淺海用大極距海底電場儀的製作方法
2023-05-13 06:55:41
專利名稱：淺海用大極距海底電場儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於地球物理測量領域，具體屬於海洋勘測領域，其涉及一種淺海用大極距海底電場儀。
背景技術：
海洋電磁勘探技術是研究海底的重要手段之一，通過採集海底電場信號，反演推斷海底巖層構造的分布規律，已經成為地質勘探的主要方法之一。海底電場信號的測量通常採用間隔一定距離的電極對進行，電極通過測量臂連接到採集電路中。海底電場測量設備需要用船隻投放到指定點位，由於船上甲板面積和起吊設備跨度的限制，大的電極距無法實現。目前，國內外幾種典型的海底電場測量裝置，如中國地質大學研製的海底電磁場探測裝置、美國Scripps海洋研究所研製的海底電磁接收裝置以及日本研製的海底電磁場儀，使用的電極距均為10m，比在陸上的布極長度小了一個數量級。理論和實驗均表明海 底天然電場是一種微弱的、寬頻隨機信號，容易受到噪音幹擾，對信號採集裝置要求甚為苛亥IJ。特別是在淺海或濱海地區，各種人造源產生的噪音嚴重，短的極距無法獲取有效信號。如何提高淺海電場測量裝置的接收靈敏度一直是一個難題。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種體積小且輕便，能擴展測量極距，適合淺海區定點測量的淺海用大極距海底電場儀。為達到上述目的，提供一種淺海用大極距海底電場儀，其包括脫鉤機構、儀器艙、底座、水下電纜、兩個測量電極、釋放器和配重機構；其中儀器艙內部固裝有玻璃艙球，脫鉤機構位於儀器艙頂端，底座位於儀器艙底端；在脫鉤機構與底座之間以拉緊鋼絲固接，將儀器艙固定於底座中，儀器艙中部安裝有一個環狀的安全圈；第一個測量電極固定安裝在安全圈上，第二個測量電極安裝在配重機構上，測量電極通過水下電纜與玻璃艙球內部的數據採集器連接，測量電極的測量極距達到500m ;釋放器固定連接在配重機構上；其中脫鉤機構1，用於儀器艙2回收時與底座6分離；儀器艙2，用於為脫鉤機構I提供固定支點，同時為玻璃艙球16提供防護；安全圈3,用於儀器艙結構保護，為外徑55cm、內徑45cm、厚O. 6cm的塑料環；拉緊鋼絲4，用於固定脫鉤機構與底座，材質為型號316不鏽鋼(316為不鏽鋼型號)；鎖緊鏍栓5，用於緊固拉緊鋼絲與底座，材質為316不鏽鋼；底座6，用於提供儀器艙2的重力牽引和保護，採用玻璃鋼材料；測量電極7，用於待測淺海區域的電場信號測量；水下電纜8，用於連接兩個測量電極與玻璃艙球內部的數據採集器，並傳導電場信號；釋放器9，用於配重機構10的浮力性質改變和回收；配重機構10，用於將第二個測量電極7牽引下沉至海底；連接纜繩11，用於釋放器9與配重機構10的連接；固定環12，用於將纜繩固定在配重機構10上；環形卡扣13，用於將測量電極7固定；卡線器14，用於水下電纜8與測量電極7連接處的拉力緩衝，防止應力直接作用在測量電極的水密接頭32上。其中，玻璃艙球頂端固裝有水聲傳感器。玻璃艙球內部裝有固定支架，數據採集器和供電裝置固定安裝在固定支架上。所述固定支架為雙環狀結構；所述測量電極為固態銀-氯化銀電極，共2支構成電極對，外部用多孔塑料封裝；第一個測量電極固裝於儀器艙，通過水下電纜連接到玻璃艙球；第二個測量電極固裝在配重機構上，通過水下電纜連接到玻璃艙球。所述玻璃艙球為13英寸的耐壓空心玻璃球。優選地，在所述底座的井字形上表面中部固設一圓盤，圓盤的直徑與儀器艙底部外圓相適配；底座下部均勻分布有多個鎖緊螺栓，每個鎖緊螺栓與每根拉緊鋼絲下端可拆卸的固接，通過耐腐蝕拉緊鋼絲與脫鉤機構緊密相連。