海洋技术▏海底表层沉积物力学特性分析测量系统设计与实现
一、引言
海底沉积物的力学性质是指其在外力作用下所表现的性质，主要为变形特性和强度特性，通常以剪切强度和贯入阻力参数来表示。海底表层沉积物的稀软底质不同于陆地土壤，海底底质的显著力学特性表征为含水量高、剪切强度低、承压能力弱等特性，如在海底进行水雷埋设、监听器布设、观测网建设、军事设施施工及设备稳定作业等海底施工任务时，均需海底底质力学参数（剪切强度和贯入阻力）作为施工作业的依据。
目前在国际上，许多国家都已经或正在进行海底底质力学特性参数测量工作。美国海军水文局早在上世纪50年代末就对北大西洋、西地中海、中太平洋海域进行了海底表层样品取样，在实验室对34个样品进行了剪切强度、承载力及内聚力的测试，其测试数据经过解密后，广泛应用于海底工程领域。印度NIOT-研究院Konstruktion（IKS）与德国的锡根大学联合开发了一款土壤测试仪，该测试仪在33m水深成功地进行了原位测试，该土壤测试仪通过贯入阻力仪测试土壤的承载强度，通过十字板剪切仪测试土壤的剪切强度。
我国在“八五”期间，中国大洋矿产资源研究开发协会在中国矿区组织了多个航次的地质调查，采用抓斗、箱式及多管柱状取样器进行了大量的深海海底沉积物取样，并对所取得的样品带回岸基实验室进行测量和分析研究。地矿部海洋地质研究所在浅海力学测量领域内进行过一些研究和测试工作。就目前来看，由于受到试验设备、经费以及试验方法等种种因素的影响，我国在海底底质力学特性分析测量方面的研究相对来说还有一定差距。
针对海洋测绘海底表层沉积物现场测量需求，结合现有科考船的实际要求，设计研制满足现有科考船装船条件及底质样品力学参数测量需求的海底表层沉积物力学特性分析测量系统，与科考船上底质取样器配套使用，实现海底沉积物取样样品的剪切强度和贯入阻力等力学特性参数的现场分析测量，解决了样品多次移动或长期保存致使力学特性变化而导致测试结果失真的问题。
二、系统组成及总体方案设计
系统主要由机柜、剪切强度测试仪、贯入阻力测试仪、驱动单元、数据采集单元及控制采集处理系统等组成。系统总体结构图见图1。
图1 系统总体结构示意图
机柜主要用于固定安装系统的硬件部件，设计为不锈钢框架结构，分为上下两层，上部是测试区，为干性工作区，下部是样品区，为湿性工作区；剪切强度测试仪用于测量沉积物样品的剪切强度值；贯入阻力测试仪用于测量沉积物样品的贯入阻力值；驱动单元用于控制用步进电机和剪切电机，实现精确控制探头贯入深度及剪切角度，完成探头的贯入和剪切动作；数据采集单元用于采集系统传感器探头的测量数据；控制采集处理系统通过软件设计实现系统数据的采集、存取、处理及驱动控制。
三、系统技术实现
⒈剪切强度测试仪
剪切强度测试仪的主要硬件是十字板剪切探头和扭矩传感器，结构图见图2。测量过程是控制系统先驱动步进电机带动十字板剪切探头下行并贯入沉积物样品一定深度，再驱动剪切电机带动十字板剪切探头以一定速度（900/min）速度旋转3600，完成厚度为5cm第一层样品的剪切强度测量，测量值经数据换算后通过数据采集单元传输给工控机，再经系统分析处理软件分析处理后，获得沉积物的剪切强度值；然后再以同样的方式进行第二层样品的剪切强度测量，并依次分层完成整管样品的剪切强度测量。
图2 剪切强度测试仪结构示意图
⑴十字板剪切探头
在进行剪切强度值测量时，十字板剪切探头在转动的过程中会受沉积物的剪切力作用，同时探头产生抵抗力矩，通过扭矩传感器测出探头的抵抗力矩，然后换算成沉积物的剪切强度。在测量过程中，十字板剪切板探头尺寸极为重要，因为十字板剪切探头尺寸不同，贯入沉积物时引起沉积物的扰动就不同。十字剪切板探头都为矩形，高宽比是H:D=2:1，国外使用的十字板尺寸与国内常用的十字板尺寸不同。鉴于沉积物的稀软特性及我国科考船上取样样品管的尺寸（直径R=600mm），并借鉴国内外沉积物测试的研究成果，该系统十字板剪切探头的尺寸设计为32mm×16mm。
