專利名稱：寬帶雙艙球海底地震儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明寬帶雙艙球海底地震儀涉及海洋地震觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
2000年開(kāi)始，在863高技術(shù)計(jì)劃支持下，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所自主 研制了高頻海底數(shù)字地震儀并在南海成功試驗(yàn)，記錄到大容量氣槍震源信號(hào)，反演出深達(dá) 莫霍面的研究區(qū)地殼結(jié)構(gòu)，成為863 “深水油氣勘探技術(shù)”項(xiàng)目中的一個(gè)亮點(diǎn)。隨著油氣勘 探向深水和海洋殘留盆地發(fā)展的進(jìn)程以及對(duì)天然氣水合物的勘探研究需求，對(duì)海底數(shù)字地 震儀性能指標(biāo)的要求也越來(lái)越高(比如要適應(yīng)大于3000m的水深、提高分辨率和連續(xù)工作 時(shí)間等)。寬帶雙艙球海底地震儀特別是寬帶海底地震儀引進(jìn)問(wèn)題上一直受到國(guó)外的限制， 使我國(guó)多家地球科學(xué)研究單位的弓I進(jìn)計(jì)劃被擱置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種寬帶雙艙球海底地震儀，是在已有單艙球海底地震儀的 基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)的消化吸收改進(jìn)而成，其提高了性能指標(biāo)，延長(zhǎng)了觀測(cè)時(shí)間， 可以滿足海洋科學(xué)研究與海洋油氣探測(cè)的需要。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種寬帶雙艙球海底地震儀，包括兩個(gè)塑料儀器艙、兩個(gè)玻璃儀器艙球、脫鉤機(jī) 構(gòu)、掛鉤式雙球沉耦架；兩個(gè)玻璃儀器艙球分別安裝于兩個(gè)塑料儀器艙內(nèi)，兩個(gè)塑料儀器艙 并排設(shè)置，利用連接件固定在一起，形成一個(gè)整體，以便同時(shí)回收，并減少儀器在水下工作 時(shí)的相互干擾；脫鉤機(jī)構(gòu)位于其中一個(gè)塑料儀器艙頂端，掛鉤式雙球沉耦架位于兩塑料儀 器艙底端；脫鉤機(jī)構(gòu)與掛鉤式雙球沉耦架上面的掛鉤和拉桿通過(guò)拉緊鋼絲固接，將兩塑料 儀器艙固定于掛鉤式雙球沉耦架中；其中，在一個(gè)玻璃艙球內(nèi)，設(shè)有三分量姿控寬帶地震計(jì)、電子電路、采集器系統(tǒng)、水 聲通訊模塊、常平裝置支架；三分量姿控寬帶地震計(jì)與常平裝置支架通過(guò)軸承連接，三分量 姿控寬帶地震計(jì)可自由旋轉(zhuǎn)，工作角度< 30度；電子電路、采集器系統(tǒng)、水聲通訊模塊在玻 璃儀器艙球外進(jìn)行組裝、調(diào)試后，固定在三分量姿控寬帶地震計(jì)上方，然后將測(cè)試完成的儀 器放進(jìn)玻璃艙球內(nèi)，通過(guò)玻璃艙球擠壓0型圈來(lái)固定內(nèi)部裝置，使玻璃艙球內(nèi)部成為一個(gè) 整體；在一玻璃艙球頂部外壁固設(shè)有水聲壓力傳感器；三分量姿控寬帶地震計(jì)、水聲壓力傳感器分別與采集器系統(tǒng)中的數(shù)字采集器電連 接，由數(shù)字采集器對(duì)兩儀器記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使儀器能夠記錄天然地震信號(hào)和人工震 源信號(hào)；在另一個(gè)玻璃艙球內(nèi)，通過(guò)0型圈固接有可充電電池組，為儀器在海底長(zhǎng)期工作 提供電源。
所述的寬帶雙艙球海底地震儀，其所述脫鉤機(jī)構(gòu)為雙層結(jié)構(gòu)，包括不銹鋼鏍柱、鏍 桿支撐板、繞絲固定板，其中，片狀環(huán)繞絲固定板和片狀環(huán)鏍桿支撐板上均勻設(shè)置有通孔， 兩板上下平行設(shè)置，通孔一一相對(duì)，以多數(shù)個(gè)不銹鋼鏍柱穿過(guò)通孔將兩者固接；兩個(gè)位于直 徑上的鏍柱上端伸出固定板上表面相互連接，構(gòu)成吊鉤；鏍桿支撐板內(nèi)孔直徑與塑料儀器 艙頂部外圓直徑相適配；片狀環(huán)繞絲固定板上表面設(shè)有正極、脫鉤滑塊、繞絲釘、負(fù)極，正極、負(fù)極位于固定 板內(nèi)孔直徑方向的相對(duì)兩側(cè)，正極上套接壓絲墊片后螺接鎖緊螺母，負(fù)極上套接負(fù)極保護(hù) 套；在與正極、負(fù)極構(gòu)成的直徑方向相垂直的直徑方向上兩端，于固定板周緣上設(shè)有向圓心 的凹槽，兩凹槽內(nèi)各設(shè)有一脫鉤滑塊，L狀脫鉤滑塊與凹槽相適配，其向上突起的固定壁中 間有一固接口，固接口供拉緊鋼絲上端纏繞連接，拉緊鋼絲下端與掛鉤式雙球沉耦架纏繞 固接；在固定板上表面的多個(gè)繞絲釘均勻分布，分布的位置與正極、負(fù)極的位置構(gòu)成圓環(huán) 