CN209037795U - 适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，包括观测平台及测量机构；所述观测平台包括框架式主体以及安装在框架式主体上的浮体、翼板、浮球舱、调平机构、配重和释放机构；所述浮球舱密封系统电路，所述系统电路在框架式主体下降至距离海底达到设定高度时控制翼板展开，使平台平稳着陆，并在框架式主体到达海底时控制调平机构调节框架式主体水平立于海底，并在测量装置完成水下作业后，控制释放机构抛弃配重实现回收。所述测量机构包括锥形贯入测量机构、球形贯入测量机构、十字板剪切测量机构或取样机构。本实用新型的测量装置采用无缆布放方式，不受缆绳长度的限制，可对全海深的海底沉积物实现力学特性原位测量。

Description

适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置

技术领域

本实用新型属于海洋观测技术领域，具体地说，是涉及一种用于检测海底沉积物力学特性的测量装置。

背景技术

现阶段，海洋研究已步入了全海深时代，水深范围从6000 m-11000 m左右的海域，被科学家称为“海斗深渊”（Hadal trench），是地球上最深的海洋区域。该区域主要分布在大陆边缘，由海沟组成，虽然只占全球海底面积的1%-2%，但是垂直深度占海洋全深度的45%，在海洋生态系统中具有重要意义。目前，对海斗深渊的研究已经成为海洋研究最新的前沿领域，这同时也标志着海洋科学已经进入全海深科考时代。众多以海底土体为基础的海洋工程应运而生，准确获取海底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。

海底沉积物力学特性测量装置在此需求下不断发展，且工作区域由浅海向深海不断发展。现有测试装置的布放方式以有缆布放为主，可以在小于6000m深度的海底实现长期稳定的观测。但是，随着工作水深的增大，尤其是当观测区域为海斗深渊区域时，受限于科考船上地质缆绳长度的限制，工作将无法开展。为实现深海沉积物的原位检测，现有的工作水深大于6000 m的沉积物力学特性原位测量装置是通过搭载潜水器（例如“蛟龙号”）来实现布放的。但是，潜水器使用一次费用昂贵，且无法满足长期连续作业的任务需求，因此，难以推广应用。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，无需搭载潜水器即可自行下潜至深海海底，实现海底沉积物力学特性的原位测量，且便于布放和回收。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，包括观测平台以及搭载在所述观测平台上的测量机构；所述观测平台包括框架式主体以及安装在所述框架式主体上的浮体、翼板、高度测量器件、浮球舱、调平机构、配重和释放机构；其中，所述浮球舱呈浮球形状，在提供浮力的同时用于密封系统电路；所述高度测量器件用于检测框架式主体距离海底的高度，并反馈至所述系统电路；所述系统电路在检测到框架式主体下降至距离海底达到设定高度时，控制所述翼板相对于框架式主体向外展开，以降低框架式主体的下降速度，并在框架式主体到达海底时，控制所述调平机构调节框架式主体的姿态，使所述框架式主体平稳立于海底沉积物上；所述系统电路在测量装置完成水下作业后，控制所述释放机构抛弃所述配重，并控制所述翼板收回，使测量装置在所述浮体的浮力作用下浮出水面；所述测量机构包括锥形贯入测量机构、球形贯入测量机构、十字板剪切测量机构中的一种或多种以及取样机构。

进一步的，在所述观测平台中还设置有缓降油缸，所述缓降油缸的一端与所述框架式主体相铰接，另一端与所述翼板相铰接，所述系统电路通过控制所述缓降油缸的活塞杆伸缩，以驱动所述翼板展开或收回。

优选的，所述翼板优选设置四个，围绕所述框架式主体的四周布设，在每一个翼板上优选铰接两个缓降油缸。配置两个缓降油缸可以为翼板提供更大的驱动力，以克服更大的海水压力，适应深海作业需求。

作为所述调平机构的一种优选结构设计，本实用新型在所述调平机构中设置有多个调平支脚和多个调平油缸，所述调平支脚位于框架式主体的底部，每一个调平支脚连接一个调平油缸；在所述浮球舱中安装有姿态传感器，检测所述框架式主体的姿态，并生成姿态数据发送至所述系统电路；所述系统电路在框架式主体到达海底时，根据接收到的姿态数据控制调平油缸驱动所述调平支脚伸缩，以调节所述框架式主体的姿态，使其能够稳定立于海底并达到水平状态。

作为所述释放机构的一种优选结构设计，本实用新型在所述释放机构中设置有释放油缸、定滑轮、缆绳和挂钩；所述定滑轮安装在所述框架式主体上，其上缠绕所述缆绳，且缆绳的一端连接释放油缸，另一端连接挂钩；所述挂钩在默认状态伸入到配重的吊孔中，勾住所述配重，以增加观测平台的重量，使测量装置自行下降至海底；在测量装置回收时，所述系统电路控制所述释放油缸下放缆绳，使挂钩在自重下旋转，脱离所述配重的吊孔，使配重与框架式主体分离，释放配重。

