專利名稱：便攜式超磁致伸縮震源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工程檢測儀器領(lǐng)域，更具體涉及一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，適
用于輸出瞬時(shí)機(jī)械沖擊脈沖，為錨桿檢測儀、聲波檢測儀等工程提供應(yīng)力波、超聲波震源。
背景技術(shù)：
超磁致伸縮材料(Giant Magnetostrictive Material，G匪)是利用稀土元素的磁
致伸縮效應(yīng)與金屬形成化合物制成的一種新型敏感材料，具有電磁能與機(jī)械能或聲能相互
轉(zhuǎn)換功能。稀土超磁致伸縮材料具有應(yīng)變大、推力大、機(jī)電耦合系數(shù)高、能量轉(zhuǎn)換效率高、穩(wěn)
定性好、可靠性高的特點(diǎn)，可用于超精密加工、機(jī)器人、減振降噪、微機(jī)電系統(tǒng)、微控制系統(tǒng)、
線性馬達(dá)、燃油噴射系統(tǒng)、微型泵、水聲換能器、電聲換能器(聲頻和超聲換能器)等領(lǐng)域。 在工程檢測領(lǐng)域，超磁致伸縮材料常應(yīng)用于制備檢測設(shè)備的信號(hào)發(fā)生裝置。例如，
采用應(yīng)力波反射法來檢測錨桿質(zhì)量時(shí)，需提供彈性應(yīng)力波信號(hào)。彈性應(yīng)力波沿錨桿傳播并
向錨桿周圍輻射能量，當(dāng)錨桿周圍或底端介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，例如砂漿不飽滿或空漿等，將產(chǎn)
生反射信號(hào)。檢測設(shè)備的接收檢波裝置(傳感器)檢測到彈性波傳播和反射回波信號(hào)。反
射信號(hào)的能量強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間取決于錨桿周圍或端部的灌漿狀況。通過對檢測到的信號(hào)波
形進(jìn)行處理和分析，可以確定錨桿長度以及灌槳的整體質(zhì)量。 又如，采用聲波法檢測混凝土質(zhì)量時(shí)，需由發(fā)射換能器提供一定頻率的聲波信號(hào)，該聲波在混凝土介質(zhì)中傳播，由接收換能器在另一點(diǎn)接收。檢測設(shè)備沿某方向以一定的間距布置發(fā)射測點(diǎn)和接收測點(diǎn)，逐點(diǎn)發(fā)射并接收聲波。由于聲波遇到混凝土介質(zhì)缺陷會(huì)產(chǎn)生反射、透射、繞射，通過對接收彈性波的聲學(xué)參數(shù)和波形特征進(jìn)行處理和分析，便可確定樁身混凝土缺陷的性質(zhì)、位置、范圍，從而推斷樁身混凝土的連續(xù)性、完整性和均勻性狀況。
上述錨桿檢測用彈性應(yīng)力波震源及混凝土檢測用聲波震源均可采用超磁致伸縮材料制備，通過改變超磁致伸縮材料周圍磁場使超磁致伸縮材料的幾何尺寸發(fā)生變化(發(fā)生應(yīng)變)，從而輸出機(jī)械振動(dòng)形成激震震源。 超磁致伸縮材料周圍的磁場通常采用通電線圈電磁感應(yīng)產(chǎn)生。沿超磁致伸縮材料的應(yīng)變方向纏繞數(shù)匝線圈，由控制電路控制線圈的通電電流。根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，通過控制通電線圈中的電流的大小、方向，使電流發(fā)生變化，將產(chǎn)生變化的磁場。通過控制電路控制超磁致伸縮材料在變化的磁場中發(fā)生伸縮應(yīng)變， 一次應(yīng)變可提供應(yīng)力波震源， 一定頻率的振蕩應(yīng)變可形成聲波震源。 現(xiàn)有技術(shù)的超磁致伸縮震源裝置通常由沖擊輸出桿、控制電路、供電模塊三部分組成，如專利號(hào)ZL 200620099590.9《一種超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)裝置》、專利號(hào)95119676. 6《激
振器裝置》涉及的超磁致伸縮震源裝置。例如，當(dāng)將該超磁致伸縮震源裝置應(yīng)用于錨桿檢測儀時(shí)，該震源裝置需提供一次強(qiáng)有力的激震以產(chǎn)生彈性應(yīng)力波。 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解，超磁致伸縮材料發(fā)生應(yīng)變的速度與其周圍的磁場強(qiáng)度變化的速度成正比，而超磁致伸縮材料周圍的磁場強(qiáng)度與沿其應(yīng)變方向纏繞的通電線圈的通電電流成正比，因而若要使超磁致伸縮震源裝置激發(fā)出強(qiáng)有力的激震，則必須使超磁致伸縮材料上纏繞的通電線圈的電流發(fā)生較大的變化率。而現(xiàn)有技術(shù)的錨桿檢測儀的超磁致伸縮震源裝置通常采用350V左右高壓瞬間放電的方式提供瞬變電流，從而激勵(lì)超磁致伸縮材料發(fā)生瞬間應(yīng)變。然而，現(xiàn)有技術(shù)存在一定缺陷。 首先，由于現(xiàn)有技術(shù)的超磁致伸縮震源裝置充電高壓有限(僅有350V左右)、放電
時(shí)間有限(受控制電路制約)，致使提供給通電線圈的電流變化率受限。 其次，由于現(xiàn)有技術(shù)的超磁致伸縮震源裝置放電時(shí)間受限，而又需使通電線圈的
電流有一定的變化率，則必須在有限的放電時(shí)間內(nèi)提供較大的電流，因而每次伸縮應(yīng)變需
要的能量較大，因此需提供大容量的充電電池及高壓電容，由于電池體積較大，供電模塊通
常必須與沖擊輸出桿及控制電路分開。同時(shí)，由于采用了大容量、耐高壓的電解電容，而這
些電容通常體積較大，因此導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)的錨桿檢測儀震源裝置體積較大。 此外，由于超磁致伸縮震源裝置輸出的瞬時(shí)機(jī)械沖擊脈沖的力度與其沖擊輸出桿
質(zhì)量和加速度成正比，在現(xiàn)有技術(shù)中，沖擊輸出桿后部通常配備有例如實(shí)心鋼等較大密度
的材料制成的一定質(zhì)量的配重塊，以保證超磁致伸縮震源裝置輸出的瞬時(shí)機(jī)械沖擊脈沖的
力度。 一方面，金屬配重塊增加了超磁致伸縮震源裝置的制作成本；另一方面，沖擊輸出桿
的空間有限，配備了實(shí)心配重塊后便沒有多余空間安裝控制電路，因此現(xiàn)有技術(shù)的沖擊輸
出桿與控制電路通常也分開，通過電纜線與控制電路相連。連接超磁致伸縮震源裝置沖擊
輸出桿、控制電路、供電模塊三部分的操作控制電纜長而重，操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，且操作起來
也較為不便。 另外，現(xiàn)有技術(shù)的震源裝置的沖擊輸出桿與超磁致伸縮材料之間通常通過二次螺紋連接，且某些現(xiàn)有技術(shù)的震源裝置的沖擊輸出桿與引導(dǎo)護(hù)頭固定為一個(gè)整體，使得震源裝置輸出的瞬時(shí)機(jī)械脈沖能量部分耗散至連接處及引導(dǎo)護(hù)頭，由于慣性，導(dǎo)致輸出機(jī)械脈沖的脈沖寬度變大，不利于產(chǎn)生沖擊效應(yīng)。 綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)的錨桿檢測儀用超磁致伸縮震源裝置的充電高壓、放電時(shí)間有限，沖擊輸出桿、控制電路、供電模塊三部分由于其配有配重塊及大容量的充電電池及高壓電容必須分開設(shè)計(jì)，其二次螺紋連接及引導(dǎo)護(hù)頭使輸出機(jī)械脈沖能量耗散，這些不利之處都需進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供了一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，將沖擊輸出桿、控制電路、電池三者集成在一個(gè)裝置中，并采用新型控制電路，不僅提高了裝置的便攜性，而且提高了用于產(chǎn)生磁場的通電線圈中的電流變化速率，增強(qiáng)了震源激震力度和輸出沖擊脈沖信號(hào)質(zhì)量，提高了檢測工作效率，便于現(xiàn)場操作和使用。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施 本發(fā)明的一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，該震源裝置包括沖擊輸出桿(可由金屬材料制備，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員不付出任何創(chuàng)造性勞動(dòng)均可制備)、導(dǎo)引護(hù)頭(可由金屬材料制備，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員不付出任何創(chuàng)造性勞動(dòng)均可制備)、預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板(可由金屬材料制備，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員不付出任何創(chuàng)造性勞動(dòng)均可制備)、超磁致伸縮材料棒(G匪棒，可由超磁致伸縮材料如Terfenol-D制備)、驅(qū)動(dòng)線圈(由2mm漆包線繞制)、外殼(可由金屬材料制備)、沖擊控制電路(本發(fā)明獨(dú)創(chuàng))、供電模塊(本領(lǐng)域普通
