可调单脉冲应力波定量产生装置及方法

摘要

本发明公开了一种可调单脉冲应力波定量产生装置，包括：执行单元、信号耦合单元、智能控制单元、驱动单元。本发明还公开了一种可调单脉冲应力波定量产生方法，包括步骤：给定freq；计算参数；给出或修正驱动脉冲；采集应力波特性；判断是否满足；存取参数。本发明的有益效果在于，闭环反馈修正方法实现应力波单脉冲，脉冲特性逐步逼近并存储，可重复调用，可实现自动测试系统的无缝对接，无回弹限位结构及其产生的噪声，可实现超低冲击能量应力波，从而实现节能要求，系统结构简单，投产资金需求少，利于量产。

权利要求

1.一种可调单脉冲应力波定量产生装置，其特征在于，包括：执行单元，包括相组合的永磁和撞针、套装在撞针下部的复位弹簧、设置在永磁和撞针外围的电磁线圈、设置在撞针下方的缓冲垫；

信号耦合单元，包括应力波耦合器，所述缓冲垫固定在所述应力波耦合器；

智能控制单元，包括依次连接的信号匹配装置、A/D采集芯片、数据缓存器、单片机，所述信号匹配装置与所述信号耦合单元相连接；

驱动单元，包括驱动电路、给驱动电路提供电源的电池，所述驱动电路的输入端连接所述单片机，电压输出端连接所述电磁线圈。

2.根据权利要求1所述的可调单脉冲应力波定量产生装置，其特征在于，所述应力波耦合器装配有校准传感器，所述校准传感器与所述信号匹配装置连接。

3.根据权利要求1所述的可调单脉冲应力波定量产生装置，其特征在于，所述驱动电路为BUCK型开关降压电源电路，其信号输入端接收单片机给出的PWM信号。

4.一种采用上述权利要求2所述的可调单脉冲应力波定量产生装置的可调单脉冲应力波定量产生方法，步骤包括：(1)给定一个频域响应特性脉冲freq、和第二次脉冲相对于第一次的比例R，所述所述C为波速，所述L为欲测试样本钻杆的长度；

(2)由智能控制单元计算得出所述freq所需驱动波形参数；

(3)由智能控制单元给出或修正一个驱动脉冲；

(4)通过校准传感器，采集整个应力波的特性；

(5)判决响应特性是否满足需求，如果不满足重复(3)-(5)，满足需求转向(6)；

(6)存取驱动参数，用于下次使用时调用。

5.根据权利要求4所述的可调单脉冲应力波定量产生方法，其特征在于，所述(2)为：通过对(1)freq的傅里叶逆变换，得出冲击脉冲的理想时域波形，并截主峰的前一个过零点作为主要波形数据，计算理想脉冲的作用宽度T1；

根据撞针行程 计算得t即为T， 计算得冲击前的冲量，通过缓冲垫向应力波耦合器传播，撞针在τ时间内速度逐渐变为0，这时调整电磁线圈的电磁驱动力与弹簧的合力为f1以延缓反弹的时间，使得 作为反弹过程的冲量逐渐抵消，使得撞针最终稳定于缓冲垫上；

根据满足所述条件的f、f1以及力的作用时刻，通过电磁铁的电压到力的转换关系与撞击点弹簧形变产生的反作用力综合作用得到不同时刻点所需的电压。

6.根据权利要求5所述的可调单脉冲应力波定量产生方法，其特征在于，所述(5)为：分析采集数据的速度波形特性，确保第二次过零点后的最大值不超过第一次峰值的比例R；

对于第二次过零点后的最大值超过第一次峰值的某个比例R调整反弹过程的控制，使得 趋于即对于响应频率过高，通过减小初始冲量的方法，延长τ，并减缓反弹过程的变化，即延缓驱动电压的波动；对于响应频率过低，可以通过增加初始冲量的方法，缩短τ，并加剧反弹过程的变化，即增加驱动电压在反弹过程中的波动。

7.根据权利要求5所述的可调单脉冲应力波定量产生方法，其特征在于，所述(3)为：通过PWM的占空比D确定降压系数VOUT＝Vpower*D，VOUT为驱动电路输出的电压，Vpower为电池的供电电压，依据(2)的电压时间关系，或者依据(5)判断的差异修正一个电压时间关系，计算得到D(t)的序列，从而由智能控制单元给出或修正一个驱动脉冲。

