一种海底沉积物柱状取样技术的磁补偿测试装置

1.本实用新型涉及海洋磁学研究的技术领域，更具体地说，是涉及一种海底沉积物柱状取样技术的磁补偿测试装置。


背景技术：

2.在海洋磁学研究中，通过对海底沉积物样品采集，以及对沉积物剩余磁性进行测量和数据整理，可以有效地揭示沉积过程中所记录的古地磁场变化过程信息。一般程序是：首先，在野外采集古地磁样品，并对样品定向；其次，在室内测量剩磁信息；最后，通过换算还原样品中古地磁场的记录信息。在陆域，因样品采集所配套的定向技术门槛低，易实现，目前的陆地古地磁定向采样成为常规技术。然而，在海域，受海底定向技术限制，在深海沉积物古地磁采样中，很难在取样器上配备定向方位仪。因此，现今的深海沉积物古地磁采样只有上下定向信息，海洋沉积物磁学研究中只有磁倾角随深度不同的变化信息。此外，中低纬度海域的磁倾角较小，分辨率低，若无磁偏角信息，会严重影响海洋沉积物古地磁研究成果的质量，使得研究工作具有区域局限性。因此，在海底沉积物定向采样之前进行磁补偿校正，对于推动该学科的发展、解决更多的科学问题至关重要。
3.传统定向设备通常分“光纤惯导”和“磁罗盘定向”两大类。其中，光纤陀螺(也称寻北仪)技术不受海底设备的磁性与电磁干扰，系统定向精度高，但结构复杂、价格昂贵、功耗大和时间累积误差大，难以满足工程应用中快速定向的需求。矢量磁力仪，也称为磁方位仪，其简易便捷，可快速连续采集姿态测量信息；但磁方位仪易受设备周围的环境磁场影响，尤其是海底设备大多数为铁磁性材料加工制作的，设备所产生的附加磁场会导致测量误差(常称之为罗差)，需要罗差改正(磁补偿)来压制附加磁场的干扰。
4.用于海底沉积物古地磁学研究的地质取样设备通常为海底沉积物重力柱状取样器。受到海底取样装备与技术等限制，柱状取样器的取样长度一般在几米到几十米范围内，通常为十米范围内。倘若要获取更长的岩芯，对于柱状取样器的尺寸和重量，地质绞车与缆绳破断力等技术性能都会特殊的要求。如果要获得海底取样过程的姿态的信息，就需要在柱状取样器的取样管或承重头上安装一个磁方位仪。采样前或后，需要对装有磁方位仪的取样设备做罗差测试，然后再做磁补偿改正。
5.对安装有磁方位仪的海底沉积物柱状取样器进行磁补偿改正，需做以下几项工作：1)选择一个弱磁或梯度小的磁环境；2)搭建一个台子，具备对安装有磁方位仪的柱状取样器在开阔地带能旋转；3)随高精度的定向设备一起顺时针和逆时针各旋转数圈，同步记录两者的定向测量信息。若对安装有磁方位仪的重力取样器在垂直姿态下进行罗差改正，再顺时针或者逆时针旋转数圈的话，以6米的柱状取样管为例，就需要搭建一个超过7.5米高的无磁性塔台(取样管长度与塔台高度之比为0.8)。
6.鉴于柱状取样器自身重量和工程塑料材料强度等因素限制，塔建旋转高台，要考虑制作难度、运维难度、成本，还有安全隐患等问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的是提供一种安全可靠、制作简单、成本低廉、用于海底沉积物柱状取样技术的磁补偿测试装置，以克服现有技术中旋转高台成本消耗大、运维难度高的问题。
8.本实用新型上述目的通过以下技术方案实现：
9.一种海底沉积物柱状取样技术的磁补偿测试装置，该装置包括旋转台，所述旋转台的顶部放置有海底沉积物柱状取样器，所述海底沉积物柱状取样器沿长度延伸方向依次包括取样管、承重头和取样口，所述取样管前端安装有磁方位仪，所述旋转台能够带动所述海底沉积物柱状取样器在水平面上绕自身转动，并调节所述海底沉积物柱状取样器在竖直面上的放置角度。
10.作为本实用新型的进一步优化方案，所述旋转台由下往上依次为回转平台、取样器架高用的基座以及调节取样器摆放角度的摇摆架，所述回转平台用于带动其上的所述基座和摇摆架沿自身回转，所述摇摆架与基座转动连接，能调整所述海底沉积物柱状取样器摆放时的倾斜角度。