形；一熔斷鋼絲經(jīng)正極和順序經(jīng)所有的繞絲釘繞成環(huán)，并以鎖緊螺母和繞絲釘固緊定 位，將脫鉤滑塊固于固定板上，熔斷鋼絲與兩正極觸接；將塑料儀器艙置于掛鉤式雙球沉耦架中，脫鉤機(jī)構(gòu)置于其中一個(gè)塑料儀器艙頂 端，鏍桿支撐板內(nèi)孔與塑料儀器艙頂端相接，以兩根拉緊鋼絲纏繞于脫鉤滑塊的固接口后， 用兩個(gè)鎖緊螺栓拉緊兩根拉緊鋼絲，以固定塑料儀器艙；在固定塑料儀器艙后，再利用鎖緊螺栓來(lái)拉緊鋼絲調(diào)整儀器艙的緊固程度；在儀 器回收時(shí)利用海水特性進(jìn)行電腐蝕熔斷熔斷鋼絲，脫鉤滑塊被拉緊鋼絲拉脫開(kāi)，掛鉤式雙 球沉耦架上的旋轉(zhuǎn)桿下落，掛鉤豎起，儀器艙脫離掛鉤式雙球沉耦架利用海水浮力上浮，以 便回收。所述的寬帶雙艙球海底地震儀，其所述掛鉤式雙球沉耦架，采用表面附著防銹漆 的鋼鐵材料制成，在沉耦架表面中部固設(shè)一旋轉(zhuǎn)式掛鉤，兩邊均連接一旋轉(zhuǎn)桿，旋轉(zhuǎn)桿外端 設(shè)有一個(gè)繞絲釘和一禁錮鏍栓，繞絲釘與拉緊鋼絲下端纏繞連接，以禁錮鏍栓固緊；當(dāng)拉緊 鋼絲脫落時(shí)，旋轉(zhuǎn)桿靠自重下垂、轉(zhuǎn)動(dòng)，使掛鉤豎起，兩塑料儀器艙脫離沉耦架，自動(dòng)浮起；掛鉤式雙球沉耦架的重量和體積適合于在下沉過(guò)程中控制下沉速度和下沉姿態(tài)， 并為地震儀在海底工作提供穩(wěn)定的基座，儀器上浮后，沉耦架丟棄在海水中。所述的寬帶雙艙球海底地震儀，其所述三分量姿控寬帶地震計(jì)為60秒-40Hz。所述的寬帶雙艙球海底地震儀，其所述可充電電池組，包括多數(shù)個(gè)一次性鋰電池。所述的寬帶雙艙球海底地震儀，其所述連接件，為角鐵和尼龍板，環(huán)形角鐵框內(nèi)徑 與并排的兩個(gè)塑料儀器艙直徑相適配，尼龍板邊緣與塑料儀器艙外緣相適配，尼龍板固定 于角鐵框上表面，尼龍板邊緣與塑料儀器艙外圓相抵貼，使兩個(gè)塑料儀器艙定位。所述的寬帶雙艙球海底地震儀，其海底流動(dòng)地震觀測(cè)有兩種方式(1)寬帶雙艙球海底地震儀接收人工震源信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)觀測(cè)，但觀測(cè)的地質(zhì)結(jié)構(gòu) 深度淺；(2)寬帶雙艙球海底地震儀接收天然地震信號(hào)進(jìn)行被動(dòng)觀測(cè)，用寬頻地震計(jì)，以獲 得的數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分辨，觀測(cè)成本低、觀測(cè)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)深度深。本發(fā)明的寬帶雙艙球海底地震儀，內(nèi)部結(jié)構(gòu)一體化，在制造時(shí)間和工作量上有了 大幅度的縮減，操作簡(jiǎn)單、方便，且減少了附加振顫。采用無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，能夠
5在海上連續(xù)多次進(jìn)行地震觀測(cè)作業(yè)，在海底工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一年以上，打破了國(guó)外對(duì)寬帶海 底地震儀的壟斷。


圖1為本發(fā)明的寬帶雙艙球海底地震儀常平架裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的寬帶雙艙球海底地震儀脫鉤機(jī)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的寬帶雙艙球海底地震儀脫鉤機(jī)構(gòu)的熔斷鋼絲繞線示意圖；圖4為本發(fā)明的寬帶雙艙球海底地震儀外觀立體結(jié)構(gòu)圖；圖5為本發(fā)明的寬帶雙艙球海底地震儀總結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1 圖5所示，為本發(fā)明的寬帶雙艙球海底地震儀結(jié)構(gòu)示意圖。其中，直 流電機(jī)1、軸承座(常平裝置支架2) 2、常平環(huán)3、三分量姿控寬帶地震計(jì)4、軸承5、電池圈底 座6、半圓壓板7、姿態(tài)傳感器8、姿態(tài)調(diào)整電機(jī)9、0型圈10、電機(jī)套11、凸型底座(常平裝 置支架1)12、正極13、鎖緊螺母14、壓絲墊片15、不銹鋼鏍柱16、鏍桿支撐板17、脫鉤滑塊 18、繞絲釘19、不銹鋼吊鉤20、繞絲固定板21、負(fù)極22、負(fù)極保護(hù)套23、熔斷鋼絲24、熔斷鋼 絲熔斷點(diǎn)(兩處)25、脫鉤機(jī)構(gòu)26、水聲壓力傳感器27、塑料儀器艙球(1)28、拉緊鋼絲29、 鎖緊螺栓30、、曲型連接桿31、掛鉤32、旋轉(zhuǎn)桿33、塑料儀器艙球(2) 34、尼龍三角板35、角 鐵36、擋泥圈37、掛鉤式雙球沉耦架38、地腳釘39、真空氣嘴40、玻璃儀器艙球(1)41、電子 電路板42、可充電電池組43、玻璃儀器艙球(2) 44、一次性鋰電池組45、常平架裝置46。