专利名称：基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种海洋测量设备，具体涉及一种基于液压驱动贯入的海底沉积 物声学特性原位探测系统，属于海洋物理测量技术领域。
背景技术：
包括声速和声衰减系数在内的海底沉积物的声学特性是表征海底沉积物基本物 理性质的重要参数之一，通过对海底沉积物声速和声衰减系数的测量可以为水下潜艇导 航、反潜、水声设备的设计和使用等军事活动提供重要参数，对于国防建设具有重要意义。 而且，利用沉积物的声速和声衰减系数等声学特性参数评价海底岩土工程性质，其在海洋 工程勘察、海底资源勘探开发等领域具有重要的应用价值。目前，现有一种原位测量技术 是将声学换能器固定在海底沉积物重力取样器上，发射换能器位于取样管上部，往下等间 距排列一组接收换能器，在距海底一定高度释放重力取样器，重力取样器靠自重带动声学 换能器快速插入沉积物，通过发射和接收声波信号，实现对海底沉积物声速和声衰减系数 的原位测量，该技术通过通讯电缆实时控制设备在海底工作状态，并将测量数据实时回传 至甲板控制单元。该技术存在如下问题(1)靠重力取样器自重带动声学换能器快速插入 海底沉积物，对沉积物扰动很大，降低测量精度，而且，对换能器造成很大冲击，使其容易损 坏；(2)设备通过通讯电缆由甲板单元控制其在海底的工作，采集的声波数据通过电缆实 时回传至甲板单元，增加了对设备搭载船舶的要求(要求船舶必须配有铠甲缆)，增加海上 调查成本；(3)设备只适用于较软海底，当海底底质较硬时，很难插入沉积物中，致使测量 失败，降低工作效率。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位 探测系统，以克服现有技术的上述缺点。本实用新型利用液压组合驱动机构将发射换能器和接收换能器缓慢勻速贯入到 海底沉积物指定深度，采用嵌入式智能集成芯片为自动控制单元的核心，以程序控制为手 段，实现设备在海底工作的自动控制和监测，系统采集的声波信号自容式存储于存储单元， 无需实时向甲板回传数据。基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统，该系统包括带有起重吊 环的框架，固接有发射换能器的发射探杆和固接有接收换能器的接收探杆，以及换能器贯 入装置、固定于框架上的内含自动控制单元和声波发射采集单元的密封仓，其特征在于所 述的换能器贯入装置是滑轮组合机构的液压贯入驱动装置，该换能器贯入装置包括固定 于框架底部的液压泵、由该液压泵驱动的液压缸内的液压杆，固定于该液压杆上端的下动 滑轮与上动滑轮，以及固定在框架上部的三个上定滑轮，固定于框架下部的三个下定滑轮， 并有两条相互平行的钢缆穿过活动压盘中部的两个通孔，向上依次绕过两个上定滑轮、上 动滑轮以及另一个上定滑轮而固定在框架上，向下依次绕过两个下定滑轮、下动滑轮以及另一个下定滑轮而固定在框架上；所述活动压盘是一个矩形板状结构体，且还带有一个发射探杆安装孔和至少两个接收探杆安装孔。考虑到便于生产制造以及装配使用，上述发射探杆和接收探杆结构相同，均是中 间有通孔、底部设有外螺纹的圆柱形管状结构体，该管状结构体顶部安装有水密插头，并且 经由连接法兰固定于活动压盘上。考虑到便于生产制造、装配使用以及与发射探杆和接收探杆相配合，上述发射换 能器和接收换能器结构相同，均是底部带有贯入锥、顶部设有锁紧螺母的圆柱形结构体，该 圆柱形结构体内部设有与贯入锥相连的中心承载轴，并有至少两个圆环形的压电陶瓷管并 排套置在该中心承载轴上，在压电陶瓷管与中心承载轴之间填充有隔声橡胶垫；顶部的锁 紧螺母可以使发射换能器和接收换能器通过发射探杆和接收探杆上的外螺纹固接于探杆 上。