CN102854538B

CN102854538B - 单舱球三分量海底磁力仪

Info

Publication number: CN102854538B
Application number: CN 201210361530
Authority: CN
Inventors: 黄松; 徐亚; 郝天珧; 游庆瑜; 赵春蕾
Original assignee: Institute of Geology and Geophysics of CAS
Current assignee: Institute of Geology and Geophysics of CAS
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: CN102854538A

Abstract

本发明公开了一种单舱球三分量海底磁力仪，该单舱球三分量海底磁力仪包括脱钩机构、仪器舱和底座，仪器舱内部采用一体化封装方式，装有三分量磁传感器、方位传感器、姿态传感器以及数据采集器。本发明用于海底磁场观测、油气勘探和地质调查。该单舱球三分量海底磁力仪的海底磁场测量功能集中于单一舱球内，解决了现有海底磁力探测装置系统复杂、方向定位精度低、投放与回收操作不便等问题。

Description

单舱球三分量海底磁力仪

技术领域

本发明属于地球物理测量领域，具体属于海洋勘测领域，其涉及一种海底磁场信号探测仪器。

背景技术

海洋电磁勘探是一种主要的海洋地球物理探测手段之一，它适用于地震方法不易分辨而电磁方法拥有优势的区域，例如碳酸盐礁脉、岩丘、火山岩覆盖、海底永久冻土带等。由于海区矿产资源勘探的复杂性和高风险，采用综合地球物理采集以减少风险，提高成功率己成为发达国家开展海域资源调查的重要手段。电磁法勘探与地震勘探的结合在减少多解性、降低勘探风险方面效果显著。同时，在浅海或者滩海区域，电磁勘探还可以用来解决一些海洋工程问题。目前国内外已投入大量人力物力进行海洋电磁勘探仪器的研制和应用。

海底磁场测量一般采集水平与垂直两两正交的三个分量，通常每个分量采用一个线圈式磁传感器，为了抵抗海水压力，每个磁传感器都有单独的承压舱。其它的部件，如数据采集部件、电源等需要另外的承压舱，而为了实现自动上浮功能，需要多个舱球提供浮力。根据国内外公开的相关专利，海底电磁场装置一般采用类似技术方案实现海底三分量磁场测量。这种技术方案的系统复杂、体积重量大、功耗高、海上施工不方便。

海底磁场观测的另外一个难题就是仪器姿态的准确检测。现有技术中将磁传感器、方位传感器、姿态传感器等三个方向传感器分别在不同承压舱内封装，但是这三个传感器之间的如何协调一致是一个一直没有解决的难题。

面对海洋勘测的复杂化，对海洋勘测的仪器要求也越来越高。如何解决仪器的小型化、低功耗及准确检测的问题一直是本领域研究人员关注的热点暨难点问题。

发明内容

针对现有技术的不足及问题，本发明提出一种体积小且轻便，方便海上施工与投放回收的单舱球三分量海底磁力仪。

依据本发明的技术方案，提供一种单舱球三分量海底磁力仪，包括脱钩机构1、仪器舱2和底座6；其中仪器舱2内部固装有玻璃舱球，脱钩机构1位于仪器舱2顶端，底座6位于仪器舱2底端；在脱钩机构1与底座6之间以拉紧钢丝固接，将仪器舱2固定于底座6中；其中脱钩机构1，用于单舱球三分量海底磁力仪回收时使仪器舱2与底座6分离；仪器舱2，用于为脱钩机构1提供固定支点，同时为玻璃舱球8提供防护；所述单舱球三分量海底磁力仪还包括安全圈3、拉紧钢丝4、锁紧镙栓5、底座6、水声传感器7、玻璃舱球8、数据采集器9、磁传感器11、方位传感器12和姿态传感器13以及供电装置15；安全圈3，用于仪保护器舱的结构不受损坏，为外径55cm、内径45cm、厚0.6cm的塑料环；拉紧钢丝4，用于固定脱钩机构与底座，材质为316(不锈钢型号)不锈钢，直径3mm；锁紧镙栓5，用于紧固拉紧钢丝4与底座6，锁紧镙栓5的材质为型号为316的不锈钢；底座6，用于提供仪器舱2的重力牵引和保护，底座6采用玻璃钢材料；水声传感器7，用于水声通讯信号接收与应答，改变所述单舱球三分量海底磁力仪的浮力性质；玻璃舱球8，用于提供单舱球三分量海底磁力仪上升的浮力、防水、耐压以及内部结构保护，所述玻璃舱球8采用Vitrovex公司生产的17英寸玻璃球，耐压水深6500m；数据采集器9、磁传感器11、方位传感器12和姿态传感器13通过固定支架10和耦合支架14安装于玻璃舱球8内部。安装于耦合支架上的磁传感器11，用于检测三分量磁场信号；安装于耦合支架上的方位传感器12，用于检测单舱球三分量海底磁力仪的方位信息，采用HMR3200型数字罗盘，方向精度1°，分辨率0.1°；安装于耦合支架上的姿态传感器13，用于检测单舱球三分量海底磁力仪的倾斜度信息，采用ADXL345数字加速度计，分辨率3.9mg/LSB；安装于固定支架上层的数据采集器9，用于采集和存储磁传感器、方位传感器、姿态传感器的检测信息，数据采集器9的放大电路噪音折合到输入端为10nv/√Hz1Hz，整体功耗＜0.3W，数据存储容量为32GB。供电装置15，用于提供单舱球三分量海底磁力仪的电源，采用UBBL24-FL型号的锂电池，额定电压7.2V，标称容量4.8AH。

