CN108594318A - 一种用于水下的重力仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于水下的重力仪，包括承压舱上盖、承压舱舱体、承压舱底座、测量模块、加热保温层和IMU模块，承压舱上盖和承压舱底座分别设置在承压舱舱体的上端和下端，承压舱上盖、承压舱舱体和承压舱底座形成密封的中空结构；所述测量模块、IMU模块和加热保温层均固定设置在中空结构内，测量模块用于测量重力数据，IMU模块用于测量载体转动角度、角速度和线加速度，加热保温层用于加热和保温。本发明通过加热保温层可以使得重力仪能够适应深海低温环境，通过对结构和尺寸的设计，使得重力仪能够适应深海高压的环境，通过减震器，能够减少外界对重力仪的干扰，提高测量精度，有效解决了适应深海高压和低温环境的问题。

Description

一种用于水下的重力仪

技术领域

本发明涉及勘探设备技术领域，具体是一种用于水下的重力仪。

背景技术

在对深海进行重力探测时，重力仪之间处于水下与海水接触，在深海环境下，通常处于较低温度，在2000米的海水中，海水的温度处于3°左右，而重力仪通常需要在一个较高的稳定温度下才能正常测量工作，这就需要能够承受深海高压且能够承受深海低温环境的重力仪；同时，重力仪搭载的载体在母船拖曳过程中，载体的运动会对重力仪产生干扰震动，这也会影响到重力仪的正常测量工作。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用于水下的重力仪，其能够解决适应深海高压和低温环境的问题，且能够解决外界干扰的问题。

实现本发明的技术方案为：一种用于水下的重力仪，包括承压舱上盖、承压舱舱体、承压舱底座、测量模块、加热保温层和IMU模块，承压舱上盖和承压舱底座分别设置在承压舱舱体的上端和下端，承压舱上盖、承压舱舱体和承压舱底座连接形成密封的中空结构；

所述测量模块、IMU模块和加热保温层均固定设置在中空结构内，测量模块用于测量温度信号，IMU模块用于测量载体转动角度、角速度和线加速度，加热保温层用于加热和保温。

进一步地，所述IMU模块通过减震器与分设在IMU模块四个角落的连接柱固定连接，连接柱固定地设置在承压舱底座上。

进一步地，所述减震器包括沿着减震器的轴向方向从上至下依次设置的减震器上盖、减震片和减震器底座。

进一步地，所述加热保温层为环形结构，加热保温层的径向两端贴合在承压舱舱体的内壁上，加热保温层的轴向下端贴合在承压舱底座的内壁上，加热保温层的轴向上端位于测量模块和IMU模块之间。

进一步地，所述加热保温层包括沿加热保温层的径向方向从内至外依次设置的加热膜固定板、加热膜和保温层。

进一步地，所述加热膜与测量模块电性连接，加热膜和测量模块均与设置在中空结构内的控制器电性连接，控制器用于控制加热膜的工作状态。

进一步地，当所述温度信号大于或等于预设温度值时，所述控制器控制加热膜停止加热，当温度信号小于预设温度值时，控制器控制加热膜开启加热，使得密封的中空结构内处于一个稳定的温度环境。

进一步地，所述承压舱舱体为圆筒形结构。

进一步地，所述承压舱舱体的厚度t需满足公式①：

式中，为修正系数，R₀为大直径筒的外径，δ_s表示屈服强度，p_j表示设计强度。

进一步地，承压舱舱体的厚度为10mm，承压舱舱体的内径为155mm，承压舱舱体的外径为165mm。

本发明的有益效果为：本发明通过加热保温层可以使得重力仪能够适应深海低温环境，通过对结构和尺寸的设计，使得重力仪能够适应深海高压的环境，通过减震器，能够减少外界对重力仪的干扰，提高测量精度，有效解决了适应深海高压和低温环境的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为图2的A-A线剖视结构示意图；