考虑到液压驱动的效果以及增加钢缆的承载能力，故将上述活动压盘的中部设有 两个通孔，并以两条相互平行的钢缆穿过活动压盘的通孔，且上、下定滑轮与上、下动滑轮 均是绕有两条钢缆的双缆滑轮。考虑到钢缆与活动压盘的固接效果，上述钢缆通过现有的锁紧卡环与活动压盘固 接。考虑到便于判断整个系统在海底是否稳定，上述密封仓内设有倾角传感器。考虑到便于判断是否达到下插深度，上述液压缸内设有位移传感器。考虑到便于测量运动过程中的液压油压力，上述液压泵内设有压力传感器。本实用新型在执行发射探杆和接收探杆下插任务时，在液压泵的驱动下液压杆伸 出液压缸，液压杆通过钢缆和整个滑轮组合机构带动活动压盘向下运动，固定在活动压盘 上的发射探杆和接收探杆在活动压盘的压力下缓慢勻速插入沉积物中，发射换能器和接收 换能器也同时贯入到海底沉积物中指定深度。在执行发射探杆和接收探杆上提任务时，液 压杆反向运动，缩回液压缸，通过钢缆和滑轮组合机构带动活动压盘向上运动，即可将发射 换能器和接收换能器上提出沉积物。本实用新型专利的优点在于(1)发射换能器和接收换能器的中心承载轴设计， 使其能够承受很大的下插力，并且采用多个压电陶瓷管串并联设计，提高了发射换能器的 发射电压响应和接收换能器的接收灵敏度；(2)液压组合驱动贯入装置设计，将发射换能 器和接收换能器缓慢勻速贯入到海底沉积物中，与靠重力快速插入相比，对沉积物扰动小； (3)液压组合驱动贯入装置提供较大贯入力，对于较硬的海底底质，也能将发射换能器和接 收换能器贯入到海底沉积物中，拓宽了设备适用范围；(4)并可以利用现有的自动控制单 元对设备在海底的工作过程和状态进行自动监测和控制，无需甲板单元的实时操控，使设 备的吊放回收无需配备具有信号传输功能的铠甲缆，降低了对设备搭载船舶的要求，减少 海上调查成本。

图1为本实用新型的立体结构示意图。图2为本实用新型的平面结构示意图。图3为本实用新型的活动压盘结构示意图。[0018]图4为本实用新型的双缆绳滑轮结构示意图。图5为本实用新型的发射探杆或接收探杆结构示意图。图6为本实用新型的发射换能器或接收换能器结构示意图。其中，1.框架2.起重吊环3.自动控制单元4.声波发射采集单元5.发射换能 器6.接收换能器7.发射探杆8.接收探杆9.活动压盘10.钢缆11.上定滑轮12.上 动滑轮13.下动滑轮14.液压杆15.液压缸16.液压泵17.下定滑轮18.发射探杆安装 孔19.接收探杆安装孔20.通孔21.锁紧卡环22.水密插头23.连接法兰24.位移传感 器25.压力传感器26.倾角传感器27.密封仓28.中心承载轴29.压电陶瓷管30.隔声 橡胶垫31.封堵环32.锁紧螺母33.信号电缆34.贯入锥。
具体实施方式
如图1、3所示，本实用新型包括带有起重吊环2的框架1，固接有发射换能器5的 发射探杆7和固接有接收换能器6的接收探杆8，以及换能器贯入装置、固定于框架1上的 内含自动控制单元3和声波发射采集单元4的密封仓27，其特征在于所述的换能器贯入装 置是滑轮组合机构的液压贯入驱动装置，该换能器贯入装置包括固定于框架1底部的液压 泵16、由该液压泵16驱动的液压缸15内的液压杆14，固定于该液压杆14上端的下动滑轮 13与上动滑轮12，以及固定在框架1上部的三个上定滑轮11，固定于框架1下部的三个下 定滑轮17，并有两条相互平行的钢缆10穿过活动压盘9中部的两个通孔20，向上依次绕过 两个上定滑轮11、上动滑轮12以及另一个上定滑轮11而固定在框架1上，向下依次绕过 两个下定滑轮17、下动滑轮13以及另一个下定滑轮17而固定在框架1上；所述活动压盘9 是一个矩形板状结构体，且还带有一个发射探杆安装孔18和至少两个接收探杆安装孔19。如图5所示，考虑到便于生产制造以及装配使用，上述发射探杆7或接收探杆8是 中间有通孔、底部设有外螺纹的圆柱形管状结构体，其顶部安装有水密插头22，并且经由连 接法兰23固定于活动压盘9上。