专利名称：短周期海底地震仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种短周期海底地震仪，属于海洋地震观测技术领域。
背景技术：
天然地震波的频带非常宽，根据地震观测频带不同，将地震计分为短周期地震计、 宽频带地震计、甚宽频带地震计等，对于海底地震观测来说也是需要不同频带的地震仪来 观测发生在海底的地震，而且短周期海底地震仪所使用的地震计由于其自振周期比较短， 具有更高的可靠性，能够在安装后很短的时间内开始工作，这特别有利于在海底观测人工 震源产生的振动。
实用新型内容为了满足我国短周期海底地震观测的需要，提高对我国海洋天然气水合物勘探、 海洋地震观测以及我国大陆架勘测的水平，本实用新型旨在提供一种能够使用于深海(大 于3000米)的、具有高可靠性、大动态范围等高性能指标的短周期海底地震仪。本实用新型所采用的技术方案是一种短周期海底地震仪，其特征在于包括一个保护外壳；—个密封仪器仓球，装在所述保护外壳中，密封仪器仓中装有数据采集器、调平机 构、地震计、可充电锂电池和水声通讯电路；用于释放耦合架的电腐蚀释放机构，其固定在保护外壳上；为地震仪提供下沉力的耦合架，其位于所述保护外壳下方并用钢丝绳与所述电腐 蚀释放机构连接。进一步地所述调平机构包括左右支撑架、常平架、前后连接架、底板、测水平传感器电路板、 第一和第二蜗轮蜗杆传动机构，其中所述左右支撑架分别位于所述常平架的左右端外侧，左支撑架的中心和右支撑架 的中心之间构成第一轴线，其中，左支撑架与常平架的左端枢接，右支撑架经第一蜗轮蜗杆 传动机构与常平架的右端枢接；常平架的前端的中心和常平架后端的中心之间构成与第一 轴线正交的第二轴线，其中，常平架的前端与所述底板的前端枢接，常平架的后端经第二蜗 轮蜗杆传动机构与底板的后端枢接；测水平传感器电路板装在所述底板上，两个蜗轮蜗杆 传动机构受控于测水平传感器电路。左支撑架与常平架的枢接处及常平架与底板前端的枢 接处经用于消除蜗轮蜗杆传动机构间隙的摩擦机构枢接。底板的前后端分别经连接架与所 述常平架枢接。摩擦机构由螺杆以及套设于该螺杆上的摩擦片、止推轴承、弹簧、调节螺母 组成，该螺杆穿设于左支撑架与常平架的左端中或穿设于常平架的前端与底板连接架中。 在第一蜗轮蜗杆传动机构中，蜗杆固定在所述右支撑架上，蜗轮与所述常平架的右端固定。 在第二蜗轮蜗杆传动机构中，蜗杆固定在所述常平架的后端上，蜗轮与所述底板的后端固定。测水平传感器电路板与所述底板的下方之间设垫柱，以保证测水平传感器电路板与底 板之间的平行关系。所述常平架是由前后框和左右框围成的矩形框架或是圆形框架。所述电腐蚀释放机构包括一根熔丝和固定在所述保护外壳上的熔丝盘，熔丝盘的 两端分别装有一个熔丝拉块，熔丝拉块上设绕线桩，熔丝盘的中央设有正负电极、若干绕线 桩、压片，熔丝经由负电极绕过熔丝盘和熔丝拉块上的各绕线桩，该熔丝的两端由压片压 紧，将两个熔丝拉块与熔丝盘固定在一起，熔丝拉块经钢丝绳与所述耦合架连接。所述熔丝由1毫米直径的多股钢丝组成，每股又由36根细钢丝组成。所述地震计是短周期力平衡反馈式地震计，频带范围是1秒至40赫兹。所述耦合架由上下两个圆形环、连接于两个圆形环之间的数根支撑钢管组成，钢 管上焊接角铁，角铁上穿设螺杆，螺杆与连接所述熔丝拉块的钢丝绳固接，所述保护外壳放 置在该耦合架的上面。所述密封仪器仓球中还装有GPS、电子罗盘、数传电台和信号灯。本实用新型的短周期海底地震仪采用单球结构，所以提供的浮力能携带足够的电 池，可以保证短周期海底地震仪在海底的工作时间，而且采用可充电高容量锂电池作为供 电电池，使其工作可靠，使用非常方便。