CN112461434A - 基于fbg的全海深自适应高精度全流动贯入球形探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FBG的全海深自适应高精度全流动贯入球形探头，包括探杆和球形CPT探头，探杆和球形CPT探头之间通过探杆连接器相连，球形CPT探头上设置有孔压测量孔及透水石，孔压测量孔与超孔压传感器的下腔孔压通路连通；所述探杆连接器内从下至上依次设置有量程逐阶增大的n个压差传感器(n≥2)，相邻的压差传感器之间通过互锁装置相连，形成多阶传感器嵌套结构，在达到低阶传感器的满量程时，通过互锁装置将其锁定，通过下一级较高阶压差传感器进行测量，即可保护传感器量程，又可在有效测量的情况下取得最佳精度，实现量程和精度自调节，能够准确获取全海深海底沉积物力学特性，对于深海科学研究、资源能源开发工程活动及海洋安全国防工程具有极其重要意义。

Description

基于FBG的全海深自适应高精度全流动贯入球形探头

技术领域

本发明涉及海底沉积物力学特性测试领域，具体涉及一种基于FBG的全海深自适应高精度全流动贯入球形探头。

背景技术

围绕海底沉积物力学性质原位测量装置研究，对于4000m以浅的海域，海底面1-2m以下的沉积物力学性质测量已有商业化产品，比如荷兰辉固公司、范登堡公司率先研发了海洋静力触探设备，已成功服务于国内外多项海洋工程。目前工作水深最大的CPT，是MARUM公司于2010年研制的GOST，最大工作水深为4000m。

作为一种新兴的传感技术，光纤类传感器应用在海底沉积物的力学性质测量中有着独到的优势，光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器的工作原理是直接或借助某种装置将被测量的变化转化为光纤光栅上的应变或温度变化，从而引起光纤光栅Bragg中心波长的变化，通过建立并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，就可以由光栅中心波长的变化计算出被测量的值。该类传感器有其特殊性：(1)其量程可以任意定制，且精度只和量程有关，即精度为1‰F.S.(满量程的千分之一)；(2)光纤类传感器超量程120％，将产生不可逆的破坏性拉伸损伤，对于长期监测而言，存在极大的安全隐患。

对于11000m全海深海底沉积物力学特性原位测试，一直是国际深海观测和研究的热点与难点，准确获取沉积物的力学特性对于深海科学研究、资源能源开发工程活动及海洋安全国防工程极其重要。深海底浅表层沉积物主要由软泥组成，颗粒组分主体小于0.001mm，沉积速率约4mm/ky，海底表面沉积物强度是1-5kPa，而深海海底处于高压力环境，万米深海海底压力高达上百MPa，如何在如此高的背景压力下，精准辨析出探头量测阻力的微小变化是国际上尚未解决的难题。

如果按照传统的做法选择合适量程的传感器的方式，也很难决定选什么样的传感器进行探测，有人提出按照几十Kp的量程来选，但是，目前对于深海环境的调查和研究都非常欠缺，对于海底沉积物强度的分布及变化规律缺乏足够的认识，考虑到万一海底有岩石，可能传感器就直接报废，另一方面，探头往水里贯入时，会产生一个过载压力，过载压力也有可能导致传感器爆量程，目前国际上还没有能够实现全海深海底沉积物力学性质的装置。

发明内容

本发明提出一种基于FBG的全海深自适应高精度全流动贯入球形探头，以1‰F.S.精度的深海压差式光纤光栅传感器为基础、100％量程为梯度，形成多阶传感器嵌套结构，即可保护传感器量程，又可在有效测量的情况下取得最佳精度，满足对全海深海底沉积物力学特性原位测试的需求。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于FBG的全海深自适应高精度全流动贯入球形探头，包括探杆和球形CPT探头，探杆和球形CPT探头之间通过探杆连接器相连，所述球形CPT探头与探杆连接器之间还设置有缓冲胶垫，球形CPT探头内还设置有超孔压传感器，球形CPT探头上设置有孔压测量孔及透水石，孔压测量孔与超孔压传感器的下腔孔压通路连通；

所述球形CPT探头内从下至上依次设置有第一阶压差传感器(最低量程)、第二阶压差传感器(次低级量程)、……、第n-1阶压差传感器和第n阶压差传感器(最高量程)，其中，n≥2，n个压差传感器均采用压差式光纤光栅传感器，且n个压差传感器的量程从下至上逐阶增大，相邻的压差传感器之间通过互锁装置相连，超孔压传感器位于的第一阶压差传感器的下方并抵靠在互锁装置上以实现力的传递；

