CN108330941A - 一种压力补偿式触探探头及海洋静力触探设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力补偿式触探探头及海洋静力触探设备，其属于海洋静力触探技术领域，压力补偿式触探探头包括外壳、传力组件、传感器和油囊，外壳为两端开口的壳体，传力组件位于外壳的一端且密封外壳的开口，传感器位于外壳内并与传力组件连接，传感器包括孔压传感器和锥尖传感器，孔压传感器和锥尖传感器均包括应变桥式压力补偿结构；油囊位于外壳的另一端且密封外壳的开口，油囊的内腔与外壳的内腔连通并形成用于硅油流动的通道。海洋静力触探设备采用上述压力补偿式触探探头，将探头检测到的压力以电压的形式输出，当海水压力变化或者温度变化时，输出电压均为0，能够同时消除温度及海水压力变化对测量产生的非线性影响。

Description

一种压力补偿式触探探头及海洋静力触探设备

技术领域

本发明涉及海洋静力触探技术领域，尤其涉及一种压力补偿式触探探头及海洋静力触探设备。

背景技术

静力触探是一种原位测试手段，也是一种勘探手段，它和常规的钻探-取样-室内试验等勘探程序相比，具有快速、精确、经济和节省人力等优点，可以满足广大沿海地区的工程勘察需求。

静力触探的基本原理是用准静力(相对动力触探而言，没有或很少冲击荷载)将一个内部装有传感器的触探头以匀速压入土中，由于地层中各种土的软硬不同，探头所受的阻力也不同，传感器将这种大小不同的贯入阻力通过电信号输入到记录仪表中记录下来，再通过贯入阻力与土的工程地质特征之间的定性关系和统计相关关系，来实现取得土层剖面、提供浅基承载力、选择桩端持力层和预估单桩承载力等工程地质勘察目的。

海洋静力触探探头用于测试沉积物内部的锥尖阻力、侧摩阻力及孔隙水压力等。目前，静力触探探头的锥尖通过单端受力方式来测试土和水的总应力，由于海水压力随水深增加而不断提高，采用这种结构的探头的量程往往要考虑海水压力的影响。当水深超过1000m时，探头受到的静水压力较大，探头的量程需要比实际测试土体强度高许多，从而导致探头的分辨率降低；对于深海浅层沉积物，其强度范围在10kPa-200kPa范围内，但由于水深较大，探头量程要达到兆帕级。同时由于海水压力的存在，孔隙水压力也需要在静水压力的基础上得到超静水压力，这显然降低了相对测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压力补偿式触探探头，以解决现有技术中存在的海水压力使得探头测试量程高，导致探头分辨率低、测量精度低的技术问题。

本发明的目的在于提供一种海洋静力触探设备，以解决现有技术中存在的海水压力影响测试精度的技术问题。

如上构思，本发明所采用的技术方案是：

一种压力补偿式触探探头，包括：

外壳，其为两端开口的壳体；

传力组件，位于所述外壳的一端且密封所述外壳的开口；

传感器，位于所述外壳内并与所述传力组件连接，所述传感器包括孔压传感器和锥尖传感器，所述孔压传感器和所述锥尖传感器均包括应变桥式压力补偿结构；

油囊，位于所述外壳的另一端且密封所述外壳的开口，所述油囊的内腔与所述外壳的内腔连通并形成用于硅油流动的通道。

其中，所述锥尖传感器包括中空的柱体，所述柱体上沿周向均匀间隔开设有四个U型通槽，相邻所述U型通槽之间形成测量片，所述U型通槽内侧的部分形成补偿片，所述补偿片与所述测量片沿周向的宽度相等。