優選地，所述兩個測量電極7為固態銀-氯化銀電極，第一個測量電極固裝在儀器艙2上，第二個測量電極固裝在配重機構10上，通過水下電纜8連接到數字採集部件，根據實際需要，測量電極間距可為100-500m。優選地，利用水對玻璃艙球16的浮力回收所述測量儀器艙2，所述配重機構10通過聲學釋放器9回收。 在本發明的另一方面，提供一種使用淺海用大極距海底電場儀進行海底電場探測的方法，包括步驟(I)運載船隻通過GPS導航航行至設定測量點位A，進行GPS對鍾，將從衛星上獲取的標準時間信號傳輸給淺海用大極距海底電場儀，然後設定採集時間和參數；(2)將儀器艙和底座投放入海，入水後儀器艙受底座重力牽引，自由下沉至海底；(3)運載船隻按照向設定方位向測量點位B航行，行程中不斷將水下電纜投放入海水中；(4)運載船隻到達設測量點位B後將配重機構和釋放器投放入海；(5)淺海用大極距海底電場儀按照設定的時間和參數進行淺海電場信號採集；(6)測量結束後，淺海用大極距海底電場儀在海底原地等待；(7)在海面向儀器艙發出聲學釋放信號，儀器艙將與底座分離並上浮至海面；(8)回收儀器艙後斷開與之連接的水下電纜，並向配重機構上的釋放器發出聲學釋放信號；(9)運載船隻航行至測量點位B回收配重機構及水下電纜；(10)對存儲在淺海用大極距海底電場儀儀器內部的數據進行提取，並處理分析。使用從上述技術方案，本發明具有以下有益效果I、本發明提供的這種淺海用大極距海底電場儀，測量極距比常規海底電場測量裝置有幾何級數增加，並可根據實際需求調整，有效提高了接收靈敏度。2、本發明提供的這種淺海用大極距海底電場儀，裝置輕便，整體功耗低，小型船隻即可進行海上作業，適合於淺海底電場測量。
圖I為依照本發明的淺海用大極距海底電場儀立體結構圖；圖2為依照本發明的淺海用大極距海底電場儀縱截面示意圖；圖3為依照本發明的淺海用大極距海底電場儀脫鉤機構結構圖；圖4為依照本發明的淺海用大極距海底電場儀底座結構示意圖；圖5為依照本發明的淺海用大極距海底電場儀的電極結構圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明如圖I所示，為本發明的淺海用大極距海底電場儀結構示意圖，主要有脫鉤機構I、儀器艙2、底座6、測量電極7、水下電纜8、釋放器9、配重機構10七部分組成。底座6位於儀器底部，將儀器艙2置於底座6中，脫鉤機構I置於儀器艙2頂端，用多根拉緊鋼絲4纏繞於脫鉤機構I上的固接口後，用多個鎖緊螺栓5拉緊多根拉緊鋼絲4，將儀器艙2與底座6固定在一起。測量電極7之一用環形卡扣13固定在安全圈3上，測量電極7之二固定在配重機構10上，通過水下電纜8分別連接到採集器。釋放器9通過連接纜繩11和固定環12連接到配重機構10上。
水下電纜8採用耐磨、抗拉強度較大(4900N)，密度較輕(空氣中重量O. 12kg/m,海水中重量0.0225kg/m)的水密纜，其護套材料為加固聚酯纖維。電場信號的傳導通過水下電纜8實現，電極距的長度決定於所需信號/噪音比，根據實際需求可為IOOm至500m。公知的海底電場探測裝置採用測量極距為10m，易受幹擾，在淺海地區往往無法獲取有效信號。採用大極距的方式可有效提高所需信號/噪音比，提高了探測靈敏度。電場信號的幅度與距離有關，在同一被測區域，每對測量電極間的跨度越大，則所測的信號幅值越大。因此，為了保證測量電場信號的強度，增大電極距是一項有效途徑，可以提高接收信號對測量電極的信噪比，從而提高接收靈敏度。針對淺海電場信號探測面臨的這些問題，本發明提出的淺海用大極距海底電場儀，電極距可長達500m，比目前的測量裝置增加了 50倍，適用於淺海地區的電場信號探測。釋放器9採用自浮式聲學釋放器，具體型號為FiObUOyAC200，由水下部分和甲板單元構成，工作水深200m，浮力8kg。