土壤自动钻取及静电采集装置及采集方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911002484.2 (22)申请日 2019.10.21 (71)申请人 中国空间技术研究院 地址 100194 北京市海淀区友谊路104号 (72)发明人 曾毅强张光李龙姚伟 李啸天徐彦彤 (74)专利代理机构 中国航天科技专利中心 11009 代理人 褚鹏蛟 (51)Int.Cl. G01N 1/08(2006.01) G01N 1/04(2006.01) (54)发明名称 一种土壤自动钻取及静电采集装置及采集 方法 (57)摘要 一种土壤自动钻取及静电采集装置， 。

2、包括钻 具1、 采样电网2、 绝缘层3、 电磁输运圆环4； 所述 采样电网2包括两层电网， 用于采集土壤； 所述绝 缘层3用于所述两层电网之间的绝缘； 所述电磁 输运圆环4位于所述采样电网2的一侧， 用于输运 土壤； 所述钻具1安装在所述采样电网2上， 用于 钻取土壤； 所述两层电网上输入相位相反的电压 方波； 所述电磁输运圆环4包括至少四层导体圆 环6， 以及相邻的两层导体圆环6之间的绝缘圆环 7； 所述每层导体圆环6上输入电压方波。 本发明 有结构简单、 重量轻、 功耗低等特点。 并且功能集 成度高， 具有较高的可靠性和环境适应性。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 110749。

3、468 A 2020.02.04 CN 110749468 A 1.一种土壤自动钻取及静电采集装置， 其特征在于， 包括钻具(1)、 采样电网(2)、 绝缘 层(3)、 电磁输运圆环(4)； 所述采样电网(2)包括两层电网， 用于采集土壤； 所述绝缘层(3)用于所述两层电网之 间的绝缘； 所述电磁输运圆环(4)位于所述采样电网(2)的一侧， 用于输运土壤； 所述钻具 (1)安装在所述采样电网(2)上， 用于钻取土壤； 所述两层电网上输入相位相反的电压方波； 所述电磁输运圆环(4)包括至少四层导体 圆环(6)， 以及相邻的两层导体圆环(6)之间的绝缘圆环(7)； 所述每层导体圆环(6)上输入 电。

4、压方波。 2.根据权利要求1所述的一种土壤自动钻取及静电采集装置， 其特征在于， 所述两层电 网上输入的相位相反的电压方波的幅值为5000V20000V。 3.根据权利要求1所述的一种土壤自动钻取及静电采集装置， 其特征在于， 所述两层电 网的间距为3mm10mm。 4.根据权利要求1所述的一种土壤自动钻取及静电采集装置， 其特征在于， 相邻的两层 导体圆环(6)上输入的电压方波的相位相差 /2。 5.根据权利要求1所述的一种土壤自动钻取及静电采集装置， 其特征在于， 所述电网采 用但不限于发散式骨架连接的多个同心圆环结构。 6.根据权利要求5所述的一种土壤自动钻取及静电采集装置， 其特征在于。

5、， 所述骨架的 厚度、 骨架的高度、 圆环的径向厚度、 圆环的高度均为0.5mm2mm。 7.根据权利要求1所述的一种土壤自动钻取及静电采集装置， 其特征在于， 还包括嵌套 (5)， 所述嵌套(5)的一部分安装在所述采样电网(2)上， 另一部分安装在所述电磁输运圆环 (4)上， 所述电磁输运圆环(4)通过所述嵌套(5)安装在所述采样电网(2)的一侧。 8.根据权利要求1所述的一种土壤自动钻取及静电采集装置， 其特征在于， 还包括电源 和土壤收集装置， 所述电源用于对所述钻具(1)、 采样电网(2)、 电磁输运圆环(4)供电； 所述 土壤收集装置用于收集经过所述电磁输运圆环(4)输运的土壤。 9。

6、.根据权利要求1所述的一种土壤自动钻取及静电采集装置， 其特征在于， 所述采集装 置包括一个或多个电磁输运圆环(4)， 当所述采集装置包括多个电磁输运圆环(4)时， 多个 电磁输运圆环(4)层叠连接。 10.一种土壤自动钻取及静电采集方法， 其特征在于， 采用权利要求19之一所述的采 集装置， 包括如下步骤： S1、 利用钻具(1)钻取土壤， 使土壤进入采样电网(2)的作用区域； S2、 采样电网(2)内的电场使得土壤向电磁输运圆环(4)方向运动； S3、 电磁输运圆环(4)内的电场使土壤向收集装置运动， 完成土壤采集。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110749468 A 2 一种土壤自。