11.作为本实用新型的进一步优化方案，所述回转平台设有相互平行的上底板和下底板，两底板通过转轴活动连接，所述上底板的底壁沿着转轴周向安装有若干个导向滚轮，所述导向滚轮的下轮面与所述下底板的顶壁抵接，从而实现两底板的相互转动。
12.作为本实用新型的进一步优化方案，所述下底板贯穿设置有若干个朝下的调平螺栓，所述调平螺栓沿着所述转轴的周向均匀分布，用于对所述旋转台水平校正。
13.作为本实用新型的进一步优化方案，所述基座的底部与所述上底板的顶面连接，所述基座为直立的方框结构，其内部放置有所述摇摆架，所述基座两个平行的侧壁在靠近顶部区域均设置有沿同一轴线分布的基座通孔，所述摇摆架通过其对应的孔位与所述基座通孔对正并进行枢接；所述摇摆架顶面设置有两个以上沿直线排列的凹槽，所述承重头搭置在所述凹槽之内，所述凹槽的轴线与所述基座通孔轴线相互垂直，使得所述沉积物柱状取样器能够绕着所述基座的通孔作上下摆动。
14.作为本实用新型的进一步优化方案，所述基座在面向所述凹槽的侧壁上设有相应的避位槽。
15.作为本实用新型的进一步优化方案，所述旋转台采用无铁磁性材料制成。
16.作为本实用新型的进一步优化方案，所述回转平台、取样器调节基座以及摇摆架均采用工程塑料。
17.作为本实用新型的进一步优化方案，所述回转平台上固定安装有光纤罗经，所述磁方位仪内部配置有三分量磁通门磁力仪传感器和倾角传感器，所述光纤罗经和磁方位仪的0
°
指向保持一致；其中所述光纤罗经给出所述回转平台航向角的参考值，所述三分量磁通门磁力仪传感器用于测量磁方位仪所在载体坐标系下的三轴分量和磁航向角，所述倾角传感器用于测量磁方位仪的摇滚角和俯仰角，上述数据用于解算得出经磁补偿之后的磁方位仪在磁地理坐标系下的航向角。
18.作为本实用新型的进一步优化方案，所述光纤罗经为octance罗经，所述姿态传感器为mems传感器。
19.与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
20.在海底沉积物柱状取样过程中，需要将所述沉积物柱状取样器惯入到海底沉积物之中，通常其姿态是垂直或者近似垂直的，即安装在取样器上的磁方位仪监测到的姿态信息也是垂直或者近似垂直的。如果柱状取样器的磁补偿改正的罗差测试与实际野外作业时柱状取样器两者的姿态近似，那么，旋转台将搭建得相当高，大大增加了制作与运维成本。
21.本实用新型针对此技术弊端，提出了将海底沉积物柱状取样器以一定角度倾斜放置以进行磁补偿校正的技术方案，即把已安装磁方位仪的沉积物柱状取样器放置在一旋转台之上，在所述旋转台的带动下，取样仪器能在原地作顺时针和逆时针旋转，从而实现磁干扰的平面补偿补正；此外，取样仪器还能相对于旋转台基座倾斜放置并调整放置角度，且实现倾斜状态下的补偿补正。
22.出于本装置朝向灵活的结构特点，以及倾斜状态下的磁补偿方法，本装置在深海沉积物的定向采样中获取磁地理坐标系下的水平定向信息以及三维姿态测量信息，本装置还能适合在中低纬度海域磁倾角偏小的情况，有效获取各种海域的磁偏角信息，一定程度上促进了海洋沉积物古地磁研究成果的质量和适用范围。
23.综上，本装置设计巧妙、结构简明，可降低搭建平台的所需高度和占用体积，安全可靠，大大降低了使用成本，在海洋磁学研究领域的海底沉积物定向采样技术方向具有至关重要的启示性意义，具有显著的推广应用价值。
附图说明
24.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
25.图1为本磁补偿测试装置的总装配图；
26.图2为本实用新型的沉积物柱状取样器的结构示意图；
