基于压差测量的深海底流变化观测装置的制作方法

本发明涉及海洋观测技术领域，具体涉及一种用于实现深海底流对沉积层沉积状态改变的观测装置。

背景技术：

深海底流是一种常见的地质现象，其所造成的海底搬运沉积是一种比较普遍的沉积形态，深海底流沉积物常以细碎屑沉积物、火山物质或是硅质沉积为主，在沉积结构上也以常见水平微细层理为特征。底流搬运沉积对海床以及地形重构具有重大影响，结合地质钻探获得的底流沉积运动状态，更是对深海地质构造的演化过程研究具有十分重要的指导意义。通过观测海床浅表层沉积物的超孔压值动态变化过程，可以比较直观地获取海底底流搬运沉积状态。

常规获取海底浅层沉积物中超孔压值的手段是钻孔的方式埋设孔压传感器，进行长期观测。具体实施方法为，采用水下机器人，将孔隙压力传感器埋设在土层中一定位置处，并进行灌浆封孔，防止传感器与外界水环境进行接触，造成测量不准的现象。将获得的孔隙水压力值进行修正，转化为超孔隙压力值，再进一步分析，得到底流搬运沉积作用对沉积层状态的影响。

随着技术的发展革新，现有的压力传感器，大多可以实现压差测量。其中，光纤光栅传感器具有防腐蚀、不怕水等特点，对进行超孔隙水压力监测的实现提供了良好的结构基础。测量时密封的超孔压测量装置一部分贯入海床沉积物中，另一部分位于海水中，装置的连接管道连通上部海水，将静水压力引入装置内舱，作用于传感器一侧；沉积物中的孔隙水压力透过透水石作用于传感器另一侧。作用于传感器两侧的压力差值即为该位置处沉积物的超孔压值。

但是时刻变化的海底底流，会对观测点位形成冲淤，即海床面将会随着底流的作用，变高变低。埋设于浅层沉积物中的传感器便会随着海床面的变化，时而被完全埋没，时而露出海床表面，这对超孔压的测量带来很多不便，甚至会造成无法测得超孔压值的现象。目前的压力观测装置在克服环境动态变化的影响方面，仍然存在很多不足。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以降低深海底流影响，更加准确的观测海底底流的变化的。

本发明所采取的技术方案如下：

基于压差测量的深海底流变化观测装置，包括压差感测舱3、底座8、控制器5、上浮体4释放装置2，压差感测舱3与底座8之间通过连接部连接，所述控制器5设置在连接部内部，上浮体4位于压差感测舱3上通过释放装置2收放；释放装置2设置在上浮体4与压差感测舱3之间；所述压差感测舱3包括静水压力舱11与环境水压力舱12，所述环境水压力舱12顶部与静水压力舱连通，连通处通过弹簧薄片15阻隔；所述弹簧薄片15内置光纤传感器；所述静水压力仓11顶部通过静水压力通道1与海水贯通，静水压力通道1的进水口位于上浮体4上，所述静水压力通道1为可伸缩通道，随上浮体4的收放而伸缩；所述环境水压力舱12底部通过环境水压力通道16与海底沉积层内水贯通，在静水压力通道16入口处设有第一透水石14；所述释放装置2包括电动绞盘，所述绞盘上缠有缆绳，缆绳的末端连接在上浮体4上，所述电动绞盘上设置声学信号器；所述底座8上设置土压传感器7以及配重件17；光纤传感器、声学信号器、土压传感器7均与控制器5连接；控制器根据土压传感器的信号反馈，控制声学信号器释放信号，使电动绞盘旋转释放或回收缆绳带动上浮体4收放，同时静水压力通道1随上浮体4的收放而伸缩，保证静水压力通道的入水口始终处于海水中，整个装置稳定后，控制器5通过光纤传感器的信号可以测得该位置的压差。

进一步的：所述静水压力通道1为可伸缩性软管或波纹管。

进一步的：所述静水压力通道1顶部设有第二透水石9。

进一步的：所述底座8与压差感测舱3之间的连接部为分节连接杆22，通过锁紧器18锁紧，锁紧器18与控制器5连接。

进一步的：底座8与控制器5之间的最大相对位移小于压差感测舱3舱体长度的四分之三。

进一步的：所述上浮体为门字框形，罩在压差感测舱3外，与压差感测舱3之间具有空隙。

进一步的：所述动力绞盘对称设置。

进一步的：所述释放装置2与控制器5进行防水密封。

进一步的：所述配重件17在底座8上均匀分布。

进一步的：所述底座8上还设置有透水孔6，所述透水孔6为上下贯通的通孔，均匀设置在底座8上。

有益效果

本发明将实现在复杂海底环境下，同时感测沉积层环境压力与静水压力，从而获得测点位置压差值。通过后期的数据修正，将压差值转换为超孔隙水压力，便能分析获得在海底底流影响作用下沉积层动态变化状态。另外，该发明能够巧妙地避免海底底流冲淤作用对测量的影响。底流冲刷海床面，使海床面下降，装置坐底结构便会随之下沉，直至被沉积层覆盖透水石结构。底流搬运淤积，使海床面上升的同时，也会将装置上抬，从而保持传感器能够感测静水压力。该装置能够有效提高压差传感器对于外环境的适应性，从而更加直观地获得海底浅层沉积物超孔隙压力。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的剖视图；