還有凹槽211、固定壁181、固接口 182，、底座183、禁錮鏍栓184。本發(fā)明的七通道多功能海底地震儀由塑料儀器艙、脫鉤機(jī)構(gòu)26、掛鉤式雙球沉耦 架38三部分組成。一、塑料儀器艙塑料儀器艙是海底地震儀可回收部分，它是內(nèi)部玻璃儀器艙球的保護(hù)罩，其中一 個(gè)玻璃儀器艙球內(nèi)部采用單球一體化結(jié)構(gòu)，主要包括(1)水聲通訊模塊采用8位元FSK數(shù)字編碼。FSK編碼的解調(diào)電路包括了振幅檢測(cè)、相位檢測(cè)、壓控 振蕩器、比較輸出器等幾個(gè)部分。其基本原理是根據(jù)輸入信號(hào)和本振信號(hào)的相位差，控制 壓控振蕩器在一個(gè)相對(duì)較窄帶寬內(nèi)( 400Hz)調(diào)節(jié)本振頻率，如果輸入信號(hào)頻率和本振頻 率一致，相位差為零，本振頻率鎖定，則編碼解調(diào)電路輸出為低電平，反之為高電平。兩個(gè)編 碼解調(diào)電路本振頻率分別為IOKHz和12. 5KHz，用以檢測(cè)信號(hào)中是否含有對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)。水聲傳輸?shù)慕换旎仨憜?wèn)題，采用首波提取的方式加以解決。原理是甲板機(jī)每100 毫秒發(fā)送一個(gè)編碼頻率，持續(xù)時(shí)間約10毫秒。在接收端水聲通訊模塊在接收到的第一個(gè)編 碼頻率信號(hào)后10毫秒內(nèi)關(guān)閉信號(hào)通道。以后每隔100毫秒打開(kāi)信號(hào)通道進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，持 續(xù)時(shí)間為10毫秒，然后在關(guān)閉信號(hào)通道，直至該碼字節(jié)結(jié)束。為了防止放大器飽和，設(shè)計(jì)了帶通頻率10-12. 5KHz的單T網(wǎng)絡(luò)選頻放大器，使信 號(hào)頻帶之外的信號(hào)能被有效的壓制。水聲發(fā)射與換能器的匹配設(shè)計(jì)，主要是從阻抗匹配和調(diào)諧匹配兩個(gè)環(huán)節(jié)考慮，并采取措施對(duì)推挽功放管進(jìn)行保護(hù)。(2)常平裝置設(shè)計(jì)了利用姿態(tài)傳感器8和姿態(tài)調(diào)整電機(jī)9對(duì)三分量姿控寬帶地震計(jì)4進(jìn)行姿態(tài) 調(diào)整的改進(jìn)方案，通過(guò)改進(jìn)常平裝置的結(jié)構(gòu)原理，使得內(nèi)部地震計(jì)的常平動(dòng)作的保持不需 要灌注硅油，不需要呈密封結(jié)構(gòu)，且體積重量均能大大地降低，更為重要的改善是，姿控調(diào) 整的范圍能有較大的提高，擴(kuò)展為30度左右。將使海底地震儀在更為復(fù)雜的海底地形下正 常的工作。最大工作傾斜角度達(dá)到了國(guó)外同類寬帶海底地震儀的水平。姿態(tài)傳感器8采用固態(tài)mems器件無(wú)機(jī)械結(jié)構(gòu)工作穩(wěn)定可靠。其工作方式如下寬帶地震計(jì)4放置于常平環(huán)3上，再整體通過(guò)軸承5固定于常平 裝置的支架上，玻璃艙球(1)41至地震計(jì)4為剛性連接，由此保證地動(dòng)信號(hào)的低失真?zhèn)鬟f。 當(dāng)海底地震儀在海底著地后，姿態(tài)傳感器8，感知到海底姿態(tài)調(diào)平時(shí)，常平面由位于常平環(huán) 3頂部的直流電機(jī)1上拉脫離開(kāi)玻璃艙球(1)41根據(jù)姿態(tài)傳感器8的信號(hào)由姿態(tài)調(diào)整電機(jī) 9調(diào)至水平并重新放回玻璃艙球(1)41底部并加壓固定。常平裝置46將電池組43、三分量姿控寬帶地震計(jì)4、電子電路42聯(lián)結(jié)成了一個(gè)整 體，形成了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一體化。儀器組裝、調(diào)試工作都可以在耐壓玻璃艙球(1)41外完成。 玻璃艙球(1)41可看成僅是個(gè)機(jī)殼，將測(cè)試好的海底地震儀放入玻璃艙球(1)41中，由0型 圈10壓縮固定，完成組裝。這種結(jié)構(gòu)也降低了儀器的附加振顫。(3)采用姿控寬帶地震計(jì)海底地震儀中我們集成了姿控寬帶地震儀4，姿控寬帶地震儀4是近年來(lái)新興的 技術(shù)，它是一種電化學(xué)換能的地震計(jì)，沒(méi)有機(jī)械零點(diǎn)和鎖擺的問(wèn)題使海底地震儀的工作可 靠性大大提高。(4)采集器系統(tǒng)a)前放電路采用廠家推薦的放大電路形式，在信號(hào)輸入端加配一階無(wú)源LC低通 抗混疊濾波器，采用極低噪音精密雙運(yùn)算放大器構(gòu)成儀器放大電路，增益為30dB，放大電路 噪音折合到輸入端為0. 4 μ V (峰-峰值)。具有很高的抗干擾能力。