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的总体立体结构示意图；图2是本实用新型的纵剖面构造图；图3是本实用新型的调平机构构造图；图4本实用新型的释放机构构造图；图5本实用新型的释放机构钢丝缠绕示意图；图中1耦合架2保护外壳3频闪灯4GPS天线5固定托盘6电池支架7数传 电台8充电锂电池9电路板支架10采集电路板11水声板固定架12水声电路板13尼 龙托盘14正电极座套15吊勾16负电极座套17水声通讯探头18玻璃球体19控制电 路板20防挂垫圈21垫柱22地震计反馈电路23电池固定架24耦合钢丝绳25丝杠26 地震计27支撑架28转轴29摩擦片30电机31联轴器32蜗杆33电机固定34连接架 35常平架36蜗杆固定架37蜗轮38止推轴承39弹簧40螺母41垫片42底板43垫柱 44测水平传感器电路板45支杆46熔丝盘47正电极48熔丝拉块49绕线桩50负电极 51垫柱52压丝螺钉53锁紧环54螺柱55螺母56压片57熔断钢丝
具体实施方式
本实用新型的短周期海底地震仪包括一个ABS保护外壳；一个密封仪器仓球，装 在所述保护外壳中，密封仪器仓中装有数据采集器、调平机构、地震计、可充电锂电池和水 声通讯电路；用于释放耦合架的电腐蚀释放机构，其固定在所述保护外壳上；为海底地震 仪提供下沉力的耦合架，其位于所述保护外壳下方并用耦合钢丝绳与所述电腐蚀释放机构 连接。[0028]其中保护外壳、密封仪器仓和释放机构相互固定成为一个整体，构成了短周期海 底地震仪的回收部分，实现短周期海底地震仪在海底地震观测、数据记录和熔断上浮功能， 耦合架是短周期海底地震仪不可回收部分，为短周期海底地震仪提供下沉的重量，使短周 期海底地震仪从海面下沉至海底。下面分别说明。1.仪器仓参见图1、图2。仪器仓是安装了本实用新型短周期海底地震仪观测仪器的密封仓 球，该密封仓球放置在ABS保护外壳内。仪器仓内部安装有数据采集器21、地震计27、调平 机构、GPS天线4、数传电台20、频闪灯3和充电锂电池8。其中1.1数据采集器本实用新型短周期海底地震仪的数据采集器21主要实现对地震信号的数字化并 将数据记录在CF卡中，采集器还集成了 24位AD转换、低功耗CPLD大规模可编程逻辑阵列、 网络芯片、GPS、CF卡以及电源管理变换电路。采集器内置软件系统是ECOSII实时操作系 统，同时在操作系统核心内实现了 24位数据采集、FIR数字滤波运算、数据压缩存储操作， 使得采集器在具有非常低的功耗(小于0. 3瓦)的同时也具有好的技术指标，包括大于 120dB动态范围、大于IOOdB总谐波失真度、好的幅频特性。采集器通过网络接口提供数据 服务和参数设置，在采集器内部集成一个无线AP，无线AP通过网线连接在海底地震仪采集 器网络接口上，在使用中不需要打开仪器舱就可以通过无线网络对所述海底地震仪进行数 据下载，参数设置操作。CPU选用ATMEL公司的AT91FR4016S，该CPU集成ARM7TDMI内核，内置256K字节 SRAM、2M字节FLASH、2个UART以及32个IO 口，采用全静态设计，工作频率0_75MHz，核心 供电1.8V(拟采用1. IV)。CPU外围扩展一片IM字节SRAM(K6F8016R6D)，总线上连接CPLD XC2C384 ；内部串口一个作为终端控制台，另一个通过CPLD复用连接GPS、电子罗盘、和无线 电发射机。CPU通过I/O控制光发射、调平电路。CPLD选用XC2C384，208脚封装，供384个宏单元。该器件功耗非常低而且性能 可靠。XC2C384实现与CPU数据通信、对SRAM实现电平转换、接收AD转换数据、扩展CF 卡接口(IDE)、桥接LAN接口、切换串口和扩展SPI总线功能，同时连接电压温度监视芯片 MAX1298 (5通道，带温度传感器)。