CN105068132A - 便携的单舱球高集成海底电磁仪 - Google Patents

Abstract

便携的单舱球高集成海底电磁仪,采用单舱球的一体化结构，磁探头外置，有效减少舱内元件对其产生的磁干扰，使测量数据更精确。集成电场测量和磁场测量、记录功能，减少仪器投放数量，电极臂可伸缩拆卸，可旋转竖起，并可在投放入海后展开放平；能够自主沉放及起浮，并易于投放和定向。方便海上操作，可以在不利用长臂吊车等大型机械设备的辅助下，方便地进行施工作业和维护使用，具有耐压、耐腐蚀和防水功能，能够顺利沉放及起浮回收，可在海底稳定工作。集成通用脱钩机构，通用性强。显著低科研成本。准确率高、自动化程度高，适用于海洋石油和矿产勘探、海洋地质结构调查等领域。

Description

便携的单舱球高集成海底电磁仪

技术领域

本发明涉及IPC分类中B63C用于水下作业的设备或用于打捞或搜索水下目标的装置，属于海洋勘测地球物理测量领域对海底磁场信号探测仪器，尤其是便携的单舱球高集成海底电磁仪。

背景技术

获取海底的地球物理信息,需要采用综合的地球物理探测方法。但在我国由于技术原因,电磁法、核放射性法和天然地震法等,长期未能进入海洋勘查领域。其难点表现为,这些方法所用的探测仪必需下沉至海底进行测量。与陆上仪器的不同点在于,水下仪器需解决密封承压、拖曳行进以及投放与回收等关键技术。“九五”期间,中国海洋物探仪器的研制取得突破。五分量海底大地电磁仪、海洋拖曳式多道丫射线能谱仪和宽频带大动态三分量数字记录海底地震仪等先进的探测仪器相继研制成功,并投入了试验。

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，提高成功率已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，世界各国分别研制了进行海底探测的测量仪器。日本和美国的海底电场仪体积都较大，均设有两个或多个仪器舱，以及两根不可折叠的电极臂。一条直线上的电极臂最远端距离一般为8-15米左右，电极臂外端另设有电测量装置。由于上述电场仪的电极臂不可弯折，在将仪器投放入海的过程中，需要利用长臂吊车等大型机械辅助投放，经过一段工作时间后还需进行辅助回收，造成施工作业困难较大。

相关已公开专利文献较少。

中国专利申请201420046488.7一种海底电磁测量仪，包括测量仪外壳、温度探测器、伽马探测器、纵向探测器、横向探测器、下横向探测器和连接杆。所述测量仪外壳内顺次安装连接有伽马探测器、横向探测器、下横向探测器、纵向探测器和温度探测器，所述伽马探测器、纵向探测器、横向探测器、下横向探测器和温度探测器通过连接杆顺次串联在一起。

中国专利申请00254754.6五分量海底大地电磁仪总成属于海洋物理探测设备领域,采用浮球,呈十字形的梯形台水泥挂重配合具有梯形凹槽的井字形仪器底座以及在仪器箱体上设多个过水孔等结构,解决了海洋探测中的特殊技术问题,包括密封、承压、防蚀、调平、防震以及在海洋条件下对仪器总体操作性能的特殊要求,例如必需尽可能地减少海水阻力及推力,下沉过程中姿态平衡,在海底能在静态下工作等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携的单舱球高集成海底电磁仪，功能集成度高、便携性好，方便海上施工与投放回收。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：包括电极臂，磁传感器、沉耦架、脱钩机构、仪器舱、水声传感器、塑料舱壳，在塑料舱壳、玻璃舱球、锂电池、电场采集器、水声通讯板、电场传感器、方位传感器、姿态传感器和数据采集器；一只球形的仪器舱安置在沉耦架上，在仪器舱顶部安置脱钩机构，并以锁紧螺栓紧固拉紧钢丝将三者紧固捆扎；仪器舱外部周缘连接电极臂，电极臂外端设有电场传感器；仪器舱内部采用一体化方式封装，仪器舱外部为塑料舱壳，在塑料舱壳内中部有玻璃舱球，在塑料舱壳内的玻璃舱球顶部安装水声传感器，玻璃舱球的内部固定安装有锂电池、水声通讯板电场采集器、磁传感器、电场传感器、方位传感器、姿态传感器以及数据采集器。

