帶有量程保護(hù)裝置的可拼接式海床超孔壓測(cè)量探桿的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及帶有量程保護(hù)裝置的可拼接式海床超孔壓測(cè)量探桿，用于實(shí)現(xiàn)傳感器的自我保護(hù)及探桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)，屬于海洋觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]海底工程地質(zhì)原位觀測(cè)是海洋科學(xué)向深海進(jìn)軍的重要手段，對(duì)于揭示深海動(dòng)力作用下現(xiàn)代沉積物發(fā)生的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程、深入認(rèn)識(shí)海洋動(dòng)力地質(zhì)過程具有重要作用?？紫端?氣)壓力(以下簡(jiǎn)稱孔壓)作為反映海床沉積物特征的敏感指標(biāo)，其變化能夠?qū)е鲁练e物強(qiáng)度降低，甚至發(fā)生液化，進(jìn)而造成海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。反應(yīng)海底沉積物動(dòng)力特征的是超孔壓，而非靜孔壓。直接對(duì)海床超孔壓的觀測(cè)，對(duì)于海底動(dòng)力地質(zhì)過程的研究有更大的幫助。為實(shí)現(xiàn)對(duì)深海底超孔壓的直接觀測(cè)，普遍使用的方法是布放孔壓探桿，通常采用的布放方法為重力式貫入法，依靠自重將設(shè)備壓入到海床沉積物中。
[0003]孔壓測(cè)量探桿一般使用的是傳統(tǒng)的孔壓傳感器(電測(cè)式、流體壓力式等)，由于深海環(huán)境惡劣，使得傳統(tǒng)的傳感器面臨無法工作、被腐蝕、量程不足、精度不足等問題，往往無法用于深海長(zhǎng)期原位觀測(cè)。而光纖光柵壓差式傳感器憑借其耐腐蝕、抗電磁干擾、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、能耗少等優(yōu)勢(shì)，在海洋觀測(cè)領(lǐng)域有極大的發(fā)展空間。而基于光纖光柵壓差式孔壓傳感器制作的超孔壓測(cè)量探桿，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超孔壓的直接、高精度測(cè)量。測(cè)量時(shí)密封的超孔壓探桿一部分貫入海床沉積物中，另一部分位于海水中，探桿頂端的連接管道連通上部海水，將靜水壓力引入探桿內(nèi)，作用于傳感器一側(cè)；沉積物中的水-土總壓力透過透水石傳入傳感器的另一側(cè)，作用于傳感器兩側(cè)的壓差即為該位置外沉積物的超孔壓值。
[0004]但此種傳感器存在一定的缺陷，在壓差超過量程一定范圍時(shí)，會(huì)造成光纖的拉伸斷裂，只有受到一定程度的壓縮使其處于松弛狀態(tài)時(shí)才是安全的。依靠自身重量貫入的探桿在貫入過程中會(huì)產(chǎn)生的極大超孔壓，使得光纖受拉斷裂，從而使設(shè)備損壞。為保護(hù)傳感器在過壓條件下不被損壞，解決這一缺陷主要方法是安裝傳感器量程保護(hù)裝置。
[0005]目前所存在的傳感器量程保護(hù)裝置采用貫通探桿內(nèi)外壓力的方法，解決了超孔壓測(cè)量探桿布放過程中出現(xiàn)的超量程問題。這種傳感器量程保護(hù)裝置一般內(nèi)置于測(cè)量探桿中，與探桿合為一體不可拆卸。由于傳感器量程保護(hù)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，將其內(nèi)置于探桿中更是增加了制作難度。在實(shí)際觀測(cè)中常常需要根據(jù)特定的觀測(cè)條件設(shè)計(jì)不同長(zhǎng)度、不同觀測(cè)間距的超孔壓測(cè)量探桿，耗費(fèi)大量物力、財(cái)力及時(shí)間。不僅如此，傳統(tǒng)的超孔壓測(cè)量探桿由于長(zhǎng)度過長(zhǎng)，占用空間大，攜帶困難，在野外實(shí)際測(cè)量中存在諸多不便。