AD转换器选用TI公司的ADS1251，ADS1251是24位差分输入的AD转换器，在20K 采样率时能达到19位分辨率，而且具有很低的功耗(20K/8mW)。传感器输出的模拟信号经 过运算放大器驱动后直接输入AD，ADS1251采用+5V供电，参考电压外置+4. 096V。为了保证海底地震仪低功耗和高可靠性，在海底地震仪采集器及海底地震仪控制 系统中采用eCos作为软件操作系统，eCos是一个优秀的嵌入式实时操作系统。eCos的体 系结构是一种分层结构，硬件抽象层将操作系统与硬件隔离开，这使移植eCos到不同的硬 件平台成为可能，抽象层就像软件与硬件之间的桥梁。主要的移植思想是，按照eCos的模 块化设计，完成硬件抽象层。在实现eC0S2. 0的移植工作和设备驱动程序调试工作后，就可 以实现采集、控制应用软件的设计。软件系统的主要功能包括数据记录、数据下载、系统设 备控制程序(包括系统电压温度监视，逃生设备控制，调平机构控制，声纳控制板监视，电 子罗盘接收、电池充电管理和终端命令解释等。1. 2地震计
5[0038]本实用新型短周期海底地震仪的地震计26包括2个水平向地震计、一个垂直向地 震计和地震计反馈电路22组成，该地震计是短周期力平衡反馈式电容位移换能式地震计， 其自振周期为4赫兹，工作频带为1秒至40赫兹，灵敏度1000V/m/S (单端)，还具有低噪声 以及大动态范围；1. 3调平机构海底地震仪工作环境非常复杂，海底地震仪由海面自由下落至海底，没有人工安 装这个步骤，而地震计需要一个水平的工作台基，这就要求海底地震仪中的地震计是工作 在一个可以自动调平的机构上，该机构就是调平机构。本实用新型短周期海底地震仪中的调平机构，包括左右支撑架27、常平架35、底 板42、测水平传感器电路板44、第一和第二蜗轮蜗杆传动机构。其中常平架35是由前后框和左右框围成的矩形框架(也可是圆形框架)。左右支撑架 27分别位于常平架的左右端外侧，左支撑架的中心和右支撑架的中心之间构成第一轴线， 左支撑架与常平架35的左端枢接，右支撑架经第一蜗轮蜗杆传动机构与常平架35的右端 枢接。常平架35的前端的中心和常平架35后端的中心之间构成与第一轴线正交的第二 轴线，常平架35的前端与底板42的前端枢接，常平架35的后端经第二蜗轮蜗杆传动机构 与底板42的后端枢接。测水平传感器电路板44装在底板42的下方，测水平传感器电路板44与底板42 之间设垫柱43，以保证测水平传感器电路板与底板之间的平行关系。两个蜗轮蜗杆传动机 构受控于测水平传感器电路。蜗轮蜗杆传动机构中的蜗杆32由电机30通过联轴器31驱动旋转。第一蜗轮蜗 杆传动机构中的蜗杆32固定在右支撑架上，蜗轮37与常平架35的右端固定。第二蜗轮蜗 杆传动机构中的蜗杆32固定在常平架35的后端上，蜗轮37与底板42的后端固定。底板42的前后端分别经连接架34与常平架35枢接。此外，为消除蜗轮蜗杆传动机构的间隙，在左支撑架与常平架的枢接处及常平架 与底板前端的枢接处采用摩擦机构进行枢接。该摩擦机构由螺杆28以及套设于该螺杆28 上的摩擦片29、止推轴承38、弹簧39、螺母40、垫片41组成。两根螺杆28分别穿设于左支 撑架与常平架的左端中以及常平架的前端与底板连接架中，通过旋动螺母40调整弹簧39 的长度，来调整摩擦片29与接触面的压力，从而达到调整摩擦力，实现用静摩擦力消除蜗 轮蜗杆机构间隙的目的。在调平之前，通过标定将地震仪正常工作时水平位置的坐标保存在测水平传感器 电路板44上的芯片中。调平开始后，通过检测当前位置与设定水平位置的偏差，电机30开 始工作，驱动两个蜗轮蜗杆传动机构调整底板42的位置，最后保持在水平位置，调平结束。