CN108897058A - 一种捷联式水下动态重力测量仪承压温控舱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种捷联式水下动态重力测量仪承压温控舱，属于重力测量领域。该系统主要由重力传感器安装座、姿态传感器安装座、重力传感器圆柱形保护壳、惯性测量单元圆柱形保护壳、薄膜电加热片、聚氨酯发泡保温材料、高密度橡塑保温棉、减振器、减振器安装座、陶瓷垫、水下承压舱、水密接插件、基于半导体制冷器的水面散热装置组成，以上各主要组成部分构成了承压、温控、减振三个系统，可以保护重力仪免遭海水侵蚀和水下压力破坏，实现重力仪的精确控温，使重力仪适应水下复杂测量环境。本发明满足了水下动态重力测量的需求，解决了现有水面重力仪的水下适应性改进问题，具有抗压、抗振、防腐蚀、精确控温、成本低、体积小等优点。

Description

一种捷联式水下动态重力测量仪承压温控舱

技术领域：

本发明涉及一种捷联式水下动态重力测量仪承压温控舱，属于重力测量领域。

背景技术：

水下动态重力测量具有目前常用的海洋重力测量方式所不具备的优点：相对于水下静态重力测量，它具有效率高、测量连续、覆盖范围大的优点；相对于船载重力测量，它具有接近海底重力信号源、信号强度大、测量精度高等优点。因此，发展水下动态重力测量仪具有非常重要的意义。船载重力测量和航空重力测量是目前发展比较成熟的动态重力测量方式，适用于空气环境下工作，而要发展水下动态重力测量则需要解决几个关键性技术问题：一是耐水下高水压工作环境，二是水下/水面两种工作状态下温控系统的改进设计。

在深海测量环境中，需要采取合理的保护措施以实现水面重力仪的水下适应性改进，设计合适的水下承压舱来保护重力仪的精密元器件不受海水的侵蚀、避免水下压力破坏；同时，水下工作环境温度较低，重力仪的核心传感器的测量效果对温度非常敏感，需要设计性能良好的温度控制系统保证重力仪传感器工作在合适的恒定温度，且需要考虑水下/水面两种工作状态；在海洋重力测量中，恶劣的天气时有发生，水下暗流的扰动也无法预测，这对重力仪的动态性和抗振性提出了较高要求，提高重力仪的动态性、设计良好的减振系统是不可避免的课题。水下测量每个航次的耗时周期长、成本高，因而测量仪器的安装空间宝贵，努力实现重力仪的小型化，可以节省安装空间，安装其他海洋测量设备，提高单航次的空间利用率，获得更多宝贵数据，降低数据获取成本，意义重大。

水下动态重力测量技术属海洋重力测量领域前沿技术，目前未有涉及水下动态重力测量仪承压温控舱的专利或文献公开。

发明内容：

针对上述问题，本发明提出了一种捷联式水下动态重力测量仪承压温控舱，可以实现重力仪的水下适应性改进，进行水下近海底动态重力测量，具有抗压、抗振、防腐蚀、精确控温、成本低、体积小等优点。本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种捷联式水下动态重力测量仪承压温控舱，主要由重力传感器安装座、姿态传感器安装座、重力传感器圆柱形保护壳、惯性测量单元圆柱形保护壳、薄膜电加热片、聚氨酯发泡保温材料、高密度橡塑保温棉、减振器、减振器安装座、陶瓷垫、水下承压舱、水密接插件、基于半导体制冷器的水面散热装置组成，水密接插件、基于半导体制冷器的水面散热装置安装在水下承压舱顶部，其他各部分均安装在水下承压舱内部的传感器安装区内；以上所述的各主要组成部分构成了承压、温控、减振三个系统，其中，承压系统主要由水下承压舱、水密接插件组成，温控系统主要由重力传感器安装座、姿态传感器安装座、重力传感器圆柱形保护壳、惯性测量单元圆柱形保护壳、薄膜电加热片、聚氨酯发泡保温材料、高密度橡塑保温棉、陶瓷垫、基于半导体制冷器的水面散热装置组成，减振系统主要由减振器、减振器安装座组成。

承压系统中，水下承压舱外形为圆柱形，采用钛合金TC4制造，分为顶盖、底盖、圆筒侧壁三部分，三部分采用螺栓连接在一起，顶盖和圆筒侧壁相连接，圆筒侧壁和底盖相连接，侧壁平均厚度10毫米，顶盖和底盖平均厚度26毫米，最大外径340毫米，高350毫米，顶盖和底盖与圆筒侧壁配合面上具有密封圈安装槽，用来安装橡胶水密圈，达到防水的目的，顶盖上可安装一对U型把手，便于吊装，顶盖上还安装有水密接插件，可以通过线缆实现设备的供电、状态监测和数据传输，底盖上安装有四个惯性测量单元安装座，底盖边缘具有安装孔，能够将重力仪与水下运动载体固联，实现水下动态重力测量，水下承压舱内部空间分为上下两部分，上部空间为电源系统安装区，下部空间为传感器安装区。