4技術(shù)人員均可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)利用常用電子元件制備)、后蓋(可由金屬材料制備)，以及帶 指示燈操作按鈕(武漢華和機(jī)電技術(shù)有限公司的WH-09型按鈕)，其特征在于，所述本發(fā)明 獨(dú)創(chuàng)的便攜式?jīng)_擊控制電路和供電模塊一體化裝配在震源裝置的外殼內(nèi)，便于現(xiàn)場測試操 作。其中沖擊輸出桿、導(dǎo)引護(hù)頭、外殼、后蓋均可由金屬材料制備，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員均可 根據(jù)附圖及下文具體實(shí)施方式
利用常用電子元件制備。G匪棒可由鐵與稀土金屬鋱、鏑的合 金Tb-Dy-Fe鋱鏑鐵磁致伸縮合金材料(如Terfenol-D)制成，例如北京鋼鐵研究總院研發(fā) 生產(chǎn)的GMM棒。其中本發(fā)明獨(dú)創(chuàng)的便攜式?jīng)_擊控制電路及供電模塊的結(jié)構(gòu)將在以下詳細(xì)描 述。 本發(fā)明的超磁致伸縮震源裝置為直動(dòng)型超磁致伸縮震源，其中的GMM棒沿外殼的
軸向發(fā)生的應(yīng)變比沿外殼的徑向發(fā)生的應(yīng)變大得多。因此，當(dāng)G匪棒受變化的磁場激發(fā)發(fā)
生應(yīng)變后，便會(huì)推動(dòng)與之接觸的沖擊輸出桿沿導(dǎo)引護(hù)頭軸向伸縮移動(dòng)。 其特征在于，所述的沖擊控制電路與驅(qū)動(dòng)線圈及供電模塊相連，沖擊控制電路和
供電模塊一體化裝在震源裝置的外殼內(nèi)，便于現(xiàn)場測試操作，沖擊輸出桿依次與導(dǎo)引護(hù)頭、
外殼、后蓋連接。沖擊輸出桿通過導(dǎo)引護(hù)頭固定，可沿導(dǎo)引護(hù)頭在外殼的軸向自由往復(fù)移
動(dòng)。導(dǎo)引護(hù)頭為錐形圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)引護(hù)頭的底面連接在外殼的一端，導(dǎo)引護(hù)頭的頂面開有與
沖擊輸出桿外徑大小相同的孔，沖擊輸出桿便可在導(dǎo)引護(hù)頭的頂面孔內(nèi)沿外殼軸向往復(fù)移
動(dòng)。所述的預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板包括螺旋絲口及配套螺母，所述超磁致伸縮棒與所述沖擊輸
出桿通過所述螺旋絲口連接，旋轉(zhuǎn)所述螺母可調(diào)整所述預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力
大小，所述沖擊輸出桿直接由所述G匪棒驅(qū)動(dòng)。插座為多用插座，與外殼內(nèi)的供電模塊連
接，充滿電使用時(shí)插座接插帶指示燈的操作按鈕，使用完畢后充電時(shí)接插充電器。當(dāng)插座接
插所述帶指示燈的操作按鈕時(shí)，所述操作按鈕與供電模塊連接，用于顯示沖擊控制電路的
充電能量準(zhǔn)備就緒情況，當(dāng)充電能量滿足激勵(lì)要求，指示燈亮，此時(shí)按下操作按鈕即可產(chǎn)生
一次機(jī)械脈沖輸出。 本發(fā)明的超磁致伸縮震源裝置外殼腔體內(nèi)部包括超磁致伸縮棒(G匪棒)、驅(qū)動(dòng)線 圈、預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板、控制電路以及供電模塊。其中G匪棒、驅(qū)動(dòng)線圈、預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板 置于裝置外殼腔體前端，與沖擊輸出桿相連的G匪棒置于腔體前端正中心位置，其外徑被 驅(qū)動(dòng)線圈同軸纏繞包圍，使G匪棒位于驅(qū)動(dòng)線圈的中央。超磁致伸縮棒與沖擊控制電路置 于腔體中部，而與驅(qū)動(dòng)線圈及沖擊控制電路連接的供電模塊置于腔體后端。超磁致伸縮震 源裝置的腔體前端、腔體中部及腔體后端通過外殼內(nèi)壁的固定卡槽相互隔開，以保持其結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定。 沖擊輸出桿與超磁致伸縮棒保持連接，并被預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板卡住壓緊。預(yù)壓應(yīng) 力調(diào)節(jié)壓板可由碟簧彈簧和螺母組合構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)螺母即可調(diào)整預(yù)壓應(yīng)力的大小。驅(qū)動(dòng)線圈 中的輸入電流受控發(fā)生改變，通過控制驅(qū)動(dòng)線圈中的輸入電流，可控制G匪棒所處的磁場 強(qiáng)弱，由此控制G匪棒的伸縮形變量，及沖擊輸出桿的輸出位移和輸出力。
位于震源裝置外殼腔體中部的沖擊控制電路與腔體前端的驅(qū)動(dòng)線圈、腔體后端的 供電模塊電氣相連，用以控制驅(qū)動(dòng)線圈中的供電電流，包括電流大小及方向。工作時(shí)，帶指 示燈的操作按鈕經(jīng)插座與控制電路及供電模塊連接，G匪棒、沖擊輸出桿、外殼和后蓋形成 閉合磁路。當(dāng)帶指示燈的操作按鈕閉合瞬間，控制電路中產(chǎn)生一瞬變脈沖信號(hào)。響應(yīng)于該 瞬變脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)線圈中的電流發(fā)生脈沖式瞬變，將產(chǎn)生瞬變脈沖磁場。在驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的瞬變脈沖磁場作用下，置于驅(qū)動(dòng)線圈其中的G匪棒將按沖擊響應(yīng)發(fā)生伸縮形變。G匪棒立 即推動(dòng)與接觸的沖擊輸出桿發(fā)生瞬時(shí)位移，產(chǎn)生瞬時(shí)機(jī)械沖擊，由此便可提供一次彈性應(yīng) 力波震源。 供電模塊置于超磁致伸縮震源裝置的腔體后端，供電模塊包括充電電路、電池、供 電電路，其中充電電路及供電電路與插座相連。本發(fā)明采用體積小、能量大的鋰電池供電， 因此便可將沖擊輸出桿、控制電路、電池三者都集成在超磁致伸縮震源裝置中，結(jié)構(gòu)輕巧緊 湊，大大提高了便攜性。同時(shí)由于本發(fā)明的超磁致伸縮震源裝置采用鋰電池的低直流電壓 產(chǎn)生高電壓激發(fā)脈沖，增加了有效檢測范圍，提高檢測靈敏度和檢測信號(hào)的抗干擾能力。另 外，位于震源裝置外殼腔體中部的沖擊控制電路與腔體后端的供電模塊是有一定的質(zhì)量 的，因此它們還起了配重塊的作用，保證輸出機(jī)械沖擊脈沖的力度。在提高便攜性的同時(shí)， 也節(jié)省了現(xiàn)有技術(shù)中配重塊的花費(fèi)。 超磁致伸縮震源裝置的設(shè)計(jì)需綜合考慮多方面的因素，合理配置其機(jī)械參數(shù)和電 磁參數(shù)是本發(fā)明的一個(gè)重點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例，G匪棒可由鐵與稀土金屬鋱、 鏑的合金Tb-Dy-Fe鋱鏑鐵磁致伸縮合金材料(如Terfenol-D)制成。驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的驅(qū) 動(dòng)磁場強(qiáng)度Hp、預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力、及工作溫度對G匪棒的性能均有很大 的影響，要為G匪棒配置合理的特性參數(shù)必須先確定適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)場強(qiáng)、預(yù)壓應(yīng)力和工作溫 度。根據(jù)本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例，超磁致伸縮震源裝置根據(jù)磁致伸縮材料Terfenol-D的 特性曲線來設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)場強(qiáng)Hp和預(yù)壓應(yīng)力o y。 本發(fā)明的超磁致伸縮震源裝置其中一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)便是合理配置其預(yù)壓應(yīng)力調(diào) 節(jié)壓板。預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板與沖擊輸出桿相連。