一种可原位感知的超声波钻探取样装置及方法

1.本发明涉及地外行星钻探领域，尤其涉及一种可原位感知的超声波钻探取样装置及方法。


背景技术：

2.目前，地外行星探测处于重要发展阶段，针对地外行星的地质探测活动，需要通过分析岩土的层理结构来了解太阳系行星的地质组成以及物质组成的起源。由于一些特殊的地质活动，例如：宇宙风、行星撞击、表面风化等，当前所能采集到的地质结构深度对于进一步的深入研究有所制约，因此需要更深层次的地质结构采样来帮助获取地外星体的结构组成及发展历史。
3.在地外的超声钻探过程中，由于岩土层理信息不明确，很容易出现过于坚硬固体岩或者地质洞穴等结构；现有超声波钻探取样装置的钻具在下压过程中不能根据岩土施加给钻具的反作用力调整钻具对岩土的钻削力，导致钻具容易受损。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决现有可原位感知的超声波钻探取样装置不能根据岩土施加给钻具的反作用力调整钻具对岩土的钻削力，导致钻具容易受损的技术问题。
5.本发明提供一种可原位感知的超声波钻探取样装置，包括：变幅杆、壳体、钻杆、压电式传感器、超声换能器、超声电源和控制器；
6.所述变幅杆与所述壳体固定连接，且所述变幅杆的一端沿伸至所述壳体的内部；所述变幅杆位于所述壳体内的一端设置有安装孔；
7.所述钻杆的一端插设在所述安装孔内，另一端沿伸至所述壳体的外部；所述钻杆的侧壁上设置有环形抵接部；所述钻杆上套设有复位弹簧，所述复位弹簧位于所述环形抵接部与所述壳体之间；
8.所述压电式传感器和所述超声换能器均呈环形，且由外至内依次套设在所述变幅杆的另一端；所述压电式传感器用于采集岩土施加给所述钻杆的反作用力；所述超声电源与所述超声换能器电性连接，用于给所述超声换能器供电；所述控制器分别与所述压电式传感器和所述超声电源电性连接，用于接收并判断所述反作用力与预设阈值的大小，当所述反作用力大于所述预设阈值时，控制所述超声电源的输出电流调小，以调小所述钻杆对所述岩土的钻削力。
9.进一步地，所述可原位感知的超声波钻探取样装置还包括后盖；所述后盖与所述壳体可拆卸连接；所述超声换能器和所述压电式传感器位于所述后盖内。
10.进一步地，所述后盖上设置有电缆接头；所述压电式传感器通过所述电缆接头与所述控制器电性连接；所述超声换能器通过所述电缆接头与所述超声电源电性连接。
11.进一步地，所述可原位感知的超声波钻探取样装置还包括自由质量块；所述自由质量块套设在所述钻杆的一端，且位于所述变幅杆和所述环形抵接部之间。
12.进一步地，所述变幅杆的一端设置有抵接板；所述自由质量块位于所述抵接板和所述环形抵接部之间。
13.进一步地，所述变幅杆一端的侧壁上套设有绝缘套，所述绝缘套位于所述压电式传感器和所述超声换能器与所述变幅杆之间。
14.进一步地，所述变幅杆的外侧壁上设置有环形连接板；所述后盖的一端设置有第一连接法兰；所述壳体的一端设置有第二连接法兰；所述第一连接法兰、所述环形连接板和所述第二连接法兰通过螺栓可拆卸连接。
15.进一步地，所述钻杆的一端设置有取芯钻头。
16.本发明还提出一种采用上述可原位感知的超声波钻探取样装置的取样方法，包括如下步骤：
17.采集所述岩土施加给所述钻杆的反作用力；
18.接收并判断所述反作用力与预设阈值的大小，当所述反作用力大于所述预设阈值时，控制所述超声电源的输出电流调小，以调小所述钻杆对所述岩土的钻削力。
19.本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例中的可原位感知的超声波钻探取样装置通过将压电式传感器和超声换能器设置呈环形，并由外至内依次套设在变幅杆的一端，同时将外部控制器与压电式传感器和用于给超声换能器供电的超声电源电性连接，接收并判断压电式传感器采集的岩土施加给钻杆的反作用力与预设阈值的大小，当所述反作用力大于所述预设阈值时，控制所述超声电源的输出电流调小，以调小所述钻杆对岩土的钻削力，避免坚硬岩土对钻杆产生较大的反作用力，从而实现对钻杆的保护，具有高度的安全性能以及对地外环境的适应性，适用于地外星体的钻探作业；另外，通过将压电式传感器和超声换能器设置呈环形，并套设在变幅杆的一端，使得可原位感知的超声波钻探取样装置的集成度较高，且结构紧凑。
附图说明
20.图1为本发明某一实施例中可原位感知的超声波钻探取样装置的剖面结构示意图；
21.图2为图1超声波取样装置中变幅杆3的结构示意图；
22.图3为图1超声波取样装置中钻杆7的结构示意图；
23.图4为本发明某一实施例中可原位感知的超声波钻探取样装置的电路结构示意图；
