本发明涉及一种装置及方法，尤其涉及一种原位测量海水-沉积物界面位置及力学特性的装置及方法，属于海底地质探测技术领域。
背景技术：
海水与海底沉积物的分界层位置及其力学特性，是海洋地球化学和海洋地球物理研究、海洋矿产资源开发等研究中重要的内容。海水-沉积物界面不仅是物理及力学性质、生物化学特性等方面差异性最显著的边界，而且是海洋矿产资源勘探和开采过程中工程装备的支撑基础，因此准确快速的测量该界面的位置及其力学特性在海洋地质研究和海洋工程作业中显得尤为重要。
在海洋开发工作的发展中，水声探测是目前水下遥测的主要手段，但在海水-海底沉积物界面的测量中，其结果是定性的，且常是不准确的；而采集海底沉积物样本在实验室内进行测量，往往因为破坏了原样本结构，导致测试结果不准确。
经研究结果表明，在海水-海底沉积物界面，泥沙浓度和流体力学性质的变化都较为显著，在该界面之上为清水区和半液化层，在该界面之下因为泥沙浓度激增，孔隙率大幅降低，表现为膏体的性质，因此利用泥沙浓度和流体力学性质的显著变化来测量海水-沉积物界面的位置成为一种可行的方法。
技术实现要素：
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种原位测量海水-沉积物界面位置及力学特性的装置及方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种原位测量海水-沉积物界面位置及力学特性的装置，包括贯入阻力测量系统、浆体粘度测量系统、颗粒浓度测量系统、辅助机械控制系统；辅助机械控制系统包括上底座、中间座、下底座；上底座与中间座、中间座与下底座均通过机架相连接；
贯入阻力测量系统安装于辅助机械控制系统的上部，用于测量装置在下降过程中的贯入阻力，它包括步进电机、高精度压力计、步进电机伸出端；步进电机焊接于上底座的中间；步进电机的上端通过铠装电缆与该装置的控制系统连接、下端固定设置有步进电机伸出端；步进电机伸出端上安装有测量贯入阻力用的高精度压力计；
浆体粘度测量系统包括焊接于步进电机伸出端下端的无级变速电动机、设置于无级变速电动机下端的转轴、与转轴下端通过螺纹相接的转子以及套置于转轴上的扭矩传感器；扭矩传感器用于记录转子产生的扭矩，通过改变无级变速电动机的转速进而改变转子的扭矩，可测量不同剪切速度下的流体粘度；
扭矩传感器固定设置于安装盘上，安装盘同轴设置于中间座的内侧；转轴从安装盘的圆心处穿过并通过轴承与安装盘相连接；
颗粒浓度测量系统由两个红外测沙仪组成；两个红外测沙仪通过金属杆对称焊接在安装盘的下端面上，且两个红外测沙仪的中心处于同一条水平线上；安装盘的下端面还通过金属杆与温度传感器相连接；温度传感器、转子、红外测沙仪的中心处于同一个水平面上。
下底座上固定设置有倾斜传感器，且下底座的下端均匀设置有多个调平支腿。
红外测沙仪包括壳体；壳体的内部设置有红外发射器和光电传感器；壳体的侧面为有机玻璃壁。
红外发射器与有机玻璃壁之间、光电传感器与有机玻璃壁之间所成的角度相等。
红外发射器和光电传感器之间的夹角为20～60°。
红外发射器中的发光器为砷化镓红外发光二极管，用于发射峰值波长为800nm的红外光；光电传感器用于测量红外光经过流体后的散射角为135°散射光。
光电传感器、扭矩传感器均通过数据传输模块与整船的控制系统相连接，用于分别将转子扭矩、散射光数据传输给整船的控制系统，进而计算转子所在界面的流体粘度及泥沙浓度。
转子为圆柱体。
一种原位测量海水-沉积物界面位置及力学特性的装置的测量方法，具体步骤为：
a、在海上勘探船只到达指点测量地点后，确保原位测量装置处于正常可使用状态；利用绞车和铠装电缆将原位测量装置或搭载了原位测量装置的深潜器下放入海中，通过电子监控系统对原位测量装置进行监控；
b、在原位测量装置到达海底后，利用设置在下底座上的倾斜传感器将倾斜信息传输给船只；再通过调平支腿来实现装置的调平，且使转子处于海水-沉积物界面之上；
c、按照步骤b将测量装置调平后，由整船的控制系统控制无级变速电动机旋转，通过扭矩传感器记录转子产生的扭矩；可通过改变无级变速电动机转速，测量不同剪切速度下流体粘度；同时，控制红外发射器发射红外光，并由光电传感器测量红外光经过流体后的散射光；散射光数据以及转子扭矩均通过数据传输模块传输至整船的控制系统，分别用于计算转子所在界面的流体粘度及泥沙浓度；
d、完成一次测量后，通过步进电机伸出端将浆体粘度测量系统和红外测沙仪下降一个单位高度，在下降的过程中，通过高精度压力计测量贯入阻力；在达到另一高度后，重复步骤c中的操作对流体粘度及泥沙浓度进行再次测量；
e、通过船只的分析系统对泥沙浓度、流体粘度及贯入阻力数据的变化趋势进行分析，然后结合转子中心的高度信息，计算海水-沉积物界面的位置和及其力学性质。
本发明配备有浆体粘度测量系统、颗粒物浓度测量系统以及贯入阻力测量系统，可以测量海水-沉积物界面附近区域流体的悬沙浓度、粘度和贯入阻力等性质，同时根据此三种数据的变化趋势可测量海水-沉积物界面的位置信息；此外，本发明中测量装置结构紧凑，运行稳定，能为海底地质探测技术领域提供支持。
附图说明