⑵扭矩传感器
扭矩传感器安装在剪切强度测试仪的套筒内部，用于测试十字板剪切探头旋转时产生的抵抗力矩，实现沉积物剪切强度值得测量。该剪切强度测试仪采用的是电阻应变式扭矩传感器，这种扭矩传感器是利用高档箔式应变片组成了电桥，在力的作用下电阻会随之值增加或减小，当输入端加上直流电压后，输出端则可以得到随所施力大小而改变的电压信号，再经过信号处理计算出扭矩值。
根据历史成果资料，在太平洋海域的海底0～600mm深度处沉积物的剪切强度值在最大约为12.9kPa。如果十字剪切板探头的宽D=16mm、高H=32mm，代入下式：
Cu＝2M/(πD2(H＋D/3))
（其中Cu为最大剪切强度值，M为最大扭矩值，D为探头宽度，H为探头高度）
带入数值计算获得所需的扭矩约为M=0.19NM，取整数，可选取量程为0.2NM的扭矩传感器。经过反复实验，该剪切强度测试仪选择INTERFACE生产的MRT型量程为0.2NM的扭矩传感器。该传感器的特点是结构紧凑，易于安装，综合测试精度可达0.1%，满足测量要求。
⒉贯入阻力测试仪
贯入阻力测试仪主要硬件是贯入阻力探头和压力传感器，结构图见图3。测量过程是控制系统通过控制步进电机，驱动贯入阻力探头以一定速度连续贯入沉积物样品，连续进行整管沉积物样品的贯入阻力值测量，测试数据通过数据采集卡传输给工控机，再经系统分析处理软件分析处理后，获得海底沉积物的贯入阻力值。
图3 贯入阻力测试仪结构示意图
⑴贯入阻力探头
贯入阻力探头按功能分：单桥探头、双桥探头、三桥探头。单桥探头可测锥尖阻力、双桥探头可测锥尖阻力和侧壁阻力，三桥探头可测锥尖阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压。由于该测量系统是对沉积物样品进行力学特性分析，测孔隙水压意义不大，所以采用双桥探头测锥尖阻力和侧壁阻力以获得沉积物的贯入阻力。
目前，国内外普遍规定探头的锥头为圆锥形，其顶角为60°，探头面积有5、10、15、20cm2。鉴于取样样品管尺寸限制，为尽量降低探头的尺寸效应，选择面积5cm2的探头，这样可最大限度的降低其尺寸效益影响。
⑵压力传感器
根据设定的技术指标，需要测试海底表层沉积物的最大深度为600mm，参考我国深海沉积物的原位测试结果，0～600mm表层沉积物的最大贯入阻力值近200kPa，故本贯入阻力测试仪选用应变式压力传感器的折算量程应为0～200kPa。
⒊驱动单元
驱动单元包括驱动器和电机两部分，驱动器在控制指令下驱动电机使十字板剪切探头和贯入阻力探头与沉积物样品相互作用，实现贯入阻力和剪切强度的动态控制与测量。驱动单元选MOTEC系列三相智能混合式步进系统包含SD3型驱动器和SM3步进电机。SD3型驱动器采用正弦波细分技术和新型功率模块，具有内置控制器、集成PLC功能、RS232/485/CAN总线接口、多种操作模式的网络型智能步进驱动器。
⒋数据采集单元
数据采集单元用于采集扭矩传感器和压力传感器的数据，并经数据线传输给工控机。根据系统测量需求，数据采集卡选研华USB-4716型数据采集模块。USB-4716模块带有16位分辨率的16SE/8Diff输入，16路数字I/O和1个用户计数器，以及一个16位的模拟输出，通过USB端口获得所有所需的电源，无需外部的电源连接。
⒌控制采集处理系统
控制采集处理系统主要实现测量过程的动态控制、测量数据存储、数据分析处理、测量结果和测量曲线显示、统计报表及数据查询等功能。
⑴动作指令：根据步进电机及其驱动器，编译指令，通过驱动器驱动步进电机动作，进而带动探头剪切或贯入；
⑵协议分析：打包软件中心到测量终端的控制指令，拆包接收到的测量终端回传的控制指令和测量数据；
⑶数据存储：保存各测量终端回传的测量数据为数据库表；
⑷数据处理：通过系统软件对接收/发送的数据进行分析、解析等处理；
⑸状态显示：将解析得到的状态参数，实时显示在软件窗口上，供操作员查看；