尤其是，电极臂有四根，相邻两根电极臂之间成90°间隔均匀分布。电极臂内端以螺栓通过旋转头固装于仪器舱外。每根电极臂由两根2.5米长的电极臂管通过臂管连接扣紧固连接，每根电极臂外端通过极罐转接头连接极罐，所述极罐内部设有电场传感器，极罐上开孔。

尤其是，在沉耦架上仪器舱旁对称安置浮力装置，浮力装置与仪器舱固定连接。

尤其是，磁传感器为三分量磁传感器，磁传感器磁探头外置于仪器舱上部外壁上。

尤其是，塑料舱壳由上、下二个部分构成，其周缘通过螺栓固定并压紧内部的玻璃舱球；玻璃舱球也包括上、下二个半球，其间接缝处通过密封胶泥密封，同时在该接缝处外部缠有3M胶带保护密封胶泥。

尤其是，玻璃舱球上部外侧固定密封插头。

尤其是，在玻璃舱球内部，电场采集器底部水平固定下托盘，下托盘外缘固定在玻璃舱球内下部内壁，而且，在电场采集器两侧分别固定一组锂电池，在电场采集器上方水平固定上托盘，上托盘上安装水声通讯板，上托盘外缘通过O型圈顶紧玻璃舱球内上部内壁。

本发明的优点和效果：采用单舱球的一体化结构，磁探头外置，有效减少舱内元件对其产生的磁干扰，使测量数据更精确。集成电场测量和磁场测量、记录功能，减少仪器投放数量，电极臂可伸缩拆卸，可旋转竖起，并可在投放入海后展开放平；能够自主沉放及起浮，并易于投放和定向。方便海上操作，可以在不利用长臂吊车等大型机械设备的辅助下，方便地进行施工作业和维护使用，电极臂内部采用钛合金结构，可保证足够的强度和韧性，外包塑料软管，避免产生电化学反应而影响测量记录。具有耐压、耐腐蚀和防水功能，能够顺利沉放及起浮回收，可在海底稳定工作。集成通用脱钩机构，通用性强。显著低科研成本。准确率高、自动化程度高，适用于海洋石油和矿产勘探、海洋地质结构调查等领域。

附图说明

图1是本发明中实施例1的立体结构示意图

图2是图1中部分结构纵截面示意图，其中电极臂部分未示出

附图标记包括：

电极臂1、浮力装置2、臂管连接扣3、磁传感器4、沉耦架5、脱钩机构6、仪器舱7、水声传感器8、塑料舱壳9、玻璃舱球10、O型圈11、上托盘12、锂电池13、密封插头14、电场采集器15、密封胶泥16、下托盘17、水声通讯板18。

具体实施方式

本发明原理在于，仪器舱7内部设有用于电场和磁场测量、记录的设备；将电场、磁场测量功能集中于单一舱球内，可保证可靠的电磁场探测要求并减少仪器数量，易于安装和投放，具有耐压、耐腐蚀和防水功能，能够顺利沉放及起伏回收，可在海底稳定工作。

本发明用于海底电场磁场观测、油气勘探和地质调查。在保证可靠的电场磁场探测要求的前提下，以便携结构集成多功能设备，减小仪器体积，易于安装与投放，具有耐压、耐腐蚀和防水功能，能够顺利沉放及起伏回收，可在海底稳定工作。缩减改进现有海底电场磁场测量需投放多个仪器舱的繁琐复杂而效率较低状况，并改善甚至克服现有探测装置系统复杂、方向定位精度低、投放与回收操作不便等问题。

本发明中，仪器舱7为单舱球型结构，其内部集成电场仪与磁场仪，集两者功能于一身，方便测量记录，效率高，降低研发探测成本。

本发明包括：电极臂1，磁传感器4、沉耦架5、脱钩机构6、仪器舱7、水声传感器8、塑料舱壳9，在塑料舱壳9、玻璃舱球10、锂电池13、电场采集器15、水声通讯板18、电场传感器、方位传感器、姿态传感器和数据采集器。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：如附图1和2所示，一只球形的仪器舱7安置在沉耦架5上，在仪器舱7顶部安置脱钩机构6，并以锁紧螺栓紧固拉紧钢丝将三者紧固捆扎；仪器舱7外部周缘连接电极臂1，电极臂1外端设有电场传感器；仪器舱7内部采用一体化方式封装，仪器舱7外部为塑料舱壳9，在塑料舱壳9内中部有玻璃舱球10，在塑料舱壳9内的玻璃舱球10顶部安装水声传感器8，玻璃舱球10的内部固定安装有锂电池13、水声通讯板18电场采集器15、磁传感器4、电场传感器、方位传感器、姿态传感器以及数据采集器。

