海底表层沉积物力学特性测量装置论文和设计-邓玉芬

全文摘要

本实用新型涉及一种海底表层沉积物力学特性测量装置，包括机柜及其内部的剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪、测量控制器；在机柜内部水平安装有中间隔板，剪切强度测试仪和贯入阻力测试仪下端安装在中间隔板上，在机柜上部左右侧壁上分别设有电源开关和航空插座，测量控制器安装在机柜上部后侧壁；在机柜内中间隔板下部与剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪相对位置安装有剪切样品管、贯入样品管；测量控制器、剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪还与上位机相连接，实现海底表层沉积物力学特性测量功能。本实用新型设计合理，实现了海底表层沉积物剪切强度和贯入阻力参数值的准确测量功能，填补海洋调查测量在海底表层沉积物力学参数测量领域的空白。

主设计要求

1.一种海底表层沉积物力学特性测量装置，其特征在于：包括机柜及其内部的剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪、测量控制器；在机柜内部水平安装有中间隔板，所述剪切强度测试仪和贯入阻力测试仪下端安装在中间隔板上，在机柜上部左右侧壁上分别设有电源开关和航空插座，所述测量控制器安装在机柜上部后侧壁，该测量控制器与电源开关、航空插座、剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪相连接；在机柜内中间隔板下部与剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪相对位置安装有剪切样品管、贯入样品管，该剪切样品管、贯入样品管底部设有托盘，该托盘安装在机柜内底部；所述测量控制器、剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪还与上位机相连接，实现海底表层沉积物力学特性测量功能。

设计方案

2.根据权利要求1所述的海底表层沉积物力学特性测量装置，其特征在于：所述剪切强度测试仪包括剪切上下行电机、第一上固定座、第一丝杠螺母、第一丝杠、第一固定杆、第一下固定座、剪切探头、第一轴杆、第一固定板、套筒和剪切旋转电机；所述第一固定杆为多个并垂直均布安装在第一上固定座和第一下固定座之间，所述剪切上下行电机安装在第一上固定座上，所述第一丝杠垂直安装在第一上固定座和第一下固定座之间中央，第一丝杠的顶端与剪切上下行电机输出端相连接；所述第一丝杠螺母套装在第一丝杠上，所述第一固定板与第一丝杠螺母外侧固装在一起，所述剪切旋转电机通过套筒安装在第一固定板的上端，该剪切旋转电机的下端为输出端并与第一轴杆安装在一起，所述剪切探头固装在第一轴杆的底部，在套筒内安装扭矩传感器用于探测剪切探头的剪切强度。

3.根据权利要求2所述的海底表层沉积物力学特性测量装置，其特征在于：所述剪切上下行电机、剪切旋转电机均采用步进电机；所述剪切探头为矩形十字板剪切探头；所述扭矩传感器选择MRT型0.2NM的扭矩传感器。

4.根据权利要求1所述的海底表层沉积物力学特性测量装置，其特征在于：所述贯入阻力测试仪包括贯入电机、第二上固定座、第二丝杠螺母、第二丝杠、第二固定杆、第二下固定座、贯入探头、第二轴杆和第二固定板；所述第二固定杆为多个并垂直均布安装在第二上固定座和第二下固定座之间，所述贯入电机安装在第二上固定座上，所述第二丝杠垂直安装在第二上固定座和第二下固定座之间中央，第二丝杠的顶端与贯入电机输出端相连接；所述第二丝杠螺母套装在第二丝杠上，所述第二固定板与第二丝杠螺母外侧固装在一起，所述第二轴杆的顶端与第二固定板安装在一起，所述贯入探头固装在第二轴杆的底部，该贯入探头表面设有压力传感器用于测量贯入探头的贯入阻力。