上述方案中，，玻璃舱球外部顶端固装有水声传感器。玻璃舱球为耐压空心玻璃球，用于装置内部结构保护，同时提供整套装置的浮力。固定支架为双环状结构。耦合支架为三角形板状结构，安装在固定支架下部，用于固定磁传感器、方位传感器和姿态传感器。

优选地，磁传感器11采用三轴磁通门探头，该探头的测量频率范围为0-3KHz，内部噪声＜6pTrms/√Hz1Hz，外壳尺寸为3.2×3.2×15.2cm。

优选地，所述磁传感器11、方位传感器12、姿态传感器13一起固定安装于耦合支架14上；磁传感器11上有固定孔，通过螺钉固定在耦合支架14的中间位置；方位传感器12和姿态传感器13则通过螺钉固定在耦合支架14的边侧。所述数据采集器9采用微功耗24位的模数变换器，功耗小于0.3W。

优选地，脱钩机构通过螺栓固定安装于仪器舱的顶端。脱钩机构为双层结构，包括不锈钢镙柱、环镙杆支撑板、绕丝固定板，其中，环绕丝固定板和环镙杆支撑板上下平行设置，以数个不锈钢镙柱将两者固接，不锈钢镙柱中的两个镙柱穿过绕丝固定板后相互连接，构成吊钩；镙杆支撑板内孔直径与仪器舱顶部外圆直径相适配。环绕丝固定板上表面设有正极、脱钩滑块、绕丝钉、负极，将一根钢丝经正极和顺序经所有的绕丝钉绕成环，并以锁紧螺母和绕丝钉固紧定位，在仪器回收时利用海水特性进行电腐蚀熔断钢丝，脱钩滑块被拉紧钢丝拉脱开，仪器舱即利用海水浮力上浮，以便回收。

依据本发明的第二方面，提供一种使用前述权利要求所述的单舱球三分量海底磁力仪的方法，其包括下面步骤：

1)在将单舱球三分量海底磁力仪投放入海之前，进行各部件功能测试，确认单舱球三分量海底磁力仪功能正常后进入下一步，否则返回检修；

2)在海面上进行GPS对钟并设定记录时间和采集的参数；

3)将单舱球三分量海底磁力仪投放入海，并使其在重力作用下沉入海底，按照设定时间和参数连续记录磁场信号及姿态信息，并储存在单舱球三分量海底磁力仪中的内部存储器中；

4)回收单舱球三分量海底磁力仪，在该单舱球三分量海底磁力仪所在海域通过声纳系统发出回收信号，单舱球三分量海底磁力仪接到信号后，开始熔断钢丝，约5分钟后仪器舱与底座脱离，仪器舱自动上浮至水面，然后将仪器舱打捞上船；

5)提取所记录的数据进行分析处理。

使用本发明的技术方案，可以具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种海底磁力仪，解决了现有海底磁场探测装置系统复杂、不便于海上投放与回收等问题。

2、本发明提供的这种海底磁力仪，磁场信号传感器不需要单独用承压舱分离封装，可以与装置姿态传感器耦合安装于同一耦合支架上，降低了磁场信号测量的方位角和倾斜角误差。

3、本发明提供的这种海底磁力仪，装置整体功耗低，延长了装置的工作时间，可用于长期留海观测。

附图说明

图1为依照本发明的单舱球海底磁力仪立体结构图；

图2为依照本发明的单舱球海底磁力仪纵截面示意图；

图3为依照本发明的单舱球海底磁力仪脱钩机构示意图；

图4为依照本发明的单舱球海底磁力仪底座结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明的单舱球三分量海底磁力仪立体结构图，主要由脱钩机构1、仪器舱2和底座6三部分组成。将仪器舱2置于底座6上，安全圈3安装在仪器舱2的中部，脱钩机构1置于仪器舱2顶端，用多根拉紧钢丝4缠绕于脱钩机构1上的固接口后，用多个锁紧螺栓5拉紧多根拉紧钢丝4，将仪器舱2与底座6固定在一起。所述单舱球三分量海底磁力仪整体结构紧凑、体积小、重量轻，方便海上施工作业。

