專利名稱：基于液壓驅(qū)動貫入的海底沉積物聲學特性原位探測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種海洋測量設備，具體涉及一種基于液壓驅(qū)動貫入的海底沉積 物聲學特性原位探測系統(tǒng)，屬于海洋物理測量技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
包括聲速和聲衰減系數(shù)在內(nèi)的海底沉積物的聲學特性是表征海底沉積物基本物 理性質(zhì)的重要參數(shù)之一，通過對海底沉積物聲速和聲衰減系數(shù)的測量可以為水下潛艇導 航、反潛、水聲設備的設計和使用等軍事活動提供重要參數(shù)，對于國防建設具有重要意義。 而且，利用沉積物的聲速和聲衰減系數(shù)等聲學特性參數(shù)評價海底巖土工程性質(zhì)，其在海洋 工程勘察、海底資源勘探開發(fā)等領域具有重要的應用價值。目前，現(xiàn)有一種原位測量技術(shù) 是將聲學換能器固定在海底沉積物重力取樣器上，發(fā)射換能器位于取樣管上部，往下等間 距排列一組接收換能器，在距海底一定高度釋放重力取樣器，重力取樣器靠自重帶動聲學 換能器快速插入沉積物，通過發(fā)射和接收聲波信號，實現(xiàn)對海底沉積物聲速和聲衰減系數(shù) 的原位測量，該技術(shù)通過通訊電纜實時控制設備在海底工作狀態(tài)，并將測量數(shù)據(jù)實時回傳 至甲板控制單元。該技術(shù)存在如下問題(1)靠重力取樣器自重帶動聲學換能器快速插入 海底沉積物，對沉積物擾動很大，降低測量精度，而且，對換能器造成很大沖擊，使其容易損 壞；(2)設備通過通訊電纜由甲板單元控制其在海底的工作，采集的聲波數(shù)據(jù)通過電纜實 時回傳至甲板單元，增加了對設備搭載船舶的要求(要求船舶必須配有鎧甲纜)，增加海上 調(diào)查成本；(3)設備只適用于較軟海底，當海底底質(zhì)較硬時，很難插入沉積物中，致使測量 失敗，降低工作效率。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種基于液壓驅(qū)動貫入的海底沉積物聲學特性原位 探測系統(tǒng)，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點。本實用新型利用液壓組合驅(qū)動機構(gòu)將發(fā)射換能器和接收換能器緩慢勻速貫入到 海底沉積物指定深度，采用嵌入式智能集成芯片為自動控制單元的核心，以程序控制為手 段，實現(xiàn)設備在海底工作的自動控制和監(jiān)測，系統(tǒng)采集的聲波信號自容式存儲于存儲單元， 無需實時向甲板回傳數(shù)據(jù)。基于液壓驅(qū)動貫入的海底沉積物聲學特性原位探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括帶有起重吊 環(huán)的框架，固接有發(fā)射換能器的發(fā)射探桿和固接有接收換能器的接收探桿，以及換能器貫 入裝置、固定于框架上的內(nèi)含自動控制單元和聲波發(fā)射采集單元的密封倉，其特征在于所 述的換能器貫入裝置是滑輪組合機構(gòu)的液壓貫入驅(qū)動裝置，該換能器貫入裝置包括固定 于框架底部的液壓泵、由該液壓泵驅(qū)動的液壓缸內(nèi)的液壓桿，固定于該液壓桿上端的下動 滑輪與上動滑輪，以及固定在框架上部的三個上定滑輪，固定于框架下部的三個下定滑輪， 并有兩條相互平行的鋼纜穿過活動壓盤中部的兩個通孔，向上依次繞過兩個上定滑輪、上 動滑輪以及另一個上定滑輪而固定在框架上，向下依次繞過兩個下定滑輪、下動滑輪以及另一個下定滑輪而固定在框架上；所述活動壓盤是一個矩形板狀結(jié)構(gòu)體，且還帶有一個發(fā)射探桿安裝孔和至少兩個接收探桿安裝孔?？