一种用于深海沉积物力学特性的原位测量装置及使用方法与流程

1.本发明属于海洋环境监测技术领域，具体涉及一种用于深海沉积物力学特性的原位测量装置及方法。


背景技术：

2.我国拥有的海洋国土面积是299.7万平方公里，呈现出“横向幅员辽阔，纵向深浅不一”的特点。海洋内蕴含着极为丰富的资源，包括：矿物、油气、可燃冰等，开发潜力巨大。因此，准确获得深海海底沉积物的力学性质具有重要的研究意义。
3.深海水动力条件弱，沉积速率低，沉积物主要由细粒物质组成，力学强度低。在测试力学性质的过程中，容易造成沉积物扰动，十字板剪切探头、静力触探锥形探头可能无法准确测得沉积物的强度变化。另外，深海海底处于高压力环境，海底表面沉积物的强度通常为1～5kpa，现有的孔隙水压力观测装置在使用过程中，由于静水压力随着海水深度增加而不断提高，使得在深海中使用的观测装置的探头需要具有较大的量程，量程的增大使得探头的分辨率降低，导致探头的灵敏度和精度下降，影响测量结果的精确性。此外，传统监测传感器耐久性差、成活率低、实时及自动化监测程度低，无法满足现有的测量要求。
4.在深海高压力背景下，如何实现全海深海底沉积物力学性质的精准测量已成为当今深海底海洋工程建设及深海科学研究领域亟待解决的重点难题之一。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于深海沉积物力学特性的原位测量装置及方法，解决了现有技术中存在的上述技术问题。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
7.一种用于深海沉积物力学特性的原位测量装置，包括球形贯入机构、外支撑机构、传感测量机构；
8.所述球形贯入机构包括透水石、不锈钢球体、双端转换接头，外支撑机构由第一节杆和第二节杆连接而成，外支撑机构底端与球形贯入机构相连，内部中空形成容置腔；
9.所述球形贯入机构中的透水石位于不锈钢球体底端，透水石底盖的底部局部有进水孔，且所述不锈钢球体内部为空腔用于储水，同时不锈钢球体球体顶部通过双端转换接头与外支撑机构相连；
10.传感测量机构包括孔隙水压力传感单元和贯入阻力传感单元，位于容置腔内部。
11.进一步的，所述外支撑机构由第一节杆和第二节杆连接而成，所述第一节杆顶部有两个注水孔，并使注水孔与外界连通，使外界的水通过注水孔即可进入外支撑机构内，与孔隙水压力传感单元中的波纹管连通，形成进水通道。
12.进一步的，所述贯入阻力传感单元和孔隙水压力传感单元通过fbg感测光纤传输数据，且引线在第一节杆顶端出线口引出。
13.进一步的，所述所述球形贯入机构中的透水石位于不锈钢球体底端的/处。
14.进一步的，所述贯入阻力传感单元采用门梁式结构，通过第一门字梁通过角度调节元件与波纹管相连。
15.进一步的，所述孔隙水压力传感单元采用开放式压差结构，滤除高背景压力，由第二门字梁和波纹管构成。
16.进一步的，所述第一门字梁与第二门字梁均采用不锈钢材质制成；所述第一节杆与第二节杆采用钛合金材质。
17.进一步的，所述角度调节元件由钢球与小球支撑结构组成。
18.所述的用于深海沉积物力学特性的原位测量装置的实用方法，包括以下步骤：
19.s1、从注水孔向外支撑机构内部注入水，通过注水孔水通过进水通道进入波纹管中，直至水从传感测量机构的底部溢出；
20.s2、将住满水的光纤传感装置浸泡在水中，使透水石充分饱水；
21.s3、将双端转换头的空腔中灌满水，用于排出孔隙水压力感测单元中的气泡，随后重新安装在第二内护筒上；
22.s4、保持光纤传感装置整体处于垂直状态，并防止气泡进入，通过跳线将光纤传感装置连接解调仪，调试光谱，配置光纤传感参数。
23.s5、静置后，待波长稳定时，贯入测量。
24.本发明的有益效果：
25.1、本装置在深海高压力背景下，实现全海深海底沉积物力学性质的精准测量，可实现腐蚀性低温环境下的快速、准确、长期、原位监测，具有体积小、精度高的优点。
26.2、本装置可在高压力背景下精准感知微小压力增量，具有体积小、精度高的优点。
