CN208383570U - 基于载人潜水器的非接触式深海沉积物强度原位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于载人潜水器的非接触式深海沉积物强度原位测量装置，包括上部耐压控制舱模块、下部耐压强磁触发及测量模块，下部耐压强磁触发及测量模块外套设有保护罩，保护罩上设置有与其垂直的T形机械把手，并基于深海测量特点对下部耐压强磁触发及测量模块进行创新性设计：即将第一强磁与应变曲轴和第二强磁分别封装在径向耐压壳体的上容纳腔和下容纳腔内，且上容纳腔为耐压密封状态，下容纳腔与海水连通，并将第二强磁与探杆设计为零浮力形式，解决水下巨大压力的影响下高精度微小力的沉积物阻力测量问题；采用小型化、轻量化设计，不需绞缆回收系统，节省造价，由蛟龙号机械手夹持作业，既提高了工作效率，又减少了设备维护难度和作业风险，对推动深渊科学探测技术的发展具有重要意义。

Description

基于载人潜水器的非接触式深海沉积物强度原位测量装置

技术领域

本实用新型属于海底沉积物力学性能测试领域，具体涉及一种基于载人潜水器的非接触式深海沉积物强度原位测量装置。

背景技术

近年来，随着海上设施的建设、海洋石油天然气等矿产资源的开发、海上军事活动等的日益增强，使得关于海底沉积物工程力学性质的研究日益迫切。石油开采设备若要以海底海床为地基，则必须提前了解海床的成分以及其承载力；我国“蛟龙号”深海载人潜水器、核潜艇等深海潜器需固定在海床上进行采样等工作时，为确保安全着陆，需要提前对深海海底浅层沉积物抗剪强度进行研究；海底电缆和输油管道的铺设等海洋前期开发工作，为保证低成本快速的完成铺设，需要知道深海海底浅层沉积物的抗剪强度；沉积物的力学强度可以一定程度上帮助科学家更好的了解海床的结构构造以及海底沉积物的类型。

目前，国内外针对大深度深海海底沉积物强度测量的技术手段十分有限，由于特殊的外部环境条件和成分多样性，现一般采用先在载人潜水器的配合下利用特殊的海底沉积物取样设备进行沉积物的取样工作，取样完成后回到陆地实验室进行力学性质的测定的方式。但是这种方法无法消除取样时的应力释放、样品运输时的碰撞及制样中的扰动等影响，原性状难以保证，严重影响所测数据的可靠性；而且所使用的海底沉积物取样设备结构复杂庞大，质量达几百公斤甚至上吨重，其造价昂贵、作业及维护也比较困难，布放时需要专门的大型绞车及吊车布放，作业效率低下且存在较大的风险。因此亟需提出一种深海海底原位测试装置，以解决大深度海底测量的难题，最大限度的保证沉积物的原状性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有技术中对大深度海底沉积物土工力学强度原位测量，原有测量装置结构复杂、造价昂贵、效率低、作业及维护困难等技术难点，提出一种基于载人潜水器的非接触式深海沉积物原位检测装置。

本实用新型是采用以下的技术方案实现的：基于载人潜水器的非接触式深海沉积物强度原位检测装置，与蛟龙号载人潜水器配套使用，包括上部耐压控制舱模块、下部耐压强磁触发及测量模块，下部耐压强磁触发及测量模块外套设有保护罩，保护罩上设置有与其垂直的T形机械把手，所述保护罩用于在海底作业过程中保证形变不受外部因素影响，同时也可保护内部测量系统不被机械手或其他物质损坏，T形机械把手主要用于机械手夹持水下作业；

所述上部耐压控制舱模块包括控制舱壳体，控制舱壳体上设置有磁开关以及通讯天线，控制舱壳体内设置有主控单元、电池单元、传感器单元以及数据采集单元，所述磁开关、通讯天线、电池单元、传感器单元和数据采集单元均与主控单元电连接，所述磁开关用以触发主控单元工作；