24.其中，1、后盖；101、第一连接法兰；2、超声换能器；3、变幅杆；301、环形连接板；302、抵接板；303、安装孔；4、自由质量块；5、壳体；501、第二连接法兰；6、复位弹簧；7、钻杆；701、取芯钻头；702、环形抵接部；8、绝缘套；9、压电式传感器；10、电缆接头；11、控制器；12、超声电源。
具体实施方式
25.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
26.请参考图1至图4，本发明的实施例提供了一种可原位感知的超声波钻探取样装
置，包括：变幅杆3、壳体5、钻杆7、压电式传感器9、超声换能器2、超声电源11和控制器11；
27.变幅杆3与壳体5固定连接，且变幅杆3的一端沿伸至壳体5的内部；变幅杆3位于壳体5内的一端设置有安装孔303；
28.钻杆7的一端插设在安装孔303内，另一端沿伸至壳体5的外部；钻杆7位于壳体5外部的一端设置有取芯钻头701；钻杆7的侧壁上设置有环形抵接部702；钻杆7上套设有复位弹簧6，复位弹簧6位于环形抵接部702与壳体5之间；
29.压电式传感器9和超声换能器2均呈环形，且由外至内依次套设在变幅杆3的另一端；变幅杆3一端的侧壁上还套设有绝缘套8，绝缘套8位于压电式传感器9和超声换能器2与变幅杆3之间；压电式传感器9用于采集岩土施加给钻杆7的反作用力；超声电源11与超声换能器2电性连接，用于给超声换能器2供电；控制器11分别与压电式传感器9和超声电源11电性连接，用于接收并判断所述反作用力与预设阈值的大小，当所述反作用力大于所述预设阈值时，控制超声电源11的输出电流调小，以调小钻杆7对所述岩土的钻削力。
30.参考图1和图2，所述可原位感知的超声波钻探取样装置还包括自由质量块4和后盖1；变幅杆3的一端设置有抵接板302；自由质量块4套设在钻杆7的一端，且位于抵接板302和环形抵接部702之间；变幅杆3的外侧壁上设置有环形连接板301；环形连接板301与变幅杆3一体成型连接，且位于变幅杆3的中间部位；后盖1的一端设置有第一连接法兰101；壳体5的一端设置有第二连接法兰501；第一连接法兰101、环形连接板301和第二连接法兰501通过螺栓可拆卸连接，使得超声换能器2和压电式传感器9位于后盖1内。
31.参考图1，为了方便与外部控制器11和超声电源11电性连接，后盖1上设置有电缆接头10；压电式传感器9通过电缆接头10与控制器11电性连接；超声换能器2通过电缆接头10与超声电源11电性连接。
32.本发明还提出一种采用上述可原位感知的超声波钻探取样装置的取样方法，包括如下步骤：
33.压电式传感器9采集所述岩土施加给钻杆7的反作用力；
34.控制器11接收并判断反作用力与预设阈值的大小，当所述反作用力大于所述预设阈值时，控制超声电源11的输出电流调小，从而调小超声换能器2的输出功率，以调小钻杆7对所述岩土的钻削力。
35.本实施例中可原位感知的超声波钻探取样装置的工作原理如下：
36.将位于外部的控制器11和超声电源11通过电缆接头10与压电式传感器9和超声换能器2分别电性连接，并将控制器11和超声电源11电性连接；超声电源11输入的交变电流由超声换能器2转化为高频的轴向振动，并由变幅杆3将该轴向振动放大产生小振幅、高频率的振动，并传递至自由质量块4，自由质量块4前端与钻杆7发生应力波的反射，并依靠复位弹簧6的压缩恢复，使得钻杆7沿其轴向的高频振动，达到钻探过程的冲击作用，实现钻探取样；另外，本实施例中的钻杆7在进行钻探作业时，钻杆7受到岩土施加的反向作用力，压电式传感器9采集反向作用力并以电信号的形式发送至控制器11，控制器11接收并判断压电式传感器9采集的岩土施加给钻杆7的反作用力与预设阈值的大小，当所述反作用力大于所述预设阈值时，控制超声电源11的输出电流调小，调小超声换能器2的输出功率，从而减小自由质量块4和钻杆7的冲击作用，以调小钻杆7对岩土的钻削力，避免坚硬岩土对钻杆7产生较大的反作用力，从而实现对钻杆7的保护，具有高度的安全性能以及对地外环境的适应
性，适用于地外星体的钻探作业；另外，通过将压电式传感器9和超声换能器2设置呈环形，并套设在变幅杆3的一端，使得可原位感知的超声波钻探取样装置的集成度较高，且结构紧凑。
37.以上未涉及之处，适用于现有技术。
38.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
39.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
40.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。