量，避免人為因素的要求。另外鉆探深度各不相同，鉆桿是由許多短鉆桿鏈接而成，在 每一個(gè)連接點(diǎn)都會(huì)對(duì)應(yīng)力波產(chǎn)生反射，因此需要提供一種或者能夠適應(yīng)鉆桿特性，反應(yīng)鉆 桿長(zhǎng)度的沖擊信號(hào)來(lái)激勵(lì)，才能實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)判斷桿長(zhǎng)的功能。在這種背景下，通過(guò)查找 各種專利以求解決面臨的問(wèn)題，均沒(méi)有很好的滿足需求。以下是可能使用相關(guān)技術(shù)的專利 查詢狀況。
[0003] 申請(qǐng)?zhí)枮?9101989. 8發(fā)明的聲波發(fā)生器，雖然也是采用電磁式驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生震動(dòng)波， 但是其無(wú)法實(shí)現(xiàn)單脈沖。
[0004] 申請(qǐng)?zhí)枮?00710015387. 8發(fā)明的電動(dòng)沖擊工具，是一種沖擊鉆工具類，不屬于信 號(hào)發(fā)生類?？刂频膮?shù)對(duì)象和用途都與本發(fā)明各不相同。
[0005] 申請(qǐng)?zhí)枮?00910054273. 3發(fā)明的一種落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)防二次打擊裝置，該發(fā)明 采用電磁驅(qū)動(dòng)和機(jī)械限位方式實(shí)現(xiàn)，其具有以下缺點(diǎn)：1、機(jī)械限位裝置的動(dòng)作會(huì)造成發(fā)生 器本省產(chǎn)生震動(dòng)效應(yīng)，從而在自身形成干擾信號(hào)，因此改裝置如果直接安裝在試樣上，需要 足夠高的沖擊能量以提高信噪比，來(lái)滿足測(cè)試需要；2、沖擊的應(yīng)力波的響應(yīng)特性調(diào)節(jié)能力 有限，由于缺乏信號(hào)的反饋回路，不能做到按需調(diào)節(jié)；3、機(jī)械結(jié)構(gòu)的不同程度磨損會(huì)帶來(lái)不 可預(yù)期的沖擊波形失真。
[0006] 申請(qǐng)?zhí)枮?00910061264. 7發(fā)明的電磁式鉆探?jīng)_擊器，雖然也采用的電磁激勵(lì)方 式，但是他不屬于信號(hào)發(fā)生裝置，是鉆探過(guò)程的一種電磁激勵(lì)控制?？刂频膮?shù)對(duì)象，方法 和用途都與本發(fā)明各不相同。
[0007] 申請(qǐng)?zhí)枮?01010546911. 6發(fā)明一種沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)，雖然提到了特定沖擊普 特性，但是其使用電機(jī)控制，并不是直接電磁激勵(lì)；對(duì)沖擊響應(yīng)并沒(méi)有閉環(huán)修正；發(fā)明的原 理和應(yīng)用領(lǐng)域都完全不相同，只是信號(hào)的相對(duì)精確控制需求相同。
[0008] 申請(qǐng)?zhí)枮?01110409501. 1發(fā)明一種沖擊試驗(yàn)裝置及方法，該方法帶有限位裝置， 限位裝置的噪聲影響，不可實(shí)現(xiàn)一體裝配，或者需要非常大的沖擊能量來(lái)提高信噪比；由于 采用簡(jiǎn)單的單向調(diào)節(jié)控制，雖然可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生信號(hào)，但是無(wú)法對(duì)信號(hào)的具體特性進(jìn)行精確 控制和修正，只可適用于特定測(cè)試對(duì)象特定測(cè)試，或者根據(jù)需要選擇不同的沖擊頭、以得 到所需的激振頻率。控制的參數(shù)對(duì)象、方法都與本發(fā)明各不相同。
[0009] 申請(qǐng)?zhí)枮?01110437858. 0發(fā)明一種沖擊測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)不屬于直接電磁激勵(lì) 方式，而是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；該系統(tǒng)是一種通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)敲擊的功能，雖然沖擊一致 性可以得到保障，但是沒(méi)有對(duì)沖擊效果取樣分析，不能做到修正沖擊信號(hào)的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，不利于小型化。控制的參數(shù)對(duì)象、方法都與本發(fā)明各不相同。