5.根据权利要求4所述的海底表层沉积物力学特性测量装置，其特征在于：所述贯入电机采用步进电机，所述压力传感器的量程为0～200kPa；所述贯入探头为单用探头。

6.根据权利要求1至5任一项所述的海底表层沉积物力学特性测量装置，其特征在于：所述测量控制器包括断路器、36V交直流转换模块、24V交直流转换模块、剪切采集放大器、贯入采集放大器、三个电机驱动器、数据采集卡；所述断路器一端连接交流电源，另一端连接36V交直流转换模块、24V交直流转换模块，36V交直流转换模块输出36V电源并连接到三个电机驱动器并为其供电，24V交直流转换模块输出24V直流电源并为剪切采集放大器、贯入采集放大器、数据采集卡供电，剪切采集放大器、贯入采集放大器分别对剪切探头的数据和贯入探头的数据进行放大并传送给数据采集卡中，数据采集卡与上位机通过USB数据线相连接进行数据交互，上位机通过RS232数据线与三个电机驱动器相连接并控制剪切测试仪、贯入测试仪工作。

7.根据权利要求6所述的海底表层沉积物力学特性测量装置，其特征在于：所述电机驱动器采用SD3型驱动器；所述数据采集卡采用研华USB-4716型数据采集模块。

8.根据权利要求1至5任一项所述的海底表层沉积物力学特性测量装置，其特征在于：所述剪切样品管、贯入样品管的具体安装方式为：所述剪切样品管、贯入样品管上端分别安装在中间隔板下端，在机柜下部后侧壁安装试样固定架，所述剪切样品管、贯入样品管侧壁上端通过卡箍固定在试样固定架上，剪切样品管、贯入样品管侧壁下端通过卡箍固定在机柜下部后侧壁上。

9.根据权利要求1至5任一项所述的海底表层沉积物力学特性测量装置，其特征在于：在机柜底部还安装有减震弹簧底座，该减震弹簧底座采用6个GS2螺旋型系列不锈钢钢丝绳隔振器按两队呈品字形对称分布；在机柜顶部安装有四个起吊架。

10.根据权利要求1至5任一项所述的海底表层沉积物力学特性测量装置，其特征在于：所述剪切强度测试仪和贯入阻力测试仪的上端还分别通过连接架与机柜上部左右侧壁连接在一起。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于海底勘探技术领域，尤其是一种海底表层沉积物力学特性测量装置。

背景技术

近年来，我国对近海海域加大了调查测量研究力度，进行了大量海底沉积物的取样调查，获得了大量的沉积物样品。为充分发掘沉积物样品的应用价值，需要对其进行力学特性参数测试，即剪切强度和贯入阻力的测试。同时，近年来，随着我国走出去策略的实施，我国科学调查测量船舶迈入四大洋的步伐与力度日益加大，加大了航次考察调查测量任务，也获得了越来越多的大洋海底沉积物样品，为深入了解世界大洋海底，除开展的声学特性等研究外，还需要了解沉积物力学特性。因此，海底沉积物力学特性参数对于深入认识海洋起着极为关键的作用。

为了准确地获得海底沉积物力学特性参数，通常将海底采集沉积物样品在船上实验室或陆地实验室开展测量。不仅需要对海底沉积物样品进行剪切强度进行测量，而且还需要对其进行贯入阻力测量。目前的测试设备和测试方法均采用单一设备或单一方法来实现，其测量过程复杂且测量准确性不高，因此，如何将剪切强度测量及贯入阻力测试结合在一起以快速准确地获得海底沉积物力学特性参数是目前迫切需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、精度高且使用方便的海底表层沉积物力学特性测量装置。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种海底表层沉积物力学特性测量装置，包括机柜及其内部的剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪、测量控制器；在机柜内部水平安装有中间隔板，所述剪切强度测试仪和贯入阻力测试仪下端安装在中间隔板上，在机柜上部左右侧壁上分别设有电源开关和航空插座，所述测量控制器安装在机柜上部后侧壁，该测量控制器与电源开关、航空插座、剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪相连接；在机柜内中间隔板下部与剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪相对位置安装有剪切样品管、贯入样品管，该剪切样品管、贯入样品管底部设有托盘，该托盘安装在机柜内底部；所述测量控制器、剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪还与上位机相连接，实现海底表层沉积物力学特性测量功能。