b)儀器采用溫補(bǔ)晶振構(gòu)成的振蕩電路作為內(nèi)部時(shí)鐘，在0°C至4°C溫度范圍內(nèi)其 精度優(yōu)于5X10_8。影響石英晶體振蕩頻率精度的主要是溫度因素，而海底的溫度相對(duì)恒定， 在2000米深的海底，溫度的年變化僅在0. 5度，所以時(shí)鐘精度能有效地保證。為減小線路 板的噪音，系統(tǒng)所需的所有不同頻率的時(shí)鐘(主要是模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和單片機(jī)時(shí)鐘)采用對(duì) 同一時(shí)鐘分頻獲得。c)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用數(shù)碼相機(jī)和播放機(jī)上廣泛采用的SD(SecureDigital)卡，具有統(tǒng) 一接口，容量可從16G擴(kuò)展到32G或更高。d)在電路設(shè)計(jì)中堅(jiān)持微功耗設(shè)計(jì)原則；為了系統(tǒng)功耗微功耗的目的，數(shù)據(jù)采集器 的硬件電路設(shè)計(jì)遵從了以下的原則(1)采用CMOS型器件，⑵采用1. 8V、3V和5V單電源 低電壓供電；(3)數(shù)字電路盡量采用較低頻率的工作時(shí)鐘；(4)盡量降低系統(tǒng)的無(wú)功功耗， 整體功耗< 0. 3W。f)采集器的A/D轉(zhuǎn)換采用4階Σ -Δ型ADS1251增量調(diào)制器，AD時(shí)鐘由單片機(jī) LPC2103分頻輸出，數(shù)字濾波的功能采用軟件編程完成。AD每完成一次轉(zhuǎn)換，觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn) 生一次中斷，單片機(jī)的中斷程序?qū)D數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存。這種方式不僅可以在降低功耗和縮小體積的基礎(chǔ)上得到足夠的動(dòng)態(tài)范圍(> 120dB)，還能根據(jù)實(shí)際的不同需要，動(dòng)態(tài)調(diào)整其 頻率_相位特性?？刂颇K采用ARM7內(nèi)核高性能單片機(jī)(NXP公司LPC2103)。工作電壓 3. 3/1. 8V，60M主頻，在完成A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波的同時(shí)控制存儲(chǔ)、通訊等其它模塊工作。單片 機(jī)工作在空閑模式(idle mode)，中斷驅(qū)動(dòng)模式。g)控制器連接了 7通道完全相同的AD模塊(第1-3通道連接寬帶地震計(jì)，第4-6 通道連接高頻檢波器、第7通道連接水聽(tīng)計(jì)通道)，通過(guò)多路開(kāi)關(guān)(MAX4052)進(jìn)行切換，利用 單片機(jī)的GPIO腳作為地址線選通讀入1-7通道的AD數(shù)據(jù)。(5)地震儀電源海底地震儀電池采用IOAH鋰電池，每套儀器安裝10枚。每個(gè)鋰電池單獨(dú)帶保護(hù) 器，的電池按環(huán)狀固定在玻璃艙球的下部，地震儀通過(guò)單片機(jī)對(duì)每個(gè)電池的充放電狀態(tài)和 電壓進(jìn)行檢測(cè)，并能通過(guò)交互界面顯示。充電通過(guò)艙球上的插座進(jìn)行，用戶可以了解每個(gè)電 池的充電電量、充電時(shí)間等信息。通過(guò)專用的充電器用戶可以在數(shù)十小時(shí)內(nèi)完成對(duì)海底地 震儀的充電工作。每次充電操作用戶都能掌握充電前后電池電壓狀態(tài)，充電電量等信息，能 及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池失效或性能降低的情況。從而對(duì)失效電池及時(shí)進(jìn)行更換，或根據(jù)電池性能降 低的情況縮短儀器在海底工作的時(shí)間。內(nèi)置的電源管理模塊能實(shí)時(shí)地監(jiān)督電池的電能儲(chǔ)量，當(dāng)能量低于某一預(yù)定值，地 震儀會(huì)關(guān)閉除了水聲通信之外的所有耗電設(shè)備，使地震儀在海底滯留一年以上的時(shí)間仍能 正?；厥?。(6)數(shù)據(jù)提取方式為了保證海上的多次作業(yè)順利進(jìn)行，數(shù)據(jù)提取模塊必須操作方便并且需要較快的 傳輸速度。OBS中內(nèi)嵌了 USB接口模塊與PC機(jī)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換，能在不打開(kāi)艙球的前提 下，以較高的速度(2M字節(jié)/秒)實(shí)現(xiàn)OBS的數(shù)據(jù)提取。(7)無(wú)線數(shù)傳模塊無(wú)線數(shù)傳模塊采用OEM產(chǎn)品。其發(fā)射功率為1 5W，有效距離約5_10Km左右。 定位精度可達(dá)數(shù)十米以內(nèi)。