优选的，所述浮体优选包括浮球和浮力板，安装在所述框架式主体的顶部，所述浮球优选包括多个，且排布形成阵列式结构。

为了便于科考船能够快速搜寻到浮出水面的测量装置，本实用新型在所述框架式主体的顶部还安装有铱星信标和光信标，所述铱星信标在测量装置出水后自动发射定位信号，将测量装置的地理坐标告知科考船；所述光信标在测量装置出水后自动发射可见光，指示科考船发现其所在位置。

作为所述锥形贯入测量机构的一种优选结构设计，所述锥形贯入测量机构包括支架、锥形探头、连接锥形探头的探杆以及驱动所述探杆携带所述锥形探头上下运动的贯入驱动机构，所述支架安装在框架式主体上，在所述锥形探头的内部安装有孔隙水压力传感器和贯入阻力传感器。

作为所述球形贯入测量机构的一种优选结构设计，所述球形贯入测量机构包括支架、球形探头、连接球形探头的探杆以及驱动所述探杆携带所述球形探头上下运动的贯入驱动机构，所述支架安装在框架式主体上，在所述球形探头的内部安装有孔隙水压力传感器和贯入阻力传感器。

作为所述十字板剪切测量机构的一种优选结构设计，所述十字板剪切测量机构包括支架、十字板探头、连接十字板探头的探杆、驱动所述探杆携带所述十字板探头上下运动的贯入驱动机构以及驱动所述十字板探头转动的剪切驱动装置，所述支架安装在框架式主体上，在所述剪切驱动装置中安装有用于检测十字板探头剪切扭矩的扭矩传感器。

作为所述取样机构的一种优选结构设计，所述取样机构包括支架、取样管、驱动所述取样管上下运动的贯入驱动机构以及将海底沉积物抽取至取样管的液压装置，所述支架安装在框架式主体上。

进一步的，所述系统电路包括数据采集单元、控制单元、动力驱动单元和电池；所述电池为所述数据采集单元、控制单元和动力驱动单元供电；所述数据采集单元采集所述孔隙水压力传感器、贯入阻力传感器和扭矩传感器输出的感应信号，并传输至所述控制单元，用于计算海底沉积物的力学特性；所述动力驱动单元连接所述控制单元，用于生成测量装置所需的驱动电压。

作为所述贯入驱动机构的一种优选结构设计，所述贯入驱动机构包括贯入油缸、滑轮组、缠绕在滑轮组上的钢缆以及由所述钢缆牵引的滑板；所述滑轮组包括定滑轮组和动滑轮组，所述动滑轮组连接贯入油缸的活塞杆，所述系统电路控制所述贯入油缸的活塞杆伸缩，以带动所述动滑轮组上下位移，进而驱动所述钢缆牵引所述滑板上下位移。将所述锥形贯入测量机构中的探杆、球形贯入测量机构中的探杆以及取样机构中的取样管分别固定安装在各自贯入驱动机构的滑板上，由滑板带动探杆或取样管插入到海底沉积物中或者从海底沉积物中收回。

作为所述剪切驱动装置的一种优选结构设计，所述剪切驱动装置包括电机和联轴器，所述电机安装在十字板剪切测量机构中的贯入驱动机构的滑板上，接收所述驱动电压，电机的转轴通过所述联轴器与连接十字板探头的探杆轴连接，驱动所述十字板探头旋转，破坏海底土体，以实现对土体破坏所需剪切扭矩的测量。

作为所述液压装置的一种优选结构设计，所述液压装置包括液压缸和密封塞，所述液压缸安装在取样机构中的贯入驱动机构的滑板上，所述密封塞位于所述取样管中，并连接所述液压缸的活塞杆，所述系统电路在取样作业时控制所述液压缸驱动密封塞上移，减小取样管中的空气压力，以抽取海底沉积物。

为了进一步增大测量装置的浮力，本实用新型优选安装四个浮球舱，将所述数据采集单元、控制单元、动力驱动单元和电池分置在四个不同的浮球舱中，每个浮球舱上安装有水密接插件，水密接插件之间连接有防水电缆，内置于不同浮球舱中的电路通过所述防水电缆电连接，以传输电源和信号。

为了便于安装照相或摄像器材，本实用新型采用透明玻璃制成所述浮球舱，在浮球舱中预留出照相机或摄像机的安装空间，由此无需在观测平台上另外挂载专用于密封照相机或摄像机的透明箱体，继而达到了简化平台结构和安装操作的目的。

进一步的，在所述框架式主体上还安装有水声通信机，用于接收水上指令，并传输至所述系统电路；所述系统电路在接收到抛载指令时，生成并输出抛载控制信号，控制所述释放机构抛弃所述配重。

为了确保测量装置能够可靠回收，本实用新型在所述释放机构中还可以进一步设置机械定时触发装置，所述机械定时触发装置在投放测量装置时启动计时，并在计时达到设定的最大时间阈值时，自动触发所述释放机构抛弃所述配重。采用这种回收备选方案，可以在系统电路无法正常输出抛载控制信号时，对释放机构进行辅助控制，实现测量装置的可靠回收。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的海底沉积物力学特性原位测量装置采用无缆布放方式，不受缆绳长度的限制，工作水深可以达到11000米甚至以上，因而可以针对全海深的海底沉积物实现力学特性的原位测量，满足各种科研需求。并且，本实用新型通过在测量装置上设置缓降机构和释放机构，既可以保证测量装置自行平稳下沉着陆，又可以确保测量装置自行成功抛载回收，无需科考船和潜水器的辅助，即可在任意深度的海底独立开展长期连续的观测作业，为海洋研究的有效进行提供了全面保障。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本实用新型所提出的适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置中的观测平台的一种实施例的结构示意图；