图4为本发明的承压舱底座与IMU模块连接示意图；

图5为本发明的减震器的爆炸图；

图6为本发明的爆炸图；

图7为图3的B处的放大示意图；

图8为本发明的承压舱舱体变形量云图；

图9为本发明的承压舱舱体等效应力云图；

图10为本发明的承压舱舱体第一阶屈曲变形变形云图；

图11为本发明的承压舱底座和承压舱上盖的等效力云图。

图中，3171-承压舱上盖、3172-承压舱舱体、3173-承压舱底座、3174-测量模块、3175-加热保温层、31751-加热膜固定板、31752-加热膜、31753-保温层、3176-IMU模块、3177-连接柱、3178-减震器、31781-减震器上盖、31782-减震片、31783-减震器底座。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图1至图5所示，一种用于水下的重力仪，包括承压舱上盖3171、承压舱舱体3172、承压舱底座3173、测量模块3174、加热保温层3175、IMU(Inertial MeasurementUnit，惯性测量单元)模块3176和控制器(图中未示出)，承压舱上盖3171和承压舱底座3173分别设置在承压舱舱体3172的上端和下端，承压舱舱体3172为圆筒形结构，承压舱上盖3171、承压舱舱体3172和承压舱底座3173形成密封的中空结构，为了让承压舱上盖3171和承压舱舱体3172之间的连接既保持稳定连接，又能够保持密封，防止海水进入中空结构内损坏设备，承压舱上盖3171和承压舱舱体3172之间的连接采用螺纹连接，在连接处设有密封圈，同样地，承压舱底座3173和承压舱舱体3172之间的连接也采用螺纹连接，并在连接处设有密封圈；

所述测量模块3174和IMU模块3176固定设置在承压舱上盖3171、承压舱舱体3172和承压舱底座3173连接形成的密封的中空结构内，测量模块3174用于测量温度信号，测量模块3174包括用于测量的集成电路板和集成设置在集成电路板上的传感器组，传感器组至少包括温度传感器；IMU模块3176用于测量载体转动角度、角速度和线加速度等信息的装置，载体转动角度、角速度和线加速度等信息可用于测量重力数据中；

所述加热保温层3175为环形结构，加热保温层3175的径向两端贴合在承压舱舱体3172的内壁上，加热保温层3175的轴向下端贴合在承压舱底座3173的内壁上，加热保温层3175的轴向上端位于测量模块3174和IMU模块3176之间，这样的设置使得IMU模块3176处于加热保温层3175内，让IMU模块3176处于一个温度较稳定的环境内，从而使得IMU模块3176测量的数据更精准；

所述IMU模块3176通过减震器3178和连接柱3177固定设置在承压舱底座3173上，分设在IMU模块3176四个角落的连接柱3177固定地设置在承压舱底座3173上，IMU模块3176通过减震器3178与连接柱3177固定连接；

所述减震器3178包括沿着减震器3178的轴向方向从上至下依次设置的减震器上盖31781、减震片31782和减震器底座31783，所述减震片31782设置若干个；通过减震器3178的设置使得减少外界运动对IMU模块3176的干扰，从而提高IMU模块3176测量数据更精准，从而也就提高了重力仪的测量精度；

所述加热保温层3175包括沿加热保温层3175的径向方向从内至外依次设置的加热膜固定板31751、加热膜31752和保温层31753，所述加热膜31752为电加热膜，加热膜31752与测量模块3174的集成电路电性连接，通过集成电路给加热膜31752供电，使得加热膜31752产生热量，从而使得重力仪在深海接触海水的情况下，重力仪的中空结构内的温度也能维持稳定；

所述控制器设置在密封的中空结构内，所述加热膜31752和测量模块3174均与控制器电性连接，控制器用于根据测量的温度信号控制加热膜31752的工作状态，预设温度值，当测量的温度信号的值大于或等于预设温度值时，控制器控制加热膜31752停止加热，当测量的温度信号的值小于预设温度值时，控制器控制加热膜31752开启加热，使得密封的中空结构内处于一个稳定的温度环境。

在本实施中，承压舱舱体3172的直径为330mm，轴向长度为350mm。

为了能够让重力仪在2000米的深海环境下正常工作，需要对重力仪的尺寸进行精心的设计，以便能够承受深海高压：

承压舱上盖3171、承压舱舱体3172和承压舱底座3173均为TC4钛合金材料，TC4钛合金材料特性参数为：密度4500kg/m3，抗拉强度895MPa，屈服强度825MPa，弹性模量113GPa，泊松比0.33。

本实施例中，设计强度为25MPa，承压舱舱体3172的厚度t需满足以下条件：

式中，为修正系数，初始计算时取R₀为大直径筒的外径，取R₀＝165mm，δ_s表示屈服强度，取值为825，p_j表示设计强度，取值为25，

计算得出：

t≥6.4mm

考虑设计及加工工艺的实际情况，本实施例中，取承压舱舱体3172的厚度t＝10mm,此时，对应的承压舱舱体3172的内径为155mm，承压舱舱体3172的外径为165mm，经过理论计算，承压舱舱体3172的厚度在10mm下能承受的压力符合使用要求。