前述中，电极臂1有四根，相邻两根电极臂1之间成90°间隔均匀分布。电极臂1内端以螺栓通过旋转头固装于仪器舱7外。每根电极臂1由两根2.5米长的电极臂管通过臂管连接扣3紧固连接，每根电极臂1外端通过极罐转接头连接极罐，所述极罐内部设有电场传感器，极罐上开孔，极罐内部的海水与极罐外部导通。电极臂1可伸缩拆卸，便于运输和组装，提高投放及回收效率。电极臂1内部采用钛合金材质，保证有足够的强度和韧性，外包塑料软管，保证其不会产生电化学反应而影响测量记录。

前述中，在沉耦架5上仪器舱7旁对称安置浮力装置2，浮力装置2与仪器舱7固定连接。

前述中，沉耦架5上安置配重装置。

前述中，磁传感器4为三分量磁传感器，磁传感器4磁探头外置于仪器舱7上部外壁上，可以有效减小仪器舱7舱体内部对其产生的磁干扰，提高数据测量的准确率。

前述中，玻璃舱球10内部通过固定支架或耦合支架安装数据采集器、磁传感器4、电场传感器、方位传感器和姿态传感器。

前述中，脱钩机构6为集成通用脱钩机构，通用性强，便于精确操作。

前述中，塑料舱壳9由上、下二个部分构成，其周缘通过螺栓固定并压紧内部的玻璃舱球10；玻璃舱球10也包括上、下二个半球，其间接缝处通过密封胶泥16密封，同时在该接缝处外部缠有3M胶带保护密封胶泥16，以达到密封效果，确保海底电磁场仪在海底长时间工作。

前述中，玻璃舱球10上部外侧固定密封插头14。

前述中，在玻璃舱球10内部，电场采集器15底部水平固定下托盘17，下托盘17外缘固定在玻璃舱球10内下部内壁，而且，在电场采集器15两侧分别固定一组锂电池13，在电场采集器15上方水平固定上托盘12，上托盘12上安装水声通讯板18，上托盘12外缘通过O型圈11顶紧玻璃舱球10内上部内壁。

前述中，水声传感器8中具有水声通讯信号接收与应答模块。

前述中，上托盘12有螺纹孔，用于固定水声控制板18。

本实施例中，仪器舱7是海底电磁场仪组成结构可回收部分，玻璃舱球10选用VITROVEX公司生产的耐压9000米水深的17英寸玻璃舱球，其在水中可以提供25KG的浮力。方位传感器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°。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10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。磁传感器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，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。姿态传感器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。电场传感器为固态银-氯化银电极，其通过导线与玻璃舱球上的密封插头连接，进而实现与玻璃舱球内部的电场采集器的连接。上述密封插头用于防止海水进入玻璃舱球内部。电场传感器浸泡在极罐内的海水中，用来探测海水中的电信号，并传递给电场采集器。

本实施例在安装时，仪器舱7安置在沉耦架5上，在仪器舱7顶部安置脱钩机构6，并以锁紧螺栓紧固拉紧钢丝将三者紧固捆扎；玻璃舱球10内部采用一体化封装结构，锂电池13分为两组，每组3节，并排立在电场采集器15的两侧，用扎带扎紧。电场采集器15和锂电池13电池组均在玻璃舱球10外进行组装、调试，然后将测试完成的整体放进玻璃舱球10下半球内，然后盖上玻璃舱球上半球通过玻璃舱球10挤压O型圈11来固定内部装置。电场采集器15通过螺钉固定在下托盘17上，上下玻璃半球通过压紧上托盘12的O型圈11产生一定的压缩量，并与玻璃舱球10内壁产生摩擦力，达到固定的目的，使得电场采集器15不易侧歪和松动。