图2是图1中的框架式主体的一种实施例的结构示意图；

图3是图1中的配重的一种实施例的结构示意图；

图4是配重与释放机构的一种实施例的结构示意图；

图5是本实用新型所提出的适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置的一种实施例的结构示意图；

图6是图5中的锥形贯入测量机构的一种实施例的结构示意图；

图7是图5中的球形贯入测量机构的一种实施例的结构示意图；

图8是图5中的十字板剪切测量机构的一种实施例的结构示意图；

图9是图5中的取样机构的一种实施例的结构示意图；

图10是图6的贯入驱动机构的一种实施例的工作原理图；

图11是系统电路的一种实施例的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细地描述。

本实施例的海底沉积物力学特性原位测量装置主要包括观测平台以及搭载在观测平台上的测量机构两部分，如图5所示。其中，观测平台为无缆式海底观测平台，主要由框架式主体10以及安装在所述框架式主体10上的浮体20、翼板30、高度测量器件、浮球舱40、调平机构50、配重60和释放机构70等部分组成，如图1所示。测量机构主要为各类用于对海底沉积物进行力学特性测试的测量仪器，包括但不限于锥形贯入测量机构100、球形贯入测量机构200、十字板剪切测量机构300中的一种或多种，也可以进一步包括取样机构400，以用于提取海底沉积物样本，便于日后的实验室研究。

在观测平台中，框架式主体10作为承载主体，优选采用钛合金材料和高强度的铝合金焊接而成，在保证承载力和抗压强度的同时，尽量减轻承载主体10的整体重量，便于回收。本实施例优选将框架式主体10设计成矩形笼式结构，如图2所示，以便于在其上安装不同测量机构和观测设备。作为本实施例的一种优选安装方式，可以将浮体20安装在框架式主体10的顶部，以用于在测量装置回收时，为测量装置提供足够的向上浮力，使测量装置能够自行浮出水面。本实施例优选采用浮球21和浮力板22相结合的方式构成所述浮体20。具体而言，可以将框架式主体10的顶面设计成矩形网格状，在每一个矩形网格11中分别安装一个浮球20，使浮球20排布形成阵列式结构。在每一个矩形网格11上分别焊接四根装配条12，每一根装配条12与矩形网格11的其中一个边角形成一个三角形，安装装配条12不仅可以对矩形网格11起到加固作用，而且可以方便浮球20在矩形网格11中的安装固定。将浮力板22包覆在框架式主体10的顶部四周，在增加浮力的同时，还可以起到缓冲撞击力的效果。

将翼板30安装在框架式主体10的中间部位，位于浮力板22的下方，优选设置翼板30到框架式主体10底部的距离占框架式主体10总高度的2/3，这样可以提高机械结构的稳定度。本实施例优选在框架式主体10上安装四块翼板30，分布在框架式主体10的四周。每一块翼板30均设计成流线型翼面，内侧与框架式主体10相铰接。使用缓冲油缸31驱动翼板30相对于框架式主体10向外展开或向内收回，具体而言，可以将缓降油缸31的一端（例如缸筒底部）与框架式主体10相铰接，另一端（例如活塞杆32）与翼板30的底面相铰接。控制缓降油缸31的活塞杆32伸出，可以推动翼板30展开，以降低测量装置的下降速度。反之，控制缓降油缸31的活塞杆32收回，可以拉回翼板30，以减小测量装置的下降阻力，使测量装置能够快速的沉入海底。将缓降油缸31与框架式主体10铰接，可以使缓降油缸31跟随翼板30的展开或收回而自动调整其与框架式主体10之间的角度，以适应翼板30的运动轨迹。根据测量装置的下潜深度，调节缓降油缸31的活塞杆32的伸出长度，可以对翼板30的展开角度进行调节，继而达到多级调速缓降的效果，实现测量装置在海床上的平稳着陆。

考虑到深海作业时，海底的压力很大，翼板30在展开时需要克服很大的阻力，为了保证翼板30在深海环境下能够可靠展开，本实施例优选针对每一个翼板30分别配置两个缓降油缸31，如图1所示，铰接在翼板30底面的左右两侧，为翼板30提供更大的推动力。

在框架式主体10的底部安装孔板13，如图2所示，在孔板13上开设大小不同的若干个装配孔，以用于安装浮球舱40、调平机构50以及需要搭载的测量机构100、200、300、400。

