CN116716863B - 基于多探头的海洋静力触探实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋数据采集领域，特别是一种基于多探头的海洋静力触探实验方法。包括以下步骤：S1.将探测指定参数的探头转动至探杆的正下方，探杆与探头对接；S2.探杆带动探头贯入海底，通过该探头完成对应的数据采集；S3.探杆带动探头上升并离开海底，探杆与探头分离；S4.将探测其他指定参数的探头转动至探杆的正下方，重复S1至S3，实现不同的数据采集。其实现了一次探测过程中可以携带多个探头，进行多次触探实验，从而获得不同的海洋地质数据。

Description

基于多探头的海洋静力触探实验方法

技术领域

本发明涉及海洋数据采集领域，特别是一种基于多探头的海洋静力触探实验方法。

背景技术

对于海洋地质的原位观测方法，目前较为主流的方法是原位静力触探方法（CPT）。在原位静力触探中，用于采集静力触探数据的单功能探头常见的有CPTU探头、电阻率CPT探头、地震波探头等。对于海底的地质条件，常需要使用多种探头进行数据采集。但是现有的海洋静力触探设备在一次探测过程中通常只能携带一枚探头进行工作，因此需要多次回收和多次探测。而对于多功能探头本身，其高昂的价格使得海洋静力触探的成本迅速度增加。因此，如何在一次探测过程中进行多次静力触探实验成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种基于多探头的海洋静力触探实验方法，其实现了一次探测过程中可以携带多个探头，进行多次触探实验，从而获得不同的海洋地质数据。

本发明的技术方案是：一种基于多探头的海洋静力触探实验方法，其中，包括以下步骤：

S1.将探测指定参数的探头转动至探杆的正下方，探杆与探头对接；

S2.探杆带动探头贯入海底，通过该探头完成对应的数据采集；

S3.探杆带动探头上升并离开海底，探杆与探头分离；

S4.将探测其他指定参数的探头转动至探杆的正下方，重复S1至S3，实现不同的数据采集。

本发明中，所述探头放置在多探头回转式海洋静力触探系统上，该系统包括：

旋转盘回转装置，包括旋转盘，旋转盘间隔设置数个探头孔，数个探头分别放置在不同的探头孔内，旋转盘与凸轮分割器的输出轴之间通过驱动齿轮传动连接；

旋转盘的顶部表面的中心与连接杆固定连接，连接杆的顶部与第一控制电机的输出端连接，连接杆的上部沿滑动导轨往复移动；

静力触探装置，包括第二控制电机、伸缩探杆、对接头，伸缩探杆的底部连接有对接头，对接头的底部固定有电磁铁，电磁铁的底部设有接口，探头的顶部连接有磁性接头，接口与磁性探头之间对应设置，第二控制电机的输出轴与伸缩探杆连接，电磁铁与通电电缆连接。

步骤S1中，在甲板单元的控制下，通过总控装置控制凸轮分割器带动旋转盘转动，将探测指定参数的探头转动至伸缩探杆的正下方；第二控制电机动作，伸缩探杆呈伸长状态，带动对接头向下运动，直至探头顶部的磁性接头插入电磁铁底部的接口内，通电电缆通电，电磁铁具有磁性，电磁铁与磁性接头之间产生磁吸力，实现伸缩探杆和该探头之间的连接。

步骤S2中，第二控制电机动作，伸缩探杆呈收缩状态，伸缩探杆带动探头向上运动，探头离开探头孔；

连接杆和与连接杆连接的旋转盘沿滑动导轨做水平移动，直至旋转盘不再位于伸缩探杆的下方；

第二控制电机动作，伸缩探杆再次伸长，伸长过程中，带动其底部的探头向下动作，实现探头的贯入，完成数据采集。

步骤S3中，该项数据采集完成后，伸缩探杆收缩带动探头向上运动，在高度计的监测下达到指定位置后，连接杆带动旋转盘沿滑动导轨反向运动，直至旋转盘的探头孔位于探头的正下方，此时伸缩探杆伸长，带动探头向下运动至探头孔内；