7、动钻取及静电采集装置及采集方法 技术领域 0001 本发明涉及一种土壤自动钻取及静电采集装置及采集方法， 特别是涉及一种地外 天体表面土壤自动钻取及静电采集装置及采集方法， 可作为地外天体(例如月球、 小行星、 火星等)表层土壤的全自动钻取、 采集、 输运与利用的重要手段， 该装置还适用于地球工业 生产领域的采矿生产、 筛选作业和静电除尘等方面作业。 背景技术 0002 随着人类对宇宙空间探索脚步的不断迈进， 地外天体已经成为我们太空探索的重 要目标。 一方面， 地外天体上有机生命物质的证据、 水和矿物资源的探测已经成为深空探索 的主要热点。 由于地外天体特殊的重力、 温度和大气压强环境， 人。

8、们主要通过探测深埋地表 以下的天体土壤中获得相关物质信息。 另一方面， 地外天体土壤成分组成和结构分析也有 助于我们了解星系和行星的起源和演化过程， 是空间天文学研究的重要内容。 地外天体表 面土壤的有效钻取和采集是地外天体探测过程中最重要、 最基本的环节。 然而， 由于目前人 类的航天技术限制， 大部分的地外天体探测器都是无人自动操作的。 并且地外天体上特殊 的温度、 压强和重力条件要求相关装置必须具有很强的适应性和可靠性。 0003 现有技术中， 日本隼鸟小行星探测器对小行星进行了探测和采样。 隼鸟1号于2005 年对小行星 “丝川” 进行了探测采样任务。 它通过对小行星发射金属弹， 并采。

9、用 “喇叭” 形的 取样装置收集金属弹与小行星撞击的飞溅碎片， 实现了对小行星土壤的采样。 隼鸟2号于 2018年到达小行星 “龙宫” 并对其进行土壤采样。 它通过伸出的样品采集 “手臂” 的方法对小 行星土壤进行钻取和采样。 目前， 已于2019年2月份成功捕获一个样本。 上述小行星土壤钻 取和采集装置主要采用撞击、 捕捉的采样模式， 不需要直接登陆小行星便可以采样。 但是这 也导致了它的一些局限性。 比如对小行星初始环境破环大、 只能进行小规模的采样， 持续性 不长， 样品采集区域不可控等； 且装置复杂导致装置的体积、 质量、 功耗消耗较大。 发明内容 0004 本发明要解决的技术问题是：。

10、 克服现有技术的不足， 提供了一种土壤自动钻取及 静电采集装置及采集方法； 包括钻具、 采样电网、 绝缘层、 电磁输运圆环； 所述采样电网包括 两层电网， 用于采集土壤； 所述绝缘层用于所述两层电网之间的绝缘； 所述电磁输运圆环位 于所述采样电网的一侧， 用于输运土壤； 所述钻具安装在所述采样电网上， 用于钻取土壤； 所述两层电网上输入相位相反的电压方波； 所述电磁输运圆环包括至少四层导体圆环， 以 及相邻的两层导体圆环之间的绝缘圆环； 所述每层导体圆环上输入电压方波。 0005 该装置集天体地面土壤钻探、 静电采集和输运为一体。 该装置具有结构设计简单、 功能集成度高、 可装配性好、 环境适。

11、应性强和可靠性高等优点； 兼具对岩石表面处理的钻取 装置和对风化层表面处理的吸取装置， 可应用范围广泛； 静电采集和输运装置利用静电场 的库仑力推动天体土壤颗粒运动， 功耗低， 装置尺寸小。 0006 本发明目的通过以下技术方案予以实现： 说明书 1/4 页 3 CN 110749468 A 3 0007 一种土壤自动钻取及静电采集装置， 包括钻具、 采样电网、 绝缘层、 电磁输运圆环； 0008 所述采样电网包括两层电网， 用于采集土壤； 所述绝缘层用于所述两层电网之间 的绝缘； 所述电磁输运圆环位于所述采样电网的一侧， 用于输运土壤； 所述钻具安装在所述 采样电网上， 用于钻取土壤； 00。