为了密封观测平台的系统电路，使系统电路能够适应水下工作环境，本实施例设计浮球舱40封装所述系统电路。所述浮球舱40优选采用透明玻璃制成，设计成浮球形状，安装在框架式主体10底部的孔板13上。将用于封装系统电路的舱体设计成浮球形状，可以在满足封装要求的同时，为测量装置提供辅助的上浮力。并且，通过将浮球舱40设计成透明状，在需要安装照相或摄像器材时，可以直接将照相机或摄像机内置于浮球舱40中，而无需另外在观测平台上挂载专用于封装照相机或摄像机的箱体，由此可以达到简化观测平台整体结构的目的。

为了获得更大的浮力，本实施例优选在框架式主体10底部的孔板13上安装四个浮球舱40，以分别用于封装系统电路中不同的功能电路。结合图11所示，本实施例的系统电路主要包括数据采集单元、控制单元、动力驱动单元和电池四部分，将这四部分功能电路分置于四个不同的浮球舱40中，以形成数据采集舱、控制舱、动力驱动舱和电池舱。在每一个浮球舱40上分别设置至少一个水密接插件41，在不同浮球舱40上的水密接插件41之间连接防水电缆，内置于不同浮球舱内的功能电路通过防水电缆实现电连接，以传输电源、模拟信号和/或数字信号。

其中，在数据采集舱中主要内置有数据采集单元，例如各种接口板、接口电路、采集仪等，用于连接搭载在观测平台上的各类测量机构，以采集各类测量机构检测到的测量数据，并进行数据处理后，发送至所述控制单元进行数据分析和存储。本实施例优选将高度测量器件（图中未示出）独立于系统电路，布设在框架式主体10上，并连接所述的数据采集单元。所述高度测量器件可以是高度计、声学测距仪等，利用高度测量器件检测框架式主体10距离海底的高度，并生成高度检测信号发送至数据采集单元，以处理成符合控制单元接收要求的数据格式，发送至控制单元，以实现对测量装置下降位置的实时监测。在数据采集舱中还可以预留出用于安装照相机或摄像机的空间，利用数据采集单元采集照相机或摄像机摄取到的图像数据，并发送至所述控制单元。

在控制舱中主要内置有控制单元以及连接所述控制单元的姿态传感器（例如三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘等）、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、漏水传感器等感应元件，以用于检测观测平台着陆后的倾斜角度以及浮球舱40内的环境参数。所述控制单元可以包括控制器（例如CPU、MCU、DSP等）和存储器，控制器作为整个系统电路的控制核心，对各功能电路进行协调控制，并将处理后的测量数据发送至存储器进行保存。

在动力驱动舱中主要内置有动力驱动单元，例如用于驱动电机运行的电机驱动电路等，用于外接搭载在观测平台上的测量机构。在需要控制某些测量机构中的电机运行时，可以通过控制单元输出控制信号至所述动力驱动单元，继而生成驱动电压，控制测量机构中的电机运行，以开展海底沉积物的力学特性测试或者取样作业。

在所述电池舱中主要内置有锂电池和海水电池，用于为观测平台以及搭载在观测平台上的测量机构提供电力供应。使用海水电池可以满足测量装置水下长时间连续作业的用电需求。

为了使观测平台在海底着陆后能够保持水平状态，以确保某些测量数据的准确性，本实施例在框架式主体10的底部安装调平机构50，包括调平支脚51和调平油缸52，如图1所示。本实施例优选布设四个调平油缸52控制四个调平支脚51配合调节框架式主体10的平衡状态。具体而言，可以在将调平油缸52安装在框架式主体10底部的孔板13上，活塞杆朝下，连接调平支脚51。通过调节调平油缸52的活塞杆的伸出长度，以改变框架式主体10的姿态，将框架式主体10调整到水平状态。

在框架式主体10的底部安装配重60，框架式主体10上安装释放机构70，利用释放机构70挂接配重60。在测量装置入海后，利用配重60的重量下拉测量装置沉入海底，对海底的沉积物进行力学特性测试。待测试作业完成后，控制释放机构70抛弃配重60，使配重60与框架式主体10分离。尔后，测量装置在浮球21、浮力板22、浮球舱40的共同作用下上浮，浮出海面，等待科考船打捞回收。

作为所述释放机构70的一种优选结构设计，本实施例在框架式主体10上安装固定支架71，如图1所示，在固定支架71上安装定滑轮72和挂钩73，结合图4所示。在定滑轮72上缠绕缆绳74，并将缆绳74的一端连接到挂钩73上，另一端连接释放油缸75。所述释放油缸75可以安装在框架式主体10上，通过控制释放油缸75的活塞杆伸缩，以上拉或者下放缆绳74，继而改变挂钩73的角度，实现对配重60的钩取或释放。具体而言，结合图3、图4所示，可以在配重60上开设吊孔61，在默认状态下，释放油缸75控制其活塞杆缩回，上拉缆绳74，使挂钩73朝上且伸入到配重60的吊孔61中，吊起配重60。当需要抛弃配重60时，控制释放油缸75将其活塞杆伸出，下放缆绳74。此时，挂钩73在其自身重力的作用下旋转一定角度，继而从配重60的吊孔61中脱离，如图4所示的状态，实现配重60的释放。尔后，测量装置在浮体20和浮球舱40的作用下上浮，丢弃配重60实现回收。

