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、信號耦合單元、智能控制單元、驅(qū)動單元。本發(fā)明還公開了一種可調(diào)單脈沖應(yīng)力波定量產(chǎn)生方法，包括步驟：給定freq；計算參數(shù)；給出或修正驅(qū)動脈沖；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)反饋修正方法實現(xiàn)應(yīng)力波單脈沖，脈沖特性逐步逼近并存儲，可重復(fù)調(diào)用，可實現(xiàn)自動測試系統(tǒng)的無縫對接，無回彈限位結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生的噪聲，可實現(xiàn)超低沖擊能量應(yīng)力波，從而實現(xiàn)節(jié)能要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，投產(chǎn)資金需求少，利于量產(chǎn)。
【專利說明】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，屬于實驗或工程測量的信號 發(fā)生的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 為實現(xiàn)對鉆探質(zhì)量的三維監(jiān)控，其中一項重要的工作就是及時度量單孔鉆探結(jié)束 時的鉆桿長度，需要滿足兩個關(guān)鍵要素 ：1)自動測量（規(guī)避人為因素）；2)及時（每個鉆孔 鉆探結(jié)束時度量）。傳統(tǒng)落錘實驗裝置，通常是落錘從某一實驗設(shè)定高度釋放，沿導(dǎo)桿自由 落體沖擊標(biāo)準(zhǔn)式樣，然后測試式樣，取得需要的數(shù)據(jù)。當(dāng)這些落錘沖擊試樣機在落錘沖擊實 驗中，落錘打擊試樣后，因為落錘和試樣的碰撞根據(jù)試樣的材質(zhì)不同，有時落錘會產(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，項目試樣鉆桿為鋼材，幾 乎每次都產(chǎn)生多次沖擊，無法實現(xiàn)自動判別；手錘雖然實驗效果較為理想，但是不能滿足自 動測量，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 每一個連接點都會對應(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 桿長度的沖擊信號來激勵，才能實現(xiàn)有效的自動判斷桿長的功能。在這種背景下，通過查找 各種專利以求解決面臨的問題，均沒有很好的滿足需求。以下是可能使用相關(guān)技術(shù)的專利 查詢狀況。
[0003] 申請?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)動產(chǎn)生震動波， 但是其無法實現(xiàn)單脈沖。
[0004] 申請?zhí)枮?00710015387. 8發(fā)明的電動沖擊工具，是一種沖擊鉆工具類，不屬于信 號發(fā)生類?？刂频膮?shù)對象和用途都與本發(fā)明各不相同。
[0005] 申請?zhí)枮?00910054273. 3發(fā)明的一種落錘沖擊試驗機防二次打擊裝置，該發(fā)明 采用電磁驅(qū)動和機械限位方式實現(xiàn)，其具有以下缺點：1、機械限位裝置的動作會造成發(fā)生 器本省產(chǎn)生震動效應(yīng)，從而在自身形成干擾信號，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，來滿足測試需要；2、沖擊的應(yīng)力波的響應(yīng)特性調(diào)節(jié)能力 有限，由于缺乏信號的反饋回路，不能做到按需調(diào)節(jié)；3、機械結(jié)構(gòu)的不同程度磨損會帶來不 可預(yù)期的沖擊波形失真。
[0006] 申請?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方 式，但是他不屬于信號發(fā)生裝置，是鉆探過程的一種電磁激勵控制。控制的參數(shù)對象，方法 和用途都與本發(fā)明各不相同。
[0007] 申請?zhí)枮?01010546911. 6發(fā)明一種沖擊響應(yīng)譜試驗機，雖然提到了特定沖擊普 特性，但是其使用電機控制，并不是直接電磁激勵；對沖擊響應(yīng)并沒有閉環(huán)修正；發(fā)明的原 理和應(yīng)用領(lǐng)域都完全不相同，只是信號的相對精確控制需求相同。
[0008] 申請?zhí)枮?01110409501. 1發(fā)明一種沖擊試驗裝置及方法，該方法帶有限位裝置， 限位裝置的噪聲影響，不可實現(xiàn)一體裝配，或者需要非常大的沖擊能量來提高信噪比；由于 采用簡單的單向調(diào)節(jié)控制，雖然可以實現(xiàn)產(chǎn)生信號，但是無法對信號的具體特性進(jìn)行精確 控制和修正，只可適用于特定測試對象特定測試，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?？刂频膮?shù)對象、方法都與本發(fā)明各不相同。
[0009] 申請?zhí)枮?01110437858. 0發(fā)明一種沖擊測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)不屬于直接電磁激勵 方式，而是通過電機驅(qū)動；該系統(tǒng)是一種通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動敲擊的功能，雖然沖擊一致 性可以得到保障，但是沒有對沖擊效果取樣分析，不能做到修正沖擊信號的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，不利于小型化?？刂频膮?shù)對象、方法都與本發(fā)明各不相同。
[0010] 申請?zhí)枮?01110305568. 0發(fā)明一種沖擊試驗機，其中使用了電磁鐵，但是電磁鐵 不用于沖擊激勵，而是固定沖擊重錘?？刂频膮?shù)對象、方法都與本發(fā)明各不相同。