通电电缆断电，电磁铁中的磁力消失，电磁铁与磁性接头之间的磁吸力消失，探头与伸缩探杆分离，探头留在探头孔内。

步骤S4中，当需要更换探头进行其他参数的采集时，旋转盘转动，使采集对应参数的探头转动至伸缩探杆的正下方，重复步骤S1至步骤S3，完成该探头的贯入过程和数据采集。

本发明的有益效果是：

（1）通过该方法，能够在保证静力触探装置正常工作的前提下，实现了可一次携带多个静力触探探头下水，进行多次静力触探实验，获取丰富的海洋地质资源；

（2）通过对接头和探头之间的连接方式，实现了对接头和探头之间的自动连接和拆卸，因此在实验过程中可以实现探头的快速简单更换。

附图说明

图1是多探头回转式海洋静力触探系统的结构示意图；

图2是该系统与水上甲板之间的连接机构示意图；

图3是旋转盘和凸轮分割器连接的结构示意图；

图4是旋转盘的俯视结构示意图;

图5是对接头和探头连接处的剖视图；

图中：1机架；2总控装置；3监测装置；4水声通讯器；5滑动导轨；6第一控制电机； 8信标机；9第二控制电机；10伸缩探杆； 13摄像头；14对接头；15探头；16固定装置；17凸轮分割器；18刹车减速电机；19箱体；20旋转盘；21连接杆； 22驱动齿轮；23电磁体；24磁性接头；25通电电缆；26配重块；27防塌陷板；28声学释放器。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

本发明所述的基于多探头的海洋静力触探实验方法包括以下步骤。

本发明所述的方法是基于图1所示的多探头回转式海洋静力触探系统实现的。该系统包括机架1、总控装置2、监测装置3、旋转盘回转装置和静力触探装置。其中总控装置2和监测装置3均固定在机架1上。

本实施例中的总控装置2包括总控板、采集仪和总控电池。甲板单元通过总控板实现对整个系统的控制，采集仪与无揽静力触探探头无线连接。通过总控装置2，实现了对旋转盘回转装置和静力触探装置的动作控制。

本实施例中的监测装置包括姿态传感器和高度计。通过监测装置3，对旋转盘回转装置和静力触探装置的动作过程、以及该系统所处的海洋环境进行实时监测。

旋转盘回转装置与机架1的顶部之间连接，旋转盘回转装置可以沿机架1的长度方向滑动。静力触探装置的上部与机架1连接，静力触探装置的下部在伸缩过程中，实现了静力触探动作。

机架1包括数个竖向的支架和连接两侧竖向支架的横向支架，横向支架的两端分别与两对称设置的竖向支架的顶部固定连接。竖向支架上设有配重块，竖向支架的底部设有防塌陷板，防塌陷板可通过声学释放器控制，当装置到达海底，甲板单元遥控发送指令后声学释放器激活释放装置，防塌陷板展开。总控装置2和监测装置3分别固定在竖向支架上，横向支架的顶部固定有水声通讯器4和信标机8。通过水声通讯器4，实现了该静力触探系统与甲板上的水声通讯单元之间的无线连接。通过信标机8，将该系统的GPS信号通过无线传递的方式实时传递至甲板上的信标定位单元。

机架1上还设有声学释放器28，该声学释放器28与甲板上的声学释放单元连接。声学释放器28的遥控释放指令经甲板单元装置发送后，应答设备会接收指令并且进行检验；校验无误后会激活释放机构，释放配重块26，该系统就会在水体的浮力作用下自动浮出水面，从而方便的进行回收。该系统与水上甲板之间的连接关系如图2所示。

旋转盘回转装置包括滑动导轨5、第一控制电机6、连接杆21、箱体19和旋转盘20，滑动导轨5固定设置在机架1顶部的横向支架上，滑动导轨5呈水平方向设置。连接杆21的顶端与第一控制电机6连接，连接杆21的底部与旋转盘20的中部固定连接。连接杆21的上端与滑动导轨5滑动连接，连接杆21可以沿滑动导轨5做水平方向的往复移动，从而带动旋转盘20沿水平方向往复移动。第一控制电机6动作过程，带动连接杆21沿滑动导轨5往复移动。

箱体19的内部设有腔体，凸轮分割器17通过固定装置16固定设置在箱体19的腔体内。本实施例中，固定装置16可以采用法兰：凸轮分割器机体的环形外表面与法兰固定连接，同时法兰固定在箱体19的底部表面，从而实现了凸轮分割器17与箱体19之间的固定连接。箱体19的顶部设有旋转盘20，旋转盘20与箱体19之间转动连接。凸轮分割器17的输出轴通过驱动齿轮22与旋转盘20连接。凸轮分割器17与刹车减速电机18连接。刹车减速电机18驱动凸轮分割器17动作的过程中，凸轮分割器17带动旋转盘20做回转动作。如图3所示。