说明书

可调单脉冲应力波定量产生装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及可调单脉冲应力波定量产生装置及方法，属于实验或工程测量的信号发生的技术领域。

背景技术

[0002] 为实现对钻探质量的三维监控，其中一项重要的工作就是及时度量单孔钻探结束时的钻杆长度，需要满足两个关键要素：1)自动测量(规避人为因素)；2)及时(每个钻孔钻探结束时度量)。传统落锤实验装置，通常是落锤从某一实验设定高度释放，沿导杆自由落体冲击标准式样，然后测试式样，取得需要的数据。当这些落锤冲击试样机在落锤冲击实验中，落锤打击试样后，因为落锤和试样的碰撞根据试样的材质不同，有时落锤会产生一定高度的反弹后形成二次冲击甚至是三次冲击。按照这种传统方式，项目试样钻杆为钢材，几乎每次都产生多次冲击，无法实现自动判别；手锤虽然实验效果较为理想，但是不能满足自动测量，避免人为因素的要求。另外钻探深度各不相同，钻杆是由许多短钻杆链接而成，在每一个连接点都会对应力波产生反射，因此需要提供一种或者能够适应钻杆特性，反应钻杆长度的冲击信号来激励，才能实现有效的自动判断杆长的功能。在这种背景下，通过查找各种专利以求解决面临的问题，均没有很好的满足需求。以下是可能使用相关技术的专利查询状况。

[0003] 申请号为89101989.8发明的声波发生器，虽然也是采用电磁式驱动产生震动波，但是其无法实现单脉冲。

[0004] 申请号为200710015387.8发明的电动冲击工具，是一种冲击钻工具类，不属于信号发生类。控制的参数对象和用途都与本发明各不相同。

[0005] 申请号为200910054273.3发明的一种落锤冲击试验机防二次打击装置，该发明采用电磁驱动和机械限位方式实现，其具有以下缺点：1、机械限位装置的动作会造成发生器本省产生震动效应，从而在自身形成干扰信号，因此改装置如果直接安装在试样上，需要足够高的冲击能量以提高信噪比，来满足测试需要；2、冲击的应力波的响应特性调节能力有限，由于缺乏信号的反馈回路，不能做到按需调节；3、机械结构的不同程度磨损会带来不可预期的冲击波形失真。

[0006] 申请号为200910061264.7发明的电磁式钻探冲击器，虽然也采用的电磁激励方式，但是他不属于信号发生装置，是钻探过程的一种电磁激励控制。控制的参数对象，方法和用途都与本发明各不相同。

[0007] 申请号为201010546911.6发明一种冲击响应谱试验机，虽然提到了特定冲击普特性，但是其使用电机控制，并不是直接电磁激励；对冲击响应并没有闭环修正；发明的原理和应用领域都完全不相同，只是信号的相对精确控制需求相同。

[0008] 申请号为201110409501.1发明一种冲击试验装置及方法，该方法带有限位装置，限位装置的噪声影响，不可实现一体装配，或者需要非常大的冲击能量来提高信噪比；由于采用简单的单向调节控制，虽然可以实现产生信号，但是无法对信号的具体特性进行精确控制和修正，只可适用于特定测试对象特定测试，或者根据需要选择不同的 冲击头、以得到所需的激振频率。控制的参数对象、方法都与本发明各不相同。

[0009] 申请号为201110437858.0发明一种冲击测试系统。该系统不属于直接电磁激励方式，而是通过电机驱动；该系统是一种通过控制系统实现自动敲击的功能，虽然冲击一致性可以得到保障，但是没有对冲击效果取样分析，不能做到修正冲击信号的目的。系统结构复杂，不利于小型化。控制的参数对象、方法都与本发明各不相同。

[0010] 申请号为201110305568.0发明一种冲击试验机，其中使用了电磁铁，但是电磁铁不用于冲击激励，而是固定冲击重锤。控制的参数对象、方法都与本发明各不相同。