[0011] 申請?zhí)枮?01110200670. 4發(fā)明一種機械式雙儲能沖擊機構(gòu)及沖擊方法，其具有 以下缺點：1、沒有明確確保單次沖擊；2、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于小型化。3、不能對沖擊的參數(shù)精 確控制。該發(fā)明控制的參數(shù)對象、方法都與本發(fā)明各不相同。
[0012] 申請?zhí)枮?01210361908.6發(fā)明工作臺式電子沖擊力錘，是一種應(yīng)力波測試的自 動敲擊裝置，由于采用簡單的單向調(diào)節(jié)控制，雖然可以實現(xiàn)產(chǎn)生信號，但是無法對信號的具 體特性進(jìn)行精確控制和修正，只可適用于特定測試對象特定測試，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。從實現(xiàn)原理和方法有著質(zhì)的區(qū)別。
[0013] 申請?zhí)枮?01310120007. 2發(fā)明了一種電磁沖擊器，該發(fā)明主要針對氣動沖擊器 的使用不便利性解決問題，主要用于大功率沖擊，沒有考慮避免二次沖擊的功能，更無法 滿足單次沖擊的需要。
[0014] 申請?zhí)枮?01120153039. 9發(fā)明設(shè)計的內(nèi)激式應(yīng)力波發(fā)生器，是一個單向開環(huán)系 統(tǒng)，只是產(chǎn)生一個特定的激勵信號，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)明是通過以下技術(shù)方案來實現(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匹配裝置、A/D采集芯片、數(shù)據(jù)緩存器、單片 機，上述信號匹配裝置與上述信號耦合單元相連接；
[0021] 驅(qū)動單元，包括驅(qū)動電路、給驅(qū)動電路提供電源的電池，上述驅(qū)動電路的輸入端連 接上述單片機，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)傳感器與上述信號匹 配裝置連接。
[0023] 進(jìn)一步地，上述驅(qū)動電路為BUCK型開關(guān)降壓電源電路，其信號輸入端接收單片機 給出的PWM信號。
[0024] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問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)給定一個頻域響應(yīng)特性脈沖freq、和第二次脈沖相對于第一次的比例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匹配裝置、A/D采集芯片、數(shù)據(jù)緩存器、單片機，所 述信號匹配裝置與所述信號耦合單元相連接； 驅(qū)動單元，包括驅(qū)動電路、給驅(qū)動電路提供電源的電池，所述驅(qū)動電路的輸入端連接所 述單片機，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)動電 路為BUCK型開關(guān)降壓電源電路，其信號輸入端接收單片機給出的PWM信號。
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) 給定一個頻域響應(yīng)特性脈沖freq、和第二次脈沖相對于第一次的比例R，所述 /〃叫e 3.5)，所述C為波速，所述L為欲測試樣本鉆桿的長度； (2) 由智能控制單元計算得出所述freq所需驅(qū)動波形參數(shù)； (3) 由智能控制單元給出或修正一個驅(qū)動脈沖； (4) 通過校準(zhǔn)傳感器，采集整個應(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)動參數(shù)，用于下次使用時調(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： 通過對（I)freq的傅里葉逆變換，得出沖擊脈沖的理想時域波形，并截主峰的前一個 過零點作為主要波形數(shù)據(jù)，計算理想脈沖的作用寬度T1 ; 根據(jù)撞針行程Z= 計算得t即為T，計算得沖擊前的沖量，通過緩沖墊向 應(yīng)力波耦合器傳播，撞針在T時間內(nèi)速度逐漸變?yōu)?,這時調(diào)整電磁線圈的電磁驅(qū)動力與 彈簧的合力為以延緩反彈的時間，使得沾作為反彈過程的沖量逐漸抵 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以及力的作用時刻，通過電磁鐵的電壓到力的轉(zhuǎn)換關(guān)系與撞 擊點彈簧形變產(chǎn)生的反作用力綜合作用得到不同時刻點所需的電壓。
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，確保第二次過零點后的最大值不超過第一次峰值的比 例R; 對于第二次過零點后的最大值超過第一次峰值的某個比例R調(diào)整反彈過程的控制，使 得f油趨于￡/*油； 即對于響應(yīng)頻率過高，通過減小初始沖量的方法，延長T，并減緩反彈過程的變化，即 延緩驅(qū)動電壓的波動；對于響應(yīng)頻率過低，可以通過增加初始沖量的方法，縮短T，并加劇 反彈過程的變化，即增加驅(qū)動電壓在反彈過程中的波動。
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PWM的占空比D確定降壓系數(shù)Vott =VPOTOT*D，Vot為驅(qū)動電路輸出的電壓，Vpotot為 電池的供電電壓，依據(jù)（2)的電壓時間關(guān)系，或者依據(jù)（5)判斷的差異修正一個電壓時間關(guān) 系，計算得到D(t)的序列，從而由智能控制單元給出或修正一個驅(qū)動脈沖。
【文檔編號】G01N3/317GK104266918SQ201410284070
【公開日】2015年1月7日 申請日期: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, 王國昌, 常月, 胡慶紅, 曹丹平, 李剛, 萬富, 于鵬 申請人:安徽省城建設(shè)計研究院