[发明专利]基于FBG的全海深自适应高精度压力传导式静力触探锥形探头

说明书

本发明涉及一种基于FBG的全海深自适应高精度压力传导式静力触探锥形探头，包括探杆和CPT锥尖，探杆和CPT锥尖之间通过探杆连接器相连，所述CPT锥尖与探杆连接器之间还设置有缓冲胶垫和透水石；所述探杆连接器内从下至上依次设置有量程逐阶增大的n个压差传感器(n≥2)，相邻的压差传感器之间通过互锁装置相连，形成多阶传感器嵌套结构，在达到低量程传感器的满量程时，通过互锁装置将其锁定，通过下一级较高阶压差传感器进行测量，即可保护传感器量程，又可在有效测量的情况下取得最佳精度，实现量程和精度自调节，能够准确获取全海深海底沉积物力学特性，对于深海科学研究、资源能源开发工程活动及海洋安全国防工程具有极其重要意义。

技术领域

本发明涉及海底沉积物力学特性测试领域，具体涉及一种基于FBG的全海深自适应高精度压力传导式静力触探锥形探头。

背景技术

围绕海底沉积物力学性质原位测量装置研究，对于4000m以浅的海域，海底面1-2m以下的沉积物力学性质测量已有商业化产品，比如荷兰辉固公司、范登堡公司率先研发了海洋静力触探设备，已成功服务于国内外多项海洋工程。目前工作水深最大的CPT，是MARUM公司于2010年研制的GOST，最大工作水深为4000m。

作为一种新兴的传感技术，光纤类传感器应用在海底沉积物的力学性质测量中有着独到的优势，光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器的工作原理是直接或借助某种装置将被测量的变化转化为光纤光栅上的应变或温度变化，从而引起光纤光栅Bragg中心波长的变化，通过建立并标定光纤光栅中心波长的变化与被测量的关系，就可以由光栅中心波长的变化计算出被测量的值。该类传感器有其特殊性：(1)其量程可以任意定制，且精度只和量程有关，即精度为1‰F.S.(满量程的千分之一)；(2)光纤类传感器超量程120％，将产生不可逆的破坏性拉伸损伤，对于长期监测而言，存在极大的安全隐患。

对于11000m全海深海底沉积物力学特性原位测试，一直是国际深海观测和研究的热点与难点，准确获取沉积物的力学特性对于深海科学研究、资源能源开发工程活动及海洋安全国防工程极其重要。深海底浅表层沉积物主要由软泥组成，颗粒组分主体小于0.001mm，沉积速率约4mm/ky，海底表面沉积物强度是1-5kPa，而深海海底处于高压力环境，万米深海海底压力高达上百MPa，如何在如此高的背景压力下，精准辨析出探头量测阻力的微小变化是国际上尚未解决的难题。

如果按照传统的做法选择合适量程的传感器的方式，也很难决定选什么样的传感器进行探测，有人提出按照几十Kp的量程来选，但是，目前对于深海环境的调查和研究都非常欠缺，对于海底沉积物强度的分布及变化规律缺乏足够的认识，考虑到万一海底有岩石，可能传感器就直接报废，另一方面，探头往水里贯入时，会产生一个过载压力，过载压力也有可能导致传感器爆量程，目前国际上还没有能够实现全海深海底沉积物力学性质的装置。

发明内容

本发明提出一种基于FBG的全海深自适应高精度压力传导式静力触探锥形探头，以1‰F.S.精度的深海压差式光纤光栅传感器为基础、100％量程为梯度，形成多阶传感器嵌套结构，即可保护传感器量程，又可在有效测量的情况下取得最佳精度，满足对全海深海底沉积物力学特性原位测试的需求。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于FBG的全海深自适应高精度压力传导式静力触探锥形探头基于FBG的全海深自适应高精度压力传导式静力触探锥形探头，其特征在于，包括探杆和CPT锥尖，探杆和CPT锥尖之间通过探杆连接器相连，所述CPT锥尖与探杆连接器之间还设置有缓冲胶垫和透水石；

所述探杆连接器内从下至上依次设置有第一阶压差传感器、第二阶压差传感器、……、第n-1阶压差传感器和第n阶压差传感器，其中，n≥2，n个压差传感器均采用压差式光纤光栅传感器，且n个压差传感器的量程从下至上逐阶增大，相邻的压差传感器之间通过互锁装置相连；第一阶压差传感器的下方还设置有超孔压传感器，超孔压传感器的下腔孔压通路与透水石连通，超孔压传感器的上腔抵靠在互锁装置上以实现力的传递；