目前尚未有一種深海底超孔隙水壓力測(cè)量探桿可同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳感器量程保護(hù)和探桿可拼接兩種技術(shù)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是提供帶有量程保護(hù)裝置的可拼接式海床超孔壓測(cè)量探桿，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0007]帶有量程保護(hù)裝置的可拼接式海床超孔壓測(cè)量探桿，其特征在于該探桿頂端為密封艙連接裝置、底部為錐頭，密封艙連接裝置與底部錐頭之間為探桿主體，所述的探桿主體是由多個(gè)圓柱形空心套管首尾串聯(lián)而成，且每相鄰兩個(gè)個(gè)空心套管之間由連接裝置進(jìn)行連接，
[0008]所述的空心套管兩端內(nèi)部刻有內(nèi)螺紋；所述連接裝置整體呈圓柱形，且中部與空心套管的直徑相等、兩端均刻有與所述內(nèi)螺紋相配合的外螺紋，連接裝置中部側(cè)面開有中部?jī)?nèi)腔，且連接裝置自上下兩端分別沿軸向開有與所述中部?jī)?nèi)腔相通的上腔室和下腔室，且下腔室較上腔室更靠近連接裝置的中軸線；該連接裝置還設(shè)有貫通上下兩端的通水管，且該通水管與中部?jī)?nèi)腔、上腔室、下腔室均不連通；上腔室內(nèi)固定安裝有光纖光柵壓差式傳感器，中部?jī)?nèi)腔的外端口處安裝有透水石，
[0009]所述的中部?jī)?nèi)腔中還裝有量程保護(hù)裝置，該量程保護(hù)裝置包括一個(gè)外形與中部?jī)?nèi)腔內(nèi)部形狀相吻合的圓柱形殼體，該殼體的外端面為敞開結(jié)構(gòu)，且殼體外側(cè)面分別開有與所述的上腔室和下腔室相通的上透水孔和下透水孔，殼體內(nèi)腔的底部固定有壓力彈簧，壓力彈簧的另一端與殼體內(nèi)的后端活塞相連，所述的后端活塞通過連桿與前端活塞相連，所述的后端活塞、前端活塞的截面與殼體內(nèi)腔的截面一致，且前端活塞表面設(shè)有透水孔，為防止后端活塞滑動(dòng)時(shí)封閉下透水孔，在下透水孔朝向后端活塞的一側(cè)安裝有擋臺(tái)；且當(dāng)后端活塞向殼體底部運(yùn)動(dòng)至該擋臺(tái)時(shí)，前端活塞將所述的上透水孔完全封閉；
[0010]光纖由通水管貫通整根探桿，海水也由此在探桿內(nèi)部流通，外部海水通過透水孔傳至上腔室，當(dāng)后端活塞兩側(cè)壓力差值高于設(shè)定值0.9FS(滿量程)時(shí)，后端活塞和前端活塞向殼體底部運(yùn)動(dòng)，使前端活塞頂部將上透水孔完全封閉，阻斷傳感器與外部環(huán)境壓力的聯(lián)系。
[0011]所述空心套管的上下兩端側(cè)面分別設(shè)有多個(gè)螺栓孔，所述連接裝置的上下兩端側(cè)面分別設(shè)有多個(gè)螺孔，且空心套管與連接裝置通過內(nèi)外螺紋相互連接之后，所述的螺栓孔與螺孔相互一一重合，并有穿過羅雙孔的螺栓固定連接空心套管與連接裝置。
[0012]上述密封艙連接裝置同位于探桿主體頂端的空心套管通過內(nèi)外螺紋相互連接，并有螺栓將密封艙連接裝置同與其相連的空心套管固定連接在一起。
[0013]所述光纖光柵壓差式傳感器與上部套管之間設(shè)有密封裝置，而使海水不能自下方越過而至光纖光柵壓差式傳感器的上方。
[0014]所述透水石與量程保護(hù)裝置管壁之間設(shè)有密封裝置。
[0015]上述壓力彈簧的彈性滿足以下條件:光纖光柵壓差式傳感器的滿量程為FS，當(dāng)活塞兩側(cè)壓差P1-匕達(dá)到傳感器量程0.8倍時(shí)，開始推動(dòng)活塞向左移動(dòng)，當(dāng)活塞兩側(cè)壓差達(dá)到傳感器量程0.9倍，即P1-P2= 0.9FS時(shí)，活塞位置恰好將上透水孔完全封閉，當(dāng)壓差繼續(xù)增大時(shí)，由于擋板的作用活塞不再繼續(xù)向左移動(dòng)，隨著超孔壓逐漸消散活塞兩側(cè)壓差減小，當(dāng)活塞兩側(cè)壓差減小到到傳感器量程0.9倍時(shí)，壓力彈簧回彈，活塞開始向右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)壓差減小到0.8FS時(shí)上透水孔全部打開，傳感器與外部環(huán)境相互貫通。