作为本实施例的一种优选设计方案，所述配重60和释放机构70优选配置四套，布设在矩形框架式主体10的四个底角位置，以平衡施加到框架式主体10上的下拉力，保证测量装置在下潜过程中姿态平稳。

为了向缓降油缸31、调平油缸52、释放油缸75提供液压油，本实施例在观测平台上还安装有液压站14，如图1所示，优选安装框架式主体10底部孔板13的正中位置，并通过不同的油管分别连通所述的缓降油缸31、调平油缸52和释放油缸75。在连接每一个油缸的油管上分别安装电磁阀，在需要控制某一个油缸工作时，可以通过系统电路首先控制连接该被控油缸的油管上的电磁阀打开，然后控制液压站14向被控油缸供油或抽油，以控制被控油缸的活塞杆伸出或缩回，进而满足被控油缸的工作需要。

此外，本实施例在框架式主体10的顶部还安装有铱星信标15和光信标16，如图1所示。其中，铱星信标15可以在测量装置出水后自动发射定位信号，例如GPS信号，进而将测量装置的地理坐标告知科考船，以便于科考船在海域中快速搜寻到所述测量装置。所述光信标16可以在测量装置出水后自动发射可见光，以光信号的方式向科考船发出指示，以便于科考船发现其所在位置，即使在夜间也能保证测量装置的安全快速回收。

在框架式主体10的顶部还安装有吊装机构17，用于与科考船上的打捞设备相配合，以便于对测量装置进行投放和打捞。当待测海域的海水不深时，还可以采用有缆方式，将科考船上的缆绳连接到观测平台的吊装机构17上，通过缆绳布放和回收所述测量装置，使本实施例的测量装置可以支持有缆和无缆两种布放方式，以扩展测量装置的适用领域。

在本实施例的测量装置中，用于测量海底沉积物力学特性的测量机构可以选择多种类型，安装在框架式主体10底部的孔板13上，通过控制各类测量机构贯入到海底沉积物中，以检测出海底沉积物的力学特性。本实施例以在观测平台上搭载锥形贯入测量机构100、球形贯入测量机构200、十字板剪切测量机构300、取样机构400为例进行说明，如图5所示。

本实施例的锥形贯入测量机构100主要包括支架110、锥形探头101、连接锥形探头101的探杆102以及驱动所述探杆102携带所述锥形探头101上下运动的贯入驱动机构120，如图6所示。将所述支架110安装在观测平台的框架式主体10上，将贯入驱动机构120安装在所述支架110上。在所述贯入驱动机构120中包括贯入油缸121、滑板122、滑轮组、钢缆123等部分，结合图6和图10所示。其中，贯入油缸121安装在支架110的底座111上，滑轮组中包含有定滑轮组和动滑轮组，将动滑轮组安装在一个承载架132上，并将所述承载架132安装在贯入油缸121的活塞杆上，由贯入油缸121驱动动滑轮组上下位移。在所述定滑轮组中包括四个定滑轮：第一定滑轮124和第二定滑轮125安装在支架110的底座111上，第三定滑轮126和第四定滑轮127安装在支架110的顶板112上；在所述动滑轮组中包括两个轴心连接且呈上下位置关系的上动滑轮128和下动滑轮129。所述钢缆123缠绕在所述滑轮组上，其缠绕顺序为：第一定滑轮124→下动滑轮129→第二定滑轮125→第三定滑轮126→上动滑轮128→第四定滑轮127。将钢缆123的两端固定在支架110上，并将所述滑板122安装在钢缆123上，优选安装在位于第二定滑轮125和第三定滑轮126之间的钢缆上，利用钢缆123牵引所述滑板122上下移动。为了提高滑板122移动的稳定性，可以在支架110上进一步安装导轨130，利用导轨130支撑滑板122，使滑板122可以沿导轨130上下移动。在滑板122上安装夹持机构131，利用夹持机构131夹持探杆102的上半部分，使探杆102可以跟随滑板122上下位移。将锥形探头101安装在探杆102的下端，并使锥形探头101伸出支架110的底座111且锥头朝下。

在需要利用锥形贯入测量机构100对海底沉积物进行力学特性测试时，通过系统电路中的控制单元输出控制信号，控制液压站14为贯入油缸121提供液压油，使贯入油缸121的活塞杆伸出，控制动滑轮组上移。当下动滑轮129上移时，使位于第二定滑轮125和第三定滑轮126之间的钢缆123下移，继而驱动滑板123下移，带动探杆102携带锥形探头101下降，贯入到海底沉积物中。在第三定滑轮126上可以进一步安装位移传感器（图中未示出），通过检测第三定滑轮126的转动角度计算出锥形探头101的在海底沉积物中的贯入深度。在本实施例中，可以利用系统电路中的数据采集单元接收所述位移传感器输出的检测信号，并发送至控制单元，在控制单元中计算出锥形探头101的贯入深度。

