本实用新型专利技术公开了一种超重力离心机的深海基础电磁感应空间定位和测向装置。包括位于内部的屏蔽箱和位于外部的模型箱，屏蔽箱通过支撑和垫块固定于模型箱内，屏蔽箱内侧壁固定有一磁源支架，磁源支架上固定放置磁源，屏蔽箱内填充有实验土体，实验土体内置有深海基础，深海基础在屏蔽箱的实验土体内随意活动，深海基础上固定有追踪器；屏蔽箱和模型箱均用接地线接地，追踪器经电源线连接模型箱外的设备独立电源，追踪器经数据线与模型箱外的数据收集处理系统连接。本实用新型专利技术用于离心机深海基础实验中屏蔽离心机运行产生的低频干扰磁场以及精确追踪结构物的位置与姿态信息，提高磁感应追踪设备精度，达到实时连续探测深海基础的运动信息。
【技术实现步骤摘要】
超重力离心机的深海基础电磁感应空间定位和测向装置
本技术涉及了一种深海基础动态特性测量装置，尤其是涉及了一种超重力离心机的深海基础电磁感应空间定位和测向装置。
技术介绍
海上石油开采行业的兴起，促进了海上油气开采平台深海基础的研究与发展，成为土木工程领域新兴的研究热点。深海基础受力作用下的位置和姿态信息与其极限承载力和破坏模式密切相关，以深海拖曳锚为例，其安装告竣时的嵌入深度与方位角决定了基础的极限承载力、及服役期间受风、浪、流等荷载作用下可出现的法向机动、面内机动、异面机动等不同失稳机制。然而土体的不可视性，导致精确追踪深海基础在海床中的运行轨迹成为一大技术障碍，这使得关于深海基础在安装过程中的轨迹及姿态与服役期间受力作用下的位置与姿态信息成为一大研究难点。当前实验中追踪深海基础轨迹的手段有三种：用合成锂皂土模拟海床，利用其土体透明性观察深海基础运动；使用自然土体，但在实验初始阶段，在深海基础上涂抹高锰酸钾，使得深海基础在拖曳过程中会留下带有高锰酸钾的深红色轨迹；采用倾角传感器观察深海基础在自然土体中的姿态。其中，采用合成锂皂土来模拟海床，由于这类材料的透明性，在实验观察窗中可以方便地观察深海基础在模拟土体中的运行轨迹，可对锚的拖曳嵌入过程进行实时的观测。此类试验对锚嵌入过程的定性研究具有一定的参考价值。但是，由于合成锂皂土与海洋土质相差较远，无法直接给出定量的成果。涂抹高锰酸钾法，虽然能够观测深海基础的嵌入轨迹和姿态信息，但是不能精确测量各项参数。利用相对地心的重力加速度原理制作的倾角传感器测量深海基础在土体中的角度变化，此传感器主要适合静态和慢速变化的动态测量(载体水平或俯仰的角度变化速率小于5度/秒)，不适用于快速变化的动态测量(大于10度/秒时)。另外，由于倾角传感器是一种应用惯性原理的加速度传感器，利用相对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时，加速度芯片测得的加速度就包括外界加速度，将会导致计算出来的角度不准确，因此倾角传感器不能用于超重力离心机土工实验中。物体在三维空间中的位置和姿态，由6个参数来描述，即六个自由度，沿X、Y、Z坐标轴的平动和绕X、Y、Z轴三个方向的转动。对目标物体的空间位置与姿态进行探测的技术称为空间位置追踪技术，电磁空间定位和测向技术是当前常见的空间位置追踪技术。其本质是使用交变的电磁场来定位目标物体的位置及姿态，系统由数据收集处理系统、磁源、追踪器构成。其中，磁源的作用是向三个相互垂直的线圈分时发送一定的较低频率的正弦电流信号产生电磁场，同时向追踪器提供相位参考信号；追踪器的作用是利用三个相互垂直的线圈对感应到的交流信号进行幅度的测量与相位的判决，主要是与参考信号同相或者反相，然后将测量幅度和相位判决的结果输出给A/D转换电路，经过A/D转换后将数据传入数据收集处理系统，最后通过电磁定位算法计算出目标物体的位置姿态信息，即目标六个自由度参数，进而实现对追踪目标空间位置与姿态信息的精确定位。磁感应追踪设备可以在超重力作用下对于物体六个空间自由度运动信息进行精确追踪。然而，由于其通过电磁场对于目标实施追踪探测，因此，其工作环境不能受到干扰磁场的影响。超重力土工实验中，离心机运行将会产生干扰磁场，磁场大小和频率取决于离心机的运转速度。干扰磁场传播路径有三种：(1)通过金属传导的磁场，由于离心机上金属器件的磁导率往往较高，因此磁场可通过金属器件传递至实验模型箱；(2)通过空气传播辐射磁场；(3)通过电源传播的干扰磁场。三种磁场传播方式最终都会在模型箱产生干扰磁场，进而对模型箱内的磁感应追踪设备产生严重干扰。通过切断磁场传播途径实现消除干扰磁场的目的，目前对于低频磁场的屏蔽，常采用铁氧体材料(铁、硅钢片、坡莫合金等)等高磁导率材料的低磁阻对干扰磁场进行磁通分路，从而使得屏蔽体内部的磁场大为减弱；对于高频磁场，采用良导体材料，通过导体涡流效应产生反向磁场，进而达到到磁场屏蔽的目的。除此之外，聚合物电磁屏蔽材料可通过对电磁的反射、吸收、损耗等方式实现电磁场屏蔽。