图3为本发明的工作状态模拟示意图一；

图4为本发明的工作状态模拟示意图二；

图5为本发明的工作状态模拟示意图三；

图6为本发明的锁紧器打开状态工作示意图；

图中，1、静水压力通道，2、释放装置，3、压差感测舱，4、上浮体，5、控制器，6、透水孔，7、土压传感器，8、底座，9、进水管透水石，10、缆绳，11、静水压力舱，12、环境水压力舱，13、绞盘，14、透水石，15、弹簧薄片，16、环境水压力通道，17、配重盘，18、锁紧器，19、动力绞盘a，20、动力绞盘b，21、海床面，22、分节连接杆。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2所示，基于压差测量的深海底流变化观测装置，包括压差感测舱3、底座8、控制器5、上浮体4释放装置2，压差感测舱3与底座8之间通过连接部连接，控制器5设置在连接部内部，上浮体4位于压差感测舱3上通过释放装置2收放；释放装置2设置在上浮体4与压差感测舱3之间；压差感测舱3包括静水压力舱11与环境水压力舱12，环境水压力舱12顶部与静水压力舱连通，连通处通过弹簧薄片15阻隔；弹簧薄片15内置光纤传感器；静水压力仓11顶部通过静水压力通道1与海水贯通，静水压力通道1的进水口位于上浮体4上，静水压力通道1为可伸缩通道，随上浮体4的收放而伸缩；环境水压力舱12底部通过环境水压力通道16与海底沉积层内水贯通，在静水压力通道16入口处设有第一透水石14；释放装置2包括电动绞盘，绞盘上缠有缆绳，缆绳的末端连接在上浮体4上，电动绞盘上设置声学信号器；底座8上设置土压传感器7以及配重件17；光纤传感器、声学信号器、土压传感器7均与控制器5连接；控制器根据土压传感器的信号反馈，控制声学信号器释放信号，使电动绞盘旋转释放或回收缆绳带动上浮体4收放，同时静水压力通道1随上浮体4的收放而伸缩，保证静水压力通道的入水口始终处于海水中，整个装置稳定后，控制器5通过光纤传感器的信号可以测得该位置的压差。

本装置设计的主要目的是为了实现静水压力通道1和环境水压力通道16能够处在两种不同的环境中，其中静水压力通道1是为了实现与海水贯通感测静水压力，环境水压力通道16则通过透水石14与沉积环境孔隙压力贯通感测沉积层孔隙压力。两个压力舱内压力共同作用于弹簧薄片15，使弹簧薄片15发生形变作用于光纤传感器，通过控制器5的测算便能得到该位置处压差。该数值能反映此位置下的沉积层超孔隙水压力，并可以反演该状态下的沉积层状态，为沉积层沉积状态改变后作比较定下基准值，暨为海底底流改变沉积状态分析做准备。

如图3—图6，本装置使用时，可采用自由落体贯入的形式安放到海底。预制合适的配重，装置到达海床面，将会在重力作用下向沉积层内贯入。当装置底座8完全贯入沉积层中，土压传感器7将开始感测压力，控制器5将向释放装置2发送声学信号，动力绞盘打开，直至缆绳10处于拉张状态，或土压传感器7的压力值不再上升时，控制器5停止向释放装置2发送声学信号。此时，装置应处于透水石14完全埋入沉积物中的状态。动力绞盘的数量并不限定，通常来说要对称设置，在回收的过程中比较稳定迅速。在本发明中上浮体4的具体结构并不限定，以可以实现带动静水压力通道1上升为准。在本发明中静水压力通道1的具体结构并不限定，以可以伸缩并实现对海水的导通为准进行设计。在本发明中土压传感器7的设置的数量在此并不限定，通常为偶数个，并沿底座的轴向等间距设置；以多个土压传感器7中的最大值为参考值，对整个装置进行调节。在本发明中采用四个土压传感器7，周向等分的设置在底座上。

装置达到稳定状态后，即开始测量观测。根据连通器原理，静水压力舱11内压力为该点位静水压力p1，环境水压力舱12内压力为该点位沉积层环境孔隙压力p2，两个压力值共同作用在弹簧薄片15上，通过控制器5内的压差传感器对这两个压力值进行处理，便能得到该点位超孔隙水压力值p3(沉积层环境孔隙压力p2与静水压力p1之差)。超孔隙水压力值p3可以反演该位置处沉积状态。

