卷簧式取樣器振動頻率控制方法及其裝置的製作方法
2023-05-29 03:08:06 1
專利名稱：卷簧式取樣器振動頻率控制方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種取樣器的控制方法及其裝置，尤其是取樣頭振動頻率控制的方法 和裝置，屬於與取樣器相關的信號採集與處理、計算機、電機控制等技術領域。
背景技術：
在自動控制和機器人技術飛躍發展的背景下，人類越來越多地依靠機器人等自動 化設備在人跡難至以及危險的地方採集物質進行分析，如依靠自動取樣器採集月球、火星 等太空領域以及南北極、核汙染或化學汙染區域的礦石、土壤、冰雪等物質。在上述地方工 作的機器人等自動化設備的電源一般依靠太陽能、風能等提供，而這些綠色能源功率有限， 這就對自動取樣器的功率提出了要求，同時也對取樣器的取樣效率提出了要求。目前國內外的取樣杆主要有關節式多杆連接、齒輪齒條式多杆連接、螺筒螺杆式 多杆連接等結構，它們主要是通過關節、齒輪齒條或螺紋螺杆的方式將多節子杆連接在一 起，不工作時各子杆收縮在一起，工作時各子杆展開一字相連，從而實現工作行程的伸縮。 其控制是通過同時控制多個電機來驅動多個關節的同時運動，帶動取樣頭插入月壤中進行 取樣。這種控制對電源的功率要求較高，且取樣效率較低。與上述取樣器相比，卷簧式取樣 器體積小、重量輕、功耗低，但其最大推力較小，因此亟需研究一種能夠提高卷簧式取樣器 鑽取效率的方法。
發明內容
為克服現有技術的缺陷，本發明提出了一種用於卷簧式取樣器的振動頻率控制方 法及其裝置，能夠提高取樣器的鑽進效率，並可降低取樣器對電源功率的需求。為實現上述目的，本發明採用以下技術方案本發明所述的一種卷簧式取樣器振動頻率控制方法步驟1設置在取樣器的取樣頭上的振動電機的初始頻率&為1Hz，振動電機的最 大振動頻率fm = IOOHz，設定數值i = 0、f = fQ，頻率增量Δ f = IHz ；步驟2啟動振動電機以頻率f工作，同時，將頻率f寫入頻率數組F，使得F[i]= f，用振動傳感器對取樣頭進行檢測並獲取取樣頭的振動幅值a，再將所述振動幅值a寫入 振幅數組A中，使得A [i] =a；步驟3如果當前振動頻率f<fm，則令i = i+l，f = f+Af，返回步驟2 ；否貝U，進 入步驟4 ；步驟4掃描振幅數組A，從中選擇出最大振動幅值，記為amax，並從頻率數組F中找 出與最大振動幅值amax對應的振動頻率，記為fmax ；步驟5振動電機以振動頻率fmax工作。本發明所述的一種實現上述卷簧式取樣器振動頻率控制方法的裝置包括微處理 器(1)、用於採集取樣頭的加速度信號的振動傳感器(2)和信號發生模塊(3)，振動傳感器 ⑵的輸出信號經放大和AD轉換後形成微處理器⑴的輸入信號，進入微處理器⑴的數據輸入端，所述微處理器(1)用於選出最大振動幅值以及最大振動幅值所對應的振動電機 的振動頻率，微處理器(1)輸出端與信號發生模塊(3)的輸入端連接，所述信號發生模塊 (3)用於根據微處理器(1)的輸出頻率數值產生對應的頻率信號，所述頻率信號經功率放 大模塊(4)放大後作為振動電機的驅動信號。與現有技術相比，本發明的有益效果如下根據振動理論，取樣頭與月壤(或土壤、灰塵、雪花)等被取樣物接觸時有共振頻 率，在共振頻率時取樣頭振幅最大，與取樣器接觸的月壤(或土壤、灰塵、雪花)等被取樣物 振幅也最大，內摩擦角值減小，降低了月壤(或土壤、灰塵、雪花)等被取樣物的粘結力，改 善了其流動性，因此，此時的月壤(或土壤、灰塵、雪花)等被取樣物最利於取樣器的鑽進。 