12、09 所述两层电网上输入相位相反的电压方波； 所述电磁输运圆环包括至少四层导体 圆环， 以及相邻的两层导体圆环之间的绝缘圆环； 所述每层导体圆环上输入电压方波。 0010 优选的， 所述两层电网上输入的相位相反的电压方波的幅值为5000V20000V。 0011 优选的， 所述两层电网的间距为3mm10mm。 0012 优选的， 相邻的两层导体圆环上输入的电压方波的相位相差 /2。 0013 优选的， 所述电网采用但不限于发散式骨架连接的多个同心圆环结构。 0014 优选的， 所述骨架的厚度、 骨架的高度、 圆环的径向厚度、 圆环的高度均为0.5mm 2mm。 0015 优选的， 还包括嵌套，。

13、 所述嵌套的一部分安装在所述采样电网上， 另一部分安装在 所述电磁输运圆环上， 所述电磁输运圆环通过所述嵌套安装在所述采样电网的一侧。 0016 优选的， 还包括电源和土壤收集装置， 所述电源用于对所述钻具、 采样电网、 电磁 输运圆环供电； 所述土壤收集装置用于收集经过所述电磁输运圆环输运的土壤。 0017 优选的， 所述采集装置包括一个或多个电磁输运圆环， 当所述采集装置包括多个 电磁输运圆环时， 多个电磁输运圆环层叠连接。 0018 一种土壤自动钻取及静电采集方法， 采用上述采集装置， 包括如下步骤： 0019 S1、 利用钻具钻取土壤， 使土壤进入采样电网的作用区域； 0020 S2、。

14、 采样电网内的电场使得土壤向电磁输运圆环方向运动； 0021 S3、 电磁输运圆环内的电场使土壤向收集装置运动， 完成土壤采集。 0022 本发明相比于现有技术具有如下有益效果： 0023 本发明既利用了电场对带电土壤颗粒的吸附作用， 又借助了传统钻具将岩石表面 的采样转化为对钻取出的岩石碎片颗粒的采样， 使得本装置在风化层表面、 表面以下土壤 和岩石表面都能顺利进行采集。 而电磁输运圆环将电荷向下传递的特殊结构， 使得不同电 磁输运圆环的上下表面之间可以方便地嵌套连接。 因此， 可以按需求增加嵌套的电磁输运 圆环的层数， 满足不同的土壤样品采集需求。 采样电网和电磁输运圆环均没有闭合回路， 。

15、所 以工作电流极小， 即使输入电压达数千伏的高压， 其工作电流也几乎为零， 因此该装置所需 的功耗较小。 所以本发明有结构简单、 重量轻、 功耗低等特点。 并且功能集成度高， 具有较高 的可靠性和环境适应性。 附图说明 0024 图1为本发明的装置组成示意图。 0025 图2为本发明的电磁输运圆环结构示意图。 0026 图3为本发明的导体圆环结构示意图。 0027 图4为本发明的工作原理与流程示意图。 说明书 2/4 页 4 CN 110749468 A 4 具体实施方式 0028 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对本发明的实施 方式作进一步详细描述。 0029 实。

16、施例1： 0030 一种土壤自动钻取及静电采集装置， 包括钻具1、 采样电网2、 绝缘层3、 电磁输运圆 环4； 如图1图4所示。 0031 所述采样电网2包括两层电网， 用于采集土壤； 所述绝缘层3用于所述两层电网之 间的绝缘； 所述电磁输运圆环4位于所述采样电网2的一侧， 用于输运土壤； 所述钻具1安装 在所述采样电网2上， 用于钻取土壤； 0032 所述两层电网上输入相位相反的电压方波； 所述电磁输运圆环4包括至少四层导 体圆环6， 如图3所示， 以及相邻的两层导体圆环6之间的绝缘圆环7； 所述每层导体圆环6上 输入电压方波。 0033 进一步的， 所述两层电网上输入的相位相反的电压方波。

17、的幅值为5000V20000V。 0034 进一步的， 所述两层电网的间距为3mm10mm。 0035 进一步的， 相邻的两层导体圆环6上输入的电压方波的相位相差 /2。 0036 进一步的， 所述电网采用但不限于发散式骨架连接的多个同心圆环结构。 0037 进一步的， 所述骨架的厚度、 骨架的高度、 圆环的径向厚度、 圆环的高度均为0.5mm 2mm。 0038 进一步的， 还包括嵌套5， 所述嵌套5的一部分安装在所述采样电网2上， 另一部分 安装在所述电磁输运圆环4上， 所述电磁输运圆环4通过所述嵌套5安装在所述采样电网2的 一侧。 0039 进一步的， 还包括电源和土壤收集装置， 所述电。