旋转盘20内沿其圆周方向间隔设置数个竖向的探头孔，探头孔内分别设有探头15。探头15与探头孔之间呈过渡配合，因此探头15放置在探头孔内，同时探头孔还对探头起到一定的支撑作用，实现了将探头15活动放置在探头孔内。本实施例中，如图4所示，旋转盘20内沿其圆周方向均匀间隔设有六个探头孔，三个探头均匀排布在上述六个探头孔内，这三个探头分别用于探测孔隙水压力、剪切模量、侧压力。

第一控制电机6带动连接杆21沿滑动导轨5做水平方向的往复运动的过程中，连接杆21带动旋转盘20和与旋转盘20连接的箱体19做往复运动。

静力触探装置包括第二控制电机9、伸缩探杆10、对接头14和探头15，第二控制电机9的机体设置在横向支架上。第二控制电机9的输出轴与伸缩探杆10连接，伸缩探杆10的底部与对接头14连接。第二控制电机9动作过程中，实现了伸缩探杆10和与伸缩探杆10连接的对接头14的竖直方向的伸缩。对接头14上设有摄像头13，摄像头13用于实时拍摄静力触探过程，便于对探头的静力触探过程进行监测。

本实施例中所采用的探头为无缆静力触探探头，每个探头15内均设有数据存储器和无线传输模块，每个探头采集到的数据均存储在数据存储器中，数据存储器与无线传输模块连接，无线传输模块与总控装置中的采集仪之间无线通讯连接。通过无线传输模块，将数据存储器中存储的探头数据传输至总控装置中。

本实施例中，第二控制电机9的输出轴与伸缩探杆10之间可以通过丝杠螺母连接，即第二控制电机的输出轴上设有外螺纹，对应的伸缩探杆10内设有内螺纹，第二控制电机的输出轴与伸缩探杆之间的为丝杠螺母连接，此时，第二控制电机的输出轴转动过程中，带动伸缩探杆沿轴向即竖直方向做往复运动。伸缩探杆向上运动的过程中，即为伸缩探杆呈收缩状态；伸缩探杆向下运动的过程中，即为伸缩探杆呈伸长状态。

对接头14位于探头15的正上方。对接头14的底部设有电磁体23，电磁体23的底部设有磁性接口，对应的在探头15的顶部固定有磁性接头24，磁性接头24和磁性接口之间呈对应设置。磁性接头24可以插入磁性接口内。伸缩探杆10内设有通电电缆25，电磁体23与通电电缆25连接，通过通电电缆为电磁体供电。当对电磁体23供电时，电磁体23带有磁性，电磁体23内部的磁力线产生的强大吸力能够把磁性接头24和对接头14紧紧的连接在一起，实现了对接头14与探头15之间的紧密连接。如图5所示。此时，伸缩探杆可以带动探头运动。

另外，本申请中，通过电磁体23底部开设的凹槽和探头15顶部的凸起的磁性接头机构，又满足了抵抗横向力的要求。由于电磁体23的的磁力线全部聚集与磁性接头24连接的凹槽处，电磁体23的外圆周面不形成磁场，避免不必要的吸力，把磁场对电子设备的影响降到最低。

伸缩探杆10带动对接头14向下运动的过程中，当对接头14向下运动至探头顶部的磁性接头24插入电磁体23的磁性接口内，通电电缆25为电磁体通电，电磁体23带有磁性，电磁体23与磁性接头24之间产生磁吸力，通过磁吸力实现了对接头14与探头15之间的固定连接。至此即可完成伸缩探杆10与探头15之间的对接。

利用该装置完成海洋静力触探实验方法时包括以下步骤。

当需要通过该系统实现某一种参数的采集时，首先，在甲板单元的控制下，通过总控装置使刹车减速电机18动作，在刹车减速电机18的驱动作用下，凸轮分割器17驱动旋转盘20转动，将能够实现该参数采集的探头转动至伸缩探杆10的正下方。静力触探装置中的第二控制电机9动作，伸缩探杆10呈伸长状态，带动对接头14向下运动，直至探头15顶部的磁性接头24插入电磁铁23底部的磁性接口内，此时电磁铁23带电，通过电磁铁23与磁性接头24之间的磁吸力，实现了伸缩探杆10和该探头15之间的连接。第二控制电机9动作，伸缩探杆10呈收缩状态，伸缩探杆10带动该探头15向上运动，离开旋转盘内的探头孔。

第二步，第一控制电机6动作，使连接杆21和与连接杆21连接的旋转盘20沿滑动导轨5做水平移动，直至旋转盘20不再位于静力触探装置的下方。此时，第二控制电机9动作，伸缩探杆10再次伸长，伸长过程中，带动其底部的探头15向下动作，实现了探头的贯入，并完成了数据采集。