紤]到便于生產(chǎn)制造以及裝配使用，上述發(fā)射探桿和接收探桿結(jié)構(gòu)相同，均是中 間有通孔、底部設有外螺紋的圓柱形管狀結(jié)構(gòu)體，該管狀結(jié)構(gòu)體頂部安裝有水密插頭，并且 經(jīng)由連接法蘭固定于活動壓盤上?？紤]到便于生產(chǎn)制造、裝配使用以及與發(fā)射探桿和接收探桿相配合，上述發(fā)射換 能器和接收換能器結(jié)構(gòu)相同，均是底部帶有貫入錐、頂部設有鎖緊螺母的圓柱形結(jié)構(gòu)體，該 圓柱形結(jié)構(gòu)體內(nèi)部設有與貫入錐相連的中心承載軸，并有至少兩個圓環(huán)形的壓電陶瓷管并 排套置在該中心承載軸上，在壓電陶瓷管與中心承載軸之間填充有隔聲橡膠墊；頂部的鎖 緊螺母可以使發(fā)射換能器和接收換能器通過發(fā)射探桿和接收探桿上的外螺紋固接于探桿 上?？紤]到液壓驅(qū)動的效果以及增加鋼纜的承載能力，故將上述活動壓盤的中部設有 兩個通孔，并以兩條相互平行的鋼纜穿過活動壓盤的通孔，且上、下定滑輪與上、下動滑輪 均是繞有兩條鋼纜的雙纜滑輪?？紤]到鋼纜與活動壓盤的固接效果，上述鋼纜通過現(xiàn)有的鎖緊卡環(huán)與活動壓盤固 接?？紤]到便于判斷整個系統(tǒng)在海底是否穩(wěn)定，上述密封倉內(nèi)設有傾角傳感器?？紤]到便于判斷是否達到下插深度，上述液壓缸內(nèi)設有位移傳感器?？紤]到便于測量運動過程中的液壓油壓力，上述液壓泵內(nèi)設有壓力傳感器。本實用新型在執(zhí)行發(fā)射探桿和接收探桿下插任務時，在液壓泵的驅(qū)動下液壓桿伸 出液壓缸，液壓桿通過鋼纜和整個滑輪組合機構(gòu)帶動活動壓盤向下運動，固定在活動壓盤 上的發(fā)射探桿和接收探桿在活動壓盤的壓力下緩慢勻速插入沉積物中，發(fā)射換能器和接收 換能器也同時貫入到海底沉積物中指定深度。在執(zhí)行發(fā)射探桿和接收探桿上提任務時，液 壓桿反向運動，縮回液壓缸，通過鋼纜和滑輪組合機構(gòu)帶動活動壓盤向上運動，即可將發(fā)射 換能器和接收換能器上提出沉積物。本實用新型專利的優(yōu)點在于(1)發(fā)射換能器和接收換能器的中心承載軸設計， 使其能夠承受很大的下插力，并且采用多個壓電陶瓷管串并聯(lián)設計，提高了發(fā)射換能器的 發(fā)射電壓響應和接收換能器的接收靈敏度；(2)液壓組合驅(qū)動貫入裝置設計，將發(fā)射換能 器和接收換能器緩慢勻速貫入到海底沉積物中，與靠重力快速插入相比，對沉積物擾動?。?(3)液壓組合驅(qū)動貫入裝置提供較大貫入力，對于較硬的海底底質(zhì)，也能將發(fā)射換能器和接 收換能器貫入到海底沉積物中，拓寬了設備適用范圍；(4)并可以利用現(xiàn)有的自動控制單 元對設備在海底的工作過程和狀態(tài)進行自動監(jiān)測和控制，無需甲板單元的實時操控，使設 備的吊放回收無需配備具有信號傳輸功能的鎧甲纜，降低了對設備搭載船舶的要求，減少 海上調(diào)查成本。

