專利名稱：單艙球三分量海底磁力儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于地球物理測量領域，具體屬于海洋勘測領域，其涉及ー種海底磁場信號探測儀器。
背景技術：
海洋電磁勘探是ー種主要的海洋地球物理探測手段之一，它適用于地震方法不易分辨而電磁方法擁有優勢的區域，例如碳酸鹽礁脈、巖丘、火山巖覆蓋、海底永久凍土帶等。由于海區礦產資源勘探的復雜性和高風險，采用綜合地球物理采集以減少風險，提高成功率己成為發達國家開展海域資源調查的重要手段。電磁法勘探與地震勘探的結合在減少多 解性、降低勘探風險方面效果顯著。同時，在淺海或者灘海區域，電磁勘探還可以用來解決ー些海洋工程問題。目前國內外已投入大量人力物カ進行海洋電磁勘探儀器的研制和應用。海底磁場測量一般采集水平與垂直兩兩正交的三個分量，通常每個分量采用ー個線圈式磁傳感器，為了抵抗海水壓力，每個磁傳感器都有単獨的承壓艙。其它的部件，如數據采集部件、電源等需要另外的承壓艙，而為了實現自動上浮功能，需要多個艙球提供浮力。根據國內外公開的相關專利，海底電磁場裝置一般采用類似技術方案實現海底三分量磁場測量。這種技術方案的系統復雜、體積重量大、功耗高、海上施工不方便。海底磁場觀測的另外一個難題就是儀器姿態的準確檢測。現有技術中將磁傳感器、方位傳感器、姿態傳感器等三個方向傳感器分別在不同承壓艙內封裝，但是這三個傳感器之間的如何協調一致是ー個一直沒有解決的難題。面對海洋勘測的復雜化，對海洋勘測的儀器要求也越來越高。如何解決儀器的小型化、低功耗及準確檢測的問題一直是本領域研究人員關注的熱點暨難點問題。

發明內容
針對現有技術的不足及問題，本發明提出一種體積小且輕便，方便海上施工與投放回收的單艙球三分量海底磁力儀。依據本發明的技術方案，提供一種單艙球三分量海底磁力儀，包括脫鉤機構I、儀器艙2和底座6 ;其中儀器艙2內部固裝有玻璃艙球，脫鉤機構I位于儀器艙2頂端，底座6位于儀器艙2底端；在脫鉤機構I與底座6之間以拉緊鋼絲固接，將儀器艙2固定于底座6中；其中脫鉤機構1，用于單艙球三分量海底磁力儀回收時使儀器艙2與底座6分離；儀器艙2，用于為脫鉤機構I提供固定支點，同時為玻璃艙球8提供防護；所述單艙球三分量海底磁力儀還包括安全圈3、拉緊鋼絲4、鎖緊鏍栓5、底座6、水聲傳感器7、玻璃艙球8、數據采集器9、磁傳感器11、方位傳感器12和姿態傳感器13以及供電裝置15 ;安全圏3，用于儀保護器艙的結構不受損壞，為外徑55cm、內徑45cm、厚O. 6cm的塑料環；拉緊鋼絲4，用于固定脫鉤機構與底座，材質為316 (不銹鋼型號)不銹鋼，直徑3mm ;鎖緊鏍栓5，用于緊固拉緊鋼絲4與底座6，鎖緊鏍栓5的材質為型號為316的不銹鋼；底座6，用于提供儀器艙2的重力牽引和保護，底座6采用玻璃鋼材料；水聲傳感器7，用于水聲通訊信號接收與應答，改變所述單艙球三分量海底磁力儀的浮力性質；玻璃艙球8，用于提供單艙球三分量海底磁力儀上升的浮力、防水、耐壓以及內部結構保護，所述玻璃艙球8采用Vitrovex公司生產的17英寸玻璃球，耐壓水深6500m ;數據采集器9、磁傳感器11、方位傳感器12和姿態傳感器13通過固定支架10和耦合支架14安裝于玻璃艙球8內部。