[0011] 申请号为201110200670.4发明一种机械式双储能冲击机构及冲击方法，其具有以下缺点：1、没有明确确保单次冲击；2、结构复杂，不利于小型化。3、不能对冲击的参数精确控制。该发明控制的参数对象、方法都与本发明各不相同。

[0012] 申请号为201210361908.6发明工作台式电子冲击力锤，是一种应力波测试的自动敲击装置，由于采用简单的单向调节控制，虽然可以实现产生信号，但是无法对信号的具体特性进行精确控制和修正，只可适用于特定测试对象特定测试，或者根据需要选择不同的力传感器和冲击头、以得到所需的激振频率。从实现原理和方法有着质的区别。

[0013] 申请号为201310120007.2发明了一种电磁冲击器，该发明主要针对气动冲击器的使用不便利性解决问题，主要用于大功率冲击，没 有考虑避免二次冲击的功能，更无法满足单次冲击的需要。

[0014] 申请号为201120153039.9发明设计的内激式应力波发生器，是一个单向开环系统，只是产生一个特定的激励信号，并且不是单脉冲发生器。

发明内容

[0015] 本发明要解决的技术问题之一是提供一种可调单脉冲应力波定量产生装置。

[0016] 本发明是通过以下技术方案来实现的。

[0017] 一种可调单脉冲应力波定量产生装置，包括：

[0018] 执行单元，包括相组合的永磁和撞针、套装在撞针下部的复位弹簧、设置在永磁和撞针外围的电磁线圈、设置在撞针下方的缓冲垫；

[0019] 信号耦合单元，包括应力波耦合器，上述缓冲垫固定在上述应力波耦合器；

[0020] 智能控制单元，包括依次连接的信号匹配装置、A/D采集芯片、数据缓存器、单片机，上述信号匹配装置与上述信号耦合单元相连接；

[0021] 驱动单元，包括驱动电路、给驱动电路提供电源的电池，上述驱动电路的输入端连接上述单片机，电压输出端连接上述电磁线圈。

[0022] 进一步地，上述应力波耦合器装配有校准传感器，上述校准传感器与上述信号匹配装置连接。

[0023] 进一步地，上述驱动电路为BUCK型开关降压电源电路，其信号输入端接收单片机给出的PWM信号。

[0024] 本发明要解决的技术问题之二是提供一种可调单脉冲应力波定 量产生方法，步骤包括：

[0025] (1)给定一个频域响应特性脉冲freq、和第二次脉冲相对于第一次的比例R，上述上述C为波速，上述L为欲测试样本钻杆的长度；

[0026] (2)由智能控制单元计算得出上述freq所需驱动波形参数；

[0027] (3)由智能控制单元给出或修正一个驱动脉冲；

[0028] (4)通过校准传感器，采集整个应力波的特性；

[0029] (5)判决响应特性是否满足需求，如果不满足重复(3)-(5)，满足需求转向(6)；

[0030] (6)存取驱动参数，用于下次使用时调用。

[0031] 进一步地，上述(2)为：

[0032] 通过对(1)freq的傅里叶逆变换，得出冲击脉冲的理想时域波形，并截主峰的前一个过零点作为主要波形数据，计算理想脉冲的作用宽度T1；

[0033] 根据撞针行程 计算得t即为T， 计算得冲击前的冲量，通过缓冲垫向应力波耦合器传播，撞针在τ时间内速度逐渐变为0，这时调整电磁线圈的电磁驱动力与弹簧的合力为f1以延缓反弹的时间，使得 作为反弹过程的冲量逐
渐抵消，使得撞针最终稳定于缓冲垫上；

[0034] 根据满足上述条件的f、f1以及力的作用时刻，通过电磁铁的电压到力的转换关系与撞击点弹簧形变产生的反作用力综合作用得到不同时刻点所需的电压。

[0035] 进一步地，上述(5)为：

[0036] 分析采集数据的速度波形特性，确保第二次过零点后的最大值不超过第一次峰值的比例R；

[0037] 对于第二次过零点后的最大值超过第一次峰值的某个比例R调整反弹过程的控制，使得 趋于

[0038] 即对于响应频率过高，通过减小初始冲量的方法，延长τ，并减缓反弹过程的变化，即延缓驱动电压的波动；对于响应频率过低，可以通过增加初始冲量的方法，缩短τ，并加剧反弹过程的变化，即增加驱动电压在反弹过程中的波动。