温控系统采用三级控温模式，且具有水面、水下两种工作方式：其中，重力传感器安装座上安装有三个两两正交的重力传感器，重力传感器安装座没有安装重力传感器的两个侧面贴有薄膜电加热片，重力传感器和重力传感器安装座被整体放入重力传感器圆柱形保护壳中，重力传感器圆柱形保护壳内剩余空间全部由聚氨酯发泡保温材料填满，以上构成了一级内温控；重力传感器圆柱形保护壳外侧壁贴有薄膜电加热片，薄膜电加热片外部、重力传感器圆柱形保护壳顶壁和底壁外侧均匀贴满了高密度橡塑保温棉，以上构成了二级内温控；重力传感器安装座、重力传感器圆柱形保护壳和两级内温控通过螺栓和陶瓷垫固定在姿态传感器安装座底面上，构成一个圆柱形的重力传感器-内温控组件，将该重力传感器-内温控组件整体放入姿态传感器安装座中间的圆柱形空腔中，姿态传感器安装座底面和姿态传感器安装座通过螺钉连接成一个整体，连同姿态传感器安装座上安装的三个两两正交的姿态传感器构成惯性测量单元，惯性测量单元外侧壁中间部分均匀分布四个安装耳，通过减振系统安装在水下承压舱底盖上的惯性测量单元安装座上；惯性测量单元外部为惯性测量单元圆柱形保护壳，惯性测量单元圆柱形保护壳外侧壁贴有薄膜电加热片，薄膜电加热片外部、惯性测量单元圆柱形保护壳顶壁外侧均匀贴满了高密度橡塑保温棉，以上构成了最外层的外温控，除此之外，外温控还包括惯性测量单元安装座外部均匀包裹的聚氨酯发泡保温材料和底盖内壁均匀覆盖的聚氨酯发泡保温材料；聚氨酯发泡保温材料和陶瓷垫具有隔热作用，尽量减少惯性测量单元的传导热流失，实现内外温区分离，三级温控都采用纯加热模式，内温控的控温对象为重力传感器，外温控的控温对象为惯性测量单元，两级内温控的加热目标温度一致，外温控的目标温度比内温控的目标温度低；在水面工作模式下，水下承压舱顶部安装有可拆卸的基于半导体制冷器的水面散热装置，可以提高设备在水面调试工作过程中在空气中的散热能力，而在水下工作模式下，则将基于半导体制冷器的水面散热装置拆除，因为水下环境温度较低且海水有传导散热作用，不需要人工散热。

减振系统由减振器、减振器安装垫、陶瓷垫组成，自上而下安装，共有四套。

作为本发明的进一步改进，传感器安装区可以加装热循环风扇，传感器安装区内部空间为圆柱形，所以可以设置两个循环方向不同的风扇，一个控制圆柱形空间的轴向循环方向，另一个控制圆柱形空间的周向循环方向，通过加强对流使惯性测量单元的工作环境热分布更加均匀。

本发明的有益效果是：本发明所述的捷联式水下动态重力测量仪承压温控舱可以适应深海工作环境，具有在深海高压、低温、未知洋流扰动的环境下工作的能力；其中，水下承压舱可以防止海水侵蚀和压力破坏，保护重力仪内部器件，精密温控系统可以为惯性测量单元维持合适的恒定工作环境温度，减振系统可以提高重力仪的抗振性，尤其是重力仪采用捷联式数学平台解算，具有体积小、高动态性等优点，可以降低整体测量成本。