第三步，该项数据采集完成后，伸缩探杆10收缩带动探头15向上运动，高度计对探头的高度进行实时监测，当探头向上运动至指定位置后，第一控制电机6带动旋转盘20沿滑动导轨5反向运动，直至旋转盘20的探头孔位于探头15的正下方，此时伸缩探杆10伸长，带动探头15向下运动至探头孔内。此时通电电缆25断电，与伸缩探杆10连接的电磁铁23中没有通电，电磁铁中的磁力消失，电磁铁23与探头15之间的磁吸力消失，此时伸缩探杆10和探头15之间分离。

当需要更换探头进行其他的数据的采集时，旋转盘20转动，使其他探头位于伸缩探杆10的正下方，并重复上述步骤，完成该探头的贯入过程和数据采集。

以上对本发明所提供的多探头回转式海洋静力触探系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种基于多探头的海洋静力触探实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将探测指定参数的探头转动至探杆的正下方，探杆与探头对接；

S2.探杆带动探头贯入海底，通过该探头完成对应的数据采集；

S3.探杆带动探头上升并离开海底，探杆与探头分离；

S4.将探测其他指定参数的探头转动至探杆的正下方，重复S1至S3，实现不同的数据采集；

所述探头放置在多探头回转式海洋静力触探系统上，该系统包括：

机架；

旋转盘回转装置，包括滑动导轨、第一控制电机、连接杆、箱体和旋转盘，滑动导轨呈水平方向设置，旋转盘间隔设置数个探头孔，数个探头分别放置在不同的探头孔内，旋转盘与凸轮分割器的输出轴之间通过驱动齿轮传动连接；

旋转盘的顶部表面的中心与连接杆固定连接，连接杆的顶部与第一控制电机的输出端连接，连接杆的上部沿滑动导轨往复移动；

箱体的内部设有腔体，凸轮分割器通过法兰固定设置在箱体的腔体内，箱体的顶部与旋转盘转动连接，凸轮分割器的输出轴通过驱动齿轮与旋转盘连接，凸轮分割器与刹车减速电机连接；

静力触探装置，包括第二控制电机、伸缩探杆、对接头，伸缩探杆的底部连接有对接头，对接头的底部固定有电磁铁，电磁铁的底部设有接口，探头的顶部连接有磁性接头，接口与磁性探头之间呈对应设置，第二控制电机的输出轴与伸缩探杆之间通过丝杠螺母连接，第二控制电机带动伸缩探杆和与伸缩探杆连接的对接头沿竖直方向往复运动，电磁铁与通电电缆连接。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤S1中，在甲板单元的控制下，通过总控装置控制凸轮分割器带动旋转盘转动，将探测指定参数的探头转动至伸缩探杆的正下方；第二控制电机动作，伸缩探杆呈伸长状态，带动对接头向下运动，直至探头顶部的磁性接头插入电磁铁底部的接口内，通电电缆通电，电磁铁与磁性接头之间产生磁吸力，实现伸缩探杆和该探头之间的连接。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤S2中，第二控制电机动作，伸缩探杆呈收缩状态，伸缩探杆带动探头向上运动，探头离开探头孔；

连接杆和与连接杆连接的旋转盘沿滑动导轨做水平移动，直至旋转盘不再位于伸缩探杆的下方；

第二控制电机动作，伸缩探杆再次伸长，伸长过程中，带动其底部的探头向下动作，实现探头的贯入，完成数据采集。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤S3中，探头完成对应的数据采集后，伸缩探杆收缩带动探头向上运动，在高度计的监测下达到指定位置后，连接杆带动旋转盘沿滑动导轨反向运动，直至旋转盘的探头孔位于探头的正下方，此时伸缩探杆伸长，带动探头向下运动至探头孔内；

通电电缆断电，电磁铁与探头之间的磁吸力消失，探头与伸缩探杆分离，探头留在探头孔内。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

步骤S4中，当需要更换探头进行其他参数的采集时，旋转盘转动，使采集对应参数的探头转动至伸缩探杆的正下方，重复步骤S1至步骤S3，完成该探头的贯入过程和数据采集。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述探头为无缆静力触探探头，每个探头内均设有数据存储器和无线传输模块，每个探头采集到的数据分别存储在数据存储器中，数据存储器与无线传输模块连接，无线传输模块与总控装置中的采集仪之间无线通讯连接，通过无线传输模块，将数据存储器中存储的探头数据传输至总控装置中。