考慮到無(wú)線數(shù)傳模塊內(nèi)置于玻璃艙球內(nèi)空間的限制采用50歐 450MHz鞭裝膠套天線與發(fā)射機(jī)配套，接收系統(tǒng)幾乎不受空間的限制所以采用50歐12dB高 增益天線與接收機(jī)配套。無(wú)線數(shù)傳模塊調(diào)制方式采用FSK(頻移鍵控)方式，抗干擾能力強(qiáng)。 為進(jìn)一步提高抗設(shè)備干擾能力，通訊速度采用較低的1200bps。通訊協(xié)議為RS232格式1 位起始位，8位數(shù)據(jù)位，偶校驗(yàn)，1位停止位。傳輸距離對(duì)發(fā)射機(jī)的天線高度非常敏感。由于發(fā)射機(jī)天線內(nèi)置于球內(nèi)，安裝高度 受到極大限制。為此采取以下措施(a)減輕回收重量(b)天線貼近球壁安裝(c)通過(guò)配 重使回收時(shí)天線位于球的頂部。采用交織編碼技術(shù)能夠有效減少突發(fā)性干擾引起的誤碼，其原理為將待發(fā)數(shù)碼按 列排成矩陣，再按行的順序發(fā)送，如信道中因突發(fā)性干擾發(fā)生連續(xù)誤碼，解交織的誤碼被分 散到不同碼字能被BCH有效糾錯(cuò)。采用同步機(jī)制減少前導(dǎo)同步碼，有效的減少發(fā)射的時(shí)間，提高發(fā)射效率；避免電池 連續(xù)大電流放電引起“極化現(xiàn)象”。具體地說(shuō)，每次發(fā)送和接收的起始時(shí)間都由GPS輸出PPS 的沿確定。(8)頻閃燈
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當(dāng)儀器上浮時(shí)，頻閃燈在黑夜里能有效的指示儀器所在方位方便回收。頻閃燈被置于高壓艙球的上部利用水壓開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，當(dāng)儀器上浮，水壓減小，頻 閃燈工作，光源采用發(fā)光效率高，穿透性較好的高亮度發(fā)光二極管?？梢赃B續(xù)工作12小時(shí) 以上。二、脫鉤機(jī)構(gòu)脫鉤機(jī)構(gòu)26為雙層結(jié)構(gòu)，包括不銹鋼鏍柱16、鏍桿支撐板17、繞絲固定板21，其 中，片狀環(huán)繞絲固定板21和片狀環(huán)鏍桿支撐板17山下平行設(shè)置，以多數(shù)個(gè)不銹鋼鏍柱16 將兩者固接，其中兩個(gè)位于直徑上的鏍柱16上端伸出固定板21的上表面相互連接，構(gòu)成吊 鉤20 ；鏍桿支撐板17內(nèi)孔直徑與塑料儀器艙頂部外圓直徑相適配。片狀環(huán)繞絲固定板21上表面設(shè)有正極13、脫鉤滑塊18、繞絲釘19、負(fù)極22，正極 13、負(fù)極22位于固定板21內(nèi)孔直徑方向的相對(duì)兩側(cè)，正極13上套接壓絲墊片15后螺接鎖 緊螺母14，負(fù)極22上套接負(fù)極保護(hù)套23 ；在與正極13、負(fù)極22構(gòu)成的直徑方向相垂直的 直徑方向上兩端，于固定板21周緣上設(shè)有向圓心的凹槽211，兩凹槽211內(nèi)各設(shè)有一脫鉤滑 塊18，L狀脫鉤滑塊18與凹槽211相適配，其向上突起的固定壁181中間有一固接口 182， 固接口 182供拉緊鋼絲27纏繞連接，其底座183上設(shè)有多個(gè)繞絲釘19和一禁錮鏍栓184 ； 在固定板21上表面還設(shè)有多個(gè)繞絲釘19，繞絲釘19均勻分布，分布的位置與正極13、負(fù)極 22的位置構(gòu)成圓環(huán)形。一熔斷鋼絲24經(jīng)正極13和順序經(jīng)所有的繞絲釘19繞成環(huán)，并以鎖緊螺母14和 繞絲釘19固緊定位，將脫鉤滑塊18固于固定板21上，熔斷鋼絲24與兩負(fù)極22觸接；兩負(fù) 極22即是兩熔斷點(diǎn)25。將塑料儀器艙(1)28與塑料儀器艙(2) 34組裝在一起，形成一個(gè)整體，置于掛鉤式 雙球沉耦架38的上邊，脫鉤機(jī)構(gòu)26置于塑料儀器艙(1)28頂端，鏍桿支撐板17內(nèi)孔與塑 料儀器艙(1)28頂端相接，以兩根拉緊鋼絲29纏繞于脫鉤滑塊18的固接口 182后，用兩個(gè) 鎖緊螺栓30拉緊兩根拉緊鋼絲29，以固定塑料儀器艙(1)28。在固定塑料儀器艙(1) 28后，卸掉脫鉤滑塊18上的禁錮鏍栓184，再利用鎖緊螺栓 30來(lái)拉緊鋼絲29調(diào)整塑料儀器艙(1)28的緊固程度；在儀器回收時(shí)利用海水特性，在兩熔 斷點(diǎn)25處進(jìn)行電腐蝕熔斷鋼絲24，脫鉤滑塊18被拉緊鋼絲29拉脫開(kāi)，儀器艙即利用海水 浮力上浮，以便回收。(1)繞絲固定板21采用具有高機(jī)械強(qiáng)度、高剛性、韌性強(qiáng)的工程塑料尼龍加工而 成，在水中不易變形，不易被腐蝕。(2)繞絲釘19是脫鉤機(jī)構(gòu)中較為關(guān)鍵的部分，所以我們采用316L特殊不銹鋼制 成，這種材料對(duì)于海水及各種腐蝕介質(zhì)的抗腐蝕性能均優(yōu)于普通不銹鋼。(3)熔斷鋼絲24是整個(gè)脫鉤機(jī)構(gòu)的核心部件，我們選用的316耐腐蝕鋼絲，由7束 49股細(xì)鋼絲經(jīng)過(guò)特殊工藝加工而成，易曲而柔軟。