安裝于耦合支架上的磁傳感器11，用于檢測三分量磁場信號；安裝于耦合支架上的方位傳感器12，用于檢測單艙球三分量海底磁力儀的方位信息，采用HMR3200型數字羅盤，方向精度1°，分辨率O. 1° ;安裝于耦合支架上的姿態傳感器13，用于檢測單艙球三分量海底磁力儀的傾斜度信息，采用ADXL345數字加速度計，分辨率3. 9mg/LSB ;安裝于固定支架上層的數據采集器9，用于采集和存儲磁傳感器、方位傳感器、姿態傳感器的檢測信息，數據采集器9的放大電路噪音折合到輸入端為IOnv/ V ΗζΟΙΗζ，整體功耗< O. 3W，數據存儲容量為32GB。供電裝置15，用于提供單艙球三分量海底磁力儀的電源，采用UBBL24-FL型號的鋰電池，額定電壓7. 2V，標稱容量4. 8AH。
上述方案中，，玻璃艙球外部頂端固裝有水聲傳感器。玻璃艙球為耐壓空心玻璃球，用于裝置內部結構保護，同時提供整套裝置的浮力。固定支架為雙環狀結構。耦合支架為三角形板狀結構，安裝在固定支架下部，用于固定磁傳感器、方位傳感器和姿態傳感器。優選地，磁傳感器11采用三軸磁通門探頭，該探頭的測量頻率范圍為0-3KHZ，內部噪聲< 6pTrms/ V Ηζ@1Ηζ，外殼尺寸為 3. 2X3. 2X15. 2cm。優選地，所述磁傳感器11、方位傳感器12、姿態傳感器13 —起固定安裝于耦合支架14上；磁傳感器11上有固定孔，通過螺釘固定在耦合支架14的中間位置；方位傳感器12和姿態傳感器13則通過螺釘固定在耦合支架14的邊側。所述數據采集器9采用微功耗24位的模數變換器，功耗小于O. 3W。優選地，脫鉤機構通過螺栓固定安裝于儀器艙的頂端。脫鉤機構為雙層結構，包括不銹鋼鏍柱、環鏍桿支撐板、繞絲固定板，其中，環繞絲固定板和環鏍桿支撐板上下平行設置，以數個不銹鋼鏍柱將兩者固接，不銹鋼鏍柱中的兩個鏍柱穿過繞絲固定板后相互連接，構成吊鉤；鏍桿支撐板內孔直徑與儀器艙頂部外圓直徑相適配。環繞絲固定板上表面設有正極、脫鉤滑塊、繞絲釘、負極，將ー根鋼絲經正極和順序經所有的繞絲釘繞成環，并以鎖緊螺母和繞絲釘固緊定位，在儀器回收時利用海水特性進行電腐蝕熔斷鋼絲，脫鉤滑塊被拉緊鋼絲拉脫開，儀器艙即利用海水浮力上浮，以便回收。依據本發明的第二方面，提供ー種使用前述權利要求所述的單艙球三分量海底磁カ儀的方法，其包括下面步驟I)在將單艙球三分量海底磁力儀投放入海之前，進行各部件功能測試，確認單艙球三分量海底磁力儀功能正常后進入下一歩，否則返回檢修；2)在海面上進行GPS對鐘并設定記錄時間和采集的參數；3)將單艙球三分量海底磁力儀投放入海，并使其在重力作用下沉入海底，按照設定時間和參數連續記錄磁場信號及姿態信息，并儲存在單艙球三分量海底磁力儀中的內部存儲器中；4)回收單艙球三分量海底磁力儀，在該單艙球三分量海底磁力儀所在海域通過聲納系統發出回收信號，單艙球三分量海底磁力儀接到信號后，開始熔斷鋼絲，約5分鐘后儀器艙與底座脫離，儀器艙自動上浮至水面，然后將儀器艙打撈上船；5)提取所記錄的數據進行分析處理。使用本發明的技術方案，可以具有以下有益效果I、本發明提供的這種海底磁力儀，解決了現有海底磁場探測裝置系統復雜、不便于海上投放與回收等問題。2、本發明提供的這種海底磁力儀，磁場信號傳感器不需要単獨用承壓艙分離封 裝，可以與裝置姿態傳感器耦合安裝于同一耦合支架上，降低了磁場信號測量的方位角和傾斜角誤差。3、本發明提供的這種海底磁力儀，裝置整體功耗低，延長了裝置的工作時間，可用于長期留海觀測。