深海底流的搬运作用对海床面进行局部抬升，土压传感器7的压力值将不断升高，直至大于1.5倍pe，此时动力绞盘打开，上浮体4向上浮动，保证静水压力通道1处于静水环境中。直至土压传感器7的压力值不再上升，控制器5停止向释放释放装置2发送声学信号，动力绞盘处于锁定状态。静水压力通道1依旧与海水贯通，实现静水压力舱11内感测压力为该点位静水压力p1。装置将获得深海底流对海床进行改造后，点位超孔隙水压力值p3。

深海底流的冲刷作用对海床面进行局部降低，土压传感器7的压力值将不断减小，若此时缆绳10释放长度大于压差感测舱3的高度，控制器5将向释放回收器2发送声学信号，动力绞盘执行缆绳回收动作，土压传感器7的压力值回复正常，直至小于0.5倍pe，动力绞盘停止工作。装置稳定后，将获得深海底流对海床进行改造后，点位超孔隙水压力值p3。

综合分析海床相对高度不同时超孔隙水压力值p3，便能获取海床沉积层状态，从而解析深海底流变化信息。释放装置2同步记录缆绳释放动态变化过程，校准底流变化信息。

在本实施例中，静水压力通道1为可伸缩性软管或波纹管。

可以实现较大范围的伸展，以更好的适应伸缩变化。静水压力通道1的可伸缩性用于实现上浮体4与压差感测舱3之间有较大的可调控距离，即实现进水口能够在需要时远离压差感测舱3。

静水压力通道1顶部设有第二透水石9。实现压差测量超孔隙水压力的同时，也防止泥沙等杂质进入压差感测舱3。

为防止深海底流的搬运作用对海床面进行局部抬升后，压差感测舱3完全埋入沉积物中，在底座8与压差感测舱3之间的连接部为分节连接杆22，通过锁紧器18锁紧，锁紧器18与控制器5连接。锁紧器18是现有的通用技术，采用普通的夹紧式锁紧结构(例如：伸缩杆的上下连接杆上设置极向相反的电磁铁，通过信号控制通电开关，实现伸缩杆的伸缩或是其他相近、类似结构，在此并不赘述)即可满足要求，并由控制器控制。

深海底流的搬运作用对海床面进行局部抬升过程中，在土压传感器7压力值超过预警值pe(同时小于1.5倍pe)时，锁紧器18将会打开，此时压差感测舱3与底座8通过分节连接杆22连接，分节连接杆22为伸缩杆结构，上浮体4将通过缆绳10将压差感测舱3与控制器5拔出分节连接杆22可伸长的距离。同时底座8与控制器5之间的最大相对位移小于压差感测舱3舱体长度的四分之三，即上浮体4在上拔过程中，不能将透水石14拔出沉积层。

深海底流的冲刷作用对海床面进行局部降低过载中，连接部的分节连接杆22采用重力回落的方式复位，重力回落实现的方式为，将动力绞盘打开，使缆绳10处于松弛状态，依靠压差感测舱3与控制器5的重力自然回落。

也可以采样其他的方式回落，在此并不限定，但是重力自然回落结构最为简单，直接。

在本实施例中，提供一个上浮体的具体结构。在本实施例中上浮体为门字框形，罩在压差感测舱3外，与压差感测舱3之间具有空隙。

上浮体4采用密度小于水的材料制成，并与静水压力通道1协同移动，即上浮体4将保证进水管透水石9部分始终位于海水水体中。确保能够应对海底底流对海床面的淤积抬升，保证测量结果的准确性。

在本实施例中，提供一种具体的动力绞盘设置结构，动力绞盘对称设置两个动力绞盘a19以及动力绞盘b20。在回收的上浮体的过程中可以有效稳定的回收。

释放装置2与控制器5内采用橡胶圈或者其他密封装置进行防水密封，在此并不限定。隔水密封设置可以有效的防止设备的损坏与老化。

在本实施例中，配重件17在底座8上均匀分布。

配重件主要用于保证第一透水石14可以能够完全埋入沉积物中，保证压差测量的实现。配重件的具体结构以及重量根据实际需要测量的海域实际情况进行设定，在此并不限定。例如待测量海域的海底质比较软，则配重件不能设计的太重，否则将沉入海底太多。

在底座8上还设置有透水孔6，透水孔6为上下贯通的通孔，均匀设置在底座8上。透水孔的数量与直径并不限定。

在整个装置下落安放到海底的过程中，海水从透水孔6穿过，使得整个装置个处受力更加趋于平均，使下落过程更加平稳。同时如果需要回收，也更加迅速。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。