傳統(tǒng)的磁致伸縮震源裝置的預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié) 壓板為彈簧，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)彈簧上壓緊的螺母位置來調(diào)節(jié)預(yù)壓應(yīng)力的，彈簧線性關(guān)系不太 好，且產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力較小。而本發(fā)明的超磁致伸縮震源裝置的預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板采用優(yōu) 質(zhì)碟簧，能根據(jù)沖擊輸出桿及G匪棒的自重、放置方式自動(dòng)調(diào)整預(yù)壓應(yīng)力。其預(yù)壓應(yīng)力范圍 在6MPa與8MPa之間。 超磁致伸縮震源裝置的沖擊控制電路包括常規(guī)電子元件搭建成的直流高壓發(fā)生 器模塊及高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊。觸發(fā)脈沖由前面帶指示燈的操作按鈕產(chǎn)生，觸發(fā)脈沖為脈沖 寬度控制信號(hào)，傳輸至高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊。同時(shí)，直流高壓發(fā)生器模塊也接高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模 塊。高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端接驅(qū)動(dòng)線圈，輸出電流信號(hào)至驅(qū)動(dòng)線圈。高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模 塊根據(jù)帶指示燈的操作按鈕產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖信號(hào)控制直流高壓發(fā)生器模塊的通斷，輸出瞬 變脈沖電流至驅(qū)動(dòng)線圈。通過控制驅(qū)動(dòng)線圈中的電流，以控制穿過G匪棒的磁場強(qiáng)度，驅(qū)動(dòng) G匪棒的伸縮，推動(dòng)與之連接的沖擊輸出桿產(chǎn)生位移，從而發(fā)生瞬時(shí)機(jī)械沖擊。
根據(jù)本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例，超磁致伸縮震源裝置的直流高壓發(fā)生器模塊、高 壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊中還設(shè)有保護(hù)電路用于當(dāng)控制電路過流、短路或外殼溫度過熱時(shí)能自動(dòng)保 護(hù)，迅速關(guān)斷電路，使之停止工作。保護(hù)電路可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制備。例如，可采用保險(xiǎn)熔絲 接入控制電路中易過流的位置，或采用比較器加開關(guān)管搭建，也可以采用專業(yè)的保護(hù)芯片 完成。 沖擊控制電路的直流高壓發(fā)生器模塊利用鋰電池提供的直流電壓升壓產(chǎn)生高電 壓激發(fā)脈沖電流。直流高壓發(fā)生器模塊由變壓器、三極管、二極管、變壓器、及一些常規(guī)電 阻、電容器件組成。 一對參數(shù)完全相同的三極管對與相應(yīng)基極電阻、變壓器的初級(jí)線圈相
6連，構(gòu)成多諧振蕩器，使變壓器的初級(jí)線圈中產(chǎn)生交流振蕩，其中儲(chǔ)能延時(shí)元件利用變壓器 的初級(jí)線圈的電感實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的其它不同實(shí)施例，多諧振蕩器還可由555觸發(fā)器或 者通用門電路等構(gòu)成。 當(dāng)變壓器的次級(jí)線圈匝數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其初級(jí)線圈匝數(shù)時(shí)，在其次級(jí)線圈便輸出交流 高壓信號(hào)。變壓器另有一次級(jí)線圈，其后邊的電路用于根據(jù)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓的大 小形成反饋，以穩(wěn)定第一個(gè)次級(jí)線圈的交流高壓輸出。反饋偏置電壓VADJ由變壓器第二個(gè) 次級(jí)線圈輸出端口后邊的電路產(chǎn)生，加在初級(jí)線圈中的某一點(diǎn)。本發(fā)明的直流高壓發(fā)生器 模塊可產(chǎn)生高達(dá)1000V的高電壓，利用高電壓瞬間放電，可輸出瞬變脈沖電流，激勵(lì)G匪棒 發(fā)生瞬時(shí)形變，輸出機(jī)械沖擊，而不同于傳統(tǒng)的220V低電壓瞬時(shí)放電。
直流高壓發(fā)生器模塊的變壓器次級(jí)線圈輸出的交流高壓信號(hào)連接至高壓開關(guān)驅(qū) 動(dòng)模塊。高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊包括四個(gè)二極管搭建的半橋整流電路、常規(guī)RC濾波電路、及開 關(guān)電路。高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊通過高壓大功率垂直溝道絕緣柵場效應(yīng)管(VMOS)的高速關(guān)斷 來控制激發(fā)沖擊控制電路產(chǎn)生脈沖大電流。在另一個(gè)實(shí)施例中，也可選用更普遍的功率 CMOS管代替VMOS管。 該沖擊控制電路改善了超磁致伸縮震源裝置的靈敏度和抗干擾能力，滿足裝置的 便攜性和安全性要求。本發(fā)明的超磁致伸縮震源裝置不僅可用于前文所述錨桿檢測儀及聲 波檢測儀中，還可與具有外觸發(fā)同步輸出接口的彈性波檢測類設(shè)備配合使用，也可與內(nèi)部 具有信號(hào)觸發(fā)或通道觸發(fā)的彈性波檢測設(shè)備配合使用，還可根據(jù)需要定制紅外光電同步接 口等升級(jí)部件。 使用一種便攜式超磁致伸縮震源裝置的方法步驟為 A、將充電器插上插座，通過供電模塊給鋰電池充電。 B、充電完畢后，拔掉充電器，插上帶指示燈的操作按鈕。 C、等待約3秒鐘后，按下帶指示燈的操作按鈕，即可輸出機(jī)械沖擊信號(hào)。 本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的超磁致伸縮震源不僅可用于為錨桿檢測
儀提供應(yīng)力波震源，進(jìn)行錨桿長度和飽和度檢測、超前預(yù)報(bào)檢測，同時(shí)可為聲波檢測儀的發(fā)
射聲波換能器提供所需頻率的機(jī)械震源激勵(lì)，以形成聲波或超聲波，進(jìn)行巖土和混凝土聲
波對穿檢測。更進(jìn)一步，本發(fā)明的超磁致伸縮震源可適用于任何需要提供震源裝置的設(shè)備。 本發(fā)明的超磁致伸縮震源裝置將沖擊輸出桿、控制電路、電池三者集成在一個(gè)裝
置中，并采用新型控制電路，不僅提高了裝置的便攜性，減少了充電時(shí)間，而且增強(qiáng)了震源
信號(hào)質(zhì)量，提高了檢測工作效率。本發(fā)明揭示的超磁致伸縮震源與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下
優(yōu)點(diǎn)一體化設(shè)計(jì)，供電鋰電池與空轉(zhuǎn)電路全部集成到震源裝置殼體內(nèi)，提高了震源裝置工
作的可靠性；預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板采用細(xì)牙螺紋，使得調(diào)節(jié)預(yù)壓應(yīng)力更加精細(xì)，達(dá)到最大的位
移和沖擊力輸出；外殼的螺紋連接部分采用橡膠密封圈和密封膠密封，控制電路采用環(huán)氧
樹脂的灌封膠密封，滿足防水、防潮、防霉的要求；優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了震源的重量，便于
攜帶及野外操作；震源裝置的輸出能量可通過控制端進(jìn)行高低兩個(gè)級(jí)別的切換，以適應(yīng)不
同激勵(lì)強(qiáng)度需求。另外，本發(fā)明揭示的便攜式超磁致伸縮震源裝置具有發(fā)射功率大、性能穩(wěn)
定、能量轉(zhuǎn)換效率高、穿透距離遠(yuǎn)、接收信號(hào)頻帶寬、重復(fù)性好、計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、余震短、檢測靈敏
