一種深海底超孔隙水壓力測量探桿量程保護裝置，包括外徑等于探桿內徑的中部套管，其內腔與探桿管壁的透水石相連通，其將超孔壓探桿內部分隔為上下兩腔由貫穿中部套管的連通管相連通，中部套管上方設有內含光纖光柵壓差式傳感器的上部套管、下方設有內含壓力彈簧、側面設有透水孔的下部套管，且壓力彈簧頂端連接一活塞。本發明專利技術結構簡單、成本低、工作可靠，能夠在不影響超孔壓測量探桿正常使用的情況下實現量程保護，很好的解決基于光纖光柵壓差式傳感器的超孔壓測量探桿布放過程中出現的超量程難題。探桿在貫入沉積物過程中，外側環境產生的超孔壓過大時裝置使管內外壓力值達到平衡；貫入完成后隨著超孔壓的消散，裝置會隔斷管內管外的聯系。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種深海底超孔隙水壓力測量探桿量程保護裝置，用于實現探桿貫入沉積物過程中傳感器的自我保護，屬于海洋觀測
技術介紹
深海底工程地質原位觀測是海洋科學向深海進軍的重要手段，對于揭示深海動力作用下現代沉積物發生的動態響應過程、深入認識海洋動力地質過程具有重要作用。孔隙水壓力(以下簡稱孔壓)作為反映海床沉積物特征是敏感指標，其變化能夠導致沉積物強度降低，甚至發生液化，進而造成海底滑坡等地質災害。為實現對深海底孔壓的直接觀測，普遍使用的方法是布放孔壓探桿，深海海域由于水深極大，考慮成本等問題，普通的布放方法如鉆孔法、鉆孔壓入法等存在較大的實施難度，因此一般采用重力式貫入的方法，依靠自重將設備壓入到海床沉積物中。孔壓測量探桿一般使用的是傳統的孔壓傳感器(電測式、流體壓力式等)，由于深海嚴峻、惡劣的環境，使得傳統的傳感器面臨無法工作、被腐蝕、量程不足、精度不足等問題，往往無法用于深海長期原位觀測。而光纖光柵傳感器憑借其耐腐蝕、抗電磁干擾、精度高、結構簡單、體積小、能耗少等優勢，在海洋觀測領域有極大的發展空間。反應海底沉積物動力特征的是超孔壓，而非靜孔壓。直接對海床超孔壓的觀測，對于海底動力地質過程的研宄有更大的幫助。基于光纖光柵壓差式孔壓傳感器制作的超孔壓測量探桿，可以實現對超孔壓的直接、高精度測量。壓差式傳感器可以測量作用在傳感器上的兩個壓力之差。探桿為密封桿，傳感器位于探桿內部，貫入沉積物中之后的姿態為頂端一段位于海水中，下部探桿處于沉積物中；頂端連接有管道可以連通上部海水，將靜水壓力弓I入探桿內部，此壓力通過內部結構會作用在壓差式傳感器的其中一側；探桿外壁受到來自沉積物的土-水總壓力作用，傳感器位置處管壁安裝有透水石，可將外部環境的總水壓力導入管內，此壓力通過內部結構會作用在壓差式傳感器的另一側，通過此壓差的測量即可得到該位置處沉積物的超孔壓值。但此種傳感器存在一定的缺陷，在壓差超過量程一定范圍時，會造成光纖的拉伸斷裂，只有受到一定程度的壓縮使其處于松弛狀態時才是安全的。采用重力式貫入的方法，貫入過程中產生的極大超孔壓會使得光纖受拉斷裂，從而使得設備損壞，試驗準備階段耗費了大量人力、物力、財力及時間，但卻會因此而功虧一簣，目前尚未有一種深海底超孔隙水壓力測量探桿量程保護裝置。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種深海底超孔隙水壓力測量探桿量程保護裝置，以克服現有技術的不足。—種深海底超孔隙水壓力測量探桿量程保護裝置，該量程保護裝置安裝于圓柱形結構的超孔壓探桿內部，其特征在于該量程保護裝置包括外徑等于超孔壓探桿內徑的中部套管，該中部套管的內腔與設置在探桿管壁上的透水石相連通，且中部套管將超孔壓探桿內部分隔為上下兩腔、并設有上下貫穿中部套管的連通管，所述的上下兩腔經由連通管相互連通，中部套管上方設有一個直徑小于中部套管的上部套管，所述上部套管內含與中部套管內腔的相連通的光纖光柵壓差式傳感器，中部套管下方設有一個直徑小于中部套管的下部套管，該下部套管頂部與中部套管內腔的相連通、底部封閉且設有壓力彈簧、側面設有透水孔，且壓力彈簧頂端連接一在下部套管內上下活動的活塞，活塞受壓力彈簧的支撐而位于下部套管上部時，中部套管的內腔與超孔壓探桿下腔不相互連通，活塞上端部受力而向下運動壓縮壓力彈簧并低于透水孔上邊緣時，中部套管的內腔與超孔壓探桿下腔通過透水孔相互連通。上述活塞四周固定有密封圈。所述透水石與探桿管壁之間設有密封裝置。所述中中部套管與探桿管壁之間設有密封裝置。實際使用時，可將上述壓力彈簧的彈性設計為滿足以下條件:光纖光柵壓差式傳感器的滿量程為FS，當壓力？1達到傳感器量程0.8倍時，開始推動活塞向下運動，當P 1達到傳感器量程0.9倍，即P1= 0.9FS時，活塞位置會低于透水孔上邊緣。探桿貫入海底床過程中，桿受巨大的壓力擠入沉積物中，會在管壁與沉積物接觸區域瞬間產生極高的超孔壓，水壓力會通過透水石傳入探桿內部。