圖I為依照本發明的單艙球海底磁力儀立體結構圖；圖2為依照本發明的單艙球海底磁力儀縱截面示意圖；圖3為依照本發明的單艙球海底磁力儀脫鉤機構示意圖；圖4為依照本發明的單艙球海底磁力儀底座結構示意圖。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。如圖I所示，為本發明的單艙球三分量海底磁力儀立體結構圖，主要由脫鉤機構
I、儀器艙2和底座6三部分組成。將儀器艙2置于底座6上，安全圈3安裝在儀器艙2的中部，脫鉤機構I置于儀器艙2頂端，用多根拉緊鋼絲4纏繞于脫鉤機構I上的固接ロ后，用多個鎖緊螺栓5拉緊多根拉緊鋼絲4，將儀器艙2與底座6固定在一起。所述單艙球三分量海底磁力儀整體結構緊湊、體積小、重量輕，方便海上施工作業。如圖2所示，儀器艙2分為上下半艙，儀器艙2內放置玻璃艙球8，通過螺旋壓緊將玻璃艙球8進行固定。安全圈3為ー圓環狀結構塑料板，通過螺旋壓緊在儀器艙2的上下半艙連接處，用于儀器艙2結構保護。玻璃艙球8分為上下半球，接縫處通過膠泥與膠帶進行密封。水聲傳感器7安裝在玻璃艙球8上半球外部頂端，用于水聲通訊信號接收與應答。玻璃艙球8的內部采用一體化結構，固定支架10安裝在玻璃艙球8內部，數據采集器9安裝在固定支架10的頂部，供電裝置15安裝在固定支架10的周側，耦合支架14安裝在固定支架10的底端。磁傳感器11、方位傳感器12和姿態傳感器13則固定在耦合支架14上。儀器艙2為工程塑料材質，用于單艙球三分量海底磁力儀各部件的機械固定和內部防護。玻璃艙球8采用Vitrovex公司生產的17英寸空心玻璃球，密封后耐壓6500米水深，用于內部組件的耐壓保護，同時提供整個裝置的浮力。磁傳感器11用于檢測海底磁場信號，采用三軸磁通門探頭，探頭測量頻率范圍為0-3KHz,內部噪聲小于6pTrms/ V ΗζΟΙΗζ，外殼尺寸為3. 2X3. 2X15. 2cm，具有體積小、結構緊湊、頻帶范圍寬、噪音低的優點。因為體積小，該部件整體封裝在了玻璃艙球8內，不需要単獨用承壓艙分離封裝，簡化了整體裝置的結構設計。采用緊湊型、寬頻帶、低噪聲三軸磁通門探頭的設計在系統結構、體積重量、功耗、造價、海上施工難度等方面具有明顯的優勢。該探頭可以直接封裝在玻璃艙球內，不需要単獨的承壓艙，降低了測量裝置的體積重量。其功耗小，減少了海底的電池供給需求，延長了留海觀測時間。單艙球的使用簡化了裝置的系統結構，利于海上施工與投放回收。方位傳感器12用于檢測三分量磁通門的X軸與地磁正北方向的磁偏角，采用HMR3200型數字羅盤，帶有數字接ロ，具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點，精度控 制在1°。姿態傳感器13用于檢測三分量磁通門的X軸和Y軸與水平面的傾斜角，采用ADXL345型數字加速度計，其功耗超低，分辨率高(13位)，測量范圍達土 16g，它可以在傾斜檢測應用中測量靜態重力加速度，其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測量不到1.0°的傾斜角度變化。耦合支架14為ー個工程塑料材質的剛性塊體，三角形板狀結構，安裝在固定支架10的底端。磁傳感器11上有固定孔，通過螺釘固定在耦合支架14的中間位置，方位傳感器12和姿態傳感器13則通過螺釘固定在耦合支架14上端的邊側，通過數據線將磁傳感器