圖1為本實用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實用新型的活動壓盤結(jié)構(gòu)示意圖。[0018]圖4為本實用新型的雙纜繩滑輪結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本實用新型的發(fā)射探桿或接收探桿結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本實用新型的發(fā)射換能器或接收換能器結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1.框架2.起重吊環(huán)3.自動控制單元4.聲波發(fā)射采集單元5.發(fā)射換能 器6.接收換能器7.發(fā)射探桿8.接收探桿9.活動壓盤10.鋼纜11.上定滑輪12.上 動滑輪13.下動滑輪14.液壓桿15.液壓缸16.液壓泵17.下定滑輪18.發(fā)射探桿安裝 孔19.接收探桿安裝孔20.通孔21.鎖緊卡環(huán)22.水密插頭23.連接法蘭24.位移傳感 器25.壓力傳感器26.傾角傳感器27.密封倉28.中心承載軸29.壓電陶瓷管30.隔聲 橡膠墊31.封堵環(huán)32.鎖緊螺母33.信號電纜34.貫入錐。
具體實施方式
如圖1、3所示，本實用新型包括帶有起重吊環(huán)2的框架1，固接有發(fā)射換能器5的 發(fā)射探桿7和固接有接收換能器6的接收探桿8，以及換能器貫入裝置、固定于框架1上的 內(nèi)含自動控制單元3和聲波發(fā)射采集單元4的密封倉27，其特征在于所述的換能器貫入裝 置是滑輪組合機構(gòu)的液壓貫入驅(qū)動裝置，該換能器貫入裝置包括固定于框架1底部的液壓 泵16、由該液壓泵16驅(qū)動的液壓缸15內(nèi)的液壓桿14，固定于該液壓桿14上端的下動滑輪 13與上動滑輪12，以及固定在框架1上部的三個上定滑輪11，固定于框架1下部的三個下 定滑輪17，并有兩條相互平行的鋼纜10穿過活動壓盤9中部的兩個通孔20，向上依次繞過 兩個上定滑輪11、上動滑輪12以及另一個上定滑輪11而固定在框架1上，向下依次繞過 兩個下定滑輪17、下動滑輪13以及另一個下定滑輪17而固定在框架1上；所述活動壓盤9 是一個矩形板狀結(jié)構(gòu)體，且還帶有一個發(fā)射探桿安裝孔18和至少兩個接收探桿安裝孔19。如圖5所示，考慮到便于生產(chǎn)制造以及裝配使用，上述發(fā)射探桿7或接收探桿8是 中間有通孔、底部設有外螺紋的圓柱形管狀結(jié)構(gòu)體，其頂部安裝有水密插頭22，并且經(jīng)由連 接法蘭23固定于活動壓盤9上。如圖5、6所示，考慮到便于生產(chǎn)制造、裝配使用以及與發(fā)射探桿7和接收探桿8相 配合，上述發(fā)射換能器5或接收換能器6是底部帶有貫入錐34、頂部設有鎖緊螺母32的圓 柱形結(jié)構(gòu)體，該圓柱形結(jié)構(gòu)體內(nèi)部設有與貫入錐34相連的中心承載軸28，并有至少兩個圓 環(huán)形的壓電陶瓷管29并排套置在該中心承載軸28上，在壓電陶瓷管29與中心承載軸28 之間填充有隔聲橡膠墊30 ；頂部的鎖緊螺母32可以使發(fā)射換能器5或接收換能器6通過 發(fā)射探桿7和接收探桿8上的外螺紋固接于探桿上。如圖4所示，考慮到液壓驅(qū)動的效果以及增加鋼纜10的承載能力，故將上述活動 壓盤9的中部設有兩個通孔20，并以兩條相互平行的鋼纜10穿過活動壓盤9的通孔20，且 上、下定滑輪11、17與上、下動滑輪12、13均是繞有兩條鋼纜10的雙纜滑輪?？紤]到鋼纜10與活動壓盤9的固接效果，上述鋼纜10通過現(xiàn)有的鎖緊卡環(huán)21與 活動壓盤9固接。