[0039] 进一步地，上述(3)为：

[0040] 通过PWM的占空比D确定降压系数VOUT＝Vpower*D，VOUT为驱动电路输出的电压，Vpower为电池的供电电压，依据(2)的电压时间关系，或者依据(5)判断的差异修正一个电压时间关系，计算得到D(t)的序列，从而由智能控制单元给出或修正一个驱动脉冲。

[0041] 本发明的有益效果：

[0042] 1)、闭环反馈修正方法实现应力波单脉冲；

[0043] 2)、脉冲特性逐步逼近并存储，可重复调用；

[0044] 3)、可实现自动测试系统的无缝对接；

[0045] 4)、无回弹限位结构及其产生的噪声；

[0046] 5)、由于4)要点，可实现超低冲击能量应力波，从而实现节能要求；

[0047] 6)、系统结构简单，投产资金需求少，利于量产。

附图说明

[0048] 图1为可调单脉冲应力波定量产生装置的结构示意图；

[0049] 图2为智能控制单元的结构示意图；

[0050] 图3为驱动电路的结构示意图。

[0051] 图4a为本发明针对钻杆长度检测用信号源的拟合过程图(状态1)；

[0052] 图4b为本发明针对钻杆长度检测用信号源的拟合过程图(状态2)；

[0053] 图4c为本发明针对钻杆长度检测用信号源的拟合过程图(状态3)；

[0054] 图4d为本发明针对钻杆长度检测用信号源的拟合过程图(状态4)；

[0055] 图4e为本发明针对钻杆长度检测用信号源的拟合过程图(状态5)；

[0056] 图4f为本发明针对钻杆长度检测用信号源的拟合过程图(状态6)；

[0057] 图4g为本发明针对钻杆长度检测用信号源的拟合过程图(状态7)；

[0058] 图4h为本发明针对钻杆长度检测用信号源的拟合过程图(状态8)。

[0059] (图4a-图4h理论预期的理想频域响应特性的波形为波形a，理想频域波形反傅里叶变换波形为波形b、对应的频域波形为波形c； 图4a-图4g为工作流程细节的示意，图4h为此次钻杆长度检测的最终使用信号波形)

具体实施方式

[0060] 下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

[0061] 实施案例1：

[0062] 图1为可调单脉冲应力波定量产生装置的结构示意图，可调单脉冲应力波定量产生装置，包括：

[0063] 执行单元，包括相组合的永磁和撞针2、套装在撞针下部的复位弹簧3、设置在永磁和撞针外围的电磁线圈1、设置在撞针下方的缓冲垫4；

[0064] 信号耦合单元，包括应力波耦合器5，缓冲垫4固定在应力波耦合器5；

[0065] 图2为智能控制单元的结构示意图，参照图2并结合图1，智能控制单元7，包括依次连接的信号匹配装71、A/D采集芯片72、数据缓存器73、单片机74，信号匹配装置71与信号耦合单元相连接(本实施例采用精密运放CA3140组成的信号匹配电路将信号输送给18bit高精度A/D采集芯片AD7641，通过FIFO缓冲后连接至STM32F407单片机)；