在彎曲時(shí)不象單股鋼絲那樣顯得太硬，拉 緊時(shí)會(huì)緊貼繞絲釘。脫鉤機(jī)構(gòu)26作為儀器回收過(guò)程的重要組成部件，機(jī)構(gòu)的組裝、調(diào)試工作都可在室 內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)通過(guò)，才可安裝使用。測(cè)試好的脫鉤機(jī)構(gòu)通過(guò)8組不銹鋼鏍釘固定在塑料儀器 艙(1)28的上部，能夠很方便地完成組裝。機(jī)構(gòu)中的零件加工工藝和選材均可以保證長(zhǎng)時(shí) 間工作在海水里，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)在接到指令后，鋼絲在5分鐘內(nèi)即被熔斷。直到儀器回收整個(gè)過(guò)程不超過(guò)10分鐘。三、掛鉤式雙球沉耦架掛鉤式雙球沉耦架38，采用表面附著防銹漆的鋼鐵材料制成，在掛鉤式雙球沉耦 架表面中部固設(shè)一旋轉(zhuǎn)式掛鉤32，兩邊均連接質(zhì)量比較大的旋轉(zhuǎn)桿33，當(dāng)拉緊鋼絲29脫落 時(shí)，拉桿靠自重下垂，使得旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而掛鉤豎起，塑料雙球脫離掛鉤式雙球沉耦架，自 動(dòng)浮起；鎖緊螺栓30與拉緊鋼絲29下端可拆卸的固接，通過(guò)耐腐蝕拉緊鋼絲29與脫鉤機(jī) 構(gòu)26緊密相連，其重量和體積適合于在下沉過(guò)程中控制下沉速度和下沉姿態(tài)，以及當(dāng)儀器 沉入海底時(shí)能夠保持正確姿態(tài)并進(jìn)入工作狀態(tài)，并為地震儀在海底工作提供穩(wěn)定可靠的基 座，提高儀器記錄數(shù)據(jù)的真實(shí)性。儀器上浮后，掛鉤式雙球沉耦架丟棄在海水中。通過(guò)耐腐蝕拉緊鋼絲29把儀器緊固在沉耦架38上，用鎖緊螺栓30將帶塑料保護(hù) 皮的耐腐蝕拉緊鋼絲29拉緊，由2股緊固，分兩組，每組拉緊一脫鉤機(jī)構(gòu)26的脫鉤滑塊18， 可以使儀器很穩(wěn)定的固定在基座上。掛鉤式雙球沉耦架38屬于不回收部分，考慮到它的工作性質(zhì)，我們選擇標(biāo)準(zhǔn)角鐵 作為主要的加工原料，不但滿足了其作為工作基座的剛性和硬度，且大大降低了加工成本。使用動(dòng)態(tài)過(guò)程選擇好投放地點(diǎn)和方位，把海底地震儀投放到海底，儀器著地后，立即用聲納系統(tǒng) 進(jìn)行準(zhǔn)確定位。當(dāng)內(nèi)部姿態(tài)傳感器8，感知到海底姿態(tài)調(diào)平時(shí)，由位于常平架頂部的垂直向 步進(jìn)電機(jī)1上拉三分量姿控寬帶地震計(jì)4，使之脫離開(kāi)玻璃艙球(1) 40，根據(jù)姿態(tài)傳感器8 的信號(hào)由姿態(tài)調(diào)整電機(jī)9調(diào)至水平并重新放回玻璃艙球(1)40底部并加壓固定，此后內(nèi)部 地震計(jì)和數(shù)字采集器同時(shí)進(jìn)入工作狀態(tài)，連續(xù)記錄海底干擾和地震信號(hào)，并存儲(chǔ)在內(nèi)部存 儲(chǔ)器中。當(dāng)需要回收儀器時(shí)，在該儀器所在的位置附近海域通過(guò)聲納系統(tǒng)發(fā)出回收信號(hào)， 儀器接到信號(hào)后，開(kāi)始熔斷鋼絲，約5分鐘雙球儀器艙與沉耦架38脫離，自動(dòng)上浮至水面， 浮出海面后通過(guò)無(wú)線發(fā)送其所在的位置信息，根據(jù)該信息或目測(cè)方式確定儀器方位，進(jìn)行 打撈上船。然后提取所記錄的數(shù)據(jù)供分析和研究。(1)內(nèi)部一體化儀器內(nèi)部采用電池組43、電子電路42將電池組通過(guò)0型圈10放置在玻璃艙球上， 電路板安裝在地震計(jì)組合體上面，使之成為一個(gè)整體，可以在玻璃儀器艙球外進(jìn)行組裝、調(diào) 試，然后將測(cè)試完成的海底地震儀放進(jìn)玻璃艙球內(nèi)，通過(guò)玻璃艙球擠壓0型圈來(lái)固定內(nèi)部 裝置。比起以往的海底地震儀需要在球內(nèi)組裝和調(diào)試，內(nèi)部結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)在時(shí)間和工 作量上有了大幅度的縮減，操作簡(jiǎn)單、方便且減少了附加振顫。以往的海底地震儀(比如我們前期研制的三分量高頻海底地震儀)通常將電池、 地震計(jì)、記錄器、水聲模塊等部件都是零散的通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘接的方式固定在上下兩半艙 球，極易造成耐壓玻璃艙球的損壞，同時(shí)電路布線復(fù)雜，難以組裝和調(diào)試，容易產(chǎn)生附加振 顫噪聲影響儀器對(duì)地動(dòng)信號(hào)的記錄。該項(xiàng)一體化結(jié)構(gòu)是我們創(chuàng)新性發(fā)明，這使海底地震儀實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的復(fù)雜程度大 大降低，同時(shí)該項(xiàng)工藝也可運(yùn)用到采用此類艙球的其它設(shè)備中。(2)雙艙球結(jié)構(gòu)