1. 4GPS天线4、电子罗盘、数传电台7和频闪灯3密封仪器仓球还装有GPS天线4、电子罗盘、数传电台7和频闪灯3。当海底地震 仪浮出海面后，为了方便打捞，海底地震仪集成了数传电台，地震仪在海面上打开GPS定位 后，将位置信息通过数传电台发送出去。该电台工作频率为230MHz，发射功率为2W，使用 1/8波长短棒天线，确保海底地震仪在海面上传输距离大于2公里。 同时，海底地震仪内部还集成了高亮度红光二极管，发射功率5W，方便在夜间进行
6打捞。1.5充电锂电池短周期海底地震仪使用的电池是锂充电电池8，由4节组成，每节92AH，额定电压 3. 6V，海底地震仪采集单元对4节电池的电压进行实时检测，并控制充电电路的启动和停 止。4节电池中有一节电池单独分配给释放脱钩机构，确保在海底接收释放时间大于100 天，同时确保海底地震仪浮出海面后可以向外发出GPS位置信息，方便施工人员打捞。对于锂电池的充电采用并联充电方式，总共4节电池，每节电池额定点3. 6V，容量 92AH，充电电压为4. 2V。充电电流均限制在1. 5A。预计充电时间小于24小时。2.释放机构本实用新型短周期海底地震仪的电腐蚀释放机构包括以下部件一根熔丝和固定 在所述保护外壳上的熔丝盘，熔丝盘的两端分别装有一个熔丝拉块，熔丝拉块上设绕线桩， 熔丝盘的中央设有正负电极、若干绕线桩、压片，熔丝经由负电极绕过熔丝盘和熔丝拉块上 的各绕线桩，该熔丝的两端由压片压紧，将两个熔丝拉块与熔丝盘固定在一起，熔丝拉块经 钢丝绳与所述耦合架连接。参见图4、图5。电腐蚀释放机构由熔丝盘46、正电极47、熔丝拉块48、绕线桩49、 负电极50、垫柱51、压丝螺钉52、锁紧环53、螺柱54、螺母55、压片56、一根熔丝57组成。 熔丝57由1毫米直径的多股钢丝(7股)组成，每股又由36根细钢丝组成。释放机构由六 根支杆45固定在尼龙托盘13上，熔丝盘46上缠绕熔丝57。熔丝57由压片56开始缠绕， 顺时针绕过压丝螺钉(右侧)52，之后再依次绕过绕线桩①49、绕线桩②49、绕线桩③49， 经绕线桩④49下边缘处，依次经过负电极(右侧)50、垫柱51、负电极(左侧)50，再依次绕 过绕线桩⑤49、绕线桩⑥49、绕线桩⑦49、绕线桩⑧49，最后绕过压丝螺钉(左侧)52回到 压片56处，完成熔丝57的安装。释放机构与短周期海底地震仪是紧密固定在一起，随着海底地震仪的回收而回 收，是可以重复使用的部件，因此，释放机构中所有的金属部件都采用304不锈钢加工而 成，具有高抗腐蚀性。装有仪器仓的ABS保护壳与尼龙托盘13固定在一起，释放机构通过六根支杆45 固定在尼龙托盘13上方，成为短周期海底地震仪回收部分，然后整体放置在耦合架上，耦 合架通过耦合钢丝绳24与释放机构的熔丝拉块48连接，熔断钢丝57通过熔丝拉块48上的 绕线桩49把熔丝拉块48与整个释放机构连接在一起。当短周期海底地震仪给释放机构中 的正电极47和负电极50加直流电后，负电极50上方的熔断钢丝就开始发生电腐蚀反应， 最后直至断开，熔丝57断开后，熔丝拉块48就和整个释放机构分离，这样连接在熔丝拉块 48上的耦合架也与短周期海底地震仪回收部分分离。3.耦合架本实用新型短周期海底地震仪的耦合架由上下两个圆形钢环以及连接于两个圆 形环之间的数根钢管焊接而成，所用钢材牌号为Q235。所述ABS工程塑料外壳放置在耦合 架上方。钢管上焊接角铁，角铁上穿设螺杆，螺杆固接钢丝绳，该钢丝绳与释放机构的熔丝 拉块的固接。当释放机构启动后，耦合架与短周期海底地震仪分离，实现短周期海底地震仪 的自动上浮。