11、方位傳感器12和姿態傳感器13連接至數據采集器9。現有技術中的海底磁力儀通常采用分艙體機械固定方式，磁場測量的方位和姿態誤差很難控制，常常大于3°以上。而采用本發明的一體化安裝方式保證了磁場測量與姿態檢測的同軸性，有效降低了分離機械固定帶來的姿態檢測誤差，使檢測誤差基本接近傳感器的指標1°，提高磁場信號測量的準確度。具體地，將磁傳感器、方位傳感器、姿態傳感器一起固定安裝于耦合支架上降低了磁信號測量的方位角和傾斜角誤差，將實際姿態的精度控制在加速度計和方向傳感器的誤差范圍內。相比三個方向的磁傳感器和方位傳感器、姿態傳感器分別在不同承壓艙內封裝，提高了姿態測量的精度。數據采集器9用于各傳感器檢測信號的采集和存儲，其中a)前放電路信號輸入端加配一階無源LC低通抗混疊濾波器，采用極低噪音精密雙運算放大器構成儀器放大電路，増益為30dB，放大電路噪音折合到輸入端為IOnv/ V Ηζ@1Ηζ，具有很高的抗干擾能力；b)儀器采用溫補晶振構成的振蕩電路作為內部時鐘，在0°C至4°C溫度范圍內其精度優于5X10—8 ；c)數據存儲容量為32G ；d)采用CMOS型器件，低電壓供電，較低頻率的工作時鐘，同時降低系統的無功功耗，整體功耗< O. 3W。整體裝置的功耗低減輕了電源供應負擔，保證了留海作業時間。供電裝置15采用鋰電池，每臺海底磁力儀采用10枚IOAH鋰電池，通過塑料扎帶將鋰電池安裝于固定支架10的四周側面。如圖3所示，脫鉤機構I為雙層結構，包括不銹鋼鏍柱16、環鏍桿支撐板17、繞絲固定板21，其中，環繞絲固定板21和環鏍桿支撐板17上下平行設置，以數個不銹鋼鏍柱16將兩者固接，不銹鋼鏍柱16中的兩個鏍柱穿過繞絲固定板21后相互連接，構成吊鉤20 ;環鏍桿支撐板17內孔直徑與儀器艙2頂部外圓直徑相適配。繞絲固定板21上表面設有正極24、脫鉤滑塊18、繞絲釘19、負極22，正極24、負極22位于繞絲固定板21內孔直徑方向的相對兩側，正極24上套接壓絲墊片15后螺接鎖緊螺母25，負極22上套接負極保護套23，正極24上套接壓絲墊片15后螺接鎖緊螺母25。將ー根鋼絲經正極24和順序經所有的繞絲釘19繞成環，并以鎖緊螺母25和繞絲釘19固緊定位，將脫鉤滑塊18固于繞絲固定板21上，鋼絲與兩負極22觸接。在儀器回收時利用海水特性，在兩熔斷點處進行電腐蝕鋼絲，脫鉤滑塊18被拉緊鋼絲4拉脫開，儀器艙2即利用海水浮力上浮。本實施實例未在說明書附圖中詳細示出脫鉤機構I，其具體結構請參閱本申請人業已公開的技術資料。如圖4所示，底座6采用玻璃鋼材料制成，在井字形上表面中部固設ー圓盤，圓盤的直徑與儀器艙2底部外圓相適配，用于固定儀器艙2底部。底座6底部周緣處均勻分布著8個鎖緊鏍栓5 ;鎖緊螺栓5與拉緊鋼絲4下端可拆卸的固接，通過四根耐腐蝕拉緊鋼 絲4與脫鉤機構I緊密相連，其重量和體積適合于在下沉過程中控制下沉速度和下沉姿態，以及當儀器沉入海底時能夠保持正確姿態，并為海底磁力儀在海底工作提供穩定可靠的基座。儀器接到釋放信號后，儀器艙2上浮，底座留在海底。單艙球三分量海底磁力儀的工作流程為1)在將單艙球三分量海底磁力儀投放入海之前，進行各部件功能測試，確認單艙球三分量海底磁力儀功能正常后進入下一歩，否則返回檢修；2)在海面上進行GPS對鐘并設定記錄時間和采集的參數；3)將單艙球三分量海底磁力儀投放入海，并使其在重力作用下沉入海底，按照設定時間和參數連續記錄磁場信號及姿態信息，并儲存在單艙球三分量海底磁力儀中的內部存儲器中；4)回收單艙球三分量海底磁力儀，在該單艙球三分量海底磁力儀所在海域通過聲納系統發出回收信號，單艙球三分量海底磁力儀接到信號后，開始熔斷鋼絲，約5分鐘后儀器艙與底座脫離，儀器艙自動上浮至水面，然后將儀器艙打撈上船；5)提取所記錄的數據進行分析處理。