所述互锁装置包括正锁连接套和反锁连接套，所述反锁连接套套设在正锁连接套的上方，且正锁连接套和反锁连接套之间形成一容纳压差传感器的容纳空间，前n-1阶压差传感器均对应的设置在与其配合的容纳空间内，第n阶压差传感器位于反锁连接套的上方；正锁连接套内设置有第一活塞柱台，所述第一活塞柱台与压差传感器的下压力舱的底部内侧壁密封配合并往复运动；沿正锁连接套外侧壁周向还开设有竖直滑槽，在前n-1个压差传感器的周向还设置有与所述竖直滑槽相配合并可沿竖直滑槽上下滑动的凸柱，且所述凸柱与反锁连接套的下沿内壁固定连接；在测量时，当达到压差传感器满量程时，通过竖直滑槽对凸柱的限位实现对该压差传感器的锁定，进而实现对前n-1个压差传感器从下至上的逐阶锁定。

进一步的，所述正锁连接套上的竖直滑槽的长度不大于与其相配合的压差传感器的光纤的可靠变形量；比如，假设该传感器的量程为K，其光纤长度为L_K(初值长度)，当测量数据达到120％K时，对应的光纤长度为L_k+MAX_△L_k(极值长度)，显然，光纤的可靠变形量即为MAX_△L_k，若以90％为保险系数，则该压差传感器对应凹槽的长度为0.9MAX_△L_k。

进一步的，所述反锁连接套的顶面上还开设有透水孔以及第二活塞柱台，所述第二活塞柱台与第n阶压差传感器的下压力舱的底部内侧壁密封配合并往复运动。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案所提出的压力传导式全流动贯入球形探头结构，包括多级压差传感器及其互锁装置，以1‰F.S.精度的深海压差式光纤光栅传感器为基础，100％量程为梯度，形成多阶传感器嵌套结构，即可保护传感器量程，又可在有效测量的情况下取得最佳精度，实现量程和精度自调节，能够准确获取全海深海底沉积物力学特性，对于深海科学研究、资源能源开发工程活动及海洋安全国防工程具有极其重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例所述全流动贯入球形探头的整体结构示意图；

图2为本发明实施例所述全流动贯入球形探头局部放大结构示意图；

图3为图2的第一剖视结构示意图；

图4为图2的第二剖视结构示意图；

图5为图2的爆炸结构示意图；

图6为互锁装置的结构示意图；

图7为互锁装置未激活状态的剖视结构示意图；

图8为互锁装置工作状态状态的剖视结构示意图；

图9为互锁装置锁定状态的剖视结构示意图；

图10为本发明实施例中多阶压差传感器嵌套结构示意图；

图11为图10的透视结构示意图；

其中：1、探杆；2、球形CPT探头；3、孔压测量孔；31、孔压测量通道；4、缓冲胶垫；5、探杆连接器；6、光纤；7、低阶传感器；71、凸柱；8、高阶传感器；9A、正锁连接套；9B、反锁连接套；10、超孔压传感器；11、上压力腔；12、下压力腔；13、弹塑膜。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例，一种基于FBG的全海深自适应高精度全流动贯入球形探头，如图1-2所示，包括探杆1和球形CPT探头2，探杆1和球形CPT探头2之间通过探杆连接器5相连，所述球形CPT探头2与探杆连接器5之间还设置有缓冲胶垫4；球形CPT探头内还设置有超孔压传感器10，球形CPT探头上设置有孔压测量孔3及透水石，孔压测量孔3与超孔压传感器10的下腔孔压通路通过测量通道31连通；

所述球形CPT探头2内从下至上依次设置有第一阶压差传感器(最低量程)、第二阶压差传感器(次低量程)、……、第n-1阶压差传感器(次高量程)和第n阶压差传感器(最高量程)，其中，n≥2，n个压差传感器均采用压差式光纤光栅传感器，且n个压差传感器的量程从下至上逐阶增大；例如，第一阶压差传感器量程为1-10Pa，第二阶压差传感器量程为10-100Pa，第三阶压差传感器量程为100Pa-1Kpa，第四阶压差传感器量程为1KPa-10Kpa，第五阶压差传感器量程为10KPa-100Kpa；第一阶压差传感器的下方；