度高、檢測信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng)、操作方便、體積小巧輕便等優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明揭示的超磁致伸縮震源最大瞬間功率可達(dá)到10KW、20KW、40KW、80KW、100KW、120KW，功率脈沖可達(dá)lOOus ;發(fā)射電壓可達(dá)200V、400V、800V、 1600V ;余震僅為 400us ;探測距離可達(dá)到20m左右，且可保證較高的探測精度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的 超磁致伸縮震源發(fā)射電壓大大提高(從350V提高至1000V以上)，在沒有產(chǎn)生大電流的情 況下，提高了通電線圈的電流瞬間變化率，又避免了大電流對沖擊控制電路造成的隱患，其 沖擊輸出桿與G匪棒直接相連，引導(dǎo)護(hù)頭不參與傳遞能量，減少了機(jī)械脈沖的能量損失?？?知，本發(fā)明在提高便攜性、降低成本、提高輸出信號(hào)質(zhì)量方面取得了較好效果。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的便攜式超磁致伸縮震源裝置100的立體結(jié)構(gòu)示 意圖。其中l(wèi)-沖擊輸出桿；2-導(dǎo)引護(hù)頭；6-外殼；9-后蓋；11_插座；10_帶指示燈的操作按鈕。 圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖1所示便攜式超磁致伸縮震源裝置的剖面結(jié) 構(gòu)圖。其中l(wèi)-沖擊輸出桿、2-導(dǎo)引護(hù)頭；3-預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板(碟簧)；4-超磁致伸縮棒 (G匪棒)；5-驅(qū)動(dòng)線圈；6-外殼；7-沖擊控制電路；8-供電模塊(鋰電池)；9-后蓋；10-帶 指示燈操作按鈕。 圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖1、圖2所示超磁致伸縮震源裝置的控制電路 7的原理框圖。其中302-直流高壓發(fā)生器模塊；304-高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊；308-觸發(fā)脈沖； 314、316-保護(hù)電路。 圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖3所示一種制備超磁致伸縮震源裝置的沖擊 控制電路7的詳細(xì)電路圖。其中CTL-控制信號(hào)；R1 R14-電阻；C1 C7-電容；Q1 Q3、 Q5 Q10-三極管；Q4-功率場效應(yīng)管；D1 D9- 二極管。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明，以使本發(fā)明的 特性和優(yōu)點(diǎn)更為明顯。雖然本發(fā)明將結(jié)合實(shí)施例進(jìn)行闡述，但應(yīng)理解這并非意指將本發(fā)明 限定于這些實(shí)施例。相反，本發(fā)明意在涵蓋由后附權(quán)利要求項(xiàng)所界定的本發(fā)明精神和范圍 內(nèi)所定義的各種可選項(xiàng)，可修改項(xiàng)和等同項(xiàng)。 此外，在以下對本發(fā)明的詳細(xì)描述中，為了提供一個(gè)針對本發(fā)明的完全的理解，闡 明了大量的具體細(xì)節(jié)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，沒有這些具體細(xì)節(jié)，本發(fā)明同樣可以 實(shí)施。在另外的一些實(shí)例中，對于大家熟知的方案、流程、配件和裝置未作詳細(xì)描述，以便于 凸顯本發(fā)明之主旨。 請參閱圖l，其中顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的超磁致伸縮震源裝置100的立
體結(jié)構(gòu)示意圖。在本實(shí)施例中，超磁致伸縮震源裝置ioo主要用于為錨桿檢測儀提供彈性 應(yīng)力波震源。錨桿廣泛用于在工程現(xiàn)場錨固支護(hù)礦山、堤壩、巖洞、邊坡、隧道等。錨桿錨入 巖體后，將砂漿注入錨桿孔內(nèi)，砂漿硬化后，錨桿與周圍巖體形成一體，將相鄰巖體串聯(lián)在 一起，阻止不穩(wěn)定巖體的滑移，巖體間裂隙面壓密，使圍巖形成具有承受載荷能力的整體。 錨桿檢測儀主要用于檢測新近安裝錨桿的質(zhì)量及長期投入使用的錨桿的狀態(tài)，包括錨桿長 度、灌漿密實(shí)度、錨固缺陷位置、承載力、抗拔力、完整性、密度、穩(wěn)固程度、健康狀況等，同時(shí) 通過對不同錨固法錨固的錨桿進(jìn)行快速測試，可以對比評價(jià)其灌漿質(zhì)量，選擇最合適的錨背景技術(shù)中已有描述。超磁致伸縮震源裝置ioo置于錨桿外露 端，受帶指示燈的操作按鈕IO觸發(fā)后受控發(fā)生激振，產(chǎn)生彈性應(yīng)力波信號(hào)。接收檢波裝置 (傳感器)置于錨桿端部，接收該彈性應(yīng)力波信號(hào)經(jīng)錨桿發(fā)射、透射后的信號(hào)。
如圖l所示，該裝置100包括沖擊輸出桿1、導(dǎo)引護(hù)頭2、外殼6、后蓋9、插座11、 帶指示燈的操作按鈕10及充電器12。沖擊輸出桿1、導(dǎo)引護(hù)頭2、外殼6、后蓋9依次相連。 插座11固定在后蓋9上，用于接插帶指示燈的操作按鈕10與充電器12其中之一者?？刂?電路、供電模塊均集成在外殼6內(nèi)部。超磁致伸縮材料(G匪)制成的G匪棒也置于外殼6 內(nèi)部，并與沖擊輸出桿1接觸。沖擊輸出桿1通過導(dǎo)引護(hù)頭2固定，可沿導(dǎo)引護(hù)頭2在外殼 6的軸向自由往復(fù)移動(dòng)。導(dǎo)引護(hù)頭2為錐形圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，底面連接在外殼6的一端，頂面開有 與沖擊輸出桿1外徑大小相同的孔，沖擊輸出桿便可在導(dǎo)引護(hù)頭2的頂面孔內(nèi)沿外殼6軸 向往復(fù)移動(dòng)。插座11為多用插座，與外殼6內(nèi)的供電模塊連接，充滿電使用時(shí)插座11接插 帶指示燈的操作按鈕IO，使用完畢后充電時(shí)接插充電器12。 外殼6內(nèi)部的超磁致伸縮材料與傳統(tǒng)的壓電材料和磁致伸縮材料相比，在磁場的 作用下能產(chǎn)生大得多的長度或體積變化，更具有能量密度高、響應(yīng)速度快、輸出力大等特 點(diǎn)。本實(shí)施例的超磁致伸縮震源裝置100為直動(dòng)型超磁致伸縮震源，其中的超磁致伸縮材 料沿外殼6的軸向發(fā)生的應(yīng)變比沿外殼6的徑向發(fā)生的應(yīng)變大得多。因此，當(dāng)超磁致伸縮 材料受變化的磁場激發(fā)發(fā)生應(yīng)變后，便會(huì)推動(dòng)與之接觸的沖擊輸出桿1沿導(dǎo)引護(hù)頭2軸向 伸縮移動(dòng)。在本實(shí)施例中，沖擊輸出桿1、導(dǎo)引護(hù)頭2、外殼6、后蓋9均可由金屬材料制備， 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員均可根據(jù)圖1及圖2的示例結(jié)構(gòu)進(jìn)行制備。插帶指示燈的操作按鈕10 可選用武漢華和機(jī)電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的WH-09型開關(guān)。外殼6內(nèi)部的G匪棒可由鐵與稀 土金屬鋱、鏑的合金Tb-Dy-Fe鋱鏑鐵磁致伸縮合金材料(如Terfenol-D)制成，市面上已 有多種尺寸的G匪棒以供選擇，例如北京鋼鐵研究總院研發(fā)生產(chǎn)的G匪棒等。
請參閱圖2，其中顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖1所示超磁致伸縮震源裝置 100的剖面結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，該震源裝置100包括沖擊輸出桿1、導(dǎo)引護(hù)頭2、預(yù)壓應(yīng)力 調(diào)節(jié)壓板3、超磁致伸縮棒(G匪棒)4、驅(qū)動(dòng)線圈5、外殼6、沖擊控制電路7、供電模塊8以 及后蓋9。其中沖擊輸出桿1與導(dǎo)引護(hù)頭2相連，導(dǎo)引護(hù)頭2與外殼6相連，外殼6與后蓋 9相連，插座11置于后蓋9后端。驅(qū)動(dòng)線圈5可由2mm的漆包線繞制而成，沖擊控制電路7 可根據(jù)圖4所示電路由常用電子元件自行制備，供電模塊8可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制備。