本实施例的前述安装固定方式，避免发生以往在粘接玻璃舱球10内壁固定内部结构时，易造成玻璃舱球10内壁破损的现象。

在本实施例中，电极臂1在运输过程中为分散的电极臂管、臂管连接筒、极罐转接头和极罐，在投放入海之前再将其进行组装成电极臂，组装方便，并且易于运输。

本发明实施例在工作时的工作流程为：1)将四根电极臂1竖起，并将海底电磁场仪由运输船搬运到海中，在将便携的单舱球高集成海底电磁仪投放入海之前，进行各部件功能测试，确认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)在投放入海之前，将电极臂1置于水平位置。这样先竖起再放平的投放方式，有利于顺利的完成搬运出船，以及接下来该海底电磁场仪平稳的沉放到海底。将便携的单舱球高集成海底电磁仪投放入海，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电场、磁场信号及姿态信息，并储存在便携的单舱球高集成海底电磁仪中的内部存储器中；4)回收单舱球海底电磁场仪，在该便携的单舱球高集成海底电磁仪所在海域通过声纳系统发出回收信号，便携的单舱球高集成海底电磁仪接到信号后，脱钩机构6开始熔断钢丝，约5分钟后仪器舱7与沉耦架5底座脱离，仪器舱7自动上浮至水面，然后将仪器舱7打捞上船；5)提取所记录的数据进行分析处理。

以上的实施实例，仅用于对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细具体说明，更重要的在于，本发明的具体实施实例并不用于限制本发明，凡在本发明的叙述、效果和限定之内，所做的修改均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.便携的单舱球高集成海底电磁仪,包括电极臂(1)，磁传感器(4)、沉耦架(5)、脱钩机构(6)、仪器舱(7)、水声传感器(8)、塑料舱壳(9)，在塑料舱壳(9)、玻璃舱球(10)、锂电池(13)、电场采集器(15)、水声通讯板(18)、电场传感器、方位传感器、姿态传感器和数据采集器；其特征在于，一只球形的仪器舱(7)安置在沉耦架(5)上，在仪器舱(7)顶部安置脱钩机构(6)，并以锁紧螺栓紧固拉紧钢丝将三者紧固捆扎；仪器舱(7)外部周缘连接电极臂(1)，电极臂(1)外端设有电场传感器；仪器舱(7)内部采用一体化方式封装，仪器舱(7)外部为塑料舱壳(9)，在塑料舱壳(9)内中部有玻璃舱球(10)，在塑料舱壳(9)内的玻璃舱球(10)顶部安装水声传感器(8)，玻璃舱球(10)的内部固定安装有锂电池(13)、水声通讯板(18)电场采集器(15)、磁传感器(4)、电场传感器、方位传感器、姿态传感器以及数据采集器。

2.如权利要求1所述的便携的单舱球高集成海底电磁仪，其特征在于，电极臂(1)有四根，相邻两根电极臂(1)之间成90°间隔均匀分布；电极臂(1)内端以螺栓通过旋转头固装于仪器舱(7)外；每根电极臂(1)由两根2.5米长的电极臂管通过臂管连接扣(3)紧固连接，每根电极臂(1)外端通过极罐转接头连接极罐，所述极罐内部设有电场传感器，极罐上开孔。

3.如权利要求1所述的便携的单舱球高集成海底电磁仪，其特征在于，在沉耦架(5)上仪器舱(7)旁对称安置浮力装置(2)，浮力装置(2)与仪器舱(7)固定连接。

4.如权利要求1所述的便携的单舱球高集成海底电磁仪，其特征在于，磁传感器(4)为三分量磁传感器，磁传感器(4)磁探头外置于仪器舱(7)上部外壁上。

5.如权利要求1所述的便携的单舱球高集成海底电磁仪，其特征在于，塑料舱壳(9)由上、下二个部分构成，其周缘通过螺栓固定并压紧内部的玻璃舱球(10)；玻璃舱球(10)也包括上、下二个半球，其间接缝处通过密封胶泥(16)密封，同时在该接缝处外部缠有3M胶带保护密封胶泥(16)。

6.如权利要求1所述的便携的单舱球高集成海底电磁仪，其特征在于，玻璃舱球(10)上部外侧固定密封插头(14)。

7.如权利要求1所述的便携的单舱球高集成海底电磁仪，其特征在于，在玻璃舱球(10)内部，电场采集器(15)底部水平固定下托盘(17)，下托盘(17)外缘固定在玻璃舱球(10)内下部内壁，而且，在电场采集器(15)两侧分别固定一组锂电池(13)，在电场采集器(15)上方水平固定上托盘(12)，上托盘(12)上安装水声通讯板(18)，上托盘(12)外缘通过O型圈(11)顶紧玻璃舱球(10)内上部内壁。