海床孔壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳感設(shè)備過壓保護(hù)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種海床孔壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳感設(shè)備過壓保護(hù)裝置，用于實(shí)現(xiàn)探桿貫入沉積物過程中傳感器的自我保護(hù)，屬于海洋觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]深海底工程地質(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?？紫端畨毫?以下簡(jiǎn)稱孔壓)作為反映海床沉積物特征是敏感指標(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。為實(shí)現(xiàn)對(duì)深海底孔壓的直接觀測(cè)，普遍使用的方法是布放孔壓探桿，深海海域由于水深極大，考慮成本等問題，普通的布放方法如鉆孔法、鉆孔壓入法等存在較大的實(shí)施難度，因此一般采用重力式貫入的方法，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)，由于深海嚴(yán)峻、惡劣的環(huán)境，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。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。
[0004]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。壓差式傳感器可以測(cè)量作用在傳感器上的兩個(gè)壓力之差。探桿為密封桿，傳感器位于探桿內(nèi)部，貫入沉積物中之后的姿態(tài)為頂端一段位于海水中，下部探桿處于沉積物中；頂端連接有管道可以聯(lián)通上部海水，將靜水壓力引入探桿內(nèi)部，此壓力通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)作用在壓差式傳感器的其中一側(cè)；探桿外壁受到來自沉積物的土-水總壓力作用，傳感器位置處管壁安裝有透水石，可將外部環(huán)境的總水壓力導(dǎo)入管內(nèi)，此壓力通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)作用在壓差式傳感器的另一側(cè)，通過此壓差的測(cè)量即可得到該位置處沉積物的超孔壓值。
[0005]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。采用重力式貫入的方法，貫入過程中產(chǎn)生的極大超孔壓會(huì)使得光纖受拉斷裂，從而使得設(shè)備損壞，試驗(yàn)準(zhǔn)備階段耗費(fèi)了大量人力、物力、財(cái)力及時(shí)間，但卻會(huì)因此而功虧一簣，目前尚未有一種深海底超孔隙水壓力測(cè)量探桿量程保護(hù)裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是提供一種海床孔壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳感設(shè)備過壓保護(hù)裝置，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。本發(fā)明能夠很好地解決目前超孔壓探桿布放過程中，光纖光柵壓差式超孔壓傳感器測(cè)量時(shí)易出現(xiàn)的超量程損壞問題，使傳感器能夠處于一個(gè)量程允許的壓差范圍內(nèi)，以保證孔壓探桿更好的長(zhǎng)期服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)。
[0007]—種海床孔壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳感設(shè)備過壓保護(hù)裝置，該量程保護(hù)裝置安裝于圓柱形結(jié)構(gòu)的超孔壓探桿內(nèi)部，其特征在于該量程保護(hù)裝置的內(nèi)腔與設(shè)置在探桿管壁上的透水石相連通，該量程保護(hù)裝置包括一個(gè)軸線與超孔壓探桿軸線平行的、內(nèi)含光纖光柵壓差式傳感器的套管，以及連通閥；所述光纖光柵壓差式傳感器前端與該量程保護(hù)裝置的內(nèi)腔相連通、后端與超孔壓探桿的內(nèi)腔相連通；所述連通閥內(nèi)含彈簧套管且朝向透水石的一端留有開孔、另一端開有透水孔；所述彈簧套管內(nèi)含沿超孔壓探桿徑向設(shè)置的壓力彈簧和連接桿，所述壓力彈簧套在連接桿上，且一端固定于彈簧套管開有透水孔的一端的底部、另一端固定在連接桿中部，連接桿貫穿所述彈簧套管且前后兩端分別設(shè)有前、后擋板；當(dāng)不受外力壓縮時(shí)，壓力彈簧通過自身彈力使所述前、后擋板分別封堵住上述開孔與透水孔；當(dāng)彈壓力簧受到外力壓縮時(shí)，前、后擋板打開上述開孔與透水孔，從而使量程保護(hù)裝置的內(nèi)腔通過所述連通閥而與超孔壓探桿的內(nèi)腔相連通。