所述剪切强度测试仪包括剪切上下行电机、第一上固定座、第一丝杠螺母、第一丝杠、第一固定杆、第一下固定座、剪切探头、第一轴杆、第一固定板、套筒和剪切旋转电机；所述第一固定杆为多个并垂直均布安装在第一上固定座和第一下固定座之间，所述剪切上下行电机安装在第一上固定座上，所述第一丝杠垂直安装在第一上固定座和第一下固定座之间中央，第一丝杠的顶端与剪切上下行电机输出端相连接；所述第一丝杠螺母套装在第一丝杠上，所述第一固定板与第一丝杠螺母外侧固装在一起，所述剪切旋转电机通过套筒安装在第一固定板的上端，该剪切旋转电机的下端为输出端并与第一轴杆安装在一起，所述剪切探头固装在第一轴杆的底部，在套筒内安装扭矩传感器用于探测剪切探头的剪切强度。

所述剪切上下行电机、剪切旋转电机均采用步进电机；所述剪切探头为矩形十字板剪切探头；所述扭矩传感器选择MRT型0.2NM的扭矩传感器。

所述贯入阻力测试仪包括贯入电机、第二上固定座、第二丝杠螺母、第二丝杠、第二固定杆、第二下固定座、贯入探头、第二轴杆和第二固定板；所述第二固定杆为多个并垂直均布安装在第二上固定座和第二下固定座之间，所述贯入电机安装在第二上固定座上，所述第二丝杠垂直安装在第二上固定座和第二下固定座之间中央，第二丝杠的顶端与贯入电机输出端相连接；所述第二丝杠螺母套装在第二丝杠上，所述第二固定板与第二丝杠螺母外侧固装在一起，所述第二轴杆的顶端与第二固定板安装在一起，所述贯入探头固装在第二轴杆的底部，该贯入探头表面设有压力传感器用于测量贯入探头的贯入阻力。

所述贯入电机采用步进电机，所述压力传感器的量程为0～200kPa；所述贯入探头为单用探头。

所述测量控制器包括断路器、36V交直流转换模块、24V交直流转换模块、剪切采集放大器、贯入采集放大器、三个电机驱动器、数据采集卡；所述断路器一端连接交流电源，另一端连接36V交直流转换模块、24V交直流转换模块，36V交直流转换模块输出36V电源并连接到三个电机驱动器并为其供电，24V交直流转换模块输出24V直流电源并为剪切采集放大器、贯入采集放大器、数据采集卡供电，剪切采集放大器、贯入采集放大器分别对剪切探头的数据和贯入探头的数据进行放大并传送给数据采集卡中，数据采集卡与上位机通过USB数据线相连接进行数据交互，上位机通过RS232数据线与三个电机驱动器相连接并控制剪切测试仪、贯入测试仪工作。

所述电机驱动器采用SD3型驱动器；所述数据采集卡采用研华USB-4716型数据采集模块。

所述剪切样品管、贯入样品管的具体安装方式为：所述剪切样品管、贯入样品管上端分别安装在中间隔板下端，在机柜下部后侧壁安装试样固定架，所述剪切样品管、贯入样品管侧壁上端通过卡箍固定在试样固定架上，剪切样品管、贯入样品管侧壁下端通过卡箍固定在机柜下部后侧壁上。

在机柜底部还安装有减震弹簧底座，该减震弹簧底座采用6个GS2螺旋型系列不锈钢钢丝绳隔振器按两队呈品字形对称分布。

在机柜顶部安装有四个起吊架。

所述剪切强度测试仪和贯入阻力测试仪的上端还分别通过连接架与机柜上部左右侧壁连接在一起。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型将剪切测试仪、贯入测试仪、测量控制器结合在一起并与上位机相配合，实现海底表层沉积物剪切强度和贯入阻力参数值的准确测量功能，填补海洋调查测量在海底表层沉积物力学参数测量领域的空白。