固定環12為高強度工程塑料製成，通過螺栓固定在配重機構10上，該釋放器的水下部分通過纜繩11與之相接，在海上投放時隨配重機構10沉入海底。工作結束後通過甲板單元發出信號，水下部分獲取信息並進行解碼、反饋實現浮標上浮,從而回收配重機構10、測量電極7和水下電纜8。配重機構10採用玻璃鋼材質製成，形狀為立方體，作用在於提供測量電極7在海底的穩定支點，固定環12和卡線器14通過螺栓固定在配重機構10上。投放入海時，通過自身重力牽引作用將電極7和釋放器9帶入海底，工作結束後通過釋放器9進行回收。如圖2所示，儀器艙2分為上下半艙，艙內放置玻璃艙球16，通過螺旋壓緊將玻璃艙球16進行固定。安全圈3為一圓環狀結構塑料板，通過螺旋壓緊在儀器艙2的上下半艙連接處，用於儀器艙2結構保護。玻璃艙球16分為上下半球，接縫處通過膠泥與膠帶進行密封。水聲傳感器15安裝在玻璃艙球16上半球外部頂端，用於水深通訊信號接收與應答。水密插件接口 17安裝在玻璃艙球16上半球外壁，與水下電纜8連接。數據採集器18和供電裝置20通過固定支架19安裝在玻璃艙球16內部，數據採集器18通過螺釘固定在固定支架19的頂部，供電裝置20安裝在固定支架19的周側。玻璃艙球16採用Vitrovex公司生產的13英寸玻璃艙球，體積小、重量輕，用於內部組件的耐壓保護，同時提供儀器艙2上升時的浮力。數據採集器為24位採集器，用於採集電場信號，固定安裝於固定支架上層，採用微功耗採集存儲技術，功耗O. 2W，噪音低、功耗小。數據採集器19用於各傳感器檢測信號的採集和存儲，其中a)前放電路信號輸入端加配一階無源LC低通抗混疊濾波器，採用極低噪音精密雙運算放大器構成儀器放大電路，增益為30dB，放大電路噪音折合到輸入端為IOnv/ V Ηζ@1Ηζ，具有很高的抗幹擾能力；b)儀器採用溫補晶振構成的振蕩電路作為內部時鐘，在0°C至4°C溫度範圍內其精度優於5X10_8 ；c)數據存儲容量為32GB ；d)採用CMOS型器件，低電壓供電，較低頻率的工作時鐘，同時降低系統的無功功耗，整體功耗< O. 3W。整體裝置的功耗低減輕了電源供應負擔，保證了留海作業時間。供電裝置20採用鋰電池，每臺淺海用大極距海底電場儀採用12枚IOAH鋰電池，通過塑料扎帶將鋰電池安裝於固定支架10的周側。
如圖3所示，脫鉤機構I為雙層結構，包括不鏽鋼鏍柱24、環鏍杆支撐板25、繞絲固定板29，其中，環繞絲固定板29和環鏍杆支撐板25上下平行設置，以數個不鏽鋼鏍柱24將兩者固接，不鏽鋼鏍柱24中的兩個鏍柱穿過繞絲固定板29後相互連接，構成吊鉤28 ;環鏍杆支撐板25內孔直徑與儀器艙2頂部外圓直徑相適配。繞絲固定板29上表面設有正極21、脫鉤滑塊26、繞絲釘27、負極30，正極21、負極30位於繞絲固定板29內孔直徑方向的相對兩側，正極21上套接壓絲墊片23後螺接鎖緊螺母22，負極30上套接負極保護套31，正極21上套接壓絲墊片23後螺接鎖緊螺母22。將一根鋼絲經正極21和順序經所有的繞絲釘27繞成環，並以鎖緊螺母22和繞絲釘27固緊定位，將脫鉤滑塊26固於繞絲固定板29上，鋼絲與兩負極30觸接。在儀器回收時利用海水特性，在兩熔斷點處進行電腐蝕鋼絲，脫鉤滑塊26被拉緊鋼絲4拉脫開，儀器艙2即利用海水浮力上浮。在另一方案中，脫鉤機構通過螺栓固定安裝於儀器艙的頂端。脫鉤機構為雙層結構，包括不鏽鋼鏍柱、環鏍杆支撐板、繞絲固定板，其中，環繞絲固定板和環鏍杆支撐板上下平行設置，以數個不鏽鋼鏍柱將兩者固接，不鏽鋼鏍柱中的兩個鏍柱穿過繞絲固定板後相互連接，構成吊鉤；環鏍杆支撐板內孔直徑與儀器艙頂部外圓直徑相適配。環繞絲固定板上表面設有正極、脫鉤滑塊、繞絲釘、負極，將一根鋼絲經正極和順序經所有的繞絲釘繞成環，並以鎖緊螺母和繞絲釘固緊定位，在儀器回收時利用海水特性進行電腐蝕熔斷鋼絲，脫鉤滑塊被拉緊鋼絲拉脫開，儀器艙即利用海水浮力上浮，以便回收。