所述下部耐压强磁触发及测量单元包括一径向耐压壳体，径向耐压壳体包括上容纳腔和下容纳腔；上容纳腔内设置有应变曲轴，应变曲轴通过一连接件与上部耐压控制舱相连，所述连接件与径向耐压壳体密封连接，两者之间可设置多道密封圈，以保证密封效果，沿应变曲轴的径向表面设置有应变片，应变片与数据采集单元电连接，应变曲轴的下方连接有第一强磁；下容纳腔内设置有第二强磁，且第二强磁与第一强磁的同性相对设置，第二强磁的下方设置有探杆，径向耐压壳体的下端设置有弹簧底盖，所述探杆贯穿所述弹簧底盖，并可在下容纳腔内上下移动，当探杆由于贯入沉积物产生上移时，第二强磁同步向上移动，第一强磁和第二强磁由于同性相斥产生等同的斥力作用，从而引起应变曲轴的形变，通过应变片将形变数据传递给数据采集单元，进而测出应变力。

进一步的，所述探杆为采用复合材料制作的实心结构，且所述探杆和第二强磁的重力等于其在水下的浮力，以消除了重力影响，提高检测精度。

进一步的，所述控制舱壳体内设置有多层安装板，所述安装板上下层叠设置，分别用以安装主控单元、传感器单元和数据采集单元等，且安装板通过丝杆连接固定在控制舱壳体内。

进一步的，所述控制舱壳体为筒状结构，其高度为200mm-400mm，内径为80mm-120mm，外径为120mm-160mm，控制舱壳体的上下两端由端盖固定，并通过密封圈密封。

进一步的，所述径向耐压壳体为筒状结构，采用316高强度不锈钢制造，其高度为100mm-150mm，内径为16mm-20mm，外径为20mm-26mm，最大耐压80mpa。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

本实用新型提出的沉积物强度原位检测装置创新性的与蛟龙号载人潜水器配套使用，包括上部耐压控制舱模块、下部耐压强磁触发及测量模块，下部耐压强磁触发及测量模块外套设有保护罩，保护罩上设置有与其垂直的T形机械把手，并基于深海测量特点对下部耐压强磁触发及测量模块进行创新性设计：即将第一强磁与应变曲轴和第二强磁分别封装在径向耐压壳体的上容纳腔和下容纳腔内，且上容纳腔为耐压密封状态，下容纳腔与海水连通，并将第二强磁与探杆设计为零浮力形式，解决水下巨大压力的影响下高精度微小力的沉积物阻力测量问题；

该原位检测装置采用小型化、轻量化设计，整套装置总重在20Kg以下，布置于蛟龙号本体，随蛟龙号下潜，通用性高，不需绞缆回收系统，海上可进行拆装、组装，可实现大批量加工。由蛟龙号机械手夹持作业，减少不必要人力、设备浪费，既提高了工作效率，又减少了设备维护难度和作业风险；另外考虑设备密封性要求，采用磁开关启动模式，由潜航员操纵机械手水下触发，同时采用无线通讯的传输形式，大大提升了设备可维护性，提高了海上作业安全性，对推动深渊科学探测技术的发展具有重要意义。

附图说明

图1为本实用新型所述原位检测装置的整体结构示意图；

图2为图1中上部耐压控制舱模块的结构示意图；

图3为图1中下部耐压强磁触发及测量模块的结构示意图；

图4为图3中径向耐压壳体的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。需要说明的是，本实施例中所述的“上”、“下”等位置关系以图1所示方向为准，且在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例：基于载人潜水器的非接触式深海沉积物强度原位检测装置，与蛟龙号载人潜水器配套使用，如图1所示，包括上部耐压控制舱模块1、下部耐压强磁触发及测量模块2，下部耐压强磁触发及测量模块2外套设有保护罩3，保护罩3上设置有与其垂直的T形机械把手4，所述保护罩3用于在海底作业过程中保证形变不受外部因素影响，同时也可保护内部测量模块不被蛟龙号机械手或其他物质损坏，机械把手4设计为T形，方便载人潜水器机械手夹持。

参考图2，所述上部耐压控制舱模块1包括控制舱壳体11，控制舱壳体11上设置有磁开关12以及通讯天线13，控制舱壳体11内设置有主控单元、电池单元14、传感器单元以及数据采集单元(图中未示意)，所述磁开关12、通讯天线13、电池单元14、传感器单元和数据采集单元均与主控单元电连接，所述磁开关用以触发主控单元工作，考虑设备密封性要求，采用磁开关启动模式，由潜航员操纵机械手水下触发，同时采用无线通讯的传输形式，大大提升了设备可维护性，提高了海上作业安全性。