[0010] 申請(qǐng)?zhí)枮?01110305568. 0發(fā)明一種沖擊試驗(yàn)機(jī)，其中使用了電磁鐵，但是電磁鐵 不用于沖擊激勵(lì)，而是固定沖擊重錘?？刂频膮?shù)對(duì)象、方法都與本發(fā)明各不相同。
[0011] 申請(qǐng)?zhí)枮?01110200670. 4發(fā)明一種機(jī)械式雙儲(chǔ)能沖擊機(jī)構(gòu)及沖擊方法，其具有 以下缺點(diǎn)：1、沒(méi)有明確確保單次沖擊；2、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于小型化。3、不能對(duì)沖擊的參數(shù)精 確控制。該發(fā)明控制的參數(shù)對(duì)象、方法都與本發(fā)明各不相同。
[0012] 申請(qǐng)?zhí)枮?01210361908.6發(fā)明工作臺(tái)式電子沖擊力錘，是一種應(yīng)力波測(cè)試的自 動(dòng)敲擊裝置，由于采用簡(jiǎn)單的單向調(diào)節(jié)控制，雖然可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生信號(hào)，但是無(wú)法對(duì)信號(hào)的具 體特性進(jìn)行精確控制和修正，只可適用于特定測(cè)試對(duì)象特定測(cè)試，或者根據(jù)需要選擇不同 的力傳感器和沖擊頭、以得到所需的激振頻率。從實(shí)現(xiàn)原理和方法有著質(zhì)的區(qū)別。
[0013] 申請(qǐng)?zhí)枮?01310120007. 2發(fā)明了一種電磁沖擊器，該發(fā)明主要針對(duì)氣動(dòng)沖擊器 的使用不便利性解決問(wèn)題，主要用于大功率沖擊，沒(méi)有考慮避免二次沖擊的功能，更無(wú)法 滿足單次沖擊的需要。
[0014] 申請(qǐng)?zhí)枮?01120153039. 9發(fā)明設(shè)計(jì)的內(nèi)激式應(yīng)力波發(fā)生器，是一個(gè)單向開(kāi)環(huán)系 統(tǒng)，只是產(chǎn)生一個(gè)特定的激勵(lì)信號(hào)，并且不是單脈沖發(fā)生器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題之一是提供一種可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生裝置。
[0016] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0017] 一種可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生裝置，包括：
[0018] 執(zhí)行單元，包括相組合的永磁和撞針、套裝在撞針下部的復(fù)位彈簧、設(shè)置在永磁和 撞針外圍的電磁線圈、設(shè)置在撞針下方的緩沖墊；
[0019] 信號(hào)耦合單元，包括應(yīng)力波耦合器，上述緩沖墊固定在上述應(yīng)力波耦合器；
[0020] 智能控制單元，包括依次連接的信號(hào)匹配裝置、A/D采集芯片、數(shù)據(jù)緩存器、單片 機(jī)，上述信號(hào)匹配裝置與上述信號(hào)耦合單元相連接；
[0021] 驅(qū)動(dòng)單元，包括驅(qū)動(dòng)電路、給驅(qū)動(dòng)電路提供電源的電池，上述驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連 接上述單片機(jī)，電壓輸出端連接上述電磁線圈。
[0022] 進(jìn)一步地，上述應(yīng)力波耦合器裝配有校準(zhǔn)傳感器，上述校準(zhǔn)傳感器與上述信號(hào)匹 配裝置連接。
[0023] 進(jìn)一步地，上述驅(qū)動(dòng)電路為BUCK型開(kāi)關(guān)降壓電源電路，其信號(hào)輸入端接收單片機(jī) 給出的PWM信號(hào)。
[0024] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題之二是提供一種可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生方法，步 驟包括：
[0025] (1)給定一個(gè)頻域響應(yīng)特性脈沖freq、和第二次脈沖相對(duì)于第一次的比例R，上述

【權(quán)利要求】