如圖1所示，考慮到便于判斷本實用新型觸底時是否穩(wěn)定，上述密封艙27 內(nèi)設有傾角傳感器26，用來測量觸底后的傾斜度，如果設備傾角大于預設閾值，則系統(tǒng)停止 工作，防止設備發(fā)生側(cè)翻。如圖1、3所示，考慮到便于判斷是否達到下插深度，上述液壓缸 15內(nèi)設有位移傳感器24，用來測量液壓桿14的運動位移，進而計算發(fā)射探桿7和接收探桿 8的下插深度，此位移信號可以提供給自動控制單元3，作為發(fā)出控制指令的判斷信號。[0027]考慮到便于測量運動過程中的液壓油壓力，上述液壓泵16內(nèi)設有壓力傳感器25， 用來測量貫入過程中的液壓油壓力，為自動控制單元3提供控制判斷信號。本實用新型的框架1可由不銹鋼 管焊接而成，考慮到發(fā)射、接收探桿7、8的實際尺 寸，框架1的底盤為長1800mm、寬1500mm的長方形，底盤上安裝有液壓泵16、液壓缸15、上 定滑輪11?？蚣?上部安裝有起重吊環(huán)2，以方便船上的起重機將本發(fā)明吊裝入水。本實用新型的活動壓盤9為長1400mm、寬360mm、厚120mm的矩形鐵盤，發(fā)射探桿7 和接收探桿8均通過其頂部的連接法蘭23安裝于活動壓盤9之上。為防止探桿本身對聲 波傳播的影響，發(fā)射探桿安裝孔18位于活動壓盤9的中心線，兩個接收探桿安裝孔19均偏 離中心線，偏離的垂直距離為IOOmm ；兩個接收探桿安裝孔19的中心距發(fā)射探桿安裝孔18 的中心距離分別為800mm和1200mm。本實用新型的發(fā)射探桿7和接收探桿8結(jié)構(gòu)相同，均為中間有通孔的圓柱形管狀 結(jié)構(gòu)體，長105mm，外徑50mm。發(fā)射探桿7和接收探桿8頂端安裝有水密插頭22，發(fā)射換能 器5和接收換能器6的信號電纜33經(jīng)過發(fā)射探桿7和接收探桿8的中心通孔與水密插頭 22連接。如圖2所示，本實用新型的活動壓盤9中部的兩個通孔20之間距離為200mm。如 圖4所示，上定滑輪11和下定滑輪17、上動滑輪12、下動滑輪13均為可以纏繞兩條鋼纜的 雙纜滑輪。不但增加鋼纜10的承載力，還能夠使活動壓盤9在運動過程中達到很好的平衡。本實用新型的發(fā)射換能器5和接收換能器6結(jié)構(gòu)相同，附圖4、5中，其中心均設有 直徑約為25mm的中心承載軸28，發(fā)射換能器5為四個圓環(huán)形壓電陶瓷管29并聯(lián)后并排套 裝在中心承載軸28上，以提高其發(fā)射電壓響應，接收換能器6為四個圓環(huán)形壓電陶瓷管29 串聯(lián)后套裝在中心承載軸28上，以提高其接收靈敏度。換能器貫入裝置提供的下插壓力直 接作用于中心承載軸28上，保護了壓電陶瓷管29，使發(fā)射換能器5和接收換能器6能夠承 受很大的下插力。連接壓電陶瓷管29的信號電纜33從發(fā)射換能器5和接收換能器6的中 心承載軸28中心引出。壓電陶瓷管29與中心承載軸28之間填充有隔聲橡膠墊30，防止聲 波振動沿中心承載軸28傳播。壓電陶瓷管29的前后兩端安裝有封堵環(huán)31，外圍灌封有透 聲耐磨橡膠。