寬帶雙艙球海底地震儀的結(jié)構(gòu)我們采用將兩個(gè)單艙球通過(guò)角鐵和厚尼龍三角板 緊固連接，形成寬帶雙艙球海底地震儀的結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)塑料儀器艙內(nèi)的玻璃艙球頂部裝 有水聲壓力傳感器，內(nèi)部裝有4通道數(shù)字采集器、姿控寬帶地震計(jì)、水聲通訊模塊、無(wú)線信 標(biāo)機(jī)、GPS、電子羅盤(pán)和組合電源，用來(lái)記錄天然地震以及人工震源信號(hào)。另外一個(gè)玻璃艙球 內(nèi)全部是一次性鋰電池，為儀器在海底長(zhǎng)時(shí)間工作，以及儀器的順利回收提供可靠的支持。該項(xiàng)雙艙球結(jié)構(gòu)是我們的創(chuàng)新發(fā)明，這使得海底地震儀在海底工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一年 以上。(3)脫鉤裝置脫鉤機(jī)構(gòu)26采用頂部脫鉤滑塊18鋼纜系固連接，利用鎖緊螺栓30拉緊鋼絲調(diào)整 儀器艙的緊固程度，整個(gè)過(guò)程便于安裝操作；儀器回收時(shí)，水聲壓力傳感器接收到水面發(fā)出 的釋放指令，海底地震儀的脫鉤機(jī)構(gòu)上的正極開(kāi)始加電利用海水特性進(jìn)行電腐蝕熔斷鋼絲 24，脫鉤滑塊18被拉緊鋼絲29拉脫開(kāi)，掛鉤式雙球沉耦架中間的掛鉤32豎起，連接在一起 的雙球塑料儀器艙與沉耦架38脫離，儀器艙利用海水浮力上浮。海底地震儀的回收過(guò)程時(shí) 間短且可靠性強(qiáng)。(4)掛鉤式雙球沉耦架掛鉤式雙球沉耦架由表面附著防銹漆的鋼鐵材料制成，在沉耦架表面中部固設(shè)一 旋轉(zhuǎn)式掛鉤32，兩邊均連接質(zhì)量比較大的旋轉(zhuǎn)桿33，當(dāng)拉緊鋼絲脫落時(shí)，旋轉(zhuǎn)桿33靠自重 下垂，從而掛鉤32豎起，塑料雙球脫離掛鉤式雙球沉耦架，自動(dòng)浮起；掛鉤式雙球沉耦架的重量和體積適合于在下沉過(guò)程中控制下沉速度和下沉姿態(tài)， 并為地震儀在海底工作提供穩(wěn)定的基座，儀器上浮后，掛鉤式雙球沉耦架丟棄在海水中。
權(quán)利要求
一種寬帶雙艙球海底地震儀，包括兩個(gè)塑料儀器艙、兩個(gè)玻璃儀器艙球、脫鉤機(jī)構(gòu)、掛鉤式雙球沉耦架；兩個(gè)玻璃儀器艙球分別安裝于兩個(gè)塑料儀器艙內(nèi)，兩個(gè)塑料儀器艙并排設(shè)置，利用連接件固定在一起，形成一個(gè)整體，以便同時(shí)回收，并減少儀器在水下工作時(shí)的相互干擾；脫鉤機(jī)構(gòu)位于其中一個(gè)塑料儀器艙頂端，掛鉤式雙球沉耦架位于兩塑料儀器艙底端；脫鉤機(jī)構(gòu)與掛鉤式雙球沉耦架上面的掛鉤和拉桿通過(guò)拉緊鋼絲固接，將兩塑料儀器艙固定于掛鉤式雙球沉耦架中；其特征在于其中，在一個(gè)玻璃艙球內(nèi)，設(shè)有三分量姿控寬帶地震計(jì)、電子電路、采集器系統(tǒng)、水聲通訊模塊、常平裝置支架；三分量姿控寬帶地震計(jì)與常平裝置支架通過(guò)軸承連接，三分量姿控寬帶地震計(jì)可自由旋轉(zhuǎn)，工作角度≤30度；電子電路、采集器系統(tǒng)、水聲通訊模塊在玻璃儀器艙球外進(jìn)行組裝、調(diào)試后，固定在三分量姿控寬帶地震計(jì)上方，然后將測(cè)試完成的儀器放進(jìn)玻璃艙球內(nèi)，通過(guò)玻璃艙球擠壓O型圈來(lái)固定內(nèi)部裝置，使玻璃艙球內(nèi)部成為一個(gè)整體；在一玻璃艙球頂部外壁固設(shè)有水聲壓力傳感器；三分量姿控寬帶地震計(jì)、水聲壓力傳感器分別與內(nèi)部的水聲通訊模塊和采集器系統(tǒng)中的數(shù)字采集器電連接，由數(shù)字采集器對(duì)兩儀器記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使儀器能夠記錄天然地震信號(hào)和人工震源信號(hào)；在另一個(gè)玻璃艙球內(nèi)，通過(guò)O型圈固接有可充電電池組，為儀器在海底長(zhǎng)期工作提供電源。