[0066] 驱动单元，包括驱动电路6、给驱动电路6提供电源的电池8，驱动电路6的输入端连接单片机74，电压输出端连接电磁线圈1。

[0067] 在本实施案例中，应力波耦合器5装配有校准传感器9，校准传感器9与信号匹配装置71连接。

[0068] 图3为驱动电路的结构示意图，参照图3并结合图1，驱动电路6为BUCK型开关降压电源电路，其信号输入端接收单片机74给出的PWM信号。

[0069] 实施案例2：

[0070] 可调单脉冲应力波定量产生方法，步骤包括：

[0071] (1)给定一个频域响应特性脉冲freq、和第二次脉冲相对于第一次的比例R，上述上述C为波速，上述L为欲测试样本钻杆的长度；

[0072] (2)由智能控制单元计算得出上述freq所需驱动波形参数；

[0073] (3)由智能控制单元给出或修正一个驱动脉冲；

[0074] (4)通过校准传感器，采集整个应力波的特性；

[0075] (5)判决响应特性是否满足需求，如果不满足重复(3)-(5)，满足需求转向(6)；

[0076] (6)存取驱动参数，用于下次使用时调用。

[0077] 进一步地，上述(2)为：

[0078] 通过对(1)freq的傅里叶逆变换，得出冲击脉冲的理想时域波形，并截主峰的前一个过零点作为主要波形数据，计算理想脉冲的作用宽度T1；

[0079] 根据撞针行程 计算得t即为T， 计算得冲击前的冲量，通过缓冲垫向应力波耦合器传播，撞针在τ时间内速度逐渐变为0，这时调整电磁线圈的电磁驱动力与弹簧的合力为f1以延缓反弹的时间，使得 作为反弹过程的冲量逐
渐抵消，使得 撞针最终稳定于缓冲垫上；

[0080] 根据满足上述条件的f、f1以及力的作用时刻，通过电磁铁的电压到力的转换关系与撞击点弹簧形变产生的反作用力综合作用得到不同时刻点所需的电压(理论上可以通过铁芯大小及位置，线圈，电流等以及胡克定律计算，也可根据预先测定的电压～作用力关系数据拟合的函数F(V)计算)。

[0081] 进一步地，上述(5)为：

[0082] 分析采集数据的速度波形特性，确保第二次过零点后的最大值不超过第一次峰值的比例R；

[0083] 对于第二次过零点后的最大值超过第一次峰值的某个比例R调整反弹过程的控制，使得 趋于

[0084] 即对于响应频率过高，通过减小初始冲量的方法，延长τ，并减缓反弹过程的变化，即延缓驱动电压的波动；对于响应频率过低，可以通过增加初始冲量的方法，缩短τ，并加剧反弹过程的变化，即增加驱动电压在反弹过程中的波动。

[0085] 进一步地，上述(3)为：

[0086] 通过PWM的占空比D确定降压系数VOUT＝Vpower*D，VOUT为驱动电路输出的电压，Vpower为电池的供电电压，依据(2)的电压时间关系，或者依据(5)判断的差异修正一个电压时间关系，计算得到D(t)的序列，从而由智能控制单元给出或修正一个驱动脉冲。

[0087] 实施例测试9～20m钢质钻杆，按照给定一个理想的频域响应特性freq的频谱图，冲击能量等需求，并选择24V最大3.7kN电磁驱 动组件，行程6mm。

[0088] 按照实施案例1，组装和连接好各个组件；

[0089] 根据设计好的频谱特性，冲击能量等参数需求，傅里叶逆变换得如图4a)速度波形，对应的频域波形，波形关于原点对称，通过时移(不改变频域特性)，并截取主峰的前一个过零点，计算理想脉冲的作用宽度T1(从主峰的前一个过零点开始到主峰后的第二个过零点为止的时间)；

[0090] 根据电磁驱动组件的参数和行程，根据动量动量守恒，撞针行程(为简化计算，这里计算时忽略弹簧反作用力带来的影响，并且驱动电压采取一个在该段时间内恒定不变的力)计算得T，计算得冲击前的冲量，通过橡胶垫向耦合器传播，根据选定的缓冲垫特性，使得撞针在时间内速度逐渐变为0(该参数可通过实验预先测得)，这时调整电磁驱动力与弹簧的合力为f1为原始驱动力f的1.5倍以延缓反弹的时间，并逐渐减小f1，使得作为反弹过程的冲量逐渐抵消，使得撞针最终稳定于缓冲垫上；

[0091] 根据f，f1按照F(V)的换算关系得到所需的电压，并按照电压与占空比D的关系得出，单片机按照的参数序列输出PWM信号；

[0092] PWM信号通过驱动和功率检波后，作用于电磁驱动机构，通过传感器测得系统的响应数据如图4a，分析发现第二次过零点后的最大值超过第一次峰值的0.067(1/15)；

[0093] 不满足系统判决条件，判断为反作用冲量不足，减缓反作用力f1的衰减速度，并重新按照本发明提供的方法计算合适的，重复上述 过程，分别展现中间环节波形如图4b-图4g；

[0094] 当到图4h时可以满足本次试验的需求，从图可清晰看出二次过零幅值很小，可视为噪声，频域特性吻合。

[0095] 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领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，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内。