CN109083590A - 一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器，属于深空探测领域，特别是涉及一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器。解决了现有超声波钻探器自由质量块在工作是存在两次碰撞，产生能量损失的问题。它包括采样钻具、壳体、回复弹簧、自由质量块、变幅杆、绝缘套、压电陶瓷叠堆和后盖板。它主要用于地外天体岩石的采样。

Description

一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器
技术领域
本发明属于深空探测领域，特别是涉及一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器。
背景技术
深空探测是近年来最活跃的科学领域之一。研究地外天地的地质信息有助于探索太阳系的组成、生命起源。钻取采样是深空探测中获取星壤样品的重要方式。与电磁电机驱动的钻探器相比，超声波钻探器具有体积小、功耗低和钻压力小等优点。超声波钻探器利用压电换能器高频的轴向振动冲击振动破碎岩石。传统的超声波钻探器包含三个核心部件：换能器、自由质量块与钻具。自由质量块位于换能器与钻具之间，用于钻具的起振。在每一个工作循环过程中存在两次接触碰撞，即换能器与自由质量块之间接触碰撞、自由质量块与钻具之间接触碰撞。在每一次接触碰撞过程中均存在一定程度的能量损失。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器它包括采样钻具、壳体、回复弹簧、自由质量块、变幅杆、绝缘套、压电陶瓷叠堆和后盖板，所述变幅杆与壳体固定连接，所述变幅杆后端与后盖板连接，所述变幅杆的顶部与压电陶瓷叠堆底部陶瓷片相贴紧，所述后盖板的底部与压电陶瓷叠堆的顶部相紧贴，所述绝缘套位于电陶瓷叠堆与变幅杆之间，所述变幅杆前端与采样钻具接触，所述采样钻具穿过自由质量块及壳体前端，所述回复弹簧位于自由质量块与壳体之间。
更进一步的，所述压电陶瓷叠堆包括四片压电陶瓷片及五片电极片。
更进一步的，所述压电陶瓷片与电极片沿轴向交错布置。
本发明所述一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器在高频电压激励下，压电陶瓷叠堆的前、后两端同时产生高频的轴向振动，变幅杆将压电陶瓷叠堆前端的振动放大并在变幅杆的底部产生小振幅、高频率的简谐振动，变幅杆与采样钻具发生冲击碰撞，在采样钻具内部产生应力波，应力波沿采样钻具轴向运动，并在采样钻具与自由质量块的接触面处发生应力波的反射，在反射应力波及变幅杆的共同作用下，采样钻具在变幅杆及自由质量块之间作高频的往复运动。
本发明可用于地外天体岩石的采样，将采样钻具设置于变幅杆与自由质量块之间可减少工作过程中自由质量块的碰撞，减少了能量损失。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构设计科学合理，由压电陶瓷叠堆驱动器作为动力源，利用压电陶瓷叠堆一端的振动实现采样钻具的冲击运动。将采样钻具设置于变幅杆与自由质量块之间可减少工作过程中自由质量块的碰撞，减少了能量损失。本发明结构设计简单，具有质量轻、钻压力小、功耗低的特点，适于地球及地外天体的岩石采样任务。
附图说明
图1为本发明所述的一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器结构示意图
图2为本发明所述的压电陶瓷叠堆结构示意图
1：采样钻具，2：壳体，3：回复弹簧，4：自由质量块，5：变幅杆，6：绝缘套，7：弹性垫圈，8：内六角螺钉，9：压电陶瓷叠堆，10：后盖板，9-1：压电陶瓷片，9-2：电极片
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-2说明本实施方式，一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器，它包括采样钻具1、壳体2、回复弹簧3、自由质量块4、变幅杆5、绝缘套6、压电陶瓷叠堆9和后盖板10，所述变幅杆5与壳体2固定连接，所述变幅杆5后端与后盖板10连接，所述变幅杆5的顶部与压电陶瓷叠堆9底部陶瓷片相贴紧，所述后盖板10的底部与压电陶瓷叠堆9的顶部相紧贴，所述绝缘套6位于电陶瓷叠堆9与变幅杆5之间，所述变幅杆5前端与采样钻具1接触，所述采样钻具1穿过自由质量块4及壳体2前端，所述回复弹簧3位于自由质量块4与壳体2之间。
本发明所述压电陶瓷叠堆9包括四片压电陶瓷片9-1及五片电极片9-2且压电陶瓷片9-1与电极片9-2沿轴向交错布置。所述变幅杆5与壳体2之间通过内六角螺钉8固定连接，内六角螺钉8与壳体2之间放置有弹性垫圈7。
本发明所述一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器在高频电压激励下，压电陶瓷叠堆9的前、后两端同时产生高频的轴向振动，变幅杆5将压电陶瓷叠堆9前端的振动放大并在变幅杆5的底部产生小振幅、高频率的简谐振动，变幅杆5与采样钻具1发生冲击碰撞，在采样钻具1内部产生应力波，应力波沿采样钻具1轴向运动，并在采样钻具1与自由质量块4的接触面处发生应力波的反射，在反射应力波及变幅杆5的共同作用下，采样钻具1在变幅杆5及自由质量块4之间作高频的往复运动，实现超声波钻探器的冲击式运动，用于采样地外天体岩石，且采样钻具1设置于变幅杆5与自由质量块4之间可减少工作过程中自由质量块4的碰撞，减少能量损失。
以上对本发明所提供的一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器，其特征在于：它包括采样钻具(1)、壳体(2)、回复弹簧(3)、自由质量块(4)、变幅杆(5)、绝缘套(6)、压电陶瓷叠堆(9)和后盖板(10)，所述变幅杆(5)与壳体(2)固定连接，所述变幅杆(5)后端与后盖板(10)连接，所述变幅杆(5)的顶部与压电陶瓷叠堆(9)底部陶瓷片相贴紧，所述后盖板(10)的底部与压电陶瓷叠堆(9)的顶部相紧贴，所述绝缘套(6)位于电陶瓷叠堆(9)与变幅杆(5)之间，所述变幅杆(5)前端与采样钻具(1)接触，所述采样钻具(1)穿过自由质量块(4)及壳体(2)前端，所述回复弹簧(3)位于自由质量块(4)与壳体(2)之间。
2.根据权利要求1所述的一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器，其特征在于：所述压电陶瓷叠堆(9)包括四片压电陶瓷片(9-1)及五片电极片(9-2)。
3.根据权利要求2所述的一种自由质量块倒置式冲击式超声波钻探器，其特征在于：所述压电陶瓷片(9-1)与电极片(9-2)沿轴向交错布置。
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