本實施實例也可以使用未在說明書附圖中詳細示出的脫鉤機構，其具體結構請參閱本專利申請人在先公開的技術。如圖4所示，底座6採用玻璃鋼材料製成，在井字形上表面中部固設一圓盤，圓盤的直徑與儀器艙2底部外圓相適配，用於固定儀器艙2底部。底座6底部周緣處均勻分布著8個鎖緊鏍栓5 ;鎖緊螺栓5與拉緊鋼絲4下端可拆卸的固接，通過四根耐腐蝕拉緊鋼絲4與脫鉤機構I緊密相連，其重量和體積適合於在下沉過程中控制下沉速度和下沉姿態，以及當儀器沉入海底時能夠保持正確姿態，並為淺海用大極距海底電場儀在海底工作提供穩定可靠的基座。儀器接到釋放信號後，儀器艙2上浮，底座6留在海底。如圖5所示，為測量電極7的剖面圖，包括水密接頭32、密封膠33、固定環34、多孔塑料外罩35、銀-氯化銀電極36。銀-氯化銀電極36與水密接頭32連接處通過密封膠33進行防水密封，安裝在固定環34中；固定環34與多孔塑料外罩35通過螺紋旋轉連接。測量電極7共兩支，第一個測量電極安裝在安全圈3上，第二個測量電極安裝在配重機構10上。水下電纜8和水密接頭32之間設置有卡線器14，用來提供著力點，防止拉力直接作用在水密接頭32上。卡線器14由玻璃鋼材料製成，水下電纜8與電極連接時先在其上纏繞，通過螺栓壓緊固定，再與測量電極連接。使用淺海用大極距海底電場儀進行海底電場測量的方法第一步，根據地質任務設定需要投放的點位A和B，運載船隻通過GPS導航航行至設定測量點位A，在儀器入海前進行GPS對鍾，將從衛星上獲取的標準時間信號傳輸給淺海用大極距海底電場儀，然後設定採集時間和參數；第二步，將儀器艙和底座投放入海，入水後儀器艙受底座重力牽引，自由下沉至海底；第三步，運載船隻按照向設定方位向測量點位B航行，行程中不斷將水下電纜投放入海水中； 第四步，運載船隻到達設測量點位B後將配重機構和釋放器投放入海，在重力牽引作用下沉入海底；第五步，淺海用大極距海底電場儀按照設定的時間和參數進行電場信號採集；第六步，測量結束後，儀器在海底原地等待；第七步，在海面向儀器艙發出聲學釋放信號，儀器艙將與底座分離並上浮至海面，底座留在海底；第八步，回收儀器艙後斷開與之連接的水下電纜，並向配重機構上的釋放器發出聲學釋放信號；第九步，船隻航行至測量點位B回收配重機構及水下電纜；第十步，對存儲在儀器內部的數據進行提取，並處理分析。以上所述的具體實施實例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施實例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種淺海用大極距海底電場儀，包括脫鉤機構、儀器艙、底座、水下電纜、兩個測量電極、釋放器和配重機構；其中儀器艙內部固裝有玻璃艙球，脫鉤機構位於儀器艙頂端，底座位於儀器艙底端；在脫鉤機構與底座之間以拉緊鋼絲固接，將儀器艙固定於底座中，儀器艙中部安裝有一個環狀的安全圈；第一個測量電極固定安裝在安全圈上，第二個測量電極安裝在配重機構上，測量電極通過水下電纜與玻璃艙球內部的數據採集器連接，測量電極的測量極距達到500m ;釋放器固定連接在配重機構上；其中， 脫鉤機構(I)，用於儀器艙(2)回收時與底座(6)分離； 儀器艙(2)，用於為脫鉤機構(I)提供固定支點，同時為玻璃艙球(16)提供防護； 安全圈(3)，用於儀器艙結構保護，為外徑55cm、內徑45cm、厚O. 6cm的塑料環； 拉緊鋼絲(4)，用於固定脫鉤機構與底座，材質為316(不鏽鋼型號)不鏽鋼； 鎖緊鏍栓(5)，用於緊固拉緊鋼絲與底座，材質為316不鏽鋼； 底座(6)，用於提供儀器艙(2)的重力牽引和保護，採用玻璃鋼材料； 測量電極(7)，用於待測淺海區域的電場信號測量； 水下電纜(8)，用於連接兩個測量電極與玻璃艙球內部的數據採集器，並傳導電場信號; 釋放器(9)，用於配重機構(10)的浮力性質改變和回收； 配重機構(10)，用於將第二個測量電極(7)牽引下沉至海底； 連接纜繩(11)，用於釋放器(9)與配重機構(10)的連接； 固定環(12)，用於將纜繩固定在配重機構(10)上； 環形卡扣(13)，用於將測量電極(7)固定； 卡線器(14)，用於水下電纜⑶與測量電極(7)連接處的拉力緩衝，防止應力直接作用在測量電極的水密接頭(32)上。