⑹数据实时曲线显示：将传感器数据通过曲线行形式实时显示；
⑺统计报表：导出存储的数据库表到Excel表，导出形成的数据曲线到图片（JPG格式）；
⑻数据查询：根据条件查询数据库中存储的历史数据。
四、系统主要功能
⒈剪切强度测量
在测量前，先对电机参数、数据采集卡参数、曲线参数进行设置，然后按要求对沉积物样品进行剪切强度参数测量，分析测量软件界面的“数据测量显示区”显示剪切强度数据及当前深度、剪切角度，“试验曲线显示区”将以剪切角度为横轴、剪切强度为纵轴绘制曲线。2015年10月，在舟山海域，对取得的样品进行了剪切强度参数测试，测量结果见图4。
图4 剪切强度测量界面
⒉贯入阻力测量
在测量前，先对电机参数、数据采集卡参数、曲线参数进行设置，然后按要求对沉积物样品进行贯入阻力参数测量，分析测量软件界面的“数据测量显示区”显示贯入阻力数据及记录时间、贯入深度，“试验曲线显示区”将以贯入深度为横轴、贯入阻力为纵轴绘制曲线。2015年10月，在舟山海域，对取得的样品进行了贯入阻力参数测试，测量结果见图5。
图5 贯入阻力测量界面
⒊参数设置
参数设置功能模块包括电机设置、采集卡设置及曲线参数设置三部分。
⑴电机参数设置
电机设置功能模块可对串口通讯、波特率、电机的驱动器地址、探头下行深度、探头转速等参数根据测量需求进行设置，设置界面见图6。
图6 电机参数设置界面图
⑵采集卡参数设置
采集卡设置功能模块可对数据采集卡名称、数据采集频率、传感器输入通道、传感器换算系数、小数位等参数根据任务需要进行设置，设置界面见图7。
图7 采集参数卡设置界面图
⑶曲线参数设置
曲线参数设置功能模块可对测试曲线X轴、Y轴的最小、大值设置及X轴、Y轴步长等参数进行设置，设置界面见图8。
图8 曲线参数设置界面图
⒋测量数据导出功能
测量任务完成后，可实现“导出图片”功能和“导出EXCEL”功能，并将测量数据保存到指定位置。
⒌历史记录查询功能
通过历史记录查询功能可以查询近期所有历史测量数据、历史测量曲线及操作记录等。
五、结束语
当前，我国对近海海域加大了调查测量研究力度，开展了大量海底沉积物的取样调查，为充分发掘样品的应用价值，需要及时对获取的沉积物样品进行测试；同时，随着我国走出去策略的实施，我国科学调查测量船舶迈入四大洋的步伐与力度也日益加大，加大了航次考察调查测量任务，为深入了解世界大洋海底，也开展了大量海底沉积物的取样调查。海底表层沉积物力学特性分析测量系统实现了在调查测量船上对获取沉积物样品实时进行剪切强度和贯入阻力参数值测量，解决了因沉积物样品多次移动或长期保存致使力学特性变化而导致测试结果失真的问题，显著提高了海底沉积物样品测量分析质量及效率。
但由于底质样品自海底回收至船上实验室期间，其上覆水与海水不断地进行交换易失水，且水分流失和释压，以及在提升过程中不可避免的扰动，从而使室内试验所测得的力学指标取决于所取样品的质量，而原位测试方法可有效克服室内试验中试样小、代表性差、易受扰动所测力学性质指标“失真”等不可避免的缺点，测试结果可靠、精度高，所以下一步工作是在实验室测量系统的基础上，进一步设计研制海底表层沉积物力学原位测量系统。
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END
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【作者简介】文/邓玉芬 孙磊 王川，均来自92859部队；第一作者邓玉芬，1970年出生，女，辽宁葫芦岛人，硕士研究生，主要从事海洋声学仪器设备研究；文章来自《海洋测绘》（2020年第1期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理编辑。
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