CN1945260A - 超声波/声波钻探采样器 - Google Patents

Abstract

一种能在外星球获取样品的超声波/声波钻探采样器。该装置主要有超声波驱动器、自由质量块和钻杆三部分组成。其构成是：超声波驱动器是由设在头部的螺杆与带内螺纹的尾部夹紧压电陶瓷片及其电极片而构成。超声波驱动器产生超声波频率的共振，与自由质量块发生声学耦合作用，驱使自由质量块在钻杆轴颈上产生声波频率的往复碰撞，并通过钻头将碰撞和冲击能量传递到被钻介质，致使被钻介质破碎，达到钻取样品的目的。该钻探采样器具有结构轻巧、便于携带、能耗低、无需周向保持力矩、无运动副、无需润滑、钻探能力强、适应各种硬度的介质的特点。

Description

超声波/声波钻探采样器

技术领域

本发明涉及一种用于钻探采样的小型钻探采样器，具体涉及一种超声波/声波钻探采样器。这种钻探采样器不仅适合于外星球的深空探测，也可作为地球岩石和矿物采样的一种便携式钻探采样装置。

背景技术

随着人类探索太空事业的不断发展，少数西方发达国家已实现了人类登月梦想，并正在实施对火星的登陆探测。然而，在太空探测任务中，当探测进展到发射航天器和探测器，并在外星球表面软着陆时，直接在地表或其下层，甚至深层进行钻探采样是一个必不可少的重要环节。无论是对这些直接钻取样品进行在线、实时分析，还是将样品带回地球后再作进一步研究，都具有很高的研究和分析价值。但是，在外星球上钻探、采样，却受到各种各样条件的限制，比如采样装置的体积和重量、能耗的大小、特殊的环境条件(真空、高温或低温、低重力)、较小的工作平台(如月球巡视车或专用机器人)等。可以形象地说，采样在地球上“易如反掌”，但在外星球上却“比登天还难”。

从目前来看，尽管欧美等国的深空探测器已经登陆火星，但对外星球钻探取样技术的研究仍在继续，人们正在努力寻求更适合的钻探采样方法和装置。据申请人了解，美国国家航空航天局(NASA)及其下属的喷气推进实验室(JPL)正在致力于研究一种新型的超声波/声波钻探采样装置(Ultrasonic/Sonic Driller/Corer，简称USDC)。德国的帕德博恩大学也在进行类似的研究。但是由于技术封锁，无法得到相关技术的进一步资料和内容，而在国内还没有发现相关技术的报道。

发明内容

本发明目的是提供一种结构简单、体积小、效率高、无需润滑、无回转运动，可应用于高真空、外星球的新型的超声波/声波钻探采样器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超声波/声波钻探采样器，包括超声波驱动器、自由质量块以及钻杆三部分；所述超声波驱动器是一兰杰文振子结构，该结构由头部、尾部、一组压电陶瓷片、对应数量的电极片和轴向夹紧机构组成，其中，压电陶瓷片和电极片的排列形式为：一组压电陶瓷片在轴向以同极性侧面相对叠放，而电极片则一隔一夹放在各压电陶瓷片两侧形成高频交流激励电极，这种排列形式通过轴向夹紧机构夹持后，与头部、尾部固定为一体；钻杆安装在头部前端，钻杆与头部之间设有一段轴颈，轴颈的前、后方分别设有碰撞端面，自由质量块滑动套装在轴颈上，并与前、后方的碰撞端面配合形成往复碰撞结构。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，为了使结构更加紧凑，可以在头部向后沿轴线设有螺杆，所述压电陶瓷片和电极片通过中心通孔穿套在螺杆上，并通过带内螺纹的尾部紧固形成轴向夹紧机构。

2、上述方案中，所述钻杆可拆卸固定在头部前端。所述钻杆为球形头钻杆、盘形头钻杆、空心管钻杆或实心钻杆。

本发明工作原理是：在压电陶瓷片的电极片上施加超声波频率的高频交流激励电压，利用压电材料的逆压电效应，驱使超声波驱动器产生一阶纵振振型的超声波频率的共振，并通过其头部将振幅放大；自由质量块依靠驱动器的激励和声学耦合作用，在头部与钻杆之间产生声波频率的往复碰撞；自由质量块的碰撞和冲击，通过钻杆传递到钻头与岩石的界面接触，当这种冲击强度超过被钻介质的压溃强度时，接触部位的介质就破碎了，从而达到钻探采样的目的。