27.图3为本实施例的基座的结构示意图；
28.图4为本实施例的摇摆架的结构示意图；
29.图5(a)为本实施例的回转平台的立体图；
30.图5(b)为本实施例的回转平台的俯视图；
31.图5(c)为本实施例的回转平台的局部剖视图；
32.图6(a)为柱状取样器坐标系与磁坐标系之间的关系示意图；
33.图6(b)为地磁极与地理北极的关系示意图；
34.图7为磁补偿之前的光纤罗经和磁方位仪测量对比曲线；
35.图8为磁补偿之前的测量偏差曲线；
36.图9为磁补偿之后的光纤罗经和磁方位仪测量对比曲线；
37.图10为磁补偿之后的测量偏差曲线；
38.图中，1
‑
旋转台；11
‑
回转平台；111
‑
上底板；112
‑
下底板；113
‑
转轴；114
‑
导向滚轮；115
‑
调平螺栓；12
‑
基座；121
‑
基座通孔；122
‑
避位槽；13
‑
摇摆架；131
‑
凹槽；132
‑
摇摆架通孔；2
‑
沉积物柱状取样器；21
‑
取样管；22
‑
承重头；23
‑
取样口；24
‑
磁方位仪；3
‑
光纤罗经。
具体实施方式
39.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
40.如图1、2所示，本实施例提供了一种海底沉积物柱状取样技术的磁补偿测试装置，包括有旋转台1，所述旋转台1的顶部设置有沉积物柱状取样器2，所述沉积物柱状取样器2包括取样管21、承重头22和取样口23，所述取样管21前端安装有磁方位仪24；所述旋转台1由下往上依次包括回转平台11、取样器架高用的基座12以及调节海底沉积物柱状取样器2摆放角度的摇摆架13；
41.所述回转平台11上使用无磁性铜螺杆刚性安装有octance光纤罗经3，所述磁方位仪24内部配置有三分量磁通门磁力仪传感器和mems倾角传感器(图中未示出)，所述光纤罗经3和磁方位仪的0
°
指向须保持一致；其中所述光纤罗经3给出所述回转平台11航向角的参考值，所述三分量磁通门磁力仪传感器用于测量磁方位仪24所在载体坐标系下的三轴分量和磁航向角，所述倾角传感器用于测量磁方位仪24的摇滚角和俯仰角；
42.所述旋转台1的回转平台11能够带动所述海底沉积物柱状取样器2在原地作顺时针和逆时针旋转，从而实现磁干扰的平面补偿补正，所述旋转台1的摇摆架13还能调整所述海底沉积物柱状取样器2放置时的倾斜角度，并实现倾斜状态下的磁补偿校正。
43.具体地说，如图5(a)(b)(c)所示，所述回转平台11设有相互平行的上底板111和下底板112，其中，所述下底板112贯穿设置有若干个朝下的调平螺栓115，所述调平螺栓115沿着所述转轴113的周向均匀分布，用于对所述旋转台水平校正，用户在磁补偿测试之前配合水平仪等校正仪器，适当调整所述调平螺栓115的旋合长度，即能实现所述回转平台11的位置调平；所述上底板111与下底板112均为大小一致的圆盘形状，两者圆心处通过转轴113活动连接，所述上底板111的底壁沿着转轴113周向安装有若干个导向滚轮114，所述导向滚轮114的下轮面与所述下底板112的顶壁抵接，从而实现所述上底板111相对于下底板112的平稳转动，为所述回转平台11上方的所述海底沉积物柱状取样器2的磁场平面校准运动提供基础。
44.补充说明的是，对于体积相对较小的采样设备，也可将其直接放置在所述回转平台11上进行磁补偿改正的测试。
45.如图3、图4所示，本实施例中，所述基座12为直立的方框结构，其内部放置有所述摇摆架13，所述基座12的底部与所述上底板111连接，所述基座12两个平行的侧壁在靠近顶部区域均设置有沿同一轴线分布的基座通孔121，所述摇摆架13通过其对应的摇摆架通孔132与所述基座通孔121对正并进行枢接，以此实现转动连接；所述摇摆架13顶面设置有两个以上沿直线排列的凹槽131，所述承重头22搭置在所述凹槽131之内，所述凹槽131的轴线与所述基座通孔121轴线相互垂直，使得所述沉积物柱状取样器2能够绕着所述基座通孔121作上下摆动。