2、本实用新型可安装在测量船上并与现有船上装备的底质取样器配套使用，实时在测量船上进行海底表层沉积物剪切强度和贯入阻力参数的测量，避免因样品多次移动或长期保存而引起的原有特性变化，充分发挥底质取样器作用，为海底作业及海底设备研制提供设计依据，并可推广至我国大洋科学考察船舶航次调查测试，同时也可推广至陆地沼泽地和滨海土样测试。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的剪切强度测试仪结构示意图；

图3是本实用新型的贯入阻力测试仪结构示意图；

图4是本实用新型的电气原理图；

其中，1：机柜，2：船用开关，3：剪切强度测试仪，4：中间隔板，5：剪切样品管，6：托盘，7：减震弹簧底座，8：卡箍，9：贯入样品管，10：试样固定架，11：贯入阻力测试仪， 12：电器挡板，13：航空插座，14：连接架，15：起吊架；3-1：剪切上下行电机，3-2：第一上固定座，3-3：第一丝杠螺母，3-4：第一丝杠，3-5：第一固定杆，3-6：第一下固定座， 3-7：剪切探头，3-8：第一轴杆，3-9：第一固定板，3-10：套筒，3-11：剪切旋转电机；11-1：贯入电机，11-2：第二上固定座，11-3：第二丝杠螺母，11-4：第二丝杠，11-5：第二固定杆，11-6：第二下固定座，11-7：贯入探头，11-8：第二轴杆，11-9：第二固定板。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述。

一种海底表层沉积物力学特性测量装置，如图1所示，包括机柜1及安装在机柜内的船用开关2、剪切强度测试仪3、中间隔板4、剪切样品管5、托盘6、减震弹簧底座7、卡箍8、贯入样品管9、试样固定架10、贯入阻力测试仪11、电器挡板12、航空插座13、连接架14、起吊架15和测量控制器。

所述机柜为不锈钢框架结构，通过中间隔板将其分为上下两部分，上部是测试区，为干性工作区；下部是样品区，为湿性工作区。所述剪切强度测试仪和贯入阻力测试仪下端安装在中间隔板上，所述剪切强度测试仪和贯入阻力测试仪上端分别通过连接架与机柜上部左右侧壁连接在一起。所述剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪与测量控制器相连接并在测量控制器的控制下进行测量。所述测量控制器通过螺栓连接方式安装机柜上部后侧壁，在测量控制器与剪切强度测试仪和贯入阻力测试仪之间通过电器挡板进行隔离。所述船用开关安装在机柜上部左侧壁上并与交流电源相连接，通过交流电源为海底表层沉积物力学特性测量装置供电。所述航空插座安装在机柜上部右侧壁上并与测量控制器相连接，测量控制器通过航空插座及连接在航空插座上的航空插头与上位机相连接，航空插头内包括USB和RS232接口线。

所述试样固定架安装在机柜下部后侧壁上，所述托盘可升降安装在机柜底部，所述剪切样品管、贯入样品管上端分别安装在中间隔板下端，其位置与剪切强度测试仪和贯入阻力测试仪的探头所处位置相对应，所述剪切样品管、贯入样品管设置在托盘内。所述剪切样品管、贯入样品管侧壁上端通过卡箍固定在试样固定架上，剪切样品管、贯入样品管侧壁下端通过卡箍固定在机柜下部后侧壁上。

所述减震弹簧底座安装在机柜底部起到减震作用，该减震弹簧底座采用6个GS2螺旋型系列不锈钢钢丝绳隔振器按两队呈品字形对称分布，底部通过螺栓固定在托板上，上部通过螺栓固定在机柜底部。GS2螺旋型系列不锈钢钢丝绳隔振器，其钢丝绳、固定夹板和固定螺钉均为不锈钢材料，耐油、耐海水、耐盐雾、耐日照和耐高低温(-70℃～260℃),满足舰船环境条件和GJB150.18舰船设备冲击试验的要求采用螺纹孔连接方式，特别适用与舰船、航天、航空以及车辆的电控设备、电子仪器的隔振和抗冲击，也可用于动力设备的隔振和抗冲击隔振。