如图2所示，仪器舱2分为上下半舱，仪器舱2内放置玻璃舱球8，通过螺旋压紧将玻璃舱球8进行固定。安全圈3为一圆环状结构塑料板，通过螺旋压紧在仪器舱2的上下半舱连接处，用于仪器舱2结构保护。玻璃舱球8分为上下半球，接缝处通过胶泥与胶带进行密封。水声传感器7安装在玻璃舱球8上半球外部顶端，用于水声通讯信号接收与应答。玻璃舱球8的内部采用一体化结构，固定支架10安装在玻璃舱球8内部，数据采集器9安装在固定支架10的顶部，供电装置15安装在固定支架10的周侧，耦合支架14安装在固定支架10的底端。磁传感器11、方位传感器12和姿态传感器13则固定在耦合支架14上。

仪器舱2为工程塑料材质，用于单舱球三分量海底磁力仪各部件的机械固定和内部防护。玻璃舱球8采用Vitrovex公司生产的17英寸空心玻璃球，密封后耐压6500米水深，用于内部组件的耐压保护，同时提供整个装置的浮力。

磁传感器11用于检测海底磁场信号，采用三轴磁通门探头，探头测量频率范围为0-3KHz，内部噪声小于6pTrms/√Hz1Hz，外壳尺寸为3.2×3.2×15.2cm，具有体积小、结构紧凑、频带范围宽、噪音低的优点。因为体积小，该部件整体封装在了玻璃舱球8内，不需要单独用承压舱分离封装，简化了整体装置的结构设计。

采用紧凑型、宽频带、低噪声三轴磁通门探头的设计在系统结构、体积重量、功耗、造价、海上施工难度等方面具有明显的优势。该探头可以直接封装在玻璃舱球内，不需要单独的承压舱，降低了测量装置的体积重量。其功耗小，减少了海底的电池供给需求，延长了留海观测时间。单舱球的使用简化了装置的系统结构，利于海上施工与投放回收。

方位传感器12用于检测三分量磁通门的X轴与地磁正北方向的磁偏角，采用HMR3200型数字罗盘，带有数字接口，具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点，精度控制在1°。姿态传感器13用于检测三分量磁通门的X轴和Y轴与水平面的倾斜角，采用ADXL345型数字加速度计，其功耗超低，分辨率高(13位)，测量范围达±16g，它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。

耦合支架14为一个工程塑料材质的刚性块体，三角形板状结构，安装在固定支架10的底端。磁传感器11上有固定孔，通过螺钉固定在耦合支架14的中间位置，方位传感器12和姿态传感器13则通过螺钉固定在耦合支架14上端的边侧，通过数据线将磁传感器11、方位传感器12和姿态传感器13连接至数据采集器9。现有技术中的海底磁力仪通常采用分舱体机械固定方式，磁场测量的方位和姿态误差很难控制，常常大于3°以上。而采用本发明的一体化安装方式保证了磁场测量与姿态检测的同轴性，有效降低了分离机械固定带来的姿态检测误差，使检测误差基本接近传感器的指标1°，提高磁场信号测量的准确度。

具体地，将磁传感器、方位传感器、姿态传感器一起固定安装于耦合支架上降低了磁信号测量的方位角和倾斜角误差，将实际姿态的精度控制在加速度计和方向传感器的误差范围内。相比三个方向的磁传感器和方位传感器、姿态传感器分别在不同承压舱内封装，提高了姿态测量的精度。

数据采集器9用于各传感器检测信号的采集和存储，其中：a)前放电路信号输入端加配一阶无源LC低通抗混叠滤波器，采用极低噪音精密双运算放大器构成仪器放大电路，增益为30dB，放大电路噪音折合到输入端为10nv/√Hz1Hz，具有很高的抗干扰能力；b)仪器采用温补晶振构成的振荡电路作为内部时钟，在0℃至4℃温度范围内其精度优于5×10^-8；c)数据存储容量为32G；d)采用CMOS型器件，低电压供电，较低频率的工作时钟，同时降低系统的无功功耗，整体功耗＜0.3W。整体装置的功耗低减轻了电源供应负担，保证了留海作业时间。