如果能通過傳感器實時採集取樣頭的振幅信號，通過調整取樣頭振動電機的振動頻率使得 取樣頭達到共振狀態，則取樣頭鑽進時其振幅最大、鑽進效率最高且消耗能量最小。根據 文獻及土壤、模擬月壤等的振動試驗可見取樣器在鑽取時的共振頻率範圍為幾赫茲到幾十 赫茲，且在共振頻率附近當頻率偏移IHz時振幅有明顯變化，綜合考慮頻率掃描的速度、細 度和頻率覆蓋範圍，設定頻率掃描範圍為1 100Hz，頻率步距為1Hz。在現有的振動器件 中，壓電換能器因為其頻率較高且振動幅度較小不適宜在低頻工作，因此選用振動頻率較 低、且振動幅度較大的振動電機作為振動器，並通過功率放大模塊進行調製驅動，此外採用 測量範圍寬、精度高的加速度傳感器作為振動傳感器用於檢測取樣頭的振動加速度信號， 微處理器通過AD轉換電路對振動加速度信號進行讀取並經過兩次積分後得到取樣器的振 動幅度信號，本發明通過掃頻的方法檢測取樣頭振幅最大時候的振動頻率，並驅動振動電 機工作在此頻率，能夠減小取樣頭鑽進時的摩擦阻力，提高取樣頭的鑽進效率，降低鑽進功
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圖1為本發明方法的工作流程圖；圖2為本發明的原理框圖；圖3為本發明中微處理器模塊電路圖；圖4為本發明中振動信號調理電路模塊及AD轉換電路模塊電路圖；圖5為本發明中信號發生模塊及功率放大模塊電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步說明。實施例1根據文獻及土壤、模擬月壤等的振動試驗可知取樣器在鑽取時的共振頻率範圍為 幾赫茲到幾十赫茲，且在共振頻率附近當頻率偏移IHz時振幅有明顯變化，綜合考慮頻率 掃描的速度、細度和頻率覆蓋範圍，設定頻率掃描範圍為1 100Hz，頻率步距為1Hz。如圖1所示，一種卷簧式取樣器振動頻率控制方法步驟1.微處理器進行初始化，定義變量f0，fmax，i，Δ f，f，a，g和數組A[]，F□， 並分別賦值為 f。= IHz, fmax = 100Hz, i = 1，Δ f = IHz ；步驟2.對f進行賦值，即f = &，控制振動電機以頻率f工作，同時，將頻率f寫入頻率數組F，使得F [i] = f ；步驟3.用振動傳感器對取樣頭進行檢測並獲取取樣頭的加速度信號g，對加速度 信號g進行兩次積分，得到振動幅值a，再將所述振動幅值a寫入振幅數組A中，使得A[i] =a步驟4.如果當前振動頻率f <fmax，則令i = i+l，f = f+Af，返回步驟2;否則， 進入步驟5 ；步驟5.掃描振幅數組A，從中選擇出最大振動幅值A[j]，記為amax，並從頻率數組 F中找出與最大振動幅值amaxW對應的振動頻率F[j]，記為fmax ；步驟6.驅動振動電機以振動頻率fmax工作。實施例2在現有的振動器件中，壓電換能器因為其頻率較高且振動幅度較小不適宜在低頻 工作，因此選用振動頻率較低、且振動幅度較大的振動電機作為振動器，並通過功率放大模 塊進行調製驅動，此外採用測量範圍寬、精度高的加速度傳感器作為振動傳感器用於檢測 取樣頭的振動加速度信號。如圖2所示，一種卷簧式取樣器振動頻率的控制裝置，包括微處理器1、用於採集 取樣頭的加速度信號的振動傳感器2和信號發生模塊3，振動傳感器2的輸出信號經放大和 AD轉換後形成微處理器1的輸入信號，進入微處理器1的數據輸入端，所述微處理器1用於 選出最大振動幅值以及最大振動幅值所對應的振動電機的振動頻率，微處理器1輸出端與 信號發生模塊3的輸入端連接，所述信號發生模塊3用於根據微處理器1的輸出頻率數值 產生對應的頻率信號，所述頻率信號經功率放大模塊4放大後作為振動電機的驅動信號。