在锥形探头102的内部可以封装孔隙水压力传感器和贯入阻力传感器，锥形探头102在贯入海底沉积物的过程中，通过孔隙水压力传感器检测海底沉积物的流动状态以及水压力的大小，通过贯入阻力传感器检测锥形探头102所受到的阻力。所述孔隙水压力传感器和贯入阻力传感器将生成的感应信号发送至系统电路中的数据采集单元，经处理后传输至控制单元，以计算出海底沉积物的力学特性。具体计算方法为现有技术，本实施例不做具体说明。控制单元结合位移传感器、孔隙水压力传感器和贯入阻力传感器输出的检测信号，即可计算出海底沉积物在不同深度的力学特性。

待完成力学特性测试后，控制单元输出控制信号，控制液压站14抽回液压油，使贯入油缸121的活塞杆缩回，下拉动滑轮组，继而使位于第二定滑轮125和第三定滑轮126之间的钢缆123牵引滑板122上移，驱动探杆102携带锥形探头101上升，从海底沉积物中拔出，回复原始状态，完成测试任务。

本实施例的球形贯入测量机构200主要包括支架210、球形探头201、连接球形探头201的探杆202以及驱动所述探杆202携带所述球形探头201上下运动的贯入驱动机构220，如图7所示，在球形探头201的内部封装有孔隙水压力传感器和贯入阻力传感器。所述球形贯入测量机构200中各部件的连接关系、贯入驱动机构220的具体结构以及工作原理同上述的锥形贯入测量机构100，本实施例在此不再展开说明。

本实施例的十字板剪切测量机构300包括支架310、十字板探头301、连接十字板探头301的探杆302、驱动所述探杆302携带所述十字板探头301上下运动的贯入驱动机构320以及驱动所述十字板探头301转动的剪切驱动装置330，如图8所示。将所述支架310安装在框架式主体100上，所述贯入驱动机构320安装在所述支架310上，且贯入驱动机构320的具体结构及工作原理同上述锥形贯入测量机构100中的贯入驱动机构120，本实施例在此不再详细说明。将剪切驱动装置330安装在贯入驱动机构320的滑板322上，由滑板322驱动剪切驱动装置330上下位移。在所述剪切驱动装置330中设置有电机331和联轴器332，将电机331安装在滑板322上，接收系统电路中的动力驱动单元输出的驱动电压，以控制电机331运转。将电机331的转轴通过联轴器332与探杆302轴连接，通过电机331驱动十字板探头301旋转。在剪切驱动装置330中安装扭矩传感器，以检测十字板探头301在旋转破坏海底沉积物的土体结构时产生的剪切扭矩。

所述十字板剪切测量机构300的工作原理为：首先通过系统电路中的控制单元控制贯入驱动机构320中的滑板322携带剪切驱动装置330下移，同时启动剪切驱动装置330中的电机331驱动十字板探头301转动，使十字板探头301一边旋转，一边贯入到海底沉积物中。将位移传感器检测到的位移信号以及扭矩传感器检测到的扭矩信号发送至系统电路中的数据采集单元，经由数据采集单元处理后传输至控制单元，以计算出海底沉积物在不同深度的力学特性。

本实施例的取样机构400包括支架410、取样管401、驱动所述取样管401上下运动的贯入驱动机构420以及将海底沉积物抽取至取样管401的液压装置430，如图9所示。其中，将所述支架410安装在框架式主体100上，所述贯入驱动机构420安装在所述支架410上，且贯入驱动机构420的具体结构及工作原理同上述锥形贯入测量机构100中的贯入驱动机构120，本实施例在此不再具体阐述。将液压装置430和取样管401安装在贯入驱动机构420的滑板422上，由滑板422驱动所述液压装置430和取样管401上下位移。在所述液压装置430中设置有液压缸和密封塞，将所述液压缸安装在滑板422上，并通过油管连接液压站14。将密封塞置入取样管401中，并连接所述液压缸的活塞杆。

在需要抽取海底沉积物时，系统电路中的控制单元首先控制贯入驱动机构420驱动取样管401下移，贯入到海底沉积物中。然后，通过控制液压站14驱动液压缸的活塞杆带动密封塞上移。由于取样管401的下部开口已贯入到海底沉积物中，因此密封塞上移会导致取样管401中从下部开口到密封塞的这段空间的体积增大，继而导致该段空间的空气压力减小，从而使得海底沉积物能够在外界压力的左右下自动进入到取样管401中，以实现对海底沉积物样本的采集。

本实施例优选将取样管401设计成圆柱形，通过贯入到海底沉积物中，可以获得沉积物原状样本，有利于日后的室内测试。

本实施例通过在观测平台上搭载多种类型的测量机构，不仅可以针对不同类型的沉积物选择使用适宜的测量机构进行力学测试，以满足不同类型沉积物力学特性的测量要求，而且还可以针对相同区域的海底沉积物，利用不同的测量机构同时或分时进行力学测试，以获取多组测量数据进行互相验证，由此提高海底沉积物力学特性测量结果的准确性。