控制舱壳体11内设置有多层安装板15，所述安装板15上下层叠设置，分别用以安装主控单元、传感器单元和数据采集单元等，且安装板15通过丝杆16连接固定在控制舱壳体11，丝杆16的数量可选多根，所述传感器单元包括姿态传感器和加速度传感器，该结构设计及形式不仅可以有效节约控制舱壳体内部空间，而且为后期海底探测研究扩展实验提供技术支持。从图2可以看出，控制舱壳体11为筒状结构，其高度为200mm-400mm，内径为80mm-120mm，外径为120mm-160mm，优选高度为200mm，内径为80mm，外径为120mm，控制舱壳体11的上下两端由端盖17固定，并通过密封圈18密封。

结合图3和图4所示，所述下部耐压强磁触发及测量单元2包括一径向耐压壳体21，径向耐压壳体21包括上容纳腔211和下容纳腔212；上容纳腔211内设置有应变曲轴22，应变曲轴22通过一连接件23与上部耐压控制舱1相连，所述连接件23与径向耐压壳体21密封连接，两者之间可设置多道密封圈24，以保证密封效果，沿应变曲轴22的径向表面设置有应变片221，应变片221通过电线与数据采集单元电连接，为此，可在连接件23上开设通孔231以便于线路安装，应变曲轴22的下方连接有第一强磁25；下容纳腔212内设置有第二强磁26，且第二强磁26与第一强磁25的同性相对设置，第二强磁26的下方设置有探杆5，径向耐压壳体21的下端设置有弹簧底盖27，所述探杆5贯穿所述弹簧底盖27，第二强磁与下容纳腔212的顶部具有空间28，其内在检测时充斥海水，当探杆5由于贯入沉积物产生上移时，第二强磁26同步向上移动，第一强磁25和第二强磁26由于同性相斥产生等同的斥力作用，从而引起应变曲轴22的形变，通过应变片221将形变数据传递给数据采集单元，进而测出应变力。同样的，下部耐压强磁触发及测量单元采用小型化及轻量化设计，所述径向耐压壳体21为筒状结构，采用316高强度不锈钢制造，其高度为100mm-150mm，内径为16mm-20mm，外径为20mm-26mm，优选其高度为100mm，内径为16mm，外径为22mm，最大耐压80mpa。

在实际研发过程中，面对如何在水下巨大压力的影响下实现高精度微小力的沉积物阻力测试时主要的技术难题，众所周知，传统的微型贯入仪通常采用弹簧形变力的形式，利用弹簧形变通过固定算法反演出阻力，由于在陆地上不存在水下巨大水压力的影响，该力可以很容易的探测到，通常水下沉积物的阻力极其微小(3N左右)，被测力不过3N的量级，但对于水下70mpa的大强度压力来说，力的测量却显得异常困难。由于所测的阻力极其微小(3N左右)，第二强磁26与探杆5的重力将会影响力的完全有效传递，为此，将下部的探测部分做成零浮力的形式：探杆5采用复合材料做成实心结构，且所述探杆和第二强磁的重力等于其在水下的浮力，其在水中具备一定浮力，同时自身和第二强磁的重力等于其浮力，这样探杆在水下就具备了零浮力的状态，从而消除了重力影响。

本实用新型所提出的原位检测装置，创造性的采用强磁传导非接触方式解决深海耐压与应变片形变传导的技术难题，通过巧妙的利用磁力传导的原理，并结合耐压结构设计，有效的解决了该问题。由于作业环境是水下7000米级的深海海域，装备在水下要承受70mpa的大强度压力，需考虑大深度水下密封及耐压问题，本实施例中，将下部耐压强磁触发及测量单元的径向耐压壳体分成两部分设计(上容纳腔和下容纳腔)，上容纳腔为耐压密封腔，应变曲轴和第一强磁单独的封装于上容纳腔内，有效的消除了由于外部水压对应变片的影响以及海水对应变曲轴等的腐蚀，实现测量的精确度与安全性的统一，整套装置采用小型化、轻便化设计，由载人潜水器夹持在大深度海底进行测量，大大增加了作业范围，可广泛应用于深渊科学探测，如西北太平洋雅浦海沟、马里亚纳海沟的取样研究等，将极大推动深渊科学探测技术的发展。