其中，所述补偿片与所述测量片上均设置有应变片，相互对称的两个所述应变片串联构成应变桥电路，所述补偿片、所述测量片和所述应变桥电路构成所述应变桥式压力补偿结构。

其中，所述传力组件包括：

传力柱，包括伸出所述外壳之外的受力部和位于所述外壳之内的传力部；

锥尖，位于所述外壳的端部并与所述受力部连接，所述锥尖传感器与所述传力部连接。

其中，所述传力部的内部中空形成容置腔，所述受力部设置有与所述容置腔连通的进水孔；所述传力组件还包括：

透水石，套设于所述受力部并覆盖所述进水孔的进口；

膜片，位于所述容置腔内并覆盖所述进水孔的出口，所述孔压传感器位于所述容置腔内并与所述膜片抵接。

其中，所述受力部的表面于所述透水石和所述锥尖之间套设有橡胶垫片。

其中，所述外壳包括相互连接的基座与套筒，所述基座内设置有第一腔室，所述套筒内设置有第二腔室，所述基座上开设有连通所述第一腔室与所述第二腔室的连通孔。

其中，所述油囊位于所述第一腔室内，所述油囊包括油封柱和橡胶皮套，所述油封柱连接于所述连通孔的端部，所述橡胶皮套套设于所述油封柱的外周面上。

其中，所述油封柱的中心孔连通所述连通孔，所述油封柱位于所述橡胶皮套内部的外周面上设置有连通所述中心孔的流通孔。

一种海洋静力触探设备，包括如上所述的压力补偿式触探探头。

本发明的有益效果：

本发明提出的压力补偿式触探探头，应变桥式压力补偿结构能够将压力以电压的形式输出，当海水压力变化时，硅油于油囊和外壳的内腔之间流动，使得外壳的内腔与外壳的外部压力相等，传感器均匀受压，或者当温度变化时，应变桥式压力补偿结构受力均匀，即当海水深度变化或者温度变化时，输出电压均为0，因此，该探头能够同时消除温度及海水压力变化对测量产生的非线性影响，在深海沉积物的锥尖阻力和超静水压力测量时不受温度和海水压力影响，探头的量程与海水深度无关，能够降低探头的量程，从而提高测量精度。

附图说明

图1是本发明提供的压力补偿式触探探头的剖视图；

图2是本发明提供的压力补偿式触探探头的油囊的结构示意图；

图3是本发明提供的压力补偿式触探探头的锥尖传感器的结构示意图；

图4是本发明提供的压力补偿式触探探头的部分结构示意图。

图中：

1、外壳；2、传力组件；3、传感器；4、油囊；5、水密插头；

11、基座；12、套筒；13、第一密封圈；111、第一腔室；112、连通孔；121、第二腔室；

21、传力柱；22、透水石；23、膜片；24、锥尖；25、第二密封圈；26、第三密封圈；27、橡胶垫片；211、进水孔；

31、孔压传感器；32、锥尖传感器；321、U型通槽；322、测量片；323、补偿片；

41、油封柱；42、橡胶皮套；43、螺母；411、中心孔；412、流通孔。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。

参见图1至图4，本发明实施例提供一种压力补偿式触探探头，包括外壳1、传力组件2、传感器3和油囊4，外壳1为两端开口的壳体，传力组件2位于外壳1的一端且密封外壳1的开口，传感器3位于外壳1内并与传力组件2连接，传感器3包括孔压传感器31和锥尖传感器32，孔压传感器31和锥尖传感器32均包括应变桥式压力补偿结构；油囊4位于外壳1的另一端且密封外壳1的开口，油囊4的内腔与外壳1的内腔连通并形成用于硅油流动的通道。下面对各个部件及其工作过程进行详细介绍。

外壳1主要作用是连接探杆与探头，保护其内部的部件免收受外界因素影响。外壳1可以是一体结构，也可以是分体结构。在本实施例中，外壳1为分体结构，外壳1包括相互连接的基座11与套筒12，基座11内设置有第一腔室111，套筒12内设置有第二腔室121，基座11上开设有连通第一腔室111与第二腔室121的连通孔112。基座11与套筒12螺纹连接，基座11与套筒12之间设置有第一密封圈13，第一密封圈13用于隔绝内外液体流动。

油囊4位于第一腔室111内，油囊4包括油封柱41和橡胶皮套42，油封柱41连接于连通孔112的端部，橡胶皮套42套设于油封柱41的外周面上。具体地，橡胶皮套42的外径与第一腔室111的内径相同，橡胶皮套42上下开孔套在油封柱41上。油封柱41位于橡胶皮套42内部的外周面上设置有外螺纹，橡胶皮套42的两端通过螺母43锁紧固定于油封柱41上。

油封柱41的一端与连通孔112螺纹连接，油封柱41的中心孔411连通连通孔112，油封柱41的另一端的于中心孔411开设有内螺纹，内螺纹用于连接水密插头5，水密插头5用于连接传感器3与数据采集系统，进行数据传递。

油囊4的内腔与第二腔室121的内腔连通并充入硅油，油封柱41位于橡胶皮套42内部的外周面上设置有连通中心孔411的流通孔412，用于硅油自由流动。当外界压力升高时，橡胶皮套42受到挤压，硅油进入第二腔室121内补充其内部压力，反之，外界压力降低时，第二腔室121内部的硅油流出，硅油的自由流动，保证外壳1内部压力与外界压力同步。

传力组件2和传感器3均位于第二腔室121内，传力组件2用于向传感器3传递压力。

传力组件2包括传力柱21、透水石22、膜片23和锥尖24，传力柱21包括伸出外壳1之外的受力部和位于外壳1之内的传力部，传力部的内部中空形成容置腔，受力部设置有与容置腔连通的进水孔211；透水石22套设于受力部并覆盖进水孔211的进口，膜片23位于容置腔内并覆盖进水孔211的出口，锥尖24位于外壳1的端部并与受力部连接。