下面对本实施例的海底沉积物力学特性测量装置的具体工作过程进行详细阐述。

利用科考船运载测量装置抵达待测海域的布放位置后，使用船载钢缆吊起测量装置转移至海面，控制脱钩器脱离，投放测量装置入海。

测量装置入海后，系统电路启动高度测量器件检测测量装置距离海底的高度。测量装置在自身及配重60的重力作用下下沉，初始阶段，测量装置加速下潜，在下降过程中，受浮力的作用，测量装置进入匀速下潜状态。当高度测量器件检测到测量装置距离海底到达设定高度时，控制单元输出缓降控制信号，控制缓降油缸31的活塞杆32伸出，推动翼板30展开，以降低测量装置的下潜速度，并可以根据测量装置距离海底的高度变化，调节翼板30的展开角度，实现多级调速缓降。举例说明，当高度测量器件检测到测量装置距离海底约200米时，控制翼板30相对框架式主体10展开45°夹角，降低测量装置的下潜速度但不至于过缓。当高度测量器件检测到测量装置距离海底约100米时，控制翼板30进一步展开，使其相对框架式主体10展开90°夹角，控制测量装置缓慢下潜，直到平稳着陆。

测量装置在海底平稳着陆后，控制单元通过姿态传感器检测框架式主体10着陆海床后的倾斜角度，进而输出调平控制信号，控制调平油缸52驱动四个调平支脚51伸缩，直到将框架式主体10调整到水平状态。

控制锥形贯入测量机构100、球形贯入测量机构200、十字板剪切测量机构300中的一种或多种贯入到海底沉积物中，进行力学特性测试，并控制取样机构400收集海底沉积物样本。

待测量机构完成测试作业后，控制单元首先控制翼板30收回，然后控制释放机构70抛弃配重60，使测量装置在浮体20和浮球舱40的浮力作用下无动力上浮，实现回收。

为了确保测量装置可靠回收，本实施例提出三套互补释放控制方案：

第一方案：主控方案，在观测平台上安装水声通信机80，如图5所示，具体可以安装在框架式主体10上。利用水声通信机80接收水上指令，例如抛载指令等。将水声通信机80连接至系统电路，具体连接系统电路中的控制单元。当水声通信机80接收到所述抛载指令时，对接收到抛载指令进行处理，然后发送至所述控制单元，通过控制单元生成抛载控制信号，控制释放机构70抛弃配重60。

第二方案：补救方案，若水声通信机80故障，无法接收到所述抛载指令，则可以设置控制单元在测量装置完成水下作业后，预留一段等待时间（可以根据实际情况具体确定），在这段等待时间到达后，若控制单元仍未接收到所述抛载指令，则认为水声通信机80失灵，自动生成抛载控制信号，自行控制释放机构70抛弃配重60。

第三方案：补救方案，在释放机构70中设置机械定时触发装置，并预先根据实际工作情况设定好最大时间阈值。在投放测量装置时，开启机械定时触发装置，记录测量装置的工作时长。当计时达到设定的最大时间阈值时，认为系统电路出现异常，无法正常发送抛载控制信号。此时，可以通过机械定时触发装置触发释放机构70抛弃配重60，以确保测量装置可靠回收。为了实现机械定时触发装置对释放机构70的触发，一种方式可以设计机械定时触发装置代替系统电路生成抛载控制信号，控制液压站14向释放油缸75输送液压油，以控制释放油缸75的活塞杆伸出，使挂钩73从配重60上脱离，释放配重60；另一种方式可以设计机械定时触发装置在计时达到设定的最大时间阈值时切断缆绳74，以实现配重60的释放。

测量装置浮出水面后，铱星信标15和光信标16启动，向科考船发送测量装置的地理坐标，并发光指引科考船快速发现其位置。科考船到达测量装置所在位置后，可以使用抛绳枪发射凯夫拉缆绳，连接测量装置，对测量装置进行打捞回收。

本实施例的测量装置结构设计科学合理，既可以保证测量装置整体平稳下沉着陆，又可以保证测量装置成功回收，不仅能够对海底沉积物实现力学特性测试，还可以对海底环境进行长期连续的观测作业，为海底观测的有效开展提供了全面保障。

当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，包括观测平台以及搭载在所述观测平台上的测量机构；其特征在于，

所述观测平台包括框架式主体以及安装在所述框架式主体上的浮体、翼板、高度测量器件、浮球舱、调平机构、配重和释放机构；其中，所述浮球舱呈浮球形状，在提供浮力的同时用于密封系统电路；所述高度测量器件用于检测框架式主体距离海底的高度，并反馈至所述系统电路；所述系统电路在检测到框架式主体下降至距离海底达到设定高度时，控制所述翼板相对于框架式主体向外展开，以降低框架式主体的下降速度，并在框架式主体到达海底时，控制所述调平机构调节框架式主体的姿态，使所述框架式主体平稳立于海底沉积物上；所述系统电路在测量装置完成水下作业后，控制所述释放机构抛弃所述配重，并控制所述翼板收回，使测量装置在所述浮体的浮力作用下浮出水面；

所述测量机构包括锥形贯入测量机构、球形贯入测量机构、十字板剪切测量机构中的一种或多种以及取样机构。

2.根据权利要求1所述的适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，其特征在于，所述观测平台还包括缓降油缸，所述缓降油缸的一端与所述框架式主体相铰接，另一端与所述翼板相铰接，所述系统电路通过控制所述缓降油缸的活塞杆伸缩，以驱动所述翼板展开或收回。