所述起吊架为四个并安装在机柜顶部，通过四个起吊机并使用起吊装置搬运海底表层沉积物力学特性测量装置。

如图2所示，所述剪切强度测试仪包括剪切上下行电机3-1、第一上固定座3-2、第一丝杠螺母3-3、第一丝杠3-4、第一固定杆3-5、第一下固定座3-6、剪切探头3-7、第一轴杆3-8、第一固定板3-9、套筒3-10和剪切旋转电机3-11。所述第一固定杆为多个并垂直均布安装在第一上固定座和第一下固定座之间，所述剪切上下行电机安装在第一上固定座上，所述第一丝杠垂直安装在第一上固定座和第一下固定座之间中央，第一丝杠的顶端与剪切上下行电机输出端相连接。所述第一丝杠螺母套装在第一丝杠上，所述第一固定板与第一丝杠螺母外侧固装在一起，所述剪切旋转电机通过套筒安装在第一固定板的上端，该剪切旋转电机的下端为输出端并与第一轴杆安装在一起，所述剪切探头固装在第一轴杆的底部，该剪切探头采用十字板剪切探头。在套筒内安装扭矩传感器用于探测剪切探头的剪切强度。

所述剪切上下行电机、剪切旋转电机均采用步进电机。剪切上下行电机驱动丝杠带动螺母上下运动，进而驱动剪切探头上下运动，剪切旋转电机驱动剪切探头旋转剪切。

所述扭矩传感器选择INTERFACE生产的MRT型0.2NM的扭矩传感器。该传感器结构紧凑，易于安装，综合测试精度可达0.1％。

所述十字板剪切探头为矩形，十字板探头的尺寸选择为32mm×16mm。剪切转动速度为 90°\/min，十字板的探杆直径为8mm，探杆的有效贯入深度为480mm。

如图3所示，所述贯入阻力测试仪包括贯入电机11-1、第二上固定座11-2、第二丝杠螺母11-3、第二丝杠11-4、第二固定杆11-5、第二下固定座11-6、贯入探头11-7、第二轴杆11-8和第二固定板11-9。所述第二固定杆为多个并垂直均布安装在第二上固定座和第二下固定座之间，所述贯入电机安装在第二上固定座上，所述第二丝杠垂直安装在第二上固定座和第二下固定座之间中央，第二丝杠的顶端与贯入电机输出端相连接。所述第二丝杠螺母套装在第二丝杠上，所述第二固定板与第二丝杠螺母外侧固装在一起，所述第二轴杆的顶端与第二固定板安装在一起，所述贯入探头固装在第二轴杆的底部，该贯入探头表面设有压力传感器用于测量贯入探头的贯入阻力。

所述贯入电机采用步进电机，该贯入电机驱动丝杠带动螺母上下运动，进而驱动贯入探头上下运动，可精确控制贯入深度。

所述压力传感器的量程为0～200kPa。

所述贯入探头为单用探头，其面积5cm2，尖角60°，轴杆直径为30mm，轴杆的有效贯入深度为480mm，贯入速度为2cm\/s。

如图4所示，该测量控制器包括断路器、36V交直流转换模块、24V交直流转换模块、剪切采集放大器、贯入采集放大器、三个电机驱动器、数据采集卡。测量控制器由船载的220V 交流电源提供，所述交流电源通过断路器连接36V交直流转换模块、24V交直流转换模块， 36V交直流转换模块输出36V电源并连接到三个电机驱动器并为其供电，24V交直流转换模块输出24V直流电源并为剪切采集放大器、贯入采集放大器、数据采集卡供电，剪切采集放大器、贯入采集放大器分别对剪切探头的数据和贯入探头的数据进行放大并传送给数据采集卡中，数据采集卡与上位机通过USB数据线相连接进行数据交互，上位机通过RS232数据线与三个电机驱动器相连接并控制三个电机驱动器驱动剪切上下行电机、剪切旋转电机和贯入电机工作。