其中G匪棒4、驅(qū)動(dòng)線圈5、預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板3置于超磁致伸縮震源裝置100前 端，沖擊控制電路7置于超磁致伸縮震源裝置100中部，而供電模塊8置于超磁致伸縮震源 裝置100后端。超磁致伸縮震源裝置100的前端、中部及后端通過外殼6內(nèi)壁固定的卡槽相 互隔開，以保持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。沖擊輸出桿1與G匪棒4通過預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板3的螺旋絲 口保持連接，并被預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板3卡住壓緊。G匪材料抗拉強(qiáng)度低，預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板 3用于產(chǎn)生預(yù)壓力，使G匪棒4工作在受壓條件下。此外，預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板3壓緊產(chǎn)生的 適當(dāng)預(yù)壓應(yīng)力可增大G匪棒4的磁致伸縮量。預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板3可由碟簧和螺母組合構(gòu) 成，通過旋轉(zhuǎn)螺母即可調(diào)整預(yù)壓應(yīng)力的大小。其中一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)至6-8MPa， 使G匪棒4產(chǎn)生最大機(jī)械位移輸出。 如圖2所示，G匪棒4置于超磁致伸縮震源裝置100前端正中心位置。G匪棒4的 外徑被驅(qū)動(dòng)線圈5同軸纏繞包圍，使G匪棒4位于驅(qū)動(dòng)線圈5的中央。驅(qū)動(dòng)線圈5中的輸
9入電流受控發(fā)生脈沖式改變，通過控制驅(qū)動(dòng)線圈5中的輸入電流，可控制G匪棒4所處的磁 場強(qiáng)弱。在驅(qū)動(dòng)線圈5產(chǎn)生的瞬變脈沖磁場作用下，G匪棒4按沖擊響應(yīng)作相應(yīng)的伸縮變 形，同時(shí)與之連接的沖擊輸出桿1會(huì)產(chǎn)生特有的機(jī)械瞬時(shí)沖擊現(xiàn)象。通過控制驅(qū)動(dòng)線圈5 中的輸入電流，可控制G匪棒4的伸縮形變量，及與之連接的沖擊輸出桿1的輸出瞬時(shí)機(jī)械 沖擊脈沖的位移和輸出力。 沖擊控制電路7置于超磁致伸縮震源裝置100中部，通過固定在外殼6內(nèi)壁的卡 槽與前端隔開。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，沖擊控制電路7的原理框圖及詳細(xì)電路圖請參 閱圖3、圖4，后文將詳細(xì)描述圖3及圖4所示沖擊控制電路7。回到圖2，沖擊控制電路7 與驅(qū)動(dòng)線圈5、供電模塊8電氣相連，用以控制驅(qū)動(dòng)線圈5中的供電電流，包括電流大小及 方向。工作時(shí)，帶指示燈的操作按鈕10(如圖1所示)經(jīng)插座11與沖擊控制電路7及供電 模塊8連接，G匪棒4、沖擊輸出桿1、外殼6和后蓋9形成閉合磁路。當(dāng)帶指示燈的操作按 鈕110閉合瞬間，沖擊控制電路7中產(chǎn)生一瞬變脈沖信號(hào)。響應(yīng)于該瞬變脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)線 圈5中的電流發(fā)生脈沖式瞬變，將產(chǎn)生瞬變脈沖磁場。在驅(qū)動(dòng)線圈5產(chǎn)生的瞬變脈沖磁場 作用下，置于其中的G匪棒4將按沖擊響應(yīng)發(fā)生伸縮形變。G匪棒4立即推動(dòng)與接觸的沖擊 輸出桿1發(fā)生瞬時(shí)位移，產(chǎn)生瞬時(shí)機(jī)械沖擊，由此便可提供一次彈性應(yīng)力波震源。采用沖擊 控制電路7，減少了脈沖輸出沖擊能量損失，輸出的機(jī)械脈沖的波形上升時(shí)間快，下降沿衰 減快，機(jī)械脈沖的寬度控制在200uS的時(shí)間內(nèi)，可在小于0. 2秒的間隔內(nèi)連續(xù)發(fā)射而無須等 待。根據(jù)不同實(shí)施例，帶指示燈的操作按鈕110的觸發(fā)方式可為單次、連續(xù)及外觸發(fā)。
供電模塊8置于超磁致伸縮震源裝置100的后端，通過固定在外殼6內(nèi)壁的卡槽 與中部隔開。供電模塊包括充電電路、電池、供電電路。充電電路、電池、供電電路與插座 210相連。其中帶指示燈操作按鈕110既可以顯示激勵(lì)控制的沖擊電路積蓄電能的情況，準(zhǔn) 備好后指示燈亮，此后才能按下操作按鈕110，輸出機(jī)械沖擊激勵(lì)。在本實(shí)施例中，采用體積 小、能量大的12V鋰電池供電，一次充電可連續(xù)使用20小時(shí)。因此便可將沖擊輸出桿1、控 制電路7、電池8三者都集成在超磁致伸縮震源裝置100中，結(jié)構(gòu)輕巧緊湊，大大提高了便攜 性。同時(shí)由于超磁致伸縮震源裝置IOO采用鋰電池的低直流電壓產(chǎn)生高電壓激發(fā)脈沖，增 加了有效檢測范圍，提高檢測靈敏度和檢測信號(hào)的抗干擾能力。 超磁致伸縮震源裝置100的設(shè)計(jì)需綜合考慮多方面的因素，合理配置其機(jī)械參數(shù) 和電磁參數(shù)是本發(fā)明的一個(gè)重點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例，G匪棒4可由鐵與稀土 金屬鋱、鏑的合金Tb-Dy-Fe鋱鏑鐵磁致伸縮合金材料(如美國Edge Technologies公司的 Terfenol-D超磁致伸縮材料)制成。Tb-Dy-Fe G匪棒4的主要特性參數(shù)包括磁致伸縮系 數(shù)A、彈性模量E、磁導(dǎo)率i！和動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)(133等。驅(qū)動(dòng)線圈5產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁場強(qiáng) 度Hp、預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板3產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力o y、及工作溫度t對G匪棒4的性能均有很大 的影響，要為G匪棒4配置合理的特性參數(shù)必須先確定適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)場強(qiáng)Hp、預(yù)壓應(yīng)力o y和 工作溫度t。根據(jù)本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例，超磁致伸縮震源裝置100根據(jù)磁致伸縮材料 Terfenol-D的特性曲線來設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)場強(qiáng)Hp和預(yù)壓應(yīng)力o y。預(yù)壓應(yīng)力。y的范圍在 6MPa與8MPa之間。根據(jù)本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例，驅(qū)動(dòng)場強(qiáng)Hp = 150KAm—、預(yù)壓應(yīng)力oy =7MPa，工作溫度t = 25°C 。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，驅(qū)動(dòng)場強(qiáng)Hp = 36kA. m—、預(yù)壓 應(yīng)力o y = 475N。 本發(fā)明的超磁致伸縮震源裝置100其中一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)便是合理配置其預(yù)壓應(yīng)
10力oy。傳統(tǒng)的磁致伸縮震源裝置的預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板為彈簧，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)彈簧上壓緊的 螺母位置來調(diào)節(jié)預(yù)壓應(yīng)力o y的，而本發(fā)明的超磁致伸縮震源裝置100的預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓 板3采用優(yōu)質(zhì)碟簧，能根據(jù)沖擊輸出桿1及G匪棒4的自重、放置方式自動(dòng)調(diào)整預(yù)壓應(yīng)力。