由于上述技术方案运用，本发明具有以下优点和效果：

1、本发明结构简单、紧凑、体积小、重量轻、功耗低。

2、本发明整个装置无旋转运动，几乎没有旋转力矩，因而无需周向保持力矩。

3、本发明无运动副，不需要润滑。

4、本发明所使用的钻头无需刃口，因而不存在钻头磨钝的问题。

5、本发明可在高温或低温条件下工作。

6、本发明可以根据钻探采样的不同要求，通过更换不同结构形式的钻杆(比如球形头钻杆、盘形头钻杆、空心管钻杆、实心钻杆等)，得到不同用途的钻探采样品。

7、本发明适用于硬度大的物质，台花岗岩、玄武岩、沙岩、凝灰岩等，也适应于中等硬度的物质，如土壤、冰、闪长岩和石灰石等。

8、本发明应用范围广，除可用于地球正常环境下的钻探取样，更适合于高真空、外太空、外星球的物质取样。

附图说明

附图1为本发明超声波/声波钻探采样器的结构示意图。

以上附图中：1、头部螺杆；2、尾部；3、压电陶瓷片；4、电极片；5、超声波驱动器；6、头部；7、自由质量块；8、轴颈；9、实心钻杆；10、碰撞端面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：参见附图1所示，本发明是基于利用压电陶瓷片压电效应激出的一阶纵振而研制成的新型超声波/声波钻探采样器。该装置由超声波驱动器5、自由质量块7和实心钻杆9三部分组成。所述超声波驱动器5是一个兰杰文振子，该兰杰文振子由头部6、尾部2、四个压电陶瓷片3和五个电极片4组成，其中，压电陶瓷片3和电极片4的排列形式为：四个压电陶瓷片3在轴向以同极性侧面相对叠放(比如，第一个与第二个正极相对，第二个与第三个负极相对，第三个与第四个正极相对；或者反过来，第一个与第二个负极相对，第二个与第三个正极相对，第三个与第四个负极相对)。而五个电极片4则一隔一夹放在四个压电陶瓷片3两侧形成高频交流激励电极。所述头部6向后沿轴线设有头部螺杆1，所述压电陶瓷片3和电极片4通过中心通孔穿套在头部螺杆1上，并通过带内螺纹的尾部2紧固形成轴向夹紧机构，这样将头部6、尾部2、压电陶瓷片3和电极片4固定为一体。实心钻杆9可拆卸安装在头部6前端，实心钻杆9与头部6之间设有一段轴颈8，轴颈8的前、后方分别设有碰撞端面10，自由质量块7滑动套装在轴颈8上，并与前、后方的碰撞端面10配合形成往复碰撞结构。对于不同钻探物质可以采用不同的钻杆，比如更换为球形头钻杆、盘形头钻杆或空心管钻杆。

本实施例是利用超声波驱动器5的一阶纵振振型，产生超声波频率的共振，与自由质量块7发生声学耦合作用，驱使自由质量块7在轴颈8上的前、后两个碰撞端面10之间产生声波频率的往复碰撞，并通过实心钻杆9将碰撞和冲击能量传递到被钻介质，致使被钻介质破碎，达到钻取样品的目的。

从本实施例的结构和特点可以看出，该装置非常适合于在月球等外星球表面上钻探采样。由于这种装置体积小、重量轻、轴向力小、无回转保持力矩，一方面便于携带，另一方面能以月球巡视车或探月机器人等小型装置作为工作平台，并适于低重力条件。由于它能耗低，克服了深空探测能量需求的限制。由于它无需润滑能适应外星球上真空、高温或低温等恶劣的工作条件。由于它可以实现深孔施钻，又适应各种硬度的材料，决定它几乎可以钻取外星球上任何样品。由于它振动小、无回转运动，可以在钻头或钻杆上安装微小型传感器，实现在线实时或遥测分析。总之，本方案不仅适合于深空探测，在地球上作为一个便携式钻探采样装置也是很有实际使用价值的。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种超声波/声波钻探采样器，其特征在于：包括超声波驱动器、自由质量块以及钻杆三部分；所述超声波驱动器是一兰杰文振子结构，该结构由头部、尾部、一组压电陶瓷片、对应数量的电极片和轴向夹紧机构组成，其中，压电陶瓷片和电极片的排列形式为：一组压电陶瓷片在轴向以同极性侧面相对叠放，而电极片则一隔一夹放在各压电陶瓷片两侧形成高频交流激励电极，这种排列形式通过轴向夹紧机构夹持后，与头部、尾部固定为一体；钻杆安装在头部前端，钻杆与头部之间设有一段轴颈，轴颈的前、后方分别设有碰撞端面，自由质量块滑动套装在轴颈上，并与前、后方的碰撞端面配合形成往复碰撞结构。

2、根据权利要求1所述的钻探采样器，其特征在于：所述头部向后沿轴线设有螺杆，所述压电陶瓷片和电极片通过中心通孔穿套在螺杆上，并通过带内螺纹的尾部紧固形成轴向夹紧机构。

3、根据权利要求1或2所述的钻探采样器，其特征在于：所述钻杆可拆卸固定在头部前端。

4、根据权利要求3所述的钻探采样器，其特征在于：所述钻杆为球形头钻杆、盘形头钻杆、空心管钻杆或实心钻杆。

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