18、源用于对所述钻具1、 采样电网2、 电磁输运圆环4供电； 所述土壤收集装置用于收集经过所述电磁输运圆环4输运的土壤。 0040 进一步的， 所述采集装置包括一个或多个电磁输运圆环4， 当所述采集装置包括多 个电磁输运圆环4时， 多个电磁输运圆环4层叠连接。 0041 实施例2： 0042 一种地外天体表面土壤自动钻取及静电采集装置， 包括钻具1、 采样电网2、 绝缘层 3、 可随需求而逐渐叠加的电磁输运圆环4。 0043 所述采样电网2共有两层间隔5mm的电网， 两电网之间用绝缘层3阻隔， 采样电网2 由发散式骨架连接多个同心圆环组成， 骨架厚度及高度、 圆环的径向厚度及高度均为1mm。 所述。

19、采样电网2的两个输入端即两电网的两个输入端为反相的高压方波， 方波幅值在10kV。 0044 每个电磁输运圆环4都是由四层导体圆环6构成， 相邻的导体圆环6之间用绝缘圆 环7阻隔。 电磁输运圆环4的四层导体圆环6分别接四个相位差 /2的方波， 方波信号通过电 极8输入给导体圆环6。 0045 采样电网2与电磁输运圆环4通过嵌套5连接。 电磁输运圆环4随需求层层叠加， 所 述电磁输运圆环4的上下表面可以相互嵌入， 所以电磁输运圆环4可以按所需高度确定所需 的叠加层数。 钻具1可以与采样电网2最内层的圆环配合。 所述电磁输运圆环4的导电部分和 外界通过绝缘材料隔绝。 0046 一种地外天体表面土壤。

20、自动钻取及静电采集方法， 其原理为： 由于地外天体表面 说明书 3/4 页 5 CN 110749468 A 5 一直暴露在宇宙射线及太阳风的直接作用之下， 一般地外天体表面的土壤颗粒都会带有电 荷。 在周期性变化的高压电场的作用下， 地外天体土壤颗粒就会受力向上运动。 由于电场的 加速作用使地外天体土壤颗粒带有一定的速度， 所以在重力作用较小以及空气阻力较低的 环境中， 地外天体土壤颗粒将以一定的速度穿过上层采样电网2而进入电磁输运圆环4区 域。 0047 采集方法包括如下步骤， 如图4所示： 0048 1、 通过合适的钻具1进行地外天体表层土壤9钻进， 通过钻具1的体积将一些钻取 的天体土。

21、壤挤出进入采样电网2作用的区域； 或者本来就是天体表面风化层的土壤颗粒， 可 以直接与采样电网2接触； 0049 2、 通过在采样电网2之间加反相的高压方波， 使得在两层采样电网2之间形成一个 方向变化的电场， 使得带电的天体土壤颗粒都能在电场力的作用下向上运动； 0050 3、 天体土壤颗粒以一定的速度从采样电网2的上方运动进入输运圆环4作用的区 域。 由于电磁输运圆环4的四层导体圆环6所接的方波相位相差各差 /2， 所以每经过1/2个 方波的周期， 导体圆环6的状态都会和这个导体圆环6下方的导体圆环6的状态相同。 对于整 个电磁输运圆环4的叠加体而言， 电场的空间分布随着时间向一个方向移动。

22、。 这就使得进入 电磁输运圆环4的天体土壤颗粒能以原本的速度在电磁输运圆环4中运动。 0051 实施例3： 0052 一种土壤自动钻取及静电采集方法， 采用实施例1或2所述的采集装置， 包括如下 步骤： 0053 S1、 利用钻具1钻取土壤， 使土壤进入采样电网2的作用区域； 0054 S2、 采样电网2内的电场使得土壤向电磁输运圆环4方向运动； 0055 S3、 电磁输运圆环4内的电场使土壤向收集装置运动， 完成土壤采集。 0056 本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。 0057 本发明虽然已以较佳实施例公开如上， 但其并不是用来限定本发明， 任何本领域 技术人员在不脱离本发明的精神和范围内， 都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发 明技术方案做出可能的变动和修改， 因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容， 依据本发明 的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、 等同变化及修饰， 均属于本发明技术方案 的保护范围。 说明书 4/4 页 6 CN 110749468 A 6 图1 图2 图3 说明书附图 1/2 页 7 CN 110749468 A 7 图4 说明书附图 2/2 页 8 CN 110749468 A 8 。