2.依據權利要求I所述的淺海用大極距海底電場儀，其中，玻璃艙球頂端固裝有水聲傳感器。
3.依據權利要求I所述的淺海用大極距海底電場儀，其中，玻璃艙球內部裝有固定支架，數據採集器和供電裝置固定安裝在固定支架上。
4.依據權利要求3所述的淺海用大極距海底電場儀，其中，所述固定支架為雙環狀結構；所述測量電極為固態銀-氯化銀電極，共2支構成電極對，外部用多孔塑料封裝；第一個測量電極固裝於儀器艙，通過水下電纜連接到玻璃艙球；第二個測量電極固裝在配重機構上，通過水下電纜連接到玻璃艙球。
5.依據權利要求I所述的淺海用大極距海底電場儀，其中，所述玻璃艙球為13英寸的耐壓空心玻璃球。
6.依據權利要求I所述的淺海用大極距海底電場儀，其中，在所述底座的井字形上表面中部固設一圓盤，圓盤的直徑與儀器艙底部外圓相適配；底座下部均勻分布有多個鎖緊螺栓，每個鎖緊螺栓與每根拉緊鋼絲下端可拆卸的固接，通過耐腐蝕拉緊鋼絲與脫鉤機構緊密相連。
7.依據權利要求I所述的淺海用大極距海底電場儀，其中，所述兩個測量電極(7)為固態銀-氯化銀電極，第一個測量電極固裝在儀器艙2上，第二個測量電極固裝在配重機構(10)上，通過水下電纜(8)連接到數字採集部件，根據實際需要，測量電極間距可為100_500mo
8.依據權利要求I所述的淺海用大極距海底電場儀，其特徵在於，利用水對玻璃艙球(16)的浮力回收所述測量儀器艙(2)，所述配重機構(10)通過聲學釋放器(9)回收。
9.依據權利要求I所述的淺海用大極距海底電場儀進行海底電場探測的方法，包括步驟 (1)運載船隻通過GPS導航航行至設定測量點位A，進行GPS對鍾，將從衛星上獲取的標準時間信號傳輸給淺海用大極距海底電場儀，然後設定採集時間和參數； (2)將儀器艙和底座投放入海，入水後儀器艙受底座重力牽引，自由下沉至海底； (3)運載船隻按照向設定方位向測量點位B航行，行程中不斷將水下電纜投放入海水中； (4)運載船隻到達設測量點位B後將配重機構和釋放器投放入海； (5)淺海用大極距海底電場儀按照設定的時間和參數進行淺海電場信號採集； (6)測量結束後，淺海用大極距海底電場儀在海底原地等待； (7)在海面向儀器艙發出聲學釋放信號，儀器艙將與底座分離並上浮至海面； (8)回收儀器艙後斷開與之連接的水下電纜，並向配重機構上的釋放器發出聲學釋放信號; (9)運載船隻航行至測量點位B回收配重機構及水下電纜； (10)對存儲在淺海用大極距海底電場儀儀器內部的數據進行提取，並處理分析。
全文摘要
本發明公開了一種淺海用大極距海底電場儀，包括脫鉤機構、儀器艙、底座、兩個測量電極、釋放器和配重機構。儀器艙內部裝有數據採集器和供電裝置，兩個測量電極分別固定在儀器艙和配重機構上，通過水下電纜連接至數據採集器，測量電極的測量極距能達到500m。本發明技術方案在同等噪音水平下採用大極距可以將有效信號增強數十倍，提高了探測靈敏度，可用於淺海(水深＜200m)海底電場觀測。
文檔編號G01V3/08GK102879829SQ201210361538
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者黃松, 徐亞, 郝天珧, 遊慶瑜, 趙春蕾 申請人:中國科學院地質與地球物理研究所