3.根据权利要求1所述的适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，其特征在于，所述调平机构包括多个调平支脚和多个调平油缸，所述调平支脚位于框架式主体的底部，每一个调平支脚连接一个调平油缸；

在所述浮球舱中安装有姿态传感器，检测所述框架式主体的姿态，并生成姿态数据发送至所述系统电路；所述系统电路在框架式主体到达海底时，根据接收到的姿态数据控制调平油缸驱动所述调平支脚伸缩，以调节所述框架式主体水平立于海底。

4.根据权利要求1所述的适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，其特征在于，所述释放机构包括释放油缸、定滑轮、缆绳和挂钩；所述定滑轮安装在所述框架式主体上，其上缠绕所述缆绳，且缆绳的一端连接释放油缸，另一端连接挂钩；所述挂钩在默认状态伸入到配重的吊孔中，勾住所述配重，所述系统电路在测量装置回收时控制所述释放油缸下放缆绳，使挂钩在自重下旋转，脱离所述配重的吊孔，使配重与框架式主体分离。

5.根据权利要求1所述的适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，其特征在于，所述浮体包括浮球和浮力板，安装在所述框架式主体的顶部，所述浮球包括多个，排布形成阵列式结构。

6.根据权利要求1所述的适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，其特征在于，在所述框架式主体的顶部还安装有铱星信标和光信标，所述铱星信标在测量装置出水后自动发射定位信号，所述光信标在测量装置出水后自动发射可见光。

7.根据权利要求1所述的适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，其特征在于，

所述锥形贯入测量机构包括支架、锥形探头、连接锥形探头的探杆以及驱动所述探杆携带所述锥形探头上下运动的贯入驱动机构，所述支架安装在框架式主体上，在所述锥形探头的内部安装有孔隙水压力传感器和贯入阻力传感器；

所述球形贯入测量机构包括支架、球形探头、连接球形探头的探杆以及驱动所述探杆携带所述球形探头上下运动的贯入驱动机构，所述支架安装在框架式主体上，在所述球形探头的内部安装有孔隙水压力传感器和贯入阻力传感器；

所述十字板剪切测量机构包括支架、十字板探头、连接十字板探头的探杆、驱动所述探杆携带所述十字板探头上下运动的贯入驱动机构以及驱动所述十字板探头转动的剪切驱动装置，所述支架安装在框架式主体上，在所述剪切驱动装置中安装有用于检测十字板探头剪切扭矩的扭矩传感器；

所述取样机构包括支架、取样管、驱动所述取样管上下运动的贯入驱动机构以及将海底沉积物抽取至取样管的液压装置，所述支架安装在框架式主体上；

所述系统电路包括数据采集单元、控制单元、动力驱动单元和电池；所述电池为所述数据采集单元、控制单元和动力驱动单元供电；所述数据采集单元采集所述孔隙水压力传感器、贯入阻力传感器和扭矩传感器输出的感应信号，并传输至所述控制单元，用于计算海底沉积物的力学特性；所述动力驱动单元连接所述控制单元，用于生成测量装置所需的驱动电压。

8.根据权利要求7所述的适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，其特征在于，

所述贯入驱动机构包括贯入油缸、滑轮组、缠绕在滑轮组上的钢缆以及由所述钢缆牵引的滑板；所述滑轮组包括定滑轮组和动滑轮组，所述动滑轮组连接贯入油缸的活塞杆，所述系统电路控制所述贯入油缸的活塞杆伸缩，以带动所述动滑轮组上下位移，进而驱动所述钢缆牵引所述滑板上下位移；

所述锥形贯入测量机构中的探杆、球形贯入测量机构中的探杆以及取样机构中的取样管分别固定安装在各自贯入驱动机构的滑板上；

所述剪切驱动装置包括电机和联轴器，所述电机安装在十字板剪切测量机构中的贯入驱动机构的滑板上，接收所述驱动电压，电机的转轴通过所述联轴器与连接十字板探头的探杆轴连接；

所述液压装置包括液压缸和密封塞，所述液压缸安装在取样机构中的贯入驱动机构的滑板上，所述密封塞位于所述取样管中，并连接所述液压缸的活塞杆，所述系统电路在取样作业时控制所述液压缸驱动密封塞上移，减小取样管中的空气压力，以抽取海底沉积物。

9.根据权利要求7所述的适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，其特征在于，所述浮球舱由透明玻璃制成，包括四个，预留有照相机或摄像机的安装空间；所述数据采集单元、控制单元、动力驱动单元和电池分置在四个不同的浮球舱中，每个浮球舱上安装有水密接插件，水密接插件之间连接有防水电缆，内置于不同浮球舱中的电路通过所述防水电缆电连接。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的适用于全海深的海底沉积物力学特性原位测量装置，其特征在于，

在所述框架式主体上还安装有水声通信机，用于接收水上指令，并传输至所述系统电路；所述系统电路在接收到抛载指令时，生成并输出抛载控制信号，控制所述释放机构抛弃所述配重；

在所述释放机构中设置有机械定时触发装置，所述机械定时触发装置在投放测量装置时启动计时，并在计时达到设定的最大时间阈值时，自动触发所述释放机构抛弃所述配重。