2.如權(quán)利要求1所述的寬帶雙艙球海底地震儀，其特征在于所述脫鉤機(jī)構(gòu)為雙層結(jié) 構(gòu)，包括不銹鋼鏍柱、鏍桿支撐板、繞絲固定板，其中，片狀環(huán)繞絲固定板和片狀環(huán)鏍桿支撐 板上均勻設(shè)置有通孔，兩板上下平行設(shè)置，通孔一一相對(duì)，以多數(shù)個(gè)不銹鋼鏍柱穿過(guò)通孔將 兩者固接；兩個(gè)位于直徑上的鏍柱上端伸出固定板上表面相互連接，構(gòu)成吊鉤；鏍桿支撐 板內(nèi)孔直徑與塑料儀器艙頂部外圓直徑相適配；片狀環(huán)繞絲固定板上表面設(shè)有正極、脫鉤滑塊、繞絲釘、負(fù)極，正極、負(fù)極位于固定板內(nèi) 孔直徑方向的相對(duì)兩側(cè)，正極上套接壓絲墊片后螺接鎖緊螺母，負(fù)極上套接負(fù)極保護(hù)套；在 與正極、負(fù)極構(gòu)成的直徑方向相垂直的直徑方向上兩端，于固定板周緣上設(shè)有向圓心的凹 槽，兩凹槽內(nèi)各設(shè)有一脫鉤滑塊，L狀脫鉤滑塊與凹槽相適配，其向上突起的固定壁中間有 一固接口，固接口供拉緊鋼絲上端纏繞連接，拉緊鋼絲下端與掛鉤式雙球沉耦架纏繞固接； 在固定板上表面的多個(gè)繞絲釘均勻分布，分布的位置與正極、負(fù)極的位置構(gòu)成圓環(huán)形；一熔斷鋼絲經(jīng)正極和順序經(jīng)所有的繞絲釘繞成環(huán)，并以鎖緊螺母和繞絲釘固緊定位， 將脫鉤滑塊固于固定板上，熔斷鋼絲與兩正極觸接；將塑料儀器艙置于掛鉤式雙球沉耦架中，脫鉤機(jī)構(gòu)置于其中一個(gè)塑料儀器艙頂端，鏍 桿支撐板內(nèi)孔與塑料儀器艙頂端相接，以兩根拉緊鋼絲纏繞于脫鉤滑塊的固接口后，用兩 個(gè)鎖緊螺栓拉緊兩根拉緊鋼絲，以固定塑料儀器艙；在固定塑料儀器艙后，再利用鎖緊螺栓來(lái)拉緊鋼絲調(diào)整儀器艙的緊固程度；在儀器回 收時(shí)利用海水特性進(jìn)行電腐蝕熔斷熔斷鋼絲，脫鉤滑塊被拉緊鋼絲拉脫開(kāi)，掛鉤式雙球沉 耦架上的旋轉(zhuǎn)桿下落，掛鉤豎起，儀器艙脫離掛鉤式雙球沉耦架利用海水浮力上浮，以便回 收。
3.如權(quán)利要求2所述的寬帶雙艙球海底地震儀，其特征在于所述掛鉤式雙球沉耦架， 采用表面附著防銹漆的鋼鐵材料制成，在掛鉤式雙球沉耦架表面中部固設(shè)一旋轉(zhuǎn)式掛鉤，2兩邊均連接一旋轉(zhuǎn)桿，旋轉(zhuǎn)桿外端設(shè)有一個(gè)繞絲釘和一禁錮鏍栓，繞絲釘與拉緊鋼絲下端 纏繞連接，以禁錮鏍栓固緊；當(dāng)拉緊鋼絲脫落時(shí)，旋轉(zhuǎn)桿靠自重下垂、轉(zhuǎn)動(dòng)，使掛鉤豎起，兩 塑料儀器艙脫離沉耦架，自動(dòng)浮起；掛鉤式雙球沉耦架的重量和體積適合于在下沉過(guò)程中控制下沉速度和下沉姿態(tài)，并為 地震儀在海底工作提供穩(wěn)定的基座，儀器上浮后，掛鉤式雙球沉耦架丟棄在海水中。
4.如權(quán)利要求1所述的寬帶雙艙球海底地震儀，其特征在于所述三分量姿控寬帶地 震計(jì)為60秒-40Hz。
5.如權(quán)利要求1所述的寬帶雙艙球海底地震儀，其特征在于所述可充電電池組，包括 多數(shù)個(gè)一次性鋰電池。
6.如權(quán)利要求1所述的寬帶雙艙球海底地震儀，其特征在于所述連接件，為角鐵和尼 龍板，環(huán)形角鐵框內(nèi)徑與并排的兩個(gè)塑料儀器艙直徑相適配，尼龍板邊緣與塑料儀器艙外 緣相適配，尼龍板固定于角鐵框上表面，尼龍板邊緣與塑料儀器艙外圓相抵貼，使兩個(gè)塑料 儀器艙定位。
7.如權(quán)利要求1所述的寬帶雙艙球海底地震儀，其特征在于海底流動(dòng)地震觀測(cè)有兩 種方式(1)寬帶雙艙球海底地震儀接收人工震源信號(hào)進(jìn)行主動(dòng)觀測(cè)，但觀測(cè)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)深度淺；(2)寬帶雙艙球海底地震儀接收天然地震信號(hào)進(jìn)行被動(dòng)觀測(cè)，用寬頻地震計(jì)，以獲得的 數(shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分辨，觀測(cè)成本低、觀測(cè)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)深度深。
全文摘要
一種寬帶雙艙球海底地震儀，涉及地震技術(shù)，包括兩個(gè)連接在一起的塑料儀器艙、脫鉤機(jī)構(gòu)和掛鉤式雙球沉耦架，其中，掛鉤式雙球沉耦架為海底地震儀的基座，一個(gè)塑料儀器艙內(nèi)的玻璃艙球頂部裝有水聲壓力傳感器，用于感應(yīng)外部信號(hào)，暴露在玻璃球外，內(nèi)部裝有數(shù)字采集器、姿控寬帶地震計(jì)、水聲通訊模塊、無(wú)線信標(biāo)機(jī)、GPS、電子羅盤(pán)。脫鉤機(jī)構(gòu)固定在塑料儀器艙球的上部與掛鉤式雙球沉耦架通過(guò)耐腐蝕拉緊鋼絲連接，另外一個(gè)塑料儀器艙內(nèi)的玻璃艙球內(nèi)裝有一次性鋰電池組成的可充電電池組，為儀器在海底長(zhǎng)期工作提供電源。本發(fā)明集成了用于天然地震觀測(cè)的三分量姿控寬帶地震計(jì)和水聲壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)多用途的長(zhǎng)期的海底地震探測(cè)、油氣勘探和地質(zhì)調(diào)查。
文檔編號(hào)G01V1/18GK101963671SQ20091008959
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者游慶瑜, 趙春蕾, 郝天珧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所