为了更清楚的理解本实用新型提出的沉积物强度原位检测装置，下面结合其具体工作流程做详细介绍：

下水前，进行载人潜水器的强磁隔离非接触式深海沉积物强度原位测量装置的组装工作，将上部耐压控制舱模块与下部耐压强磁触发及测量模块、T形机械把手、保护罩进行组装。随后进行系统检测，保持电池电量充足，设计采集参数，完成数据通信测试，并将整套装置安装于蛟龙号采样篮上，T形把手朝上，磁开关进行通断测试，完毕后准备随蛟龙号进行下潜作业工作；

作业过程，蛟龙号下潜到指定海域后，坐底开展精确作业，潜航员操纵机械手抓住沉积物强度原位测量装置T形把手，将装置从采样篮取出，调整机械手角度，使装置保持垂直向，利用磁开关，将装置测量系统开启，系统启动后缓慢的将装置插入沉积物中，静止5分钟完成测量；

回收过程，操作机械手将装置拔出，并放置于蛟龙号采样篮安装位，随蛟龙号回收至甲板，设备出水后，用清水清洗仪器，避免腐蚀，打开无线通讯，将数据进行读取和转存，并记录仪器姿态、经纬度、水深等数据，将采取的数据进行处理、实验、研究。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，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，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型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，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.基于载人潜水器的非接触式深海沉积物强度原位测量装置，与蛟龙号载人潜水器配套使用，其特征在于，包括上部耐压控制舱模块、下部耐压强磁触发及测量模块，所述下部耐压强磁触发及测量模块外套设有保护罩，保护罩上设置有与其垂直的T形机械把手；

所述上部耐压控制舱模块包括控制舱壳体，控制舱壳体上设置有磁开关以及通讯天线，控制舱壳体内设置有主控单元、电池单元、传感器单元以及数据采集单元，所述磁开关、通讯天线、电池单元、传感器单元和数据采集单元均与主控单元电连接，所述磁开关用以触发主控单元工作；

所述下部耐压强磁触发及测量单元包括一径向耐压壳体，径向耐压壳体包括上容纳腔和下容纳腔；上容纳腔内设置有应变曲轴，应变曲轴通过一连接件与上部耐压控制舱相连，所述连接件与径向耐压壳体密封连接，沿应变曲轴的径向表面设置有应变片，应变片与数据采集单元电连接，应变曲轴的下方连接有第一强磁；下容纳腔内设置有第二强磁，且第二强磁与第一强磁的同性相对设置，第二强磁的下方设置有探杆，径向耐压壳体的下端设置有弹簧底盖，所述探杆贯穿所述弹簧底盖，并可在下容纳腔内上下移动。

2.根据权利要求1所述的基于载人潜水器的非接触式深海沉积物强度原位测量装置，其特征在于：所述探杆为采用复合材料制作的实心结构，且所述探杆和第二强磁的重力等于其在水下的浮力。

3.根据权利要求1所述的基于载人潜水器的非接触式深海沉积物强度原位测量装置，其特征在于：所述控制舱壳体内设置有多层安装板，所述安装板上下层叠设置，分别用以安装主控单元、传感器单元和数据采集单元，且安装板通过丝杆连接固定在控制舱壳体内。

4.根据权利要求1所述的基于载人潜水器的非接触式深海沉积物强度原位测量装置，其特征在于：所述控制舱壳体为筒状结构，其高度为200mm-400mm，内径为80mm-120mm，外径为120mm-160mm，控制舱壳体的上下两端由端盖固定，并通过密封圈密封。

5.根据权利要求1所述的基于载人潜水器的非接触式深海沉积物强度原位测量装置，其特征在于：所述径向耐压壳体为筒状结构，其高度为100mm-150mm，内径为16mm-20mm，外径为20mm-26mm。