传力柱21与套筒12之间设置有第二密封圈25，第二密封圈25用于低压差下阻隔探头内外之间液体的连通以及灰尘进入，消除了传统探头在高水压环境下为抵抗海水进入到探头内部产生的高摩擦力带来的测量误差问题。

在本实施例中，受力部与传力部一体成型。进水孔211设置有三个，三个进水孔211绕传力柱21的轴线均匀间隔分布，即相邻进水孔211之间的夹角为120°。

进水孔211与膜片23相通，膜片23的作用是隔绝内外液体流通以及传递外界压力，膜片23具有足够伸缩性以保证压力传递的均匀性。膜片23的外表面与传力柱21的容置腔之间设置有第三密封圈26，用于阻隔内外液体流通。

透水石22用于传递孔隙水压力并隔绝沉积物颗粒进入传力柱21，透水石22可以采用金属或非金属加工成的多孔材料。透水石22的内径比传力柱21的外径大0.5mm，保证透水石22能够上下自由活动；透水石22的外径与套筒12的外径相同。

透水石22的下端于受力部的表面套设有橡胶垫片27，橡胶垫片27位于透水石22和锥尖24之间，橡胶垫片27为传感器3变形提供空间。

孔压传感器31位于容置腔内并与膜片23抵接，透水石22、传力柱21和膜片23配合，向孔压传感器31传递孔隙水压力；锥尖传感器32的一端通过螺丝与传力柱21连接，另一端与基座11螺纹连接，锥尖24与传力柱21配合，向锥尖传感器32传递锥尖阻力。因此，传力柱21不仅用于传力，也作为孔压传感器31的载体。

在本实施例中，锥尖24的平面夹角为60°，锥尖24的底面的直径与套筒12的外径相同，锥尖24通过螺纹固定于传力柱21上。

孔压传感器31与锥尖传感器32上均设置有应变桥式压力补偿结构。孔压传感器31与锥尖传感器32的结构类似，工作原理相同，在此只对锥尖传感器32做详细介绍。

锥尖传感器32为中空的柱体，柱体上沿周向均匀间隔开设有四个U型通槽321，U型通槽321连通柱体的内外。相邻U型通槽321之间形成测量片322，U型通槽321内侧的部分形成补偿片323，补偿片323与测量片322沿周向的宽度相等。具体地，在柱体的周面上，沿周向对称分成8份，每份之间通过沿轴向挖去的第一孔槽间隔，第一孔槽将柱体分割成8个宽度相等的相互独立的单元。在此基础上，再将8个单元中的4个对称的单元沿周向挖去第二孔槽，从而使这4个单元形成补偿片323，其余4个单元为测量片322。两个第一孔槽和一个第二孔槽连通形成上述U形槽。因此，测量片322与补偿片323金属特性完全相同，在受到同样的外力作用时，变形完全相同。

补偿片323与测量片322上均设置有应变片，相互对称的两个应变片串联构成应变桥电路，即惠斯特电桥的一桥，4个桥臂中的2个为测量桥臂，2个为补偿桥臂。应变片有8个，且阻值及变形特性相同，8个应变片均匀等高度地粘贴于8个单元上。

补偿片323、测量片322和应变桥电路构成应变桥式压力补偿结构。探头工作时，首先需要给探头提供10V直流电压，为由应变片构成的电桥供电。探头在岸上未受力时，给电桥供电，由于电桥的各阻值相同，根据惠斯特电桥原理，探头输出电压为0。

温度发生改变时，锥尖传感器32及孔压传感器31沿轴向均产生一定量的应变，由于同一测量弹性体材质相同，沿轴向产生的应变是相同的，因此应变片的阻值变化也是相同的，根据惠斯特电桥原理，此时电压输出仍为0。因此，温度的改变对输出电压值无影响。

当探头工作于海水中时，随着海水压力的增加，硅油被挤压由橡胶皮套42进入第二腔室121内部，保持外壳1的内外压力平衡，内部的压力由硅油传递到传感器3，外部的压力一方面由锥尖24通过传力柱21传到锥尖传感器32，另一方面，由透水石22通过膜片23传到孔压传感器31，由于液体的各向同性特征，此时，锥尖传感器32的补偿片323与测量片322变形一致，由此产生应变片的应变量及阻值变化也是一致的，由惠斯特电桥原理，此时电桥处于平衡状态，电桥输出电压为0，同理，孔压传感器31的输出电压也为0。