所述互锁装置包括正锁连接套和反锁连接套，所述反锁连接套套设在正锁连接套的上方，且正锁连接套和反锁连接套之间形成一容纳压差传感器的容纳空间，前n-1阶压差传感器均对应的设置在与其配合的容纳空间内，第n阶压差传感器位于反锁连接套的上方；正锁连接套内设置有第一活塞柱台，所述第一活塞柱台与压差传感器的下压力舱的底部内侧壁密封配合并往复运动；沿正锁连接套外侧壁周向还开设有竖直滑槽，在前n-1个压差传感器的周向还设置有与所述竖直滑槽相配合并可沿竖直滑槽上下滑动的凸柱，且所述凸柱与反锁连接套的下沿内壁固定连接；在测量时，当达到压差传感器满量程时，通过竖直滑槽对凸柱的限位实现对该压差传感器的锁定，进而实现对前n-1个压差传感器从下至上的逐阶锁定。

下面以二阶嵌套为例进行详细说明，具体见图3-6所示，以低阶传感器7和高阶传感器8两级嵌套为例进行介绍，比如，选用低阶传感器7量程为0-1KPa，高阶传感器量程为1KPa-1MPa。

低阶传感器7和高阶传感器8通过互锁装置相连，所述互锁装置包括正锁连接套9A和反锁连接套9B，所述反锁连接套9B设置在正锁连接套9A的上方，正锁连接套和反锁连接套之间形成一容纳低阶传感器7的容纳空间，高阶传感器8位于反锁连接套的上方，所述正锁连接套9A内设置有第一活塞柱台9A1，所述第一活塞柱台9A1与低阶传感器7的下压力舱的底部内侧壁密封配合，沿正锁连接套外侧壁周向还开设有竖直滑槽9A2，且在低阶传感器7的周向还设置有与所述竖直滑槽9A2相配合的凸柱71，所述凸柱71可沿竖直滑槽上下移动，并在达到低阶传感器7的满量程时与正锁连接套配合将该低阶压差传感器锁定，实现高阶量程传感器8与低阶量程传感器7进行互锁，正锁连接套9A上还设置有进水孔9A3，以为其包裹的内部传感器透水孔提供进水通道；而且，为了保证测量精度，本实施例中，所述凸柱与反锁连接套的下沿内壁固定连接，即反锁连接套与低阶传感器7通过凸柱扣合在竖直滑槽内，反锁连接套、凸柱和低阶传感器为一体并同时相对竖直滑槽运动，当处于锁定状态时有效保护被锁定的低阶传感器，避免其由于测量过程中的压力变化而使该锁定的传感器受到外界推力而运动、影响测量结果。

所述反锁连接套9B的顶面上还开设有透水孔以及支撑其上方较高阶压差传感器的第二活塞柱台9B1，所述第二活塞柱台9B1与高阶传感器8的下压力舱的底部内侧壁密封配合并往复运动，所述透水孔用以与上压力腔内保持静水联通，当被测沉积物强度处于0-1KPa区间时，经采用低阶量程传感器7进行测量，此时，测量精度为1Pa；当被测沉积物强度处于1KPa-1MPa区间时，低阶量程传感器达到最大测量值后被互锁装置锁定，高阶量程传感器进行测量，此时，测量精度为1KPa。

本方案中，通过降低传感器量程梯度(比如，采用0-100MPa，100MPa-10KPa两阶)以及增加嵌套阶数(如4阶、8阶嵌套等)，如图10和图11所示，为5阶嵌套结构示意图。可以根据被测介质力学强度获得最为有利的数据精度，且理论上无精度极限，仅受机械加工精度、结构集成效率等实际条件影响，具体工作时，传感器有三个状态，未激活状态、工作状态和锁定状态，如图7-9所示，任意时刻有且只有一个传感器处于工作状态，凸柱71在竖直滑槽9A2内随压力变化上下滑动；比工作状态更高阶的传感器此时处于未激活状态，此时，凸柱71位于竖直滑槽顶部；比工作状态更低阶的传感器，此时处于锁定状态，凸柱71随压力达到满量程而达到竖直滑槽9A2的底部，将压力传导到下一阶传感器。