图1为原位测量装置的整体结构示意图。
图2为浆体粘度测量系统的结构示意图。
图3为红外测沙仪的剖面结构图。
图中：1、安装盘；2、温度传感器；31、机架；32、下底座；33、调平支腿；34、中间座；35、上底座；4、红外测沙仪；51、无级变速电动机；52、扭矩传感器；53、转轴；54、转子；61、步进电机；62、高精度压力计；63、步进电机伸出端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1所示的一种原位测量海水-沉积物界面位置及力学特性的装置，包括贯入阻力测量系统、浆体粘度测量系统、颗粒浓度测量系统、辅助机械控制系统；辅助机械控制系统用于为其它部件提供安装支撑，包括上底座35、中间座34、下底座32；上底座35与中间座34、中间座34与下底座32均通过机架31相连接；其中，中间座34、下底座32均为圆形。
贯入阻力测量系统安装于辅助机械控制系统的上部，用于测量装置在下降过程中的贯入阻力，它包括步进电机61、高精度压力计62、步进电机伸出端63；步进电机61焊接于上底座35的中间；步进电机61的上端通过铠装电缆与该装置的控制系统连接、下端固定设置有步进电机伸出端63；步进电机伸出端63在控制系统的作用下可延伸长度，便于调节浆体粘度测量系统及颗粒浓度测量系统的高度；步进电机伸出端63上安装有测量贯入阻力用的高精度压力计62；
如图2所示，浆体粘度测量系统包括焊接于步进电机伸出端63下端的无级变速电动机51、设置于无级变速电动机51下端的转轴53、与转轴53下端通过螺纹相接的转子54以及套置于转轴53上的扭矩传感器52；扭矩传感器52用于记录转子54产生的扭矩，通过改变无级变速电动机51的转速进而改变转子54的扭矩，可测量不同剪切速度下的流体粘度；
扭矩传感器52固定设置于安装盘1上，安装盘1同轴设置于中间座34的内侧；转轴53从安装盘1的圆心处穿过并通过轴承与安装盘1相连接；
颗粒浓度测量系统由两个红外测沙仪4组成；两个红外测沙仪通过金属杆对称焊接在安装盘1的下端面上，且两个红外测沙仪的中心处于同一条水平线上；安装盘1的下端面还通过金属杆与温度传感器2相连接，用于实时监控所测环境的温度；温度传感器2、转子54、红外测沙仪4的中心处于同一个水平面上。
下底座32上固定设置有倾斜传感器，且下底座32的下端均匀设置有多个调平支腿33，调平支腿33的高度可在整船控制系统的作用下进行调节。调平支腿33的数量优选为4个。
如图3所示，红外测沙仪4包括壳体；壳体的内部设置有红外发射器41和光电传感器42；壳体的侧面为有机玻璃壁43。红外发射器41与有机玻璃壁43之间、光电传感器42与有机玻璃壁43之间所成的角度相等。红外发射器41和光电传感器42之间的夹角为20～60°，优选为45°。
红外发射器41中的发光器为砷化镓红外发光二极管，用于发射峰值波长为800nm的红外光；光电传感器42用于测量红外光经过流体后的散射角为135°散射光。
光电传感器42、扭矩传感器52均通过数据传输模块与整船的控制系统相连接，用于分别将转子扭矩、散射光数据传输给整船的控制系统，进而计算转子所在界面的流体粘度及泥沙浓度。
为了降低流体阻力，转子54优选为圆柱体。
一种原位测量海水-沉积物界面位置及力学特性的装置的测量方法，其具体步骤为：
a、在海上勘探船只到达指点测量地点后，确保原位测量装置处于正常可使用状态；利用绞车和铠装电缆将原位测量装置或搭载了原位测量装置的深潜器下放入海中，通过电子监控系统对原位测量装置进行监控；
b、在原位测量装置到达海底后，利用设置在下底座32上的倾斜传感器将倾斜信息传输给船只；再通过调平支腿33来实现装置的调平，且使转子54处于海水-沉积物界面之上；
c、按照步骤b将测量装置调平后，由整船的控制系统控制无级变速电动机51旋转，通过扭矩传感器52记录转子54产生的扭矩；可通过改变无级变速电动机51转速，测量不同剪切速度下流体粘度；同时，控制红外发射器41发射红外光，并由光电传感器42测量红外光经过流体后的散射光；散射光数据以及转子扭矩均通过数据传输模块传输至整船的控制系统，分别用于计算转子所在界面的流体粘度及泥沙浓度；
d、完成一次测量后，通过步进电机伸出端63将浆体粘度测量系统和红外测沙仪4下降一个单位高度，在下降的过程中，通过高精度压力计62测量贯入阻力；在达到另一高度后，重复步骤c中的操作对流体粘度及泥沙浓度进行再次测量；
e、通过船只的分析系统对泥沙浓度、流体粘度及贯入阻力数据的变化趋势进行分析，然后结合转子54中心的高度信息，计算海水-沉积物界面的位置和及其力学性质。
本发明利用海水-沉积物界面两侧悬沙浓度和流体粘度的显著差异来确定该界面的具体位置，其与现有技术相比具有以下优点：
(1)结构简单，可操作性较强，既可单独下放至海底，也可搭乘在海洋深潜器上使用；
(2)测量结果准确，与水声探测和实验室测量相比，误差明显缩小；
(3)可精确测量海水-沉积物界面附近区域不同剪切速度下流体的粘度以及泥沙浓度等数据。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。