如圖3、圖4及圖5所示，控制系統的電路部分主要包括微處理器(型號為 AT89C51)、振動傳感器的調理電路模塊和AD轉換電路模塊、信號發生電路模塊和功率放大 電路模塊，其中，CNT2外接振動傳感器(傳感器型號為ADXL202)，振動信號經過運放U3 (型 號為0P7)放大、運放U4(型號為LF353)低通濾波後，再經過運放TO (型號為0P7)進行電 平移動，最終將振動信號調整為0 5V的信號並輸入到AD晶片(型號為TLC2543)的第一 路AD輸入口，AD晶片通過數字接口(15 18腳)與微處理器的24 27腳相連。信號發 生模塊採用DDS晶片AD9850，其外部數字接口(7腳、8腳、22腳)與微處理器的21 23腳 相連，其輸出信號經過功率放大器LM1875輸出到插頭CNT3，CNT3外接振動電機。
權利要求
一種卷簧式取樣器振動頻率控制方法，其特徵為步驟1設置在取樣器的取樣頭上的振動電機的初始頻率f0為1Hz，振動電機的最大振動頻率fm＝100Hz，設定數值i＝0、f＝f0，頻率增量Δf＝1Hz；步驟2啟動振動電機以頻率f工作，同時，將頻率f寫入頻率數組F，使得F[i]＝f，用振動傳感器對取樣頭進行檢測並獲取取樣頭的振動幅值a，再將所述振動幅值a寫入振幅數組A中，使得A[i]＝a；步驟3如果當前振動頻率f＜fm，則令i＝i+1，f＝f+Δf，返回步驟2；否則，進入步驟4；步驟4掃描振幅數組A，從中選擇出最大振動幅值，記為amax，並從頻率數組F中找出與最大振動幅值amax對應的振動頻率，記為fmax；步驟5振動電機以振動頻率fmax工作。
2.一種實現權利要求1所述的卷簧式取樣器振動頻率控制方法的裝置，其特徵在於 包括微處理器(1)、用於採集取樣頭的加速度信號的振動傳感器(2)和信號發生模塊(3)， 振動傳感器(2)的輸出信號經放大和AD轉換後形成微處理器(1)的輸入信號，進入微處理 器(1)的數據輸入端，所述微處理器(1)用於選出最大振動幅值以及最大振動幅值所對應 的振動電機的振動頻率，微處理器(1)輸出端與信號發生模塊(3)的輸入端連接，所述信號 發生模塊(3)用於根據微處理器(1)的輸出頻率數值產生對應的頻率信號，所述頻率信號 經功率放大模塊(4)放大後作為振動電機的驅動信號。
全文摘要
一種卷簧式取樣器振動頻率控制方法及其裝置。包括微處理器、用於採集取樣頭的加速度信號的振動傳感器和信號發生模塊，振動傳感器的輸出信號經放大和AD轉換後形成微處理器的輸入信號，進入微處理器的數據輸入端，所述微處理器用於選出最大振動幅值以及最大振動幅值所對應的振動電機的振動頻率，微處理器輸出端與信號發生模塊的輸入端連接，所述信號發生模塊用於根據微處理器的輸出頻率數值產生對應的頻率信號，所述頻率信號經功率放大模塊放大後作為振動電機的驅動信號。本發明能夠減小取樣頭鑽進時的摩擦阻力，提高鑽進效率，減小取樣器鑽進時的功率需求。
文檔編號G01N1/08GK101982750SQ20101029392
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月28日 優先權日2010年9月28日
發明者凌雲, 盧偉, 宋愛國, 崔建偉 申請人:東南大學