本实施例中，所述竖直滑槽的长度有特殊设计，其长度不大于与其相配合的压差传感器的光纤的可靠变形量；比如，假设某量程为K的定制传感器，其光纤长度为L_K(初值长度)，当测量数据达到120％K时，对应的光纤长度为L_k+MAX_△L_k(极值长度)。显然，光纤的可靠变形量即为MAX_△L_k，若以90％为保险系数，则该压差传感器对应凹槽的长度为0.9MAX_△L_k。

另外，本方案中的压差传感器(7,8)包括外壳、上压力腔11(静水压力腔)、下压力腔12(动态压力腔)、弹塑膜13、光纤6，上压力腔11内设有与外界静水联通的上压力舱透水孔14，以保证上压力腔始终为静水压力，弹塑膜13为水密弹性材料，安装在压差传感器内部中段，将上、下压力腔分离；所述光纤6穿过上压力腔和下压力腔，与弹塑膜13固定连接，通过第一活塞柱台(或第二活塞柱台)在下压力腔底部密封封口。外界水压力推动第一活塞柱台(或第二活塞柱台)向上运动，使得下压力腔压力升高，进而推动弹塑膜13向上压力腔发生形变，并拉伸光纤6产生光信号的波长发生变化，通过光纤的特性和光信号的变化，可以依次反向推算弹塑膜形变、上下压力腔的压力差、下压力腔压力、压力活塞的压力，最终获得外界的动态压力。当然，本方案也可以采用其他结构形式的光纤光栅压差传感器，在此不做具体限制。

本实施例通过量程嵌套互锁装置，带来的另一个显著的优势是通过互锁对传感器进行有效的量程保护：当被测指标达到量程梯度时，会通过互锁装置激活高阶传感器，并锁定自身量程，只要量程梯度小于光纤超量程破坏极限(约120％)，即可有效的对除最高阶传感器以外的各阶传感器进行量程保护，通过上述设计，首先通过压力膜过滤掉深海水带来的高背景压力，又可通过量程自适应结构在相应的区间完成测量，一方面对设备的环境适应性进行了扩展，另一方面也可以针对各类介质获得相对合适的测量精度(动态精度)，具有较高的应用及推广价值。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.基于FBG的全海深自适应高精度全流动贯入球形探头，包括探杆和球形CPT探头，探杆和球形CPT探头之间通过探杆连接器相连，所述球形CPT探头与探杆连接器之间还设置有缓冲胶垫，球形CPT探头内还设置有超孔压传感器，球形CPT探头上设置有孔压测量孔及透水石，孔压测量孔与超孔压传感器的下腔孔压通路连通，其特征在于：

所述球形CPT探头内从下至上依次设置有第一阶压差传感器、第二阶压差传感器、……、第n-1阶压差传感器和第n阶压差传感器，其中，n≥2，n个压差传感器均采用压差式光纤光栅传感器，且n个压差传感器的量程从下至上逐阶增大，相邻的压差传感器之间通过互锁装置相连，超孔压传感器位于的第一阶压差传感器的下方并抵靠在互锁装置上以实现力的传递；

所述互锁装置包括正锁连接套和反锁连接套，所述反锁连接套套设在正锁连接套的上方，且正锁连接套和反锁连接套之间形成一容纳压差传感器的容纳空间，前n-1阶压差传感器均对应的设置在与其配合的容纳空间内，第n阶压差传感器位于反锁连接套的上方；正锁连接套内设置有第一活塞柱台，所述第一活塞柱台与压差传感器的下压力舱的底部内侧壁密封配合并往复运动；沿正锁连接套外侧壁周向还开设有竖直滑槽，在前n-1个压差传感器的周向还设置有与所述竖直滑槽相配合并可沿竖直滑槽上下滑动的凸柱，且所述凸柱与反锁连接套的下沿内壁固定连接。

2.根据权利要求1所述的基于FBG的全海深自适应高精度全流动贯入球形探头，其特征在于：所述正锁连接套上的竖直滑槽的长度不大于与其相配合的压差传感器的光纤的可靠变形量。

3.根据权利要求1或2所述的基于FBG的全海深自适应高精度全流动贯入球形探头，其特征在于：所述反锁连接套的顶面上还开设有透水孔以及第二活塞柱台，所述第二活塞柱台与第n阶压差传感器的下压力舱的底部内侧壁密封配合并往复运动。

Images