承压舱上盖3171和承压舱底座3173厚度及其直径相同，均需要满足下式：

式中，R为承压舱上盖3171或承压舱底座3173的直径，承压舱上盖3171或承压舱底座3173的直径等于承压舱舱体3172，即R＝155mm，t为承压舱上盖3171或承压舱底座3173的厚度，本实施例中，取t＝10mm，q为承压舱上盖3171或承压舱底座3173的均布载荷，取q＝2137163N,σ_max表示承压舱上盖3171或承压舱底座3173的最大应力，经过计算后，得出σ_max＝721Mpa<825Mpa，考虑到承压舱上盖3171或承压舱底座3173需要开孔等实际因素，我们取承压舱上盖3171和承压舱底座3173的厚度t＝42mm。

最后，我们对上述尺寸的大直径筒和小直径筒进行强度与稳定性进行校核，通过采用静态结构力学进行仿真分析它们的强度，如图6至9所示，承压舱舱体3172强度校核从图6和图7可以看出，在外压25Mpa的压力作用下，承压舱舱体3172最大应力为631.8Mpa，最大应力小于TC4钛合金的屈服强度，最大变形量为0.32mm，变形量较小，因此符合强度设计要求；

基于承压舱舱体3172静力学强度计算结果，在其变形和残余应力的基础上，保持边界条件不变，并施加静水压力(25MPa)，对承压舱舱体3172进行变形后的屈曲载荷因子计算，分析承压舱舱体3172变形后的屈曲稳定性，计算取结构的前6阶特征值，结果如下表所示：

阶数	1	2	3	4	5	6
							屈曲载荷因子	5.0147	5.0147	5.6041	5.6042	7.1426	7.1429

承压舱舱体3172的静力学变形后的屈曲载荷因子计算结果

对应的承压舱舱体3172第一阶屈曲载荷因子对应的屈曲变形云图如图8所示；根据屈曲载荷因子计算结果可见，第一阶屈曲模态最容易发生失稳，临界失稳条件对应的静水压力为5.0147×28＝125.37Mpa，重力仪使用水深为2000m，因此承压舱舱体3172设计满足使用要求。

同样，从图9可以看出，在外压25Mpa的压力下，超出材料屈服极限的应力点主要集中在承压舱上盖3171与承压舱舱体3172或承压舱底座3173与承压舱舱体3172的接触部位，此位置为应力集中点，而变形量最大的中心位置应力小于材料屈服极限，因此承压舱上盖3171和承压舱底座3173的设计强度满足使用要求。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于水下的重力仪，其特征在于：包括承压舱上盖、承压舱舱体、承压舱底座、测量模块、加热保温层和IMU模块，承压舱上盖和承压舱底座分别设置在承压舱舱体的上端和下端，承压舱上盖、承压舱舱体和承压舱底座连接形成密封的中空结构；

所述测量模块、IMU模块和加热保温层均固定设置在中空结构内，测量模块用于测量温度信号，加热保温层用于加热和保温。

2.根据权利要求1所述的用于水下的重力仪，其特征在于：所述IMU模块通过减震器与分设在IMU模块四个角落的连接柱固定连接，连接柱固定地设置在承压舱底座上。

3.根据权利要求2所述的用于水下的重力仪，其特征在于：所述减震器包括沿着减震器的轴向方向从上至下依次设置的减震器上盖、减震片和减震器底座。

4.根据权利要求1所述的用于水下的重力仪，其特征在于：所述加热保温层为环形结构，加热保温层的径向两端贴合在承压舱舱体的内壁上，加热保温层的轴向下端贴合在承压舱底座的内壁上，加热保温层的轴向上端位于测量模块和IMU模块之间。

5.根据权利要求1或4所述的用于水下的重力仪，其特征在于：所述加热保温层包括沿加热保温层的径向方向从内至外依次设置的加热膜固定板、加热膜和保温层。

6.根据权利要求5所述的用于水下的重力仪，其特征在于：所述加热膜与测量模块电性连接，加热膜和测量模块均与设置在中空结构内的控制器电性连接，控制器用于根据测量模块输出的温度信号控制加热膜的工作状态。

7.根据权利要求6所述的用于水下的重力仪，其特征在于：当所述温度信号大于或等于预设温度值时，所述控制器控制加热膜停止加热，当温度信号小于预设温度值时，控制器控制加热膜开启加热，使得密封的中空结构内处于一个稳定的温度环境。

8.根据权利要求1所述的用于水下的重力仪，其特征在于：所述承压舱舱体为圆筒形结构。

9.根据权利要求8所述的用于水下的重力仪，其特征在于：所述承压舱舱体的厚度t需满足公式①：

式中，为修正系数，R₀为大直径筒的外径，δ_s表示屈服强度，p_j表示设计强度。

10.根据权利要求9所述的用于水下的重力仪，其特征在于：所述承压舱舱体的厚度为10mm，承压舱舱体的内径为155mm，承压舱舱体的外径为165mm。