1. 一種可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生裝置，其特征在于，包括： 執(zhí)行單元，包括相組合的永磁和撞針、套裝在撞針下部的復(fù)位彈簧、設(shè)置在永磁和撞針 外圍的電磁線圈、設(shè)置在撞針下方的緩沖墊； 信號(hào)耦合單元，包括應(yīng)力波耦合器，所述緩沖墊固定在所述應(yīng)力波耦合器； 智能控制單元，包括依次連接的信號(hào)匹配裝置、A/D采集芯片、數(shù)據(jù)緩存器、單片機(jī)，所 述信號(hào)匹配裝置與所述信號(hào)耦合單元相連接； 驅(qū)動(dòng)單元，包括驅(qū)動(dòng)電路、給驅(qū)動(dòng)電路提供電源的電池，所述驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接所 述單片機(jī)，電壓輸出端連接所述電磁線圈。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述應(yīng)力波 耦合器裝配有校準(zhǔn)傳感器，所述校準(zhǔn)傳感器與所述信號(hào)匹配裝置連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電 路為BUCK型開(kāi)關(guān)降壓電源電路，其信號(hào)輸入端接收單片機(jī)給出的PWM信號(hào)。
4. 一種可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生方法，步驟包括： (1) 給定一個(gè)頻域響應(yīng)特性脈沖freq、和第二次脈沖相對(duì)于第一次的比例R，所述 /〃叫e 3.5)，所述C為波速，所述L為欲測(cè)試樣本鉆桿的長(zhǎng)度； (2) 由智能控制單元計(jì)算得出所述freq所需驅(qū)動(dòng)波形參數(shù)； (3) 由智能控制單元給出或修正一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖； (4) 通過(guò)校準(zhǔn)傳感器，采集整個(gè)應(yīng)力波的特性； (5) 判決響應(yīng)特性是否滿足需求，如果不滿足重復(fù)（3)-(5)，滿足需求轉(zhuǎn)向（6); (6) 存取驅(qū)動(dòng)參數(shù)，用于下次使用時(shí)調(diào)用。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生方法，其特征在于，所述（2)為： 通過(guò)對(duì)（I)freq的傅里葉逆變換，得出沖擊脈沖的理想時(shí)域波形，并截主峰的前一個(gè) 過(guò)零點(diǎn)作為主要波形數(shù)據(jù)，計(jì)算理想脈沖的作用寬度T1 ; 根據(jù)撞針行程Z= 計(jì)算得t即為T(mén)，計(jì)算得沖擊前的沖量，通過(guò)緩沖墊向 應(yīng)力波耦合器傳播，撞針在T時(shí)間內(nèi)速度逐漸變?yōu)?,這時(shí)調(diào)整電磁線圈的電磁驅(qū)動(dòng)力與 彈簧的合力為以延緩反彈的時(shí)間，使得沾作為反彈過(guò)程的沖量逐漸抵 消，使得撞針最終穩(wěn)定于緩沖墊上； 根據(jù)滿足所述條件的Lf1以及力的作用時(shí)刻，通過(guò)電磁鐵的電壓到力的轉(zhuǎn)換關(guān)系與撞 擊點(diǎn)彈簧形變產(chǎn)生的反作用力綜合作用得到不同時(shí)刻點(diǎn)所需的電壓。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生方法，其特征在于，所述（5)為： 分析采集數(shù)據(jù)的速度波形特性，確保第二次過(guò)零點(diǎn)后的最大值不超過(guò)第一次峰值的比 例R; 對(duì)于第二次過(guò)零點(diǎn)后的最大值超過(guò)第一次峰值的某個(gè)比例R調(diào)整反彈過(guò)程的控制，使 得f油趨于￡/*油； 即對(duì)于響應(yīng)頻率過(guò)高，通過(guò)減小初始沖量的方法，延長(zhǎng)T，并減緩反彈過(guò)程的變化，即 延緩驅(qū)動(dòng)電壓的波動(dòng)；對(duì)于響應(yīng)頻率過(guò)低，可以通過(guò)增加初始沖量的方法，縮短T，并加劇 反彈過(guò)程的變化，即增加驅(qū)動(dòng)電壓在反彈過(guò)程中的波動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生方法，其特征在于，所述（3)為： 通過(guò)PWM的占空比D確定降壓系數(shù)Vott =VPOTOT*D，Vot為驅(qū)動(dòng)電路輸出的電壓，Vpotot為 電池的供電電壓，依據(jù)（2)的電壓時(shí)間關(guān)系，或者依據(jù)（5)判斷的差異修正一個(gè)電壓時(shí)間關(guān) 系，計(jì)算得到D(t)的序列，從而由智能控制單元給出或修正一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖。
【文檔編號(hào)】G01N3/317GK104266918SQ201410284070
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】胡亮亮, 徐文華, 廖旭濤, 曹光暄, 王國(guó)昌, 常月, 胡慶紅, 曹丹平, 李剛, 萬(wàn)富, 于鵬 申請(qǐng)人:安徽省城建設(shè)計(jì)研究院