根據(jù)本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例，G匪棒4的直徑為10mmX40mm，長度為42mm ;驅(qū)動(dòng) 線圈5的內(nèi)徑為11. 5mm，匪數(shù)為1900。沖擊輸出桿1的直徑可為35mm、45mm、50mm、60mm、 80mm、100mm。 請參閱圖3，其中顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖1、圖2所示一種超磁致伸縮 震源裝置100的沖擊控制電路7的原理框圖。如圖3所示，該震源裝置100的沖擊控制電 路7包括直流高壓發(fā)生器模塊302、高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊304、觸發(fā)脈沖控制模塊308。觸發(fā) 脈沖308為帶指示燈的操作按鈕產(chǎn)生的控制信號(hào)，此觸發(fā)脈沖控制信號(hào)308將傳輸至高壓 開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊304。同時(shí)，直流高壓發(fā)生器模塊302也接高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊304。高壓開關(guān) 驅(qū)動(dòng)模塊304的輸出端312接驅(qū)動(dòng)線圈5，輸出電流信號(hào)至驅(qū)動(dòng)線圈5。高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊 304根據(jù)觸發(fā)脈沖控制信號(hào)308控制直流高壓發(fā)生器模塊302的通斷，輸出瞬變脈沖電流至 驅(qū)動(dòng)線圈5。通過控制驅(qū)動(dòng)線圈5中的電流，以控制穿過G匪棒4的磁場強(qiáng)度，驅(qū)動(dòng)G匪棒 4的伸縮，推動(dòng)與之連接的沖擊輸出桿1產(chǎn)生位移，從而發(fā)生瞬時(shí)機(jī)械沖擊。其工作原理在 前文圖1圖2部分已有描述，在此不復(fù)贅述。 根據(jù)本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例，超磁致伸縮震源裝置100的直流高壓發(fā)生器模塊 302、高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊304中還設(shè)有保護(hù)電路314、316，用于當(dāng)超磁致伸縮震源裝置100的 沖擊控制電路7過流、短路或外殼溫度過熱時(shí)能自動(dòng)保護(hù)，迅速關(guān)斷電路，使之停止工作； 當(dāng)沖擊控制電路7的電流、溫度狀態(tài)恢復(fù)正常時(shí)能自動(dòng)閉合電路，使之繼續(xù)工作。保護(hù)電路 314、316可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制備。例如，可采用保險(xiǎn)熔絲接入沖擊控制電路7中易過流的位 置，或采用比較器加開關(guān)管 搭建，也可以采用專業(yè)的保護(hù)芯片完成，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員均 可理解，在此不復(fù)贅述。 請參閱圖4，其中顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的圖3所示超磁致伸縮震源裝置 100的沖擊控制電路7的詳細(xì)電路圖。圖4僅詳細(xì)圖示沖擊控制電路7中的直流高壓發(fā)生 器模塊302及高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊304。在本實(shí)施例中，沖擊控制電路7的供電電源為12V充 電鋰電池，超磁致伸縮震源裝置100利用鋰電池提供的直流電壓升壓產(chǎn)生高電壓激發(fā)脈沖 電流。 如圖4所示，沖擊控制電路7包括直流高壓發(fā)生器模塊302、高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊 304，上半部分為直流高壓發(fā)生器模塊302，下半部分為高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊304，其中線圈Ll 即為前文所述的驅(qū)動(dòng)線圈5。直流高壓發(fā)生器模塊302由變壓器BYQ、三極管Q5 Q10、二 極管D2 D4、變壓器BYQ、及一些常規(guī)電阻、電容器件組成。 一對NPN型三極管Q5、Q6的發(fā) 射極共地相連。三極管Q6的集電極通過電阻R9與三極管Q5的基極相連，且連接至變壓器 BYQ初級(jí)線圈的一端。三極管Q6的基極通過電阻R8與三極管Q5的集電極相連，且連接至 變壓器BYQ初級(jí)線圈的另一端。變壓器BYQ有兩個(gè)獨(dú)立的次級(jí)線圈，其中一個(gè)次級(jí)線圈兩 端HAC1、HAC2輸出高壓交流信號(hào)，另一個(gè)次級(jí)線圈6、7腳提供反饋信號(hào)FHAC，另一端接地。
控制信號(hào)H/L通過電阻Rll及電阻R12分別接三極管Q7的基極及發(fā)射極。三極管 Q7的發(fā)射極同時(shí)接地，集電極接可調(diào)電阻RW2的滑動(dòng)端?？烧{(diào)電阻RW1與可調(diào)電阻RW2對 稱放置，可調(diào)電阻RW1、電阻RW2的兩固定端對接，其中一個(gè)對接的固定端接地，另一對接的固定端依次接電阻RIO及二極管D2，其中二極管D2的陽極與變壓器BYQ的次級(jí)線圈相接， 提供反饋信號(hào)FHAC。電阻R10兩端分別通過電容C3及電容C4接地，用于濾波。可調(diào)電阻 RW1、電阻RW2的滑動(dòng)端分別通過二極管D3、二極管D4與電阻R13相連，并通過電容C5接 地。電阻R13的另一端與三極管Q8的基極相連，三極管的基極通過電阻R15接地，發(fā)射極 接地。三極管Q8的集電極通過電阻R14與+12V電源相接。同時(shí)+12V電源通過電阻R14 與三極管Q9基極相接。三極管Q9的集電極與三極管QIO的集電極同時(shí)接+12V電源，三極 管Q9發(fā)射極接三極管Q10的基極，三極管Q10的發(fā)射極接地。 三極管對Q5、三極管Q6、電阻R8、電阻R9及變壓器BYQ的初級(jí)線圈構(gòu)成多諧振蕩 器，用于使變壓器BYQ的初級(jí)線圈中產(chǎn)生交流振蕩，其中儲(chǔ)能延時(shí)元件利用變壓器BYQ的初 級(jí)線圈的電感實(shí)現(xiàn)。多諧振蕩器電路不需要外加激勵(lì)信號(hào)就便能連續(xù)地、周期性地自行產(chǎn) 生矩形脈沖。該脈沖是由基波和多次諧波構(gòu)成，因此稱為多諧振蕩器。在本實(shí)施中，三極管 對Q5、三極管Q6為三極管。根據(jù)本發(fā)明的其它不同實(shí)施例，多諧振蕩器還可由555觸發(fā)器 或者通用門電路等構(gòu)成。電壓信號(hào)VADJ為反饋偏置電壓，加在變壓器BYQ的初級(jí)線圈中間 某一 點(diǎn)，為多諧振蕩器電路提供偏置。 當(dāng)變壓器BYQ的次級(jí)線圈匝數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其初級(jí)線圈匝數(shù)時(shí)，變壓器BYQ的次級(jí)線 圈端口 HAC1 、 HAC2處便輸出交流高壓信號(hào)。變壓器BYQ另有一次級(jí)線圈，輸出端口 FHAC， 其后邊的電路用于根據(jù)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓的大小形成反饋，以穩(wěn)定第一個(gè)次級(jí)線圈 端口 HAC1、 HAC2處的交流高壓輸出。上述的反饋偏置電壓VADJ由變壓器BYQ次級(jí)線圈輸 出端口FHAC后邊的電路產(chǎn)生。由于變壓器BYQ的兩個(gè)次級(jí)線圈輸出電壓是成正比的，因此 可用反饋偏置電壓VADJ來監(jiān)控變壓器BYQ第一個(gè)次級(jí)線圈輸出端HAC1、HAC2的交流電壓， 防止沖擊控制電路7過流而燒毀元器件。其中三極管Q10為功率三極管，起放大作用。通 過調(diào)節(jié)電位器RW1可調(diào)節(jié)輸出反饋電壓VADJ的大小。 其中變壓器BYQ脈沖變壓器的6-7腳的反饋線圈輸出的電壓經(jīng)過二極管D2和電 容C3整流濾波，經(jīng)過電阻R10限流，可調(diào)電阻RW1 、可調(diào)電阻RW2 、三極管Q7 、電阻Rl 1 、電阻 R12、二極管D3、電阻R13、電阻R15、三極管Q8、三極管Q9和三極管Q10組成電壓調(diào)節(jié)電路， 控制電阻R8、電阻R9和變壓器BYQ脈沖變壓器串聯(lián)諧振產(chǎn)生的高壓交流電壓。通過控制信 號(hào)H/L端的高低電平以便調(diào)節(jié)震源的輸出能量。 另外，三極管Q7、二極管D4、電阻Rll、電阻R12組成的電路可令沖擊控制電路7提 供兩檔高壓輸出?？刂菩盘?hào)H/L可選擇高壓輸出的檔位大小。當(dāng)控制信號(hào)H/L為高時(shí)，三 極管Q7導(dǎo)通，二極管D4陽極電壓為高，二極管D4導(dǎo)通，此時(shí)輸出的電壓VADJ較低，反之當(dāng) H/L端為低時(shí)VADJ輸出電壓較高。 直流高壓發(fā)生器模塊302的變壓器BYQ輸出的交流高壓信號(hào)經(jīng)端口 HAC1及HAC2 傳輸至高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊304。觸發(fā)脈沖控制模塊產(chǎn)生的控制信號(hào)CTL也連接至高壓開關(guān) 驅(qū)動(dòng)模塊304。