如图5、6所示，考虑到便于生产制造、装配使用以及与发射探杆7和接收探杆8相 配合，上述发射换能器5或接收换能器6是底部带有贯入锥34、顶部设有锁紧螺母32的圆 柱形结构体，该圆柱形结构体内部设有与贯入锥34相连的中心承载轴28，并有至少两个圆 环形的压电陶瓷管29并排套置在该中心承载轴28上，在压电陶瓷管29与中心承载轴28 之间填充有隔声橡胶垫30 ；顶部的锁紧螺母32可以使发射换能器5或接收换能器6通过 发射探杆7和接收探杆8上的外螺纹固接于探杆上。如图4所示，考虑到液压驱动的效果以及增加钢缆10的承载能力，故将上述活动 压盘9的中部设有两个通孔20，并以两条相互平行的钢缆10穿过活动压盘9的通孔20，且 上、下定滑轮11、17与上、下动滑轮12、13均是绕有两条钢缆10的双缆滑轮。考虑到钢缆10与活动压盘9的固接效果，上述钢缆10通过现有的锁紧卡环21与 活动压盘9固接。如图1所示，考虑到便于判断本实用新型触底时是否稳定，上述密封舱27 内设有倾角传感器26，用来测量触底后的倾斜度，如果设备倾角大于预设阈值，则系统停止 工作，防止设备发生侧翻。如图1、3所示，考虑到便于判断是否达到下插深度，上述液压缸 15内设有位移传感器24，用来测量液压杆14的运动位移，进而计算发射探杆7和接收探杆 8的下插深度，此位移信号可以提供给自动控制单元3，作为发出控制指令的判断信号。[0027]考虑到便于测量运动过程中的液压油压力，上述液压泵16内设有压力传感器25， 用来测量贯入过程中的液压油压力，为自动控制单元3提供控制判断信号。本实用新型的框架1可由不锈钢 管焊接而成，考虑到发射、接收探杆7、8的实际尺 寸，框架1的底盘为长1800mm、宽1500mm的长方形，底盘上安装有液压泵16、液压缸15、上 定滑轮11。框架1上部安装有起重吊环2，以方便船上的起重机将本发明吊装入水。本实用新型的活动压盘9为长1400mm、宽360mm、厚120mm的矩形铁盘，发射探杆7 和接收探杆8均通过其顶部的连接法兰23安装于活动压盘9之上。为防止探杆本身对声 波传播的影响，发射探杆安装孔18位于活动压盘9的中心线，两个接收探杆安装孔19均偏 离中心线，偏离的垂直距离为IOOmm ；两个接收探杆安装孔19的中心距发射探杆安装孔18 的中心距离分别为800mm和1200mm。本实用新型的发射探杆7和接收探杆8结构相同，均为中间有通孔的圆柱形管状 结构体，长105mm，外径50mm。发射探杆7和接收探杆8顶端安装有水密插头22，发射换能 器5和接收换能器6的信号电缆33经过发射探杆7和接收探杆8的中心通孔与水密插头 22连接。如图2所示，本实用新型的活动压盘9中部的两个通孔20之间距离为200mm。如 图4所示，上定滑轮11和下定滑轮17、上动滑轮12、下动滑轮13均为可以缠绕两条钢缆的 双缆滑轮。不但增加钢缆10的承载力，还能够使活动压盘9在运动过程中达到很好的平衡。本实用新型的发射换能器5和接收换能器6结构相同，附图4、5中，其中心均设有 直径约为25mm的中心承载轴28，发射换能器5为四个圆环形压电陶瓷管29并联后并排套 装在中心承载轴28上，以提高其发射电压响应，接收换能器6为四个圆环形压电陶瓷管29 串联后套装在中心承载轴28上，以提高其接收灵敏度。换能器贯入装置提供的下插压力直 接作用于中心承载轴28上，保护了压电陶瓷管29，使发射换能器5和接收换能器6能够承 受很大的下插力。连接压电陶瓷管29的信号电缆33从发射换能器5和接收换能器6的中 心承载轴28中心引出。压电陶瓷管29与中心承载轴28之间填充有隔声橡胶垫30，防止声 波振动沿中心承载轴28传播。压电陶瓷管29的前后两端安装有封堵环31，外围灌封有透 声耐磨橡胶。