供电装置15采用锂电池，每台海底磁力仪采用10枚10AH锂电池，通过塑料扎带将锂电池安装于固定支架10的四周侧面。

如图3所示，脱钩机构1为双层结构，包括不锈钢镙柱16、环镙杆支撑板17、绕丝固定板21，其中，环绕丝固定板21和环镙杆支撑板17上下平行设置，以数个不锈钢镙柱16将两者固接，不锈钢镙柱16中的两个镙柱穿过绕丝固定板21后相互连接，构成吊钩20；环镙杆支撑板17内孔直径与仪器舱2顶部外圆直径相适配。绕丝固定板21上表面设有正极24、脱钩滑块18、绕丝钉19、负极22，正极24、负极22位于绕丝固定板21内孔直径方向的相对两侧，正极24上套接压丝垫片15后螺接锁紧螺母25，负极22上套接负极保护套23，正极24上套接压丝垫片15后螺接锁紧螺母25。将一根钢丝经正极24和顺序经所有的绕丝钉19绕成环，并以锁紧螺母25和绕丝钉19固紧定位，将脱钩滑块18固于绕丝固定板21上，钢丝与两负极22触接。在仪器回收时利用海水特性，在两熔断点处进行电腐蚀钢丝，脱钩滑块18被拉紧钢丝4拉脱开，仪器舱2即利用海水浮力上浮。

本实施实例未在说明书附图中详细示出脱钩机构1，其具体结构请参阅本申请人业已公开的技术资料。

如图4所示，底座6采用玻璃钢材料制成，在井字形上表面中部固设一圆盘，圆盘的直径与仪器舱2底部外圆相适配，用于固定仪器舱2底部。底座6底部周缘处均匀分布着8个锁紧镙栓5；锁紧螺栓5与拉紧钢丝4下端可拆卸的固接，通过四根耐腐蚀拉紧钢丝4与脱钩机构1紧密相连，其重量和体积适合于在下沉过程中控制下沉速度和下沉姿态，以及当仪器沉入海底时能够保持正确姿态，并为海底磁力仪在海底工作提供稳定可靠的基座。仪器接到释放信号后，仪器舱2上浮，底座留在海底。

单舱球三分量海底磁力仪的工作流程为：1)在将单舱球三分量海底磁力仪投放入海之前，进行各部件功能测试，确认单舱球三分量海底磁力仪功能正常后进入下一步，否则返回检修；2)在海面上进行GPS对钟并设定记录时间和采集的参数；3)将单舱球三分量海底磁力仪投放入海，并使其在重力作用下沉入海底，按照设定时间和参数连续记录磁场信号及姿态信息，并储存在单舱球三分量海底磁力仪中的内部存储器中；4)回收单舱球三分量海底磁力仪，在该单舱球三分量海底磁力仪所在海域通过声纳系统发出回收信号，单舱球三分量海底磁力仪接到信号后，开始熔断钢丝，约5分钟后仪器舱与底座脱离，仪器舱自动上浮至水面，然后将仪器舱打捞上船；5)提取所记录的数据进行分析处理。

以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种单舱球三分量海底磁力仪，包括脱钩机构（1）、仪器舱（2）和底座（6）；其中仪器舱（2）内部固装有玻璃舱球，脱钩机构（1）位于仪器舱（2）顶端，底座（6）位于仪器舱（2）底端；在脱钩机构（1）与底座（6）之间以拉紧钢丝固接，将仪器舱（2）固定于底座（6）中；

其特征在于：

脱钩机构（1），用于单舱球三分量海底磁力仪回收时使仪器舱（2）与底座（6）分离；

仪器舱（2），用于为脱钩机构（1）提供固定支点，同时为玻璃舱球（8）提供防护；

所述单舱球三分量海底磁力仪还包括安全圈（3）、锁紧镙栓（5）、水声传感器（7）、数据采集器（9）、磁传感器（11）、方位传感器（12）和姿态传感器（13）以及供电装置（15）；

安全圈（3），用于保护仪器舱的结构不受损坏，为外径55cm、内径45cm、厚0.6cm的塑料环；

拉紧钢丝（4），用于固定脱钩机构与底座，材质为316不锈钢，直径3mm；

锁紧镙栓（5），用于紧固拉紧钢丝（4）与底座（6），锁紧镙栓（5）的材质为316不锈钢；

底座（6），用于提供仪器舱（2）的重力牵引和保护，底座（6）采用玻璃钢材料；

水声传感器（7），用于水声通讯信号接收与应答，改变所述单舱球三分量海底磁力仪的浮力性质；

玻璃舱球（8），用于提供单舱球三分量海底磁力仪上升的浮力、防水、耐压以及内部结构保护，所述玻璃舱球（8）采用Vitrovex公司生产的17英寸玻璃球，耐压水深6500m；