[0008]所述透水石與探桿管壁之間設(shè)有密封裝置。
[0009]在實(shí)際觀測(cè)時(shí)，可將所述壓力彈簧的彈性設(shè)計(jì)成滿足以下條件:所述前擋板所受壓力達(dá)到傳感器0.9倍量程時(shí)，彈簧開始受力壓縮。
[0010]探桿貫入海床時(shí)由于巨大的貫入壓力，使管壁與沉積物接觸區(qū)瞬間產(chǎn)生極高的超孔壓，管外壓力卩丨通過透水石傳至傳感器，管內(nèi)承受壓力P 2;
[0011]當(dāng)P1達(dá)到傳感器0.9倍量程時(shí)，彈簧壓縮，從而推動(dòng)套管外側(cè)擋板左移，套管外的水壓通過透水孔傳至內(nèi)部，使內(nèi)外水壓一致，此時(shí)傳感器測(cè)到的壓差為零，從而達(dá)到量程保護(hù)的目的。
[0012]當(dāng)超孔壓消散時(shí)，套管內(nèi)擋板受力減小，彈簧回彈，直到壓力減小到傳感器量程0.9倍時(shí)，彈簧恢復(fù)初始狀態(tài)，外擋板封閉透水孔，隔斷套筒內(nèi)外聯(lián)系。此時(shí)傳感器兩側(cè)測(cè)量到的壓力差即為該位置的超孔壓。
[0013]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低、工作可靠，能夠在不影響超孔壓測(cè)量探桿正常使用的情況下實(shí)現(xiàn)量程保護(hù)。探桿貫入海床沉積物的過程中，管壁外側(cè)產(chǎn)生過大的超孔壓會(huì)使該裝置內(nèi)外貫通，使傳感器兩側(cè)壓力平衡，從而達(dá)到量程保護(hù)的目的；當(dāng)超孔壓消散，裝置自動(dòng)隔斷管內(nèi)外聯(lián)系，此時(shí)傳感器兩側(cè)壓力差即為所測(cè)超孔壓。本發(fā)明能夠很好地解決目前超孔壓探桿布放過程中，光柵光纖壓差式超孔壓傳感器易出現(xiàn)的超量程損壞問題，使傳感器能夠處于一個(gè)量程允許的壓差范圍內(nèi)，以保證孔壓探桿更好的長(zhǎng)期服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)。
【附圖說明】
[0014]圖1本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖(剖視圖)。
[0015]圖2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。
[0016]圖3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。
[0017]圖中，1、光纖光柵壓差式傳感器、2、套管、3、透水石、4、探桿管壁、5、右擋板、6、左擋板、7、連接桿、8、彈簧套筒、9、彈簧、10、透水孔，11、連通閥。
【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1所示，一種海床孔壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳感設(shè)備過壓保護(hù)裝置，該量程保護(hù)裝置安裝于圓柱形結(jié)構(gòu)的超孔壓探桿內(nèi)部，其特征在于該量程保護(hù)裝置的內(nèi)腔與設(shè)置在探桿管壁4上的透水石3相連通，該量程保護(hù)裝置包括一個(gè)軸線與超孔壓探桿軸線平行的、內(nèi)含光纖光柵壓差式傳感器I的套管2，以及連通閥11 ;所述光纖光柵壓差式傳感器I前端與該量程保護(hù)裝置的內(nèi)腔相連通、后端與超孔壓探桿的內(nèi)腔相連通；所述連通閥11內(nèi)含彈簧套管9且朝向透水石3的一端留有開孔、另一端開有透水孔10 ;所述彈簧套管9內(nèi)含沿超孔壓探桿徑向設(shè)置的壓力彈簧8和連接桿7，所述壓力彈簧8套在連接桿7上，且一端固定于彈簧套管9開有透水孔10的一端的底部、另一端固定在連接桿7中部，連接桿7貫穿所述彈簧套管9且前后兩端分別設(shè)有前、后擋板5、6 ;當(dāng)不受外力壓縮時(shí)，壓力彈簧8通過自身彈力使所述前、后擋板5、6分別封堵住上述開孔與透水孔10 ;當(dāng)彈壓力簧8受到外力壓縮時(shí)，前、后擋板5、6打開上述開孔與透水孔10，從而使量程保護(hù)裝置的內(nèi)腔通過所述連通閥11而與超孔壓探桿的內(nèi)腔相連通。