[0016]探桿貫入海床的過程中，桿受巨大的壓力擠入沉積物中，會(huì)在管壁與沉積物接觸區(qū)域瞬間產(chǎn)生極高的超孔壓，外部環(huán)境壓力會(huì)通過透水石，經(jīng)由透水孔下、上透水孔傳至光纖光柵壓差式傳感器?；钊敳渴艿酵獠凯h(huán)境傳來的總壓力，活塞底部受到靜水壓力，兩側(cè)所受壓差在數(shù)值上與傳感器測(cè)量到的超孔壓相等，當(dāng)活塞兩側(cè)壓差增大到一定值，壓力推動(dòng)活塞向左移動(dòng)，直到完全封閉上透水孔，隔絕傳感器與外部環(huán)境的聯(lián)系，此時(shí)傳感器測(cè)量到的超孔壓保持不變，始終在傳感器量程范圍內(nèi)，使得光纖光柵壓差式傳感器不會(huì)因外界環(huán)境壓力較大而出現(xiàn)超出量程的情況，保護(hù)光纖不受損壞。
[0017]隨著超孔壓逐漸消散，外部環(huán)境壓力減小，彈簧回彈，活塞逐漸右移，當(dāng)壓力值減小到一定程度時(shí)，上透水孔被全部打開，此時(shí)傳感測(cè)量值即為周圍環(huán)境總水壓力與該位置處?kù)o孔隙水壓力之差。
[0018]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低、工作可靠，能夠根據(jù)不同的實(shí)際測(cè)量需求，選擇相應(yīng)長(zhǎng)度的連接套管和所需數(shù)量的傳感器，拼接組成測(cè)量探桿，以實(shí)現(xiàn)不同深度海床超孔壓的測(cè)量，大大節(jié)省了探桿制備時(shí)間及所耗費(fèi)的財(cái)力。傳感器量程保護(hù)裝置可在不影響超孔壓測(cè)量探桿正常使用的情況下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)量程保護(hù)。探桿在貫入沉積物過程中，外側(cè)環(huán)境產(chǎn)生的超孔壓過大時(shí)，裝置會(huì)自動(dòng)隔絕傳感器與外部環(huán)境壓力的聯(lián)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的保護(hù)；貫入完成后，隨著超孔壓的消散，裝置會(huì)自動(dòng)打開，重新打開管內(nèi)外兩側(cè)的聯(lián)系，傳感器開始測(cè)量?jī)?nèi)外側(cè)的壓差。該裝置能夠很好的解決基于光纖光柵壓差式傳感器的超孔壓測(cè)量探桿布放過程中出現(xiàn)的超量程難題。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為圖1的局部結(jié)構(gòu)的分解示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明的連接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4為本發(fā)明的連接裝置的剖視圖。
[0023]圖5為本發(fā)明的連接裝置的剖視圖(內(nèi)含傳感器以及量程保護(hù)裝置)。
[0024]圖6為本發(fā)明的量程保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖7為本發(fā)明的保護(hù)裝置在探桿貫入海底沉積物過程中示意圖。
[0026]圖8為本發(fā)明的保護(hù)裝置在環(huán)境超孔壓消散、開始測(cè)量示意圖。
[0027]圖中，1、密封艙連接裝置，2、固定螺栓，3、空心套管，4、連接裝置，5、錐頭，6、螺栓，7、螺栓孔，8、外螺紋，9、內(nèi)螺紋，10、上腔室，11、光纖光柵壓差式傳感器，12、透水石，13、中部?jī)?nèi)腔，14、透水孔，15、后端活塞，16、上透水孔，17、下透水孔，18、擋臺(tái)，19壓力彈簧，20、通水管，21、下腔室，22、殼體，23、連桿，24、前端活塞。
【具體實(shí)施方式】
[0028]如圖1-6所示，帶有量程保護(hù)裝置的可拼接式海床超孔壓測(cè)量探桿，其特征在于該探桿頂端為密封艙連接裝置1、底部為錐頭5，密封艙連接裝置