附图说明：

图1为本发明的惯性测量单元结构布局示意图；

图2为本发明的惯性测量单元三维示意图；

图3为本发明的惯性测量单元的爆炸图；

图4为本发明的结构布局示意图；

图5为装配了基于半导体制冷器的水面散热装置的水下承压舱的三维示意图；

图6为本发明的水下承压舱主视图；

图7为本发明的水下承压舱左视图；

图8为本发明的水下承压舱俯视图；

图9为本发明的爆炸图。

图中所示：1-重力传感器安装座(图1)，2-姿态传感器安装座(图1、图2、图3)，3-重力传感器圆柱形保护壳(图1、图3)，4-惯性测量单元圆柱形保护壳(图4)，5-薄膜电加热片(图1、图4)，6-聚氨酯发泡保温材料(图1、图4)，7-高密度橡塑保温棉(图1、图4)，8-减振器(图2、图3、图4)，9-减振器安装座(图4)，10-陶瓷垫(图1、图4)，11-水下承压舱(图4、图5)，12-水密接插件(图5、图9)，13-基于半导体制冷器的水面散热装置(图4、图5)，14-重力传感器(图1)，15-姿态传感器(图1、图2、图3)，16-螺栓(图1)，17-姿态传感器安装座底面(图3)，18-螺钉(图3)，19-惯性测量单元(图1、图2、图3、图4、图9)，20-安装耳(图2、图3、图4)，21-惯性测量单元安装座(图4、图6、图9)，22-螺栓(图9)，23-密封圈安装槽(图6、图9)，24-U型把手(图5、图6、图7、图8、图9)，25-安装孔(图5、图9)，26-电源系统安装区(图4、图9)，27-传感器安装区(图4)，28-热循环风扇(图9)，29-重力传感器-内温控组件(图3)，111-顶盖(图6、图7、图8、图9)，112-圆筒侧壁(图6、图7、图9)，113-底盖(图6、图7、图9)。

具体实施方式：

下面将通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

在图1、图2、图3、图4和图5中，本发明一种捷联式水下动态重力测量仪承压温控舱，主要由重力传感器安装座1、姿态传感器安装座2、重力传感器圆柱形保护壳3、惯性测量单元圆柱形保护壳4、薄膜电加热片5、聚氨酯发泡保温材料6、高密度橡塑保温棉7、减振器8、减振器安装座9、陶瓷垫10、水下承压舱11、水密接插件12、基于半导体制冷器的水面散热装置13组成，其中，水密接插件12、基于半导体制冷器的水面散热装置13安装在水下承压舱11顶部，其他各部分均安装在水下承压舱11内部的传感器安装区27内，以上所述的各主要组成部分构成了承压、温控、减振三个系统，其中，承压系统主要由水下承压舱11、水密接插件12组成，温控系统主要由重力传感器安装座1、姿态传感器安装座2、重力传感器圆柱形保护壳3、惯性测量单元圆柱形保护壳4、薄膜电加热片5、聚氨酯发泡保温材料6、高密度橡塑保温棉7、陶瓷垫10、基于半导体制冷器的水面散热装置13组成，减振系统主要由减振器8、减振器安装座9组成。重力传感器安装座1上安装有三个两两正交的重力传感器14，重力传感器安装座1没有安装重力传感器的两个侧面贴有薄膜电加热片5，重力传感器圆柱形保护壳3罩在重力传感器安装座1外面，保护壳内部空隙填满了聚氨酯发泡保温材料6，重力传感器圆柱形保护壳3外侧壁贴有薄膜电加热片5，薄膜电加热片5外侧、重力传感器圆柱形保护壳3顶壁和底壁贴有高密度橡塑保温棉7，重力传感器安装座1和重力传感器圆柱形保护壳3通过螺栓16和陶瓷垫10固定在姿态传感器安装座底面17上构成一个圆柱形的重力传感器-内温控组件29，把重力传感器-内温控组件29整体放入姿态传感器安装座2中间的圆柱形空腔中，姿态传感器安装座底面17和姿态传感器安装座2通过螺钉18连接成一个整体，连同姿态传感器安装座2上安装的三个两两正交的姿态传感器15构成惯性测量单元19；惯性测量单元19外侧壁中间部分均匀分布四个安装耳20，通过减振系统安装在水下承压舱11底盖113上的惯性测量单元安装座21上；惯性测量单元19外部为惯性测量单元圆柱形保护壳4，惯性测量单元圆柱形保护壳4外侧壁贴有薄膜电加热片5，薄膜电加热片5外部、惯性测量单元圆柱形保护壳4顶壁外侧均匀贴满了高密度橡塑保温棉7，惯性测量单元安装座21外部均匀包裹有聚氨酯发泡保温材料6，底盖113内壁均匀覆盖有聚氨酯发泡保温材料6，最外层为水下承压舱11。