[0019]如圖2所示，當(dāng)探桿貫入海床時(shí)，由于巨大的貫入壓力使管壁4與沉積物接觸區(qū)瞬間產(chǎn)生極高的超孔壓，令管壁4外承受壓力為P1，管內(nèi)承受壓力為P2。管外壓力P1通過透水石3傳至傳感器1，當(dāng)壓力P1達(dá)到傳感器I的0.9倍量程時(shí)，彈簧9受力被壓縮，壓力P !剛好可以使彈簧9發(fā)生壓縮變形，從而推動(dòng)套管2外側(cè)擋板6左移，此時(shí)透水孔10將套管2內(nèi)外貫通，套管2外水壓通過透水孔10傳至內(nèi)部，使內(nèi)外水壓一致，此時(shí)傳感器I兩側(cè)壓力相等即P1= P2，傳感器I測(cè)到的壓差為零，從而達(dá)到量程保護(hù)的目的。
[0020]如圖3所示，隨著超孔壓的消散，套管2內(nèi)擋板5受力減小，彈簧9逐漸回彈，當(dāng)壓力減小到0.9倍傳感器量程時(shí)，彈簧9恢復(fù)初始狀態(tài)，左側(cè)擋板6將透水孔10完全封閉，套管2內(nèi)外聯(lián)系被隔斷。此時(shí)外部壓力P1通過透水石3全部傳至傳感器1，令此時(shí)傳感器I測(cè)到的管內(nèi)水壓為P3，P1-PjP為該位置的超孔壓。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種海床孔壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳感設(shè)備過壓保護(hù)裝置，該量程保護(hù)裝置安裝于圓柱形結(jié)構(gòu)的超孔壓探桿內(nèi)部，其特征在于該量程保護(hù)裝置的內(nèi)腔與設(shè)置在探桿管壁(4)上的透水石(3)相連通，該量程保護(hù)裝置包括一個(gè)軸線與超孔壓探桿軸線平行的、內(nèi)含光纖光柵壓差式傳感器(I)的套管(2)，以及連通閥(11);所述光纖光柵壓差式傳感器(I)前端與該量程保護(hù)裝置的內(nèi)腔相連通、后端與超孔壓探桿的內(nèi)腔相連通；所述連通閥(11)內(nèi)含彈簧套管(9)且朝向透水石(3)的一端留有開孔、另一端開有透水孔(10);所述彈簧套管(9)內(nèi)含沿超孔壓探桿徑向設(shè)置的壓力彈簧(8)和連接桿(7)，所述壓力彈簧(8)套在連接桿(7)上，且一端固定于彈簧套管(9)開有透水孔(10)的一端的底部、另一端固定在連接桿(7)中部，連接桿7)貫穿所述彈簧套管(9)且前后兩端分別設(shè)有前、后擋板(5、6);當(dāng)不受外力壓縮時(shí)，壓力彈簧(8)通過自身彈力使所述前、后擋板(5、6)分別封堵住上述開孔與透水孔(10);當(dāng)彈壓力簧⑶受到外力壓縮時(shí)，前、后擋板(5、6)打開上述開孔與透水孔(10)，從而使量程保護(hù)裝置的內(nèi)腔通過所述連通閥(11)而與超孔壓探桿的內(nèi)腔相連通。2.如權(quán)利要求1所述的海床孔壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳感設(shè)備過壓保護(hù)裝置，其特征在于所述透水石(3)與探桿管壁(4)之間設(shè)有密封裝置。3.如權(quán)利要求1所述的海床孔壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳感設(shè)備過壓保護(hù)裝置，其特征在于所述壓力彈簧(9)的彈性滿足以下條件:所述前擋板(5)所受壓力達(dá)到傳感器0.9倍量程時(shí)，彈簧(9)開始受力壓縮。
【專利摘要】海床孔壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)傳感設(shè)備過壓保護(hù)裝置，其內(nèi)腔與設(shè)在探桿管壁上的透水石相連通，該裝置包括一個(gè)內(nèi)含光纖光柵壓差式傳感器的套管以及連通閥；傳感器前端與該裝置的內(nèi)腔相連通、后端與探桿內(nèi)腔相通；連通閥內(nèi)含彈簧套管且朝向透水石的一端有開孔、另一端有透水孔；彈簧套管內(nèi)含壓力彈簧和連接桿，壓力彈簧套在連接桿上且一端固定于彈簧套管一端的底部、另一端固定在連接桿中部，連接桿貫穿彈簧套管且前后兩端分別設(shè)有前、后擋板。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作可靠，能很好地解決目前超孔壓探桿布放過程中光柵光纖壓差式超孔壓傳感器易出現(xiàn)的超量程損壞問題，使傳感器能夠處于量程允許的壓差范圍內(nèi)，保證孔壓探桿更好的長(zhǎng)期服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)。
【IPC分類】G01L19/06
【公開號(hào)】CN105092146
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510224450
【發(fā)明人】劉濤, 崔逢, 賈永剛, 郭磊, 李三鵬, 李洪利
【申請(qǐng)人】中國(guó)海洋大學(xué)
【公開日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年5月6日