46.所述基座12与摇摆架13的配置，是本实用新型实现所述沉积物柱状取样器2倾斜放置并有效采样的关键因素，当中参考了杠杆的设计原理，将所述承重头22搭置在所述摇摆架13上，也就是将取样器里面重量最大的部件放置于杠杆机构的旋转点，所述沉积物柱
状取样器2自身的结构组成也使得其在所述摇摆架13两侧的臂长相差较大，形成了取样管21在长臂受力少易于调节管身角度、承重头22在短臂受力多易于稳定方位的有利效果。
47.应当注意的是，在磁补偿校正的过程中，所述取样管21也就是磁方位仪24相对于水平面的倾斜角须大于15
°
，优选为20
°
，这是因为所述磁方位仪24通过集成三分量磁通门传感器和姿态传感器技术的测量数据解算方位角，如图6(a)所示，磁方位仪24在某个状态时，姿态传感器测量获得的摇滚角为θ，俯仰角为φ，三分量磁通门传感器载体坐标系(xyz)下的磁场矢量为x
′
、y
′
、z
′
，则航向角γ的计算过程如下：
[0048][0049][0050]
其中：
[0051]
h
x
＝cos(φ)x
′
+sin(θ)sin(φ)y
′‑
cos(θ)sin(φ)z
′
[0052]
h
y
＝cos(θ)y
′
+sin(θ)z
′
[0053]
则当θ≈π/2时：
[0054]
h
x1
＝cos(φ)x
′
+sin(φ)y
′
[0055]
h
y1
＝sin(θ)z
′
[0056]
此时磁方位仪24虽然仍有输出，但是h
y1
中不再包含y
′
的投影，即测量的航行角不能反应实际的航向角。也就是说航向测量的误差主要与摇滚角θ的大小相关，摇滚角θ越大，航向测量误差就越大。当沉积物柱状取样器2水平摆放时，磁方位仪24甚至不能给出实际的航向角，也就是其摆放越倾斜，测量误差就越小。
[0057]
针对上述原理，在弱磁的实验环境中，申请人对磁方位仪24在多个放置角度的测量值进行对比，结果表明：当保持磁方位仪24的摇滚角θ不超过75
°
的时候，甚至测量的航向角γ与θ近似0
°
时(取样器垂直状态)，测量航向角之间的偏差小于1
°
，当然此误差也会随着环境磁扰的强度增加会增大。
[0058]
基于上述理论原理和实验数据，本技术方案提出：为保证磁补偿参数测试的准确度，在做沉积物柱状取样器2的磁补偿改正的罗差测试过程中，沉积物柱状取样器2摆放在回转平台11上的倾斜角须大于15
°
。
[0059]
本实施例中，为保证所述沉积物柱状取样器2在竖直面上的有效摆动，建议所述基座12在面向所述凹槽131的侧壁上设有相应的避位槽122。当然，所述摇摆架13顶面也可以设置成高出所述基座12顶面一定距离，也能基本起到避位作用，所以在此不对所述基座的避位形式作具体限定。
[0060]
本实施例中，为实现上述强有力的支撑效果，并且避免引起场地的地磁干扰，所述回转平台11、基座12以及摇摆架13均采用强度较高的工程塑料，当中的安装零件例如调平螺栓115则采用铜、铜合金等无磁性材料制成。
[0061]
为保证定向采样的测量准确度，在此简述一下本磁补偿改正装置的补偿改正过程：
[0062]
第一步、在磁方位仪24安装的设备上建立坐标系以作为载体坐标系，其中柱状取
样器坐标系与磁坐标系之间关系示意图，见图6(a)所示：选择三分量磁通门磁力仪传感器载体为磁方位仪坐标系原点，在步骤1.5中，倾角传感器测量获得的摇滚角为θ，俯仰角为φ，三分量磁通门磁力仪传感器载体坐标系(xyz)下的磁场矢量为x'、y'、z'，则罗差补偿前磁方位仪的航向角γ的计算过程如下：