高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊304是通過高壓大功率垂直溝道絕緣柵場效應(yīng)管(VMOS) Q4的高速關(guān)斷來控制激發(fā)沖擊控制電路7產(chǎn)生脈沖大電流的，VMOS管Q4作為開關(guān)管。在 另一個(gè)實(shí)施例中，VMOS管Q4也可選用更普遍的功率CMOS管。 高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊304由VMOS管Q4、電阻Rl、電阻R6、電阻R16、晶體管Ql、晶體 管Q3、二極管D6、二極管D9、電容C6、電容C7組成?？刂菩盘?hào)CTL通過電阻Rl接三極管Ql 的基極，同時(shí)三極管Ql的基極通過電阻R2接地，發(fā)射極直接接地。三極管Ql的集電極接三極管Q2的基極，并通過電阻R3接+12V電源。三極管Q2的發(fā)射極接地，集電極通過電阻 R6與三極管Q3的基極相連，并通過電阻R4接+12V電源。三極管Q3的發(fā)射極通過電阻R7 接地，集電極通過電阻R5接+12V電源。三極管Q3的發(fā)射極同時(shí)與VM0S管Q4的柵極相連。 VM0S管Q4的源極接地，漏極接線圈Ll (即驅(qū)動(dòng)線圈5)的一端。 同時(shí)，變壓器BYQ次級(jí)線圈端HAC1與二極管D6陽極、二極管D8陰極相連，變壓器 BYQ次級(jí)線圈端HAC2與二極管D7陽極、二極管D9陰極相連。二極管D8、二極管D9陽極接 地。二極管D6、二極管D7陰極與二極管D5陽極相連。二極管D5陰極通過電阻R16與線圈 Ll(即驅(qū)動(dòng)線圈5)的另一端相連。 驅(qū)動(dòng)功率VM0S管Q4相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)帶容性負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)，在高頻工作時(shí)電子開關(guān)的電 氣特性對沖擊控制電路7的性能有很大影響，同時(shí)VM0S管Q4電容的充、放電造成的損耗十 分顯著。為提高脈沖幅值需增強(qiáng)VM0S管Q4的開關(guān)特性，因此并沒有直接將控制脈沖信號(hào) CTL接到VM0S管Q4的柵極，而是采用了驅(qū)動(dòng)電路。在本實(shí)施例中，VM0S管Q4的驅(qū)動(dòng)電路 由晶體管Ql、晶體管Q2、晶體管Q3組成。其中晶體管Ql、晶體管Q2采用參數(shù)完全相同的 對稱型三極管，作為開關(guān)管；晶體管Q3采用功率場效應(yīng)管或功率三極管，以增大驅(qū)動(dòng)電流。 根據(jù)不同實(shí)施例，三極管Ql、三極管Q2、三極管Q3組成的驅(qū)動(dòng)電路可為CMOS緩沖器并聯(lián)驅(qū) 動(dòng)、場效應(yīng)管對管驅(qū)動(dòng)和雙極性三極管功率驅(qū)動(dòng)等不同形式。本實(shí)施例的直流高壓發(fā)生器 模塊302可產(chǎn)生高達(dá)1000V的高電壓，利用高電壓瞬間放電，可輸出瞬變脈沖電流，激勵(lì)G匪 棒4發(fā)生瞬時(shí)形變，輸出機(jī)械沖擊，而不同于傳統(tǒng)的220V低電壓瞬時(shí)放電。直流高壓發(fā)生 器模塊302輸出的交流高壓信號(hào)HAC 1、 HAC2連接至高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊。高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模 塊304不僅包括驅(qū)動(dòng)電路，還包括半橋整流網(wǎng)絡(luò)及RLC電路。在本實(shí)施例中，二極管Q6、二 極管Q7、二極管Q8、二極管Q9構(gòu)成半橋整流網(wǎng)絡(luò)。由于直流高壓發(fā)生器模塊302中變壓器 BYQ次級(jí)線圈端HAC1、 HAC2輸出的交流高壓信號(hào)與其初級(jí)線圈是隔離開的，半橋整流網(wǎng)絡(luò) 可將HAC1、HAC2端輸出的交流高壓信號(hào)正壓部分通過，使輸出的信號(hào)。根據(jù)不同實(shí)施例，也 可采用其它電源模塊。二極管D5起進(jìn)一步整流作用，電容C6為濾波電容。直流高壓發(fā)生 器模塊302的RLC電路包括線圈Ll(即驅(qū)動(dòng)線圈5)、電容C7、電阻R16，三者串聯(lián)。RLC電 路用于串聯(lián)諧振產(chǎn)生高頻高壓脈沖信號(hào)。下面結(jié)合RLC電路描述高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊304的 工作過程。當(dāng)控制信號(hào)CTL為低電平，開關(guān)管Q4關(guān)斷時(shí)，電容C7充電，高壓電源通過漏極 電阻R16對電容C7充電。由于充電過程在短時(shí)間內(nèi)完成，故電阻R16、電容C7不可取值過 大，且電容C7應(yīng)耐高壓。此時(shí)開關(guān)管Q1關(guān)斷，Q2開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)管Q3關(guān)斷。當(dāng)控制信 號(hào)CTL為高電平，開關(guān)管Q4導(dǎo)通時(shí)，電容C7通過線圈Ll (即驅(qū)動(dòng)線圈5)和VMOS管Q4放 電。此時(shí)在線圈L1(驅(qū)動(dòng)線圈5)上產(chǎn)生脈沖電流，激勵(lì)G匪棒4發(fā)生機(jī)械沖擊。此時(shí)開關(guān) 管Ql導(dǎo)通，開關(guān)管Q2關(guān)斷，三極管Q3導(dǎo)通。在本實(shí)施中，通過RLC電路的匹配網(wǎng)絡(luò)來調(diào)諧 使電路工作在換能器的諧振頻率，激勵(lì)線圈Ll (驅(qū)動(dòng)線圈5)產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖磁場，使G匪棒 4按沖擊相應(yīng)發(fā)生伸縮形變，與G匪棒4連接的沖擊輸出桿1由此輸出機(jī)械沖擊響應(yīng)。
電阻R8、R9和變壓器BYQ脈沖變壓器串聯(lián)諧振產(chǎn)生高壓交流信號(hào)，通過二極管D5、 二極管D6、二極管D7、二極管D8和二極管D9整流橋電路，以及后面電容C6、電容C7、G匪的 激勵(lì)線圈L1和電阻R16的濾波電路，得到低紋波的直流高電壓。在輸出開關(guān)電路上采用高 壓大功率VMOS功率管Q4來控制激發(fā)電路產(chǎn)生脈沖大電流，激勵(lì)線圈產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖磁場，使 G匪棒輸出機(jī)械沖擊響應(yīng)。
13
該沖擊控制電路7改善了超磁致伸縮震源裝置100的靈敏度和抗干擾能力，滿足 裝置的便攜性和安全性要求。本發(fā)明的超磁致伸縮震源裝置100不僅可用于前文所述錨桿 檢測儀及聲波檢測儀中，還可與具有外觸發(fā)同步輸出接口的彈性波檢測類設(shè)備配合使用， 也可與內(nèi)部具有信號(hào)觸發(fā)或通道觸發(fā)的彈性波檢測設(shè)備配合使用，還可根據(jù)需要定制紅外 光電同步接口等升級(jí)部件。 請參閱圖5，其中顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種使用超磁致伸縮裝置的方 法的操作流程圖500，下面將結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4描述該方法。
A、將充電器12插上插座11 ，通過供電模塊8給鋰電池充電。 B、充電完畢后，拔掉充電器12，插上帶指示燈的操作按鈕IO，上電后帶指示燈的 操作按鈕10的電源指示燈亮。 C、等待約3秒鐘后，按下帶指示燈的操作按鈕10，即可輸出機(jī)械沖擊信號(hào)。請參閱 圖4，按下帶指示燈的操作按鈕10即可提供一個(gè)階躍的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)觸發(fā)脈沖控制模塊308 產(chǎn)生一瞬變脈沖控制信號(hào)CTL，響應(yīng)于脈沖控制信號(hào)CTL，將有與之相應(yīng)的瞬變脈沖電流流 過驅(qū)動(dòng)線圈5，驅(qū)動(dòng)G匪棒4在相應(yīng)的極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生一次脈沖磁致伸縮應(yīng)變，從而令沖擊 輸出桿l輸出機(jī)械沖擊信號(hào)。 本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明的超磁致伸縮震源不僅可用于為錨桿檢測 儀提供應(yīng)力波震源，進(jìn)行錨桿長度和飽和度檢測、超前預(yù)報(bào)檢測，同時(shí)可為聲波檢測儀的發(fā) 射聲波換能器提供所需頻率的機(jī)械震源激勵(lì)，以形成聲波或超聲波，進(jìn)行巖土和混凝土聲 波對穿檢測。更進(jìn)一步，本發(fā)明的超磁致伸縮震源可適用于任何需要提供震源裝置的設(shè)備。