壓力推動活塞向下移動，移動到一定位置時，會通過下部套管的透水孔實現探桿內外的貫通，此時探桿內外的壓力平衡，使得光纖光柵壓差式傳感器不會因外界環境壓力較大而出現超出量程的情況，保護光纖不受損壞。隨著超孔壓消散，外部環境壓力減小，活塞逐漸上移，當壓力值減小到一定程度時，透水孔被封閉，此時探桿內外壓力不再平衡，傳感器測量值即為周圍環境總水壓力與該位置處靜孔隙水壓力之差。本專利技術結構簡單、制作成本低、工作可靠，能夠在不影響超孔壓測量探桿正常使用的情況下實現量程保護。探桿在貫入沉積物過程中，外側環境產生的超孔壓過大時，裝置會自動貫通管內外側，使得管內外壓力值達到平衡，進而實現對光纖光柵壓差式傳感器的保護；貫入完成后，隨著超孔壓的消散，裝置會自動關閉，隔斷管內外兩側的聯系，傳感器開始測量內外側的壓差。能夠很好的解決基于光纖光柵壓差式傳感器的超孔壓測量探桿布放過程中出現的超量程難題。【附圖說明】圖1為本專利技術的立體結構示意圖。圖2為本專利技術的剖視圖。圖3為本專利技術的保護裝置在探桿貫入海底沉積物過程中示意圖。圖4為本專利技術的保護裝置在環境超孔壓消散、開始測量示意圖。圖中，1、上部套管，2、中部套管，3、下部套管，4、光纖光柵壓差式傳感器，5、連通管道，6、活塞，7、壓力彈簧，8、探桿管壁，9、透水石，10、透水孔，11、密封圈。【具體實施方式】如圖1、2所示，一種深海底超孔隙水壓力測量探桿量程保護裝置，該量程保護裝置安裝于圓柱形結構的超孔壓探桿內部，其特征在于該量程保護裝置包括外徑為超孔壓探桿內徑的中部套管2，該中部套管2的內腔與設置在探桿管壁8上的透水石9相連通，且中部套管2將超孔壓探桿內部分隔為上下兩腔、并設有上下貫穿中部套管2的連通管5，所述的上下兩腔經由連通管5相互連通，中部套管2上方設有一個直徑小于中部套管2的上部套管1，所述上部套管I內含與中部套管2內腔的相連通的光纖光柵壓差式傳感器4，中部套管2下方設有一個直徑小于中部套管2的下部套管3，該下部套管3頂部與中部套管2內腔的相連通、底部封閉且設有壓力彈簧7、側面設有透水孔10，且壓力彈簧7頂端連接一在下部套管3內上下活動的活塞6，活塞6受壓力彈簧7的支撐而位于下部套管3上部時，中部套管2的內腔與超孔壓探桿下腔不相互連通，活塞6上端部受力而向下運動壓縮壓力彈簧7并低于透水孔10上邊緣時，中部套管2的內腔與超孔壓探桿下腔通過透水孔10相互連通。如圖3所示，探桿貫入海底床過程中，桿受巨大的壓力擠入沉積物中，會在管壁與沉積物接觸區域瞬間產生極高的超孔壓，令管外側的水壓力為P1，壓力P1會通過透水石9傳入管內。下部套管3結構設計有四個長條型的透水孔10，光纖光柵壓差式傳感器4的滿量程為FS，當壓力？:達到傳感器量程0.8倍，即P 0.8FS (滿量程)時，開始推動活塞6向下運動，此時活塞6上側受到壓力P1作用。當P 1達到傳感器量程0.9倍，即P 1= 0.9FS時，活塞6位置會低于透水孔上邊緣，此時壓力彈簧7所受壓力F = P1= 0.9FS。外側水壓力通過透水孔10傳入到管內，整根探桿通過連通管道5聯接是貫通的，令此時管內的水壓力為P2，管內孔壓暫時與管外側平衡，即光纖光柵壓差式傳感器4兩側受到相同的力作用P1=P2。此時傳感器測得的壓差本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種深海底超孔隙水壓力測量探桿量程保護裝置，該量程保護裝置安裝于圓柱形結構的超孔壓探桿內部，其特征在于該量程保護裝置包括外徑等于超孔壓探桿內徑的中部套管(2)，該中部套管(2)的內腔與設置在探桿管壁(8)上的透水石(9)相連通，且中部套管(2)將超孔壓探桿內部分隔為上下兩腔、并設有上下貫穿中部套管(2)的連通管(5)，所述的上下兩腔經由連通管(5)相互連通，中部套管(2)上方設有一個直徑小于中部套管(2)的上部套管(1)，所述上部套管(1)內含與中部套管(2)內腔的相連通的光纖光柵壓差式傳感器(4)，中部套管(2)下方設有一個直徑小于中部套管(2)的下部套管(3)，該下部套管(3)頂部與中部套管(2)內腔的相連通、底部封閉且設有壓力彈簧(7)、側面設有透水孔(10)，且壓力彈簧(7)頂端連接一在下部套管(3)內上下活動的活塞(6)，活塞(6)受壓力彈簧(7)的支撐而位于下部套管(3)上部時，中部套管(2)的內腔與超孔壓探桿下腔不相互連通，活塞(6上端部受力而向下運動壓縮壓力彈簧(7)并低于透水孔(10)上邊緣時，中部套管(2)的內腔與超孔壓探桿下腔通過透水孔(10相互連通。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉濤，崔逢，賈永剛，郭磊，張美鑫，李洪利，
申請(專利權)人：中國海洋大學，
類型：發明
國別省市：山東;37
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