图6、图7、图8为本发明的水下承压舱机械制图三视图，图9为本发明的爆炸图，在这四幅图中可以看到承压系统的具体结构。水下承压舱11采用钛合金TC4制造，分为顶盖111、底盖113、圆筒侧壁112三部分，三部分采用螺栓22连接在一起，顶盖111和圆筒侧壁112通过八个螺栓22相连接，圆筒侧壁112和底盖113通过八个螺栓22相连接，圆筒侧壁112平均厚度10毫米，顶盖111和底盖113平均厚度26毫米，最大外径340毫米，高350毫米，总重约35—40公斤，最大工作深度可达2500米，顶盖111和底盖113与圆筒侧壁配合面上具有密封圈安装槽23，用来安装橡胶水密圈，达到防水的目的，顶盖111上可安装一对U型把手24，便于吊装，顶盖111上还安装有水密接插件12，可以通过线缆实现设备的供电、状态监测和数据传输，底盖113上安装有四个惯性测量单元安装座21，底盖113边缘具有安装孔25，能够将重力仪与水下运动载体固联，实现水下动态重力测量，如图4中所示，水下承压舱11内部空间分为上下两部分，上部空间为电源系统安装区26，下部空间为传感器安装区27。

温控系统采用三级控温模式，且具有水面、水下两种工作方式：在图1中，重力传感器安装座1上安装有三个两两正交的重力传感器14，重力传感器安装座1没有安装重力传感器的两个侧面贴有薄膜电加热片5，重力传感器14和重力传感器安装座1被整体放入重力传感器圆柱形保护壳3中，重力传感器圆柱形保护壳3内剩余空间全部由聚氨酯发泡保温材料6填满，以上构成了一级内温控；重力传感器圆柱形保护壳3外侧壁贴有薄膜电加热片5，薄膜电加热片5外部、重力传感器圆柱形保护壳3顶壁和底壁外侧均匀贴满了高密度橡塑保温棉7，以上构成了二级内温控；重力传感器安装座1、重力传感器圆柱形保护壳3和两级内温控通过螺栓16和陶瓷垫10固定在姿态传感器安装座底面17上，构成一个圆柱形的重力传感器-内温控组件29，其中陶瓷垫10起隔热作用，减少重力传感器的热量散失，将重力传感器-内温控组件29整体放入姿态传感器安装座2中间的圆柱形空腔中，姿态传感器安装座底面17和姿态传感器安装座2通过螺钉18连接成整体，构成惯性测量单元19，其连接方式可参考图2和图3；在图4中，惯性测量单元19外侧壁中间部分均匀分布四个安装耳20，通过减振系统安装在在惯性测量单元安装座21上；外温控在最外层，惯性测量单元19外部为惯性测量单元圆柱形保护壳4，惯性测量单元圆柱形保护壳4外侧壁贴有薄膜电加热片5，薄膜电加热片5外部、惯性测量单元圆柱形保护壳4顶壁外侧均匀贴满了高密度橡塑保温棉7，除此之外，外温控还包括惯性测量单元安装座21外部均匀包裹的聚氨酯发泡保温材料6和底盖113内壁均匀覆盖的聚氨酯发泡保温材料6；聚氨酯发泡保温材料6和陶瓷垫10具有隔热作用，尽量减少惯性测量单元19的传导热流失，实现内外温区分离，三级温控都采用纯加热模式，内温控的控温对象为重力传感器14，外温控的控温对象为惯性测量单元19，两级内温控的加热目标温度一致，外温控的目标温度比内温控的目标温度低；在图5中，在水面工作模式下，水下承压舱11顶部安装有可拆卸的基于半导体制冷器的水面散热装置13，可以提高设备在水面调试工作过程中在空气中的散热能力，而在水下工作模式下，拆除基于半导体制冷器的水面散热装置13，因为水下环境温度较低且海水有传导散热作用，不需要人工散热。

在图2、图3和图4中，减振系统由减振器8、减振器安装垫9、陶瓷垫10组成，自上而下安装，共有四套。

作为本发明的进一步改进，传感器安装区27可以加装热循环风扇28，如图9中所示，传感器安装区27内部空间为圆柱形，所以可以设置两个循环方向不同的风扇，一个控制圆柱形空间的轴向循环方向，另一个控制圆柱形空间的周向循环方向，通过加强对流使惯性测量单元的工作环境热分布更加均匀。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种捷联式水下动态重力测量仪承压温控舱，其特征在于：主要由重力传感器安装座(1)、姿态传感器安装座(2)、重力传感器圆柱形保护壳(3)、惯性测量单元圆柱形保护壳(4)、薄膜电加热片(5)、聚氨酯发泡保温材料(6)、高密度橡塑保温棉(7)、减振器(8)、减振器安装座(9)、陶瓷垫(10)、水下承压舱(11)、水密接插件(12)、基于半导体制冷器的水面散热装置(13)组成，水密接插件(12)、基于半导体制冷器的水面散热装置(13)安装在水下承压舱(11)顶部，其他各部分均安装在水下承压舱(11)内部的传感器安装区(27)内；以上所述的各主要组成部分构成了承压、温控、减振三个系统，其中，承压系统主要由水下承压舱(11)、水密接插件(12)组成，温控系统主要由重力传感器安装座(1)、姿态传感器安装座(2)、重力传感器圆柱形保护壳(3)、惯性测量单元圆柱形保护壳(4)、薄膜电加热片(5)、聚氨酯发泡保温材料(6)、高密度橡塑保温棉(7)、陶瓷垫(10)、基于半导体制冷器的水面散热装置(13)组成，减振系统主要由减振器(8)、减振器安装座(9)组成；