上述电机驱动器均采用MOTEC系列三相智能混合式步进电机选配SD3型驱动器，该驱动器借鉴欧美先进技术，驱动器采用正弦波细分技术和新型功率模块，具有内置控制器、集成 PLC功能、RS232\/485\/CAN总线接口、多种操作模式的网络型智能步进驱动器。

数据采集卡用于采集剪切强度测试仪和贯入阻力测试仪传感器探头的数据，并经数据线传输给便携式工控机。根据系统测量需求，数据采集卡采用研华USB-4716型数据采集模块，真正即插即用数据采集模块，仅需插上模块，便可以采集到数据。USB-4716提供了带有16 位分辨率的16SE\/8Diff输入，高达200kS\/s吞吐量，16路数字I\/O和1个用户计数器，以及一个16位的模拟输出。它在工业应用中足够可靠和稳定。USB-4716是增加任何带有USB端口的计算机测量和控制能力的最佳的途径。USB-4716是完全的即插即用设计，便于使用。它通过USB端口获得所有所需的电源，无需外部的电源连接。

在本实施例中，上位机用于控制剪切强度测试仪和贯入阻力测试仪的动作，获取数据采集卡的数据，并根据数据绘制成曲线和存储。在本实施例中，上位机采用便携式工控机，工控机采用金刚便携式系列产品，体采用镁合金铸造，重量轻，核心部件进行加固设计，具有防水、防尘、防振、防跌落、防盐雾、防电磁干扰、防信息泄漏、宽温和携带方便等特点，能够适应各类恶劣环境。

本测量装置在使用前，需要进行设备连接，连接方法为：接入220V交流电源，在航空插座上插入航空插头，航空插头的另一端接线分别接入工控机USB接口和232串口。然后进行样品的准备：(1)将淤泥装入标准样品管中，通过尼龙塞托住，转移到测试仪的托盘上；(2) 将样品管装在测量仪下面的托盘上，利用装夹机构卡紧，注意样品管中心应与探头中心对齐，防止探头刮擦管壁造成探头损坏。

本测量装置的总体测量流程为：通过上位机控制剪切探头和贯入探头插入沉积物中，完成探头的贯入和剪切动作，同时，将数据采集卡采集的数据及时采集、存取、处理，并实时以曲线显示。

剪切测试仪的测试原理：上位机通过剪切上下行电机和剪切旋转电机，先由剪切上下行电机驱动丝杠自由下行至沉积物样品表面后，停止推进；再由剪切上下行电机驱动丝杠定深下行贯入样品管一定深度，停止推进。启动剪切旋转电机，剪切旋转电机驱动丝杠带动十字剪切板探头以900\/min速度剪切正转3600，停止剪切旋转电机，完成第一层样品的剪切测试，通过扭矩传感器的数据换算获取得到样品的剪切强度值。启动剪切旋转电机，剪切旋转电机再驱动丝杠带动十字剪切板探头以900\/min速度剪切反转3600，停止剪切旋转电机；再定深贯入样品管一定深度，停止贯入；启动剪切旋转电机，进行第二层样品的剪切测试。依次分层完成多层样品的剪切测试。通过扭矩传感器的数据换算获取得到样品的剪切强度值。

贯入阻力测试仪的测试原理：上位机控制贯入电机，带动丝杠转动，贯入阻力测试仪的探头以2cm\/s的速度连续贯入样品管，连续完成整管样品的测量，通过压力传感器将测试数据经数据采集卡传输给上位机，再经上位机分析处理后，获得海底沉积物的贯入阻力值。

每次试验后，托盘及柜体难免粘有沉积物，冲洗探头时也会有大量污水落入托盘中。可拧下托盘两边蝶形螺母，将托盘取出，在柜体外面冲洗将更加方便，之后擦干托盘及柜体上的水渍，装回柜体固定。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

设计图

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