權(quán)利要求基于液壓驅(qū)動貫入的海底沉積物聲學特性原位探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括帶有起重吊環(huán)(2)的框架(1)，固接有發(fā)射換能器(5)的發(fā)射探桿(7)和固接有接收換能器(6)的接收探桿(8)，以及固定于框架(1)上的內(nèi)含自動控制單元(3)和聲波發(fā)射采集單元(4)的密封倉(27)，和換能器貫入裝置，其特征在于所述的換能器貫入裝置是滑輪組合機構(gòu)的液壓貫入驅(qū)動裝置包括固定于框架(1)底部的液壓泵(16)、由該液壓泵(16)驅(qū)動的液壓缸(15)內(nèi)的液壓桿(14)，固定于該液壓桿(14)上端的下動滑輪(13)與上動滑輪(12)，以及固定在框架(1)上部的三個上定滑輪(11)，固定于框架(1)下部的三個下定滑輪(17)，并有兩條相互平行的鋼纜(10)穿過活動壓盤(9)中部的兩個通孔(20)，向上依次繞過兩個上定滑輪(11)、上動滑輪(12)以及另一個上定滑輪(11)而固定在框架(1)上，向下依次繞過兩個下定滑輪(17)、下動滑輪(13)以及另一個下定滑輪(17)而固定在框架(1)上；所述活動壓盤(9)是一個矩形板狀結(jié)構(gòu)體，且?guī)в幸粋€發(fā)射探桿安裝孔(18)和至少兩個接收探桿安裝孔(19)。
2.如權(quán)利要求1所述的探測系統(tǒng)，其特征在于上述發(fā)射探桿(7)或接收探桿(8)是 中間有通孔、底部設有外螺紋的圓柱形管狀結(jié)構(gòu)體，該管狀結(jié)構(gòu)體的頂部安裝有水密插頭 (22)，且經(jīng)由連接法蘭(23)固定于活動壓盤(9)上。
3.如權(quán)利要求1所述的探測系統(tǒng)，其特征在于上述發(fā)射換能器(5)或接收換能器(6) 是底部帶有貫入錐(34)、頂部設有鎖緊螺母(32)的圓柱形結(jié)構(gòu)體，該圓柱形結(jié)構(gòu)體內(nèi)部設 有與貫入錐(34)相連的中心承載軸(28)，并有至少兩個圓環(huán)形的壓電陶瓷管(29)并排套 置在該中心承載軸(28)上，在壓電陶瓷管(29)與中心承載軸(28)之間填充有隔聲橡膠墊 (30)。
4.如權(quán)利要求1所述的探測系統(tǒng)，其特征在于上述鋼纜(10)通過鎖緊卡環(huán)(21)與活 動壓盤(9)固接。
5.如權(quán)利要求1所述的探測系統(tǒng)，其特征在于上述密封倉(27)內(nèi)設有傾角傳感器 (26)。
6.如權(quán)利要求1所述的探測系統(tǒng)，其特征在于上述液壓缸(15)內(nèi)設有位移傳感器(24)。
7.如權(quán)利要求1所述的探測系統(tǒng)，其特征在于上述液壓泵(16)內(nèi)設有壓力傳感器(25)。
專利摘要基于液壓驅(qū)動貫入的海底沉積物聲學特性原位探測系統(tǒng)，包括框架，發(fā)射及接收換能器，換能器貫入裝置，其特征是貫入裝置是滑輪組合機構(gòu)的液壓貫入驅(qū)動裝置包括由液壓泵驅(qū)動的液壓桿，固定于液壓桿上端的上、下動滑輪，固定于框架上部的三個上定滑輪和固定于框架下部的三個下定滑輪，有兩條鋼纜穿過活動壓盤中部的兩個通孔，向上依次繞過兩個上定滑輪、上動滑輪和另一個上定滑輪而固定于框架，向下依次繞過兩個下定滑輪、下動滑輪和另一個下定滑輪而固定于框架。本實用新型適合多種海底沉積物底質(zhì)類型，貫入效果顯著，應用范圍廣；對海底沉積物擾動小，對換能器沖擊小，穩(wěn)定性高，測量精度高；在海底全自動工作而無需實時操控，減少海上調(diào)查成本。
文檔編號G01N29/11GK201773088SQ20102050830
公開日2011年3月23日 申請日期2010年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月28日
發(fā)明者劉保華, 劉敬喜, 李官保, 趙月霞, 鄭進鴻, 闞光明, 韓國忠 申請人:國家海洋局第一海洋研究所