以上所述的具體實施實例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進ー步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施實例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種單艙球三分量海底磁力儀，包括脫鉤機構(I)、儀器艙(2)和底座￠);其中儀器艙(2)內部固裝有玻璃艙球，脫鉤機構(I)位于儀器艙(2)頂端,底座(6)位于儀器艙(2)底端；在脫鉤機構⑴與底座(6)之間以拉緊鋼絲固接，將儀器艙(2)固定于底座(6)中； 其特征在于 脫鉤機構(I)，用于單艙球三分量海底磁力儀回收時使儀器艙(2)與底座(6)分離； 儀器艙(2)，用于為脫鉤機構(I)提供固定支點，同時為玻璃艙球(8)提供防護； 所述單艙球三分量海底磁力儀還包括安全圈(3)、拉緊鋼絲(4)、鎖緊鏍栓(5)、底座(6)、水聲傳感器(7)、玻璃艙球(8)、數據采集器(9)、磁傳感器(11)、方位傳感器(12)和姿態傳感器(13)以及供電裝置(15)； 安全圈(3)，用于儀保護器艙的結構不受損壞，為外徑55cm、內徑45cm、厚O. 6cm的塑料環； 拉緊鋼絲(4)，用于固定脫鉤機構與底座，材質為316(不銹鋼型號)不銹鋼，直徑3mm; 鎖緊鏍栓(5)，用于緊固拉緊鋼絲(4)與底座(6)，鎖緊鏍栓(5)的材質為316不銹鋼； 底座(6)，用于提供儀器艙(2)的重力牽引和保護，底座(6)采用玻璃鋼材料； 水聲傳感器(7)，用于水聲通訊信號接收與應答，改變所述單艙球三分量海底磁力儀的浮力性質； 玻璃艙球(8)，用于提供單艙球三分量海底磁力儀上升的浮力、防水、耐壓以及內部結構保護，所述玻璃艙球(8)采用Vitrovex公司生產的17英寸玻璃球，耐壓水深6500m ；數據采集器(9)、磁傳感器(11)、方位傳感器(12)和姿態傳感器(13)通過固定支架(10)和耦合支架(14)安裝于玻璃艙球⑶內部。
安裝于耦合支架上的磁傳感器(11)，用于檢測三分量磁場信號； 安裝于耦合支架上的方位傳感器(12)，用于檢測單艙球三分量海底磁力儀的方位信息，采用HMR3200型數字羅盤，方向精度1°，分辨率0.1° ； 安裝于耦合支架上的姿態傳感器(13)，用于檢測單艙球三分量海底磁力儀的傾斜度信息，采用ADXL345數字加速度計，分辨率3. 9mg/LSB ； 安裝于固定支架上層的數據采集器(9)，用于采集和存儲磁傳感器、方位傳感器、姿態傳感器的檢測信息，數據采集器(9)的放大電路噪音折合到輸入端為IOnv/ V ΗζΟΙΗζ，整體功耗< O. 3W，數據存儲容量為32GB。
供電裝置(15)，用于提供單艙球三分量海底磁力儀的電源，采用UBBL24-FL型號的鋰電池，額定電壓7. 2V，標稱容量4. 8AH。
2.按權利要求I所述的單艙球三分量海底磁力儀，其特征在于，玻璃艙球外部頂端固裝有水聲傳感器。