工作原理[0063] 本实用新型短周期海底地震仪的工作过程是选择适当的海域将仪器从海面投放 入海水中。由于仪器整体的重量远大于其在海水中所受到的浮力，故会快速下沉，当其下沉 到海底后，自动启动内部的常平架进行调平，调平完成后地震计开始工作，数据采集器也进 入工作状态，开始连续采集并记录地震计输出。当需要获取记录数据时，就要将短周期海底 地震仪回收。通过声纳发送释放命令，仪器接收到水声释放命令后启动释放机构，使耦合架 与短周期海底地震仪回收部分分离，仪器的回收部分由于浮力大于自身重力，就会浮出海 面，并由数传电台发出GPS定位信息，然后根据该信息确定仪器的位置并打捞仪器，之后提 取数据采集器记录的观测数据进行分析和科学研究。
权利要求一种短周期海底地震仪，其特征在于包括一个保护外壳；一个密封仪器仓球，装在所述保护外壳中，密封仪器仓中装有数据采集器、调平机构、地震计、可充电锂电池和水声通讯电路；用于释放耦合架的电腐蚀释放机构，其固定在所述保护外壳上；为地震仪提供下沉力的耦合架，其位于所述保护外壳下方并用钢丝绳与所述电腐蚀释放机构连接。
2.如权利要求1所述的短周期海底地震仪，其特征在于所述调平机构包括左右支撑架、常平架、前后连接架、底板、测水平传感器电路板、第一 和第二蜗轮蜗杆传动机构，其中左右支撑架固定在所述密封仪器仓球内，常平架的左右端 分别与左右支撑架连接，常平架的前后端分别与前后连接架的上端连接，前后连接架的下 端分别与底板的前后端固定，左右支撑架的中心之间形成的轴线与前后连接架的中心之间 形成的轴线正交。
3.如权利要求2所述的短周期海底地震仪，其特征在于所述常平架是由前后框和左右框围成的矩形框架或是圆形框架。
4.如权利要求1所述的短周期海底地震仪，其特征在于所述电腐蚀释放机构包括一根熔丝和固定在所述保护外壳上的熔丝盘，其中熔丝盘 的两端分别装有一个熔丝拉块，熔丝拉块上设绕线桩，熔丝盘的中央设有正负电极、若干绕 线桩、压片，熔丝经由负电极绕过熔丝盘和熔丝拉块上的各绕线桩，该熔丝的两端由压片压 紧，将两个熔丝拉块与熔丝盘固定在一起，熔丝拉块经钢丝绳与所述耦合架连接。
5.如权利要求4所述的短周期海底地震仪，其特征在于所述熔丝由1毫米直径的多股钢丝组成，每股又由36根细钢丝组成。
6.如权利要求1所述的短周期海底地震仪，其特征在于所述地震计是短周期力平衡反馈式地震计，频带范围是1秒至40赫兹。
7.如权利要求1所述的短周期海底地震仪，其特征在于所述耦合架由上下两个圆形环、连接于两个圆形环之间的数根支撑钢管组成，钢管上 焊接角铁，角铁上穿设螺杆，螺杆与连接所述熔丝拉块的钢丝绳固接，所述保护外壳放置在 该耦合架的上面。
8.如权利要求1所述的短周期海底地震仪，其特征在于所述密封仪器仓球中还装有GPS天线、电子罗盘、数传电台和信号灯。专利摘要本实用新型公开了一种短周期海底地震仪，包括一个保护外壳；一个密封仪器仓球，装在所述保护外壳中。密封仪器仓中装有数据采集器、调平机构、地震计、可充电锂电池和水声通讯电路；用于释放耦合架的电腐蚀释放机构，其固定在保护外壳上；为地震仪提供下沉力的耦合架，其位于保护外壳下方并用钢丝绳与电腐蚀释放机构连接。本实用新型能够在深海使用、观测频带范围1秒至40赫兹，不但适合进行海底天然地震观测，也适合人工震源观测。
文档编号G01V1/38GK201654246SQ201020174318
公开日2010年11月24日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者傅建武, 刘明辉, 叶鹏, 周银兴, 崔瑞兰, 庄灿涛, 彭朝勇, 朱小毅, 朱杰, 李建飞, 李江, 杨桂存, 林湛, 梁鸿森, 牛领辉, 薛兵, 陈阳 申请人:北京港震机电技术有限公司