当探头贯入沉积物中时，由于沉积物对锥尖24的阻碍作用，锥尖24受到的锥尖阻力通过传力柱21传到锥尖传感器32，而油囊4仍然只受到海水的静压力，因此，在锥尖阻力的作用下，贴在测量片322上的4个应变片因受锥尖阻力而产生同样的变形，而贴在补偿片323上的4个应变片因柱体被挖断不受力，导致电桥不再平衡，输出电压不为0，电压值的变化与锥尖阻力呈正比。

当探头贯入沉积物中时，孔隙水压力包括静水压力和超静水压力，孔隙水压力通过透水石22、膜片23传到孔压传感器31，而油囊4仍然只受到海水的静压力，外壳1的内外的静水压力相互抵消，因此，在超静水压力的作用下，贴在孔压传感器31上的应变片变形不同，导致电桥不再平衡，输出电压不为0，电压值的变化与锥尖阻力呈正比。

综上，探头能够同时消除温度及海水压力变化对测量产生的非线性影响，在深海对锥尖阻力和超静水压力测量时不受海水压力影响，探头的量程与海水深度无关，能够提高测量精度。

本发明实施例还提供一种海洋静力触探设备，包括上述压力补偿式触探探头，在对锥尖阻力和超静水压力测量时不受海水压力影响，对于海洋尤其是深海沉积物的测试优点体现更为明显，保证了在几十兆帕的海水压力下仍然能够精确地量测10kPa左右的沉积物贯入阻力及超孔隙水压力。

以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施方式限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种压力补偿式触探探头，其特征在于，包括：

外壳(1)，其为两端开口的壳体；

传力组件(2)，位于所述外壳(1)的一端且密封所述外壳(1)的开口；

传感器(3)，位于所述外壳(1)内并与所述传力组件(2)连接，所述传感器(3)包括孔压传感器(31)和锥尖传感器(32)，所述孔压传感器(31)和所述锥尖传感器(32)均包括应变桥式压力补偿结构；

油囊(4)，位于所述外壳(1)的另一端且密封所述外壳(1)的开口，所述油囊(4)的内腔与所述外壳(1)的内腔连通并形成用于硅油流动的通道。

2.根据权利要求1所述的压力补偿式触探探头，其特征在于，所述锥尖传感器(32)包括中空的柱体，所述柱体上沿周向均匀间隔开设有四个U型通槽(321)，相邻所述U型通槽(321)之间形成测量片(322)，所述U型通槽(321)内侧的部分形成补偿片(323)，所述补偿片(323)与所述测量片(322)沿周向的宽度相等。

3.根据权利要求2所述的压力补偿式触探探头，其特征在于，所述补偿片(323)与所述测量片(322)上均设置有应变片，相互对称的两个所述应变片串联构成应变桥电路，所述补偿片(323)、所述测量片(322)和所述应变桥电路构成所述应变桥式压力补偿结构。

4.根据权利要求2所述的压力补偿式触探探头，其特征在于，所述传力组件(2)包括：

传力柱(21)，包括伸出所述外壳(1)之外的受力部和位于所述外壳(1)之内的传力部；

锥尖(24)，位于所述外壳(1)的端部并与所述受力部连接，所述锥尖传感器(32)与所述传力部连接。

5.根据权利要求4所述的压力补偿式触探探头，其特征在于，所述传力部的内部中空形成容置腔，所述受力部设置有与所述容置腔连通的进水孔(211)；所述传力组件(2)还包括：

透水石(22)，套设于所述受力部并覆盖所述进水孔(211)的进口；

膜片(23)，位于所述容置腔内并覆盖所述进水孔(211)的出口，所述孔压传感器(31)位于所述容置腔内并与所述膜片(23)抵接。

6.根据权利要求5所述的压力补偿式触探探头，其特征在于，所述受力部的表面于所述透水石(22)和所述锥尖(24)之间套设有橡胶垫片(27)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的压力补偿式触探探头，其特征在于，所述外壳(1)包括相互连接的基座(11)与套筒(12)，所述基座(11)内设置有第一腔室(111)，所述套筒(12)内设置有第二腔室(121)，所述基座(11)上开设有连通所述第一腔室(111)与所述第二腔室(121)的连通孔(112)。

8.根据权利要求7所述的压力补偿式触探探头，其特征在于，所述油囊(4)位于所述第一腔室(111)内，所述油囊(4)包括油封柱(41)和橡胶皮套(42)，所述油封柱(41)连接于所述连通孔(112)的端部，所述橡胶皮套(42)套设于所述油封柱(41)的外周面上。

9.根据权利要求8所述的压力补偿式触探探头，其特征在于，所述油封柱(41)的中心孔(411)连通所述连通孔(112)，所述油封柱(41)位于所述橡胶皮套(42)内部的外周面上设置有连通所述中心孔(411)的流通孔(412)。

10.一种海洋静力触探设备，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的压力补偿式触探探头。