本發(fā)明的超磁致伸縮震源裝置將沖擊輸出桿、控制電路、電池三者集成在一個(gè)裝 置中，并采用新型控制電路，不僅提高了裝置的便攜性，減少了充電時(shí)間，而且增強(qiáng)了震源 信號(hào)質(zhì)量，提高了檢測工作效率。本發(fā)明揭示的超磁致伸縮震源與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下 優(yōu)點(diǎn)一體化設(shè)計(jì)，供電鋰電池與空轉(zhuǎn)電路全部集成到震源裝置殼體內(nèi)，提高了震源裝置工 作的可靠性；預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板采用細(xì)牙螺紋，使得調(diào)節(jié)預(yù)壓應(yīng)力更加精細(xì)，達(dá)到最大的位 移和沖擊力輸出；外殼的螺紋連接部分采用橡膠密封圈和密封膠密封，控制電路采用環(huán)氧 樹脂的灌封膠密封，滿足防水、防潮、防霉的要求；優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了震源的重量，便于 攜帶及野外操作；震源裝置的輸出能量可通過控制端進(jìn)行高低兩個(gè)級(jí)別的切換，以適應(yīng)不 同激勵(lì)強(qiáng)度需求。另外，本發(fā)明揭示的便攜式超磁致伸縮震源裝置具有發(fā)射功率大、性能穩(wěn) 定、能量轉(zhuǎn)換效率高、穿透距離遠(yuǎn)、接收信號(hào)頻帶寬、重復(fù)性好、計(jì)時(shí)準(zhǔn)確、余震短、檢測靈敏 度高、檢測信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng)、操作方便、體積小巧輕便等優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明揭示的超磁致伸縮震源最大瞬間功率可達(dá)到10KW、20KW、40KW、 80KW、100KW、120KW，功率脈沖可達(dá)100us ;發(fā)射電壓可達(dá)200V、400V、800V、 1600V ;余震僅為 400us ;探測距離可達(dá)到20m左右，且可保證較高的探測精度。 雖然之前的說明和附圖描述了本發(fā)明的較佳實(shí)施例，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離權(quán)利要求 書所界定的本發(fā)明原理的精神和保護(hù)范圍的前提下可以有各種增補(bǔ)、修改和替換。本領(lǐng)域 技術(shù)人員應(yīng)該理解，本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體的環(huán)境和工作要求在不背離實(shí)用新型 準(zhǔn)則的前提下在形式、結(jié)構(gòu)、布局、比例、材料、元素、組件及其它方面有所變化。因此，在此 披露的實(shí)施例僅用于說明而非限制，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書中技術(shù)方案及其合法 等同物界定，而不限于此前的描述。
權(quán)利要求
一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，該裝置包括沖擊輸出桿(1)、導(dǎo)引護(hù)頭(2)、預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板(3)、超磁致伸縮棒(4)、驅(qū)動(dòng)線圈(5)、供電模塊(8)以及操作按鈕(10)，其特征在于，沖擊控制電路(7)與驅(qū)動(dòng)線圈(5)及供電模塊(8)相連，沖擊控制電路(7)和供電模塊(8)裝在外殼(6)內(nèi)，導(dǎo)引護(hù)頭(2)依次與外殼(6)、后蓋(9)連接，沖擊輸出桿(1)通過導(dǎo)引護(hù)頭(2)固定，超磁致伸縮棒(4)、驅(qū)動(dòng)線圈(5)置于外殼(6)腔體前端，沖擊控制電路(7)置于外殼(6)腔體中部，與驅(qū)動(dòng)線圈(5)及供電模塊(8)連接，供電模塊(8)置于外殼(6)腔體后端，與驅(qū)動(dòng)線圈(5)及沖擊控制電路(7)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，其特征在于所述的沖擊 輸出桿(1)與超磁致伸縮棒(4)通過螺旋絲口連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，其特征在于所述的供電 模塊(8)置于超磁致伸縮震源裝置的外殼(6)腔體后端，所述供電模塊(8)包括充電電路、 電池、供電電路，其中充電電路及供電電路與操作按鈕(10)相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，其特征在于所述預(yù)壓應(yīng) 力調(diào)節(jié)壓板(3)采用碟簧，所述的預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板(3)與超磁致伸縮棒(4)相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，其特征在于所述的沖擊 控制電路(7)包括直流高壓發(fā)生器模塊(302)、高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊(304)、觸發(fā)脈沖控制模 塊(308)，所述高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊(304)的輸出端(312)接驅(qū)動(dòng)線圈(5)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，其特征在于所述的直 流高壓發(fā)生器模塊(302)由變壓器(BYQ)、三極管(Q5 Q10)、二極管(D2 D4)、及電阻 (R8 R15)、電容器件(C3 C5)組成，其中一對完全相同的三極管(Q5、 Q6)與基極電阻 (R9)、變壓器(BYQ)的初級(jí)線圈相連組成諧振電路。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，其特征在于所述的直流 高壓發(fā)生器模塊(302)的變壓器次級(jí)線圈輸出的交流高壓信號(hào)連接至高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊 (304)，高壓開關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊(304)包括四個(gè)二極管(D6 D9)搭建的半橋整流電路、電容 (C6、 C7)、電阻(R16)組成的RC濾波電路及開關(guān)電路(Q4)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，其特征在于所述的直流 高壓發(fā)生器模塊(302)由變壓器(BYQ)、三極管(Q5 Q10)、二極管(D2、D4)、變壓器(BYQ) 組成，其中一對NPN型三極管(Q5、Q6)的發(fā)射極共地相連，第一三極管(Q6)的集電極通過 電阻(R9)與第二三極管(Q5)的基極相連，連接至變壓器(BYQ)線圈的一端，第一三極管 (Q6)的基極通過電阻(R8)與第二三極管(Q5)的集電極相連，連接至變壓器(BYQ)線圈的 另一端。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，其特征在于所述的操作按鈕(10)與供電模塊(8)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種便攜式超磁致伸縮震源裝置，包括沖擊輸出桿、導(dǎo)引護(hù)頭、預(yù)壓應(yīng)力調(diào)節(jié)壓板、超磁致伸縮棒、驅(qū)動(dòng)線圈、沖擊控制電路、供電模塊，沖擊控制電路與驅(qū)動(dòng)線圈及供電模塊相連，沖擊控制電路和供電模塊裝在外殼內(nèi)，沖擊輸出桿依次與導(dǎo)引護(hù)頭、外殼、后蓋連接，沖擊輸出桿通過導(dǎo)引護(hù)頭固定，導(dǎo)引護(hù)頭為錐形圓臺(tái)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)引護(hù)頭的底面連接在外殼的一端，超磁致伸縮棒與沖擊輸出桿通過螺旋絲口連接。沖擊控制電路置于腔體中部，與驅(qū)動(dòng)線圈及供電模塊連接。供電模塊置于腔體后端，與驅(qū)動(dòng)線圈及沖擊控制電路連接。本發(fā)明提高了裝置的便攜性，減少了充電時(shí)間，而且增強(qiáng)了震源信號(hào)質(zhì)量，提高了檢測工作效率，便于現(xiàn)場操作和使用。
文檔編號(hào)H02N2/02GK101694973SQ20091006327
公開日2010年4月14日 申請日期2009年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者張 杰, 胡純軍 申請人:武漢中巖科技有限公司;