以上所述的承压系统中，水下承压舱(11)外形为圆柱形，采用钛合金TC4制造，分为顶盖(111)、底盖(113)、圆筒侧壁(112)三部分，三部分采用螺栓(22)连接在一起，顶盖(111)和圆筒侧壁(112)相连接，圆筒侧壁(112)和底盖(113)相连接，圆筒侧壁(112)平均厚度10毫米，顶盖(111)和底盖(113)平均厚度26毫米，最大外径340毫米，高350毫米，顶盖(111)和底盖(113)与圆筒侧壁配合面上具有密封圈安装槽(23)，用来安装橡胶水密圈，顶盖(111)上可安装一对U型把手(24)，便于吊装，顶盖(111)上还安装有多个水密接插件(12)，可以通过线缆实现设备的供电、状态监测和数据传输，底盖(113)上安装有四个惯性测量单元安装座(21)，底盖(113)边缘具有安装孔(25)，能够将重力仪与水下运动载体固联，水下承压舱(11)内部空间分为上下两部分，上部空间为电源系统安装区(26)，下部空间为传感器安装区(27)；

以上所述的温控系统采用三级控温模式，且具有水面、水下两种工作方式：其中，重力传感器安装座(1)上安装有三个两两正交的重力传感器(14)，重力传感器安装座(1)没有安装重力传感器的两个侧面贴有薄膜电加热片(5)，重力传感器(14)和重力传感器安装座(1)被整体放入重力传感器圆柱形保护壳(3)中，重力传感器圆柱形保护壳(3)内剩余空间全部由聚氨酯发泡保温材料(6)填满，以上构成了一级内温控；重力传感器圆柱形保护壳(3)外侧壁贴有薄膜电加热片(5)，薄膜电加热片(5)外部、重力传感器圆柱形保护壳(3)顶壁和底壁外侧均匀地贴满了高密度橡塑保温棉(7)，以上构成了二级内温控；重力传感器安装座(1)、重力传感器圆柱形保护壳(3)和两级内温控通过螺栓(16)和陶瓷垫(10)固定在姿态传感器安装座底面(17)上，构成一个圆柱形的重力传感器-内温控组件(29)，将重力传感器-内温控组件(29)整体放入姿态传感器安装座(2)中间的圆柱形空腔中，姿态传感器安装座底面(17)和姿态传感器安装座(2)通过螺钉(18)连接成一个整体，连同姿态传感器安装座(2)上安装的三个两两正交的姿态传感器(15)构成惯性测量单元(19)，惯性测量单元(19)外侧壁中间部分均匀分布四个安装耳(20)，通过减振系统安装在水下承压舱(11)底盖(113)上的惯性测量单元安装座(21)上；惯性测量单元(19)外部为惯性测量单元圆柱形保护壳(4)，惯性测量单元圆柱形保护壳(4)外侧壁贴有薄膜电加热片(5)，薄膜电加热片(5)外部、惯性测量单元圆柱形保护壳(4)顶壁外侧均匀贴满了高密度橡塑保温棉(7)，以上构成了最外层的外温控，除此之外，外温控还包括惯性测量单元安装座(21)外部均匀包裹的聚氨酯发泡保温材料(6)和底盖(113)内壁均匀覆盖的聚氨酯发泡保温材料(6)；三级温控都采用纯加热模式，内温控的控温对象为重力传感器(14)，外温控的控温对象为惯性测量单元(19)，两级内温控的加热目标温度一致，外温控的目标温度比内温控的目标温度低；水面工作模式下，水下承压舱(11)顶部安装有可拆卸的基于半导体制冷器的水面散热装置(13)，水下工作模式下，拆除基于半导体制冷器的水面散热装置(13)；

以上所述的减振系统由减振器(8)、减振器安装垫(9)、陶瓷垫(10)组成，自上而下安装，共有四套。

2.根据权利要求1所述的一种捷联式水下动态重力测量仪承压温控舱，其特征在于：所述传感器安装区(27)可以加装热循环风扇(28)，可以设置两个循环方向不同的风扇，一个控制轴向循环方向，另一个控制周向循环方向。