数据采集器（9）、磁传感器（11）、方位传感器（12）和姿态传感器（13）通过固定支架（10）和耦合支架（14）安装于玻璃舱球（8）内部；

安装于耦合支架上的磁传感器（11），用于检测三分量磁场信号；

安装于耦合支架上的方位传感器（12），用于检测单舱球三分量海底磁力仪的方位信息，采用HMR3200型数字罗盘，方向精度1°，分辨率0.1°；

安装于耦合支架上的姿态传感器（13），用于检测单舱球三分量海底磁力仪的倾斜度信息，采用ADXL345数字加速度计，分辨率3.9mg/LSB；

安装于固定支架上层的数据采集器（9），用于采集和存储磁传感器、方位传感器、姿态传感器的检测信息，数据采集器（9）的放大电路噪音折合到输入端为10nv/√Hz1Hz，整体功耗<0.3W，数据存储容量为32GB；

供电装置（15），用于提供单舱球三分量海底磁力仪的电源，采用UBBL24-FL型号的锂电池，额定电压7.2V，标称容量4.8AH。

2.按权利要求1所述的单舱球三分量海底磁力仪，其特征在于，玻璃舱球外部顶端固装有水声传感器。

3.按权利要求1所述的单舱球三分量海底磁力仪，其特征在于，玻璃舱球为耐压空心玻璃球，用于装置内部结构保护，同时提供整套装置的浮力。

4.按权利要求1所述的单舱球三分量海底磁力仪，其特征在于，固定支架为双环状结构。

5.按权利要求1所述的单舱球三分量海底磁力仪，其特征在于，耦合支架为三角形板状结构，安装在固定支架下部，用于固定磁传感器、方位传感器和姿态传感器。

6.按权利要求1所述的单舱球三分量海底磁力仪，其特征在于，所述磁传感器（11）采用三轴磁通门探头，该探头的测量频率范围为0-3KHz，内部噪声<6pTrms/√Hz1Hz，外壳尺寸为3.2×3.2×15.2cm。

7.按权利要求1所述的单舱球三分量海底磁力仪，其特征在于，所述磁传感器（11）、方位传感器（12）、姿态传感器（13）一起固定安装于耦合支架（14）上；磁传感器（11）上有固定孔，通过螺钉固定在耦合支架（14）的中间位置；方位传感器（12）和姿态传感器（13）则通过螺钉固定在耦合支架（14）的边侧。

8.按权利要求1所述的单舱球三分量海底磁力仪，其特征在于，所述数据采集器（9）采用微功耗24位的模数变换器，功耗小于0.3W。

9.按权利要求1所述的单舱球三分量海底磁力仪，其特征在于，所述脱钩机构通过螺栓固定安装于仪器舱的顶端；脱钩机构为双层结构，包括不锈钢镙柱、环镙杆支撑板、绕丝固定板，其中，环绕丝固定板和环镙杆支撑板上下平行设置，以数个不锈钢镙柱将两者固接，不锈钢镙柱中的两个镙柱穿过绕丝固定板后相互连接，构成吊钩；镙杆支撑板内孔直径与仪器舱顶部外圆直径相适配；环绕丝固定板上表面设有正极、脱钩滑块、绕丝钉、负极，将一根钢丝经正极和顺序经所有的绕丝钉绕成环，并以锁紧螺母和绕丝钉固紧定位，在仪器回收时利用海水特性进行电腐蚀熔断钢丝，脱钩滑块被拉紧钢丝拉脱开，仪器舱即利用海水浮力上浮，以便回收。

10.一种使用前述权利要求9所述的单舱球三分量海底磁力仪进行海底磁场探测的方法，其包括下面步骤：

1）在将单舱球三分量海底磁力仪投放入海之前，进行各部件功能测试，确认单舱球三分量海底磁力仪功能正常后进入下一步，否则返回检修；

2）在海面上进行GPS对钟并设定记录时间和采集的参数；

3）将单舱球三分量海底磁力仪投放入海，并使其在重力作用下沉入海底，按照设定时间和参数连续记录磁场信号及姿态信息，并储存在单舱球三分量海底磁力仪中的内部存储器中；

4）回收单舱球三分量海底磁力仪，在该单舱球三分量海底磁力仪所在海域通过声纳系统发出回收信号，单舱球三分量海底磁力仪接到信号后，开始熔断钢丝，约5分钟后仪器舱与底座脱离，仪器舱自动上浮至水面，然后将仪器舱打捞上船；

5）提取所记录的数据进行分析处理。