权利要求基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统，该系统包括带有起重吊环(2)的框架(1)，固接有发射换能器(5)的发射探杆(7)和固接有接收换能器(6)的接收探杆(8)，以及固定于框架(1)上的内含自动控制单元(3)和声波发射采集单元(4)的密封仓(27)，和换能器贯入装置，其特征在于所述的换能器贯入装置是滑轮组合机构的液压贯入驱动装置包括固定于框架(1)底部的液压泵(16)、由该液压泵(16)驱动的液压缸(15)内的液压杆(14)，固定于该液压杆(14)上端的下动滑轮(13)与上动滑轮(12)，以及固定在框架(1)上部的三个上定滑轮(11)，固定于框架(1)下部的三个下定滑轮(17)，并有两条相互平行的钢缆(10)穿过活动压盘(9)中部的两个通孔(20)，向上依次绕过两个上定滑轮(11)、上动滑轮(12)以及另一个上定滑轮(11)而固定在框架(1)上，向下依次绕过两个下定滑轮(17)、下动滑轮(13)以及另一个下定滑轮(17)而固定在框架(1)上；所述活动压盘(9)是一个矩形板状结构体，且带有一个发射探杆安装孔(18)和至少两个接收探杆安装孔(19)。
2.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于上述发射探杆(7)或接收探杆(8)是 中间有通孔、底部设有外螺纹的圆柱形管状结构体，该管状结构体的顶部安装有水密插头 (22)，且经由连接法兰(23)固定于活动压盘(9)上。
3.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于上述发射换能器(5)或接收换能器(6) 是底部带有贯入锥(34)、顶部设有锁紧螺母(32)的圆柱形结构体，该圆柱形结构体内部设 有与贯入锥(34)相连的中心承载轴(28)，并有至少两个圆环形的压电陶瓷管(29)并排套 置在该中心承载轴(28)上，在压电陶瓷管(29)与中心承载轴(28)之间填充有隔声橡胶垫 (30)。
4.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于上述钢缆(10)通过锁紧卡环(21)与活 动压盘(9)固接。
5.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于上述密封仓(27)内设有倾角传感器 (26)。
6.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于上述液压缸(15)内设有位移传感器(24)。
7.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于上述液压泵(16)内设有压力传感器(25)。
专利摘要基于液压驱动贯入的海底沉积物声学特性原位探测系统，包括框架，发射及接收换能器，换能器贯入装置，其特征是贯入装置是滑轮组合机构的液压贯入驱动装置包括由液压泵驱动的液压杆，固定于液压杆上端的上、下动滑轮，固定于框架上部的三个上定滑轮和固定于框架下部的三个下定滑轮，有两条钢缆穿过活动压盘中部的两个通孔，向上依次绕过两个上定滑轮、上动滑轮和另一个上定滑轮而固定于框架，向下依次绕过两个下定滑轮、下动滑轮和另一个下定滑轮而固定于框架。本实用新型适合多种海底沉积物底质类型，贯入效果显著，应用范围广；对海底沉积物扰动小，对换能器冲击小，稳定性高，测量精度高；在海底全自动工作而无需实时操控，减少海上调查成本。
文档编号G01N29/11GK201773088SQ20102050830
公开日2011年3月23日 申请日期2010年8月28日 优先权日2010年8月28日
发明者刘保华, 刘敬喜, 李官保, 赵月霞, 郑进鸿, 阚光明, 韩国忠 申请人:国家海洋局第一海洋研究所