[0063][0064][0065]
其中：
[0066]
h
x
＝cos(φ)x
′
+sin(θ)sin(φ)y
′‑
cos(θ)sin(φ)z
′
[0067]
h
y
＝cos(θ)y
′
+sin(θ)z
′
[0068]
第二步、推动回转平台11按顺时针方向旋转二圈，采样间隔为2s，每旋转15
°
停顿记录时间不少于60s，首个记录和末次记录重复三次，共25个记录；再按逆时针方向旋转2圈，采集数据方法与顺时针方向相同。将每组数据进行筛选后计算平均值作为测量结果，本文试验共获取50组的测量时间、光纤罗经3参考值和磁方位仪24的测量值。对方位角数据进行求平均，按每15
°
提取一组数据(光纤罗经3航向角以及磁方位仪24的俯仰角、摇滚角、磁场矢量)进行平均计算，获得24组计算值，具体测量整理成表；
[0069]
第三步、将第二步测量到的24组光纤罗经航向角数据代入误差方程如公式(1)以及矩阵公式(2)，求解方程组即可求得罗差补偿系数c，在此算出罗差补偿系数为a、b、c、d、e；
[0070]
u
·
c＝h
ꢀꢀ
(1)
[0071]
c＝(u
t
u)
‑1u
t
h
ꢀꢀ
(2)
[0072]
其中：
[0073][0074]
第四步、将第一步计算得出的罗差补偿前磁方位仪24的输出航向值γ和第三步计算得出的罗差补偿系数代入到公式(3)，计算得出总罗差：
[0075]
δγ＝a+b sinγ+c cosγ+d sin(2γ)+e cos(2γ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0076]
第五步、用公式(4)得到罗差补偿后的磁航向角γ
c
：
[0077]
γ
c
＝γ
‑
δγ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0078]
其中，δγ为总罗差，γ为罗差补偿前磁方位仪的输出航向值，γ
c
为罗差补偿后的磁地理坐标系下的实际磁方位角；将安装在沉积物柱状取样器上的磁方位仪实测数据γ减去总罗差δγ，即能得出磁地理坐标系罗差补偿改正后的航向角值γ
c
。
[0079]
当然，应可理解的是，如图6(b)所示，由于磁补偿测试点的磁坐标南北极与地理南北极之间存在着一个磁偏角，因此把磁地理坐标下的航向角值经过当地的磁偏角修正之后，方可得到最终的地理坐标下的航向角。
[0080]
磁干扰软补偿之后，还需对磁方位仪24进行精度评估，具体做法是以参考设备的测量值为基准值(即光纤罗经3的实测值)，补偿计算后的实测数据γc和基准值的差值，可用于计算罗差补偿后的系统误差值，包括最大、最小误差及其误差范围。
[0081]
为了论证本实用新型的作用效果，本实施例采用包含6米取样管和1.5米承重头的沉积物柱状取样器，按照倾斜角20度，并将旋转台的高度为2.3米左右，进行了磁补偿前后的测量误差对比，具体数据可见附图6
‑
9的曲线图。
[0082]
其中图7和图9分别展示了磁补偿前后的光纤罗经3和磁方位仪测量对比曲线(实心曲线为光纤罗经3的航向角曲线，空心的为磁方位仪的航向角曲线)；图8和图10分别展示了磁补偿前后的测量偏差(罗差)曲线。
[0083]
结果表明：通过本发明的磁补偿改正方法，倾斜放置的磁方位仪所得到的测量值与水平放置的光纤罗经3几乎相等，测量曲线接近重合，不存在明显的测量误差，也就是本发明的磁补偿改正方法能够克服海底沉积物柱状取样器的磁干扰，倾斜放置的磁补偿校正方式并不会影响取样器的技术效果。
[0084]
以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。