3.按權利要求I所述的單艙球三分量海底磁力儀，其特征在于，玻璃艙球為耐壓空心玻璃球，用于裝置內部結構保護，同時提供整套裝置的浮力。
4.按權利要求I所述的單艙球三分量海底磁力儀，其特征在于，固定支架為雙環狀結構。
5.按權利要求I所述的單艙球三分量海底磁力儀，其特征在于，耦合支架為三角形板狀結構，安裝在固定支架下部，用于固定磁傳感器、方位傳感器和姿態傳感器。
6.按權利要求I所述的單艙球三分量海底磁力儀，其特征在于，所述磁傳感器(11)采用三軸磁通門探頭，該探頭的測量頻率范圍為0-3KHz，內部噪聲< 6pTrms/ V ΗζΟΙΗζ，外殼尺寸為 3. 2X3. 2X15. 2cm。
7.按權利要求I所述的單艙球三分量海底磁力儀，其特征在于，所述磁傳感器(11)、方位傳感器(12)、姿態傳感器(13) —起固定安裝于耦合支架(14)上；磁傳感器(11)上有固定孔，通過螺釘固定在耦合支架(14)的中間位置；方位傳感器(12)和姿態傳感器(13)則通過螺釘固定在耦合支架(14)的邊側。
8.按權利要求I所述的單艙球三分量海底磁力儀，其特征在于，所述數據采集器(9)采用微功耗24位的模數變換器，功耗小于O. 3W。
9.按權利要求I所述的單艙球三分量海底磁力儀，其特征在于，所述脫鉤機構通過螺栓 固定安裝于儀器艙的頂端。脫鉤機構為雙層結構，包括不銹鋼鏍柱、環鏍桿支撐板、繞絲固定板，其中，環繞絲固定板和環鏍桿支撐板上下平行設置，以數個不銹鋼鏍柱將兩者固接，不銹鋼鏍柱中的兩個鏍柱穿過繞絲固定板后相互連接，構成吊鉤；鏍桿支撐板內孔直徑與儀器艙頂部外圓直徑相適配。環繞絲固定板上表面設有正極、脫鉤滑塊、繞絲釘、負極，將一根鋼絲經正極和順序經所有的繞絲釘繞成環，并以鎖緊螺母和繞絲釘固緊定位，在儀器回收時利用海水特性進行電腐蝕熔斷鋼絲，脫鉤滑塊被拉緊鋼絲拉脫開，儀器艙即利用海水浮力上浮，以便回收。
10.使用前述權利要求所述的單艙球三分量海底磁力儀的方法，其包括下面步驟 1)在將單艙球三分量海底磁力儀投放入海之前，進行各部件功能測試，確認單艙球三分量海底磁力儀功能正常后進入下一步，否則返回檢修； 2)在海面上進行GPS對鐘并設定記錄時間和采集的參數； 3)將單艙球三分量海底磁力儀投放入海，并使其在重力作用下沉入海底，按照設定時間和參數連續記錄磁場信號及姿態信息，并儲存在單艙球三分量海底磁力儀中的內部存儲器中； 4)回收單艙球三分量海底磁力儀，在該單艙球三分量海底磁力儀所在海域通過聲納系統發出回收信號，單艙球三分量海底磁力儀接到信號后，開始熔斷鋼絲，約5分鐘后儀器艙與底座脫離，儀器艙自動上浮至水面，然后將儀器艙打撈上船； 5)提取所記錄的數據進行分析處理。
全文摘要
本發明公開了一種單艙球三分量海底磁力儀，該單艙球三分量海底磁力儀包括脫鉤機構、儀器艙和底座，儀器艙內部采用一體化封裝方式，裝有三分量磁傳感器、方位傳感器、姿態傳感器以及數據采集器。本發明用于海底磁場觀測、油氣勘探和地質調查。該單艙球三分量海底磁力儀的海底磁場測量功能集中于單一艙球內，解決了現有海底磁力探測裝置系統復雜、方向定位精度低、投放與回收操作不便等問題。
文檔編號G01V3/40GK102854538SQ201210361530
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者黃松, 徐亞, 郝天珧, 游慶瑜, 趙春蕾 申請人:中國科學院地質與地球物理研究所