[實用新型]超重力離心機的深海基礎電磁感應空間定位和測向裝置

有效

• 申請號: 201820299910.8
• 申請日: 2018-03-05
• 公開（公告）號: CN208059899U
• 公開（公告）日: 2018-11-06
• 發明（設計）人: 賴瑩;朱斌;陳云敏;陳川
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01C21/08
• 分類號: G01C21/08;G01S11/12
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本實用新型公開了一種超重力離心機的深海基礎電磁感應空間定位和測向裝置。包括位于內部的屏蔽箱和位于外部的模型箱，屏蔽箱通過支撐和墊塊固定于模型箱內，屏蔽箱內側壁固定有一磁源支架，磁源支架上固定放置磁源，屏蔽箱內填充有實驗土體，實驗土體內置有深海基礎，深海基礎在屏蔽箱的實驗土體內隨意活動，深海基礎上固定有追蹤器；屏蔽箱和模型箱均用接地線接地，追蹤器經電源線連接模型箱外的設備獨立電源，追蹤器經數據線與模型箱外的數據收集處理系統連接。本實用新型用于離心機深海基礎實驗中屏蔽離心機運行產生的低頻干擾磁場以及精確追蹤結構物的位置與姿態信息，提高磁感應追蹤設備精度，達到實時連續探測深海基礎的運動信息。

技術領域

本實用新型涉及了一種深海基礎動態特性測量裝置，尤其是涉及了一種超重力離心機的深海基礎電磁感應空間定位和測向裝置。

背景技術

海上石油開采行業的興起，促進了海上油氣開采平臺深海基礎的研究與發展，成為土木工程領域新興的研究熱點。深海基礎受力作用下的位置和姿態信息與其極限承載力和破壞模式密切相關，以深海拖曳錨為例，其安裝告竣時的嵌入深度與方位角決定了基礎的極限承載力、及服役期間受風、浪、流等荷載作用下可出現的法向機動、面內機動、異面機動等不同失穩機制。然而土體的不可視性，導致精確追蹤深海基礎在海床中的運行軌跡成為一大技術障礙，這使得關于深海基礎在安裝過程中的軌跡及姿態與服役期間受力作用下的位置與姿態信息成為一大研究難點。當前實驗中追蹤深海基礎軌跡的手段有三種：用合成鋰皂土模擬海床，利用其土體透明性觀察深海基礎運動；使用自然土體，但在實驗初始階段，在深海基礎上涂抹高錳酸鉀，使得深海基礎在拖曳過程中會留下帶有高錳酸鉀的深紅色軌跡；采用傾角傳感器觀察深海基礎在自然土體中的姿態。其中，采用合成鋰皂土來模擬海床，由于這類材料的透明性，在實驗觀察窗中可以方便地觀察深海基礎在模擬土體中的運行軌跡，可對錨的拖曳嵌入過程進行實時的觀測。此類試驗對錨嵌入過程的定性研究具有一定的參考價值。但是，由于合成鋰皂土與海洋土質相差較遠，無法直接給出定量的成果。涂抹高錳酸鉀法，雖然能夠觀測深海基礎的嵌入軌跡和姿態信息，但是不能精確測量各項參數。利用相對地心的重力加速度原理制作的傾角傳感器測量深海基礎在土體中的角度變化，此傳感器主要適合靜態和慢速變化的動態測量(載體水平或俯仰的角度變化速率小于5度/秒)，不適用于快速變化的動態測量(大于10度/秒時)。另外，由于傾角傳感器是一種應用慣性原理的加速度傳感器，利用相對地心的重力加速度原理制作，一旦有除重力加速度之外的外界加速度時，加速度芯片測得的加速度就包括外界加速度，將會導致計算出來的角度不準確，因此傾角傳感器不能用于超重力離心機土工實驗中。

物體在三維空間中的位置和姿態，由6個參數來描述，即六個自由度，沿X、Y、Z坐標軸的平動和繞X、Y、Z軸三個方向的轉動。對目標物體的空間位置與姿態進行探測的技術稱為空間位置追蹤技術，電磁空間定位和測向技術是當前常見的空間位置追蹤技術。其本質是使用交變的電磁場來定位目標物體的位置及姿態，系統由數據收集處理系統、磁源、追蹤器構成。其中，磁源的作用是向三個相互垂直的線圈分時發送一定的較低頻率的正弦電流信號產生電磁場，同時向追蹤器提供相位參考信號；追蹤器的作用是利用三個相互垂直的線圈對感應到的交流信號進行幅度的測量與相位的判決，主要是與參考信號同相或者反相，然后將測量幅度和相位判決的結果輸出給A/D轉換電路，經過A/D轉換后將數據傳入數據收集處理系統，最后通過電磁定位算法計算出目標物體的位置姿態信息，即目標六個自由度參數，進而實現對追蹤目標空間位置與姿態信息的精確定位。磁感應追蹤設備可以在超重力作用下對于物體六個空間自由度運動信息進行精確追蹤。然而，由于其通過電磁場對于目標實施追蹤探測，因此，其工作環境不能受到干擾磁場的影響。

超重力土工實驗中，離心機運行將會產生干擾磁場，磁場大小和頻率取決于離心機的運轉速度。干擾磁場傳播路徑有三種：(1)通過金屬傳導的磁場，由于離心機上金屬器件的磁導率往往較高，因此磁場可通過金屬器件傳遞至實驗模型箱；(2)通過空氣傳播輻射磁場；(3)通過電源傳播的干擾磁場。三種磁場傳播方式最終都會在模型箱產生干擾磁場，進而對模型箱內的磁感應追蹤設備產生嚴重干擾。