27.3、本装置可以实现全深海高压力背景下软弱沉积物超孔隙水压力与贯入阻力的精细量测，从而正确评估沉积物力学性质。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本发明实施例的整体剖视结构示意图；
30.图2是本发明实施例的第一门字梁剖面示意图；
31.图3是本发明实施例的第一节杆剖视示意图；
32.图4是本发明实施例的第二节杆剖视示意图；
33.图5是本发明实施例的双端转换接头剖视示意图；
34.图6是本发明实施例的不锈钢球体剖视示意图；
35.图7是本发明实施例的顶部固定关节剖视示意图；
36.图8是本发明实施例的第二内护筒剖视示意图；
37.图9是本发明实施例的角度调节元件剖视示意图。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
39.如图1所示，本发明实施例提供一种用于深海沉积物力学特性的原位测量装置，包括球形贯入机构、外支撑机构、传感测量机构；
40.如图2、图3所示，球形贯入机构包括透水石17、不锈钢球体16、双端转换接头15，外支撑机构由第一节杆4和第二节杆10连接而成，且第一节杆4和第二节杆10之间连接处设置塑胶垫圈7，第一节杆4顶部有两个注水孔2，并使注水孔2与外界连通，使外界的水通过注水孔2即可进入外支撑机构内，与孔隙水压力传感单元11中的波纹管13连通，形成进水通道。
41.如图7所示，外支撑机构底端与球形贯入机构相连，内部中空形成容置腔；且在外支撑机构的顶部设置有固定关节3，顶端固定关节3所在的侧边设置有垫环凹槽301，可以实现与第一节杆4的上部固定套筒密封连接并固定。
42.如图6所示，第一节杆4内部设置用于支撑的凸起钢圈(图中未画出)，在孔隙水压力传感单元11内部设置护管凸起22，使凸起钢圈外侧与护管凸起 22内侧接触连接，以便传递侧摩阻力。
43.传感测量机构包括孔隙水压力传感单元11和贯入阻力传感单元5，位于容置腔内部，且贯入阻力传感单元5和孔隙水压力传感单元11通过fbg感测光纤传输数据，引线在第一节杆4顶端出线口1引出。第一内护筒8置于贯入阻力传感单元5外壁，贯入阻力传感单元5采用门梁式结构，通过第一门字梁6通过角度调节元件9与波纹管13相连。如图9所示，此时角度调节元件9由钢球 23与小球支撑结构24组成。
44.如图8所示，孔隙水压力传感单元11采用开放式压差结构，滤除高背景压力，由第二门字梁14和波纹管13构成，同时双端转接头15内部为空腔结构用于储水，其所在外部套设第二内护筒12，所在的内部为波纹管13，波纹管13 底部连接有不锈钢球体16，球形贯入机构中的透水石17位于不锈钢球体16底端的1/3处，透水石17底盖的底部局部有进水孔28，且不锈钢球体16内部为空腔用于储水，同时不锈钢球体16球体顶部通过双端转换接头15与外支撑机构相连。
45.第一门字梁6与第二门字梁14均采用不锈钢材质制成；第一节杆5与第二节杆10采用钛合金材质。
46.用于深海沉积物力学特性的原位测量装置的实用方法，包括以下步骤：
47.s1、从注水孔2向外支撑机构内部注入水，通过注水孔2水通过进水通道进入波纹管13中，直至水从传感测量机构的底部溢出；
48.s2、将注满水的球形光纤传感装置浸泡在水中，让传感器底部的透水石17 充分饱水，并在水中摇摆，充分排除透水石17的气泡；
49.s3、随后将光纤传感装置的双端转换接头15拧开，将双端转换接头15的空腔中灌满水，排除孔隙水压力传感单元11中的气泡，然后拧上螺丝，且整个过程在水中操作。
50.s4、通过跳线将光纤传感装置连接解调仪，调试光谱，配置光纤传感参数并查看波长。光纤传感装置整体要处于垂直状态，同时在整个过程中要保证光纤传感装置球形端浸泡在水中饱水，防止气泡的进入。
51.s5、静置后，待波长稳定时，贯入测量。
52.使用时将传感测量机构将贯入沉积物中，传感单元即可测量沉积物孔隙水压力和贯入阻力的大小。本发明基于光纤光栅感测技术测量深海沉积物力学特性，实现腐蚀性低温环境下的快速、准确、长期、原位监测。
53.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
54.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。