技术实现思路
为了避免上述现有技术所存在的不足，本技术提供了一种超重力离心机的深海基础电磁感应空间定位和测向装置，以使超重力离心机实验中磁感应追踪设备不被干扰磁场影响，从而在实验过程中实现对深海基础三维空间位置与姿态信息的追踪测量，使得深海基础能够在超重力环境下实现动态特性的测量，并能有效抗低频磁干扰。本技术为解决技术问题采用如下技术方案：本技术包括位于内部的屏蔽箱和位于外部的模型箱，屏蔽箱通过支撑和垫块固定于模型箱内，屏蔽箱内侧壁固定有一磁源支架，磁源支架上固定放置磁源，屏蔽箱内填充有实验土体，实验土体内置有深海基础，深海基础在屏蔽箱的实验土体内随意活动，深海基础上固定有追踪器；屏蔽箱和模型箱均用接地线接地，追踪器经电源线连接模型箱外的设备独立电源，追踪器经数据线与模型箱外的数据收集处理系统连接。所述的深海基础为海上油气开采平台的基础结构零件，一般是特种钢结构。常见的油气平台基础有传统拖曳锚和法向承力锚等，传统拖曳锚通常由大型锚爪、刚性锚胫和用于连接锚索的锚眼(钩环或吊带)组成，仅能承受较大水平荷载，主要用于悬链式系泊系统；法向承力锚如Stevmanta一般由锚板、软索锚胫和角度调节器组成，其受力方向与锚板垂直，能承受水平荷载与垂直荷载，常用于绷紧式系泊系统。上述两种海洋基础的锚板形状为类蝶形，具有前段较尖尾部较宽大的特征。所述的模型箱置于超重力离心机的吊篮上，接地线通过超重力离心机轴心引出到超重力离心机外，设备独立电源和数据收集处理系统均固定于模型箱的箱体外。所述的屏蔽箱包括内层和外层的两层，外层材料为铜，内层材料为硅钢，内层和外层通过热轧复合法紧密贴合在一起。所述的磁源为磁感应追踪设备磁源。所述的屏蔽箱和模型箱的箱顶盖均开有小孔，小孔用于通过电源线、数据线和接地线，小孔处用导电橡胶填充密封，使得电源线、数据线和接地线穿过后的小孔处依然保持连续导体。本技术结构的设计适用于屏蔽箱内置有一个或两个深海基础的情况，每个深海基础上均固定有追踪器，各个追踪器共用一个磁源。所述的电源线和数据线均采用电磁屏蔽胶带包裹。所述的磁源支架底部和屏蔽箱侧壁之间连接有多道斜撑，以提高稳定性。所述的设备独立电源是DC输出为19.6V4A、AC输出220V300W正弦波的独立电源，可避免大型电机运转时对电路产生的磁干扰。所述的垫块为长条形钢，焊接与模型箱底部，连接固定于屏蔽箱底板，垫块部分填充于屏蔽箱和模型箱之间的空间，位于四角角部垫块成L形，限制屏蔽箱水平运动。所述的支撑为长条形钢，沿屏蔽箱和模型箱之间的空间沿上下方向均匀布置三道，限制屏蔽箱在模型箱内的水平运动，并防止屏蔽箱过大变形。本技术用于离心机深海基础实验中屏蔽离心机运行产生的低频干扰磁场以及精确追踪结构物的位置与姿态信息，从而提高磁感应追踪设备精度，达到实时连续探测深海基础的六个自由度高精度运动信息，确定实验中结构物的三维空间位置与姿态信息。本技术通过搭建屏蔽箱、将深海基础放置在屏蔽箱中、再将屏蔽箱放置在超重力环境下、再通过磁感应追踪设备测量获得深海基础在超重力环境下离心试验过程中的实时三维坐标和三维旋转角，进而获得本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种超重力离心机的深海基础电磁感应空间定位和测向装置，其特征是：包括位于内部的屏蔽箱(1)和位于外部的模型箱(2)，屏蔽箱(1)通过支撑(3)和垫块(4)固定于模型箱(2)内，屏蔽箱(1)内侧壁固定有一磁源支架(9)，磁源支架(9)上固定放置磁源(15)，屏蔽箱(1)内填充有实验土体，实验土体内置有深海基础(16)，深海基础(16)在屏蔽箱(1)的实验土体内随意活动，深海基础(16)上固定有追踪器(17)；屏蔽箱(1)和模型箱(2)均用接地线(5)接地，追踪器(17)经电源线连接模型箱(2)外的设备独立电源(6)。
【技术特征摘要】
1.一种超重力离心机的深海基础电磁感应空间定位和测向装置，其特征是：包括位于内部的屏蔽箱(1)和位于外部的模型箱(2)，屏蔽箱(1)通过支撑(3)和垫块(4)固定于模型箱(2)内，屏蔽箱(1)内侧壁固定有一磁源支架(9)，磁源支架(9)上固定放置磁源(15)，屏蔽箱(1)内填充有实验土体，实验土体内置有深海基础(16)，深海基础(16)在屏蔽箱(1)的实验土体内随意活动，深海基础(16)上固定有追踪器(17)；屏蔽箱(1)和模型箱(2)均用接地线(5)接地，追踪器(17)经电源线连接模型箱(2)外的设备独立电源(6)。2.根据权利要求1所述的一种超重力离心机的深海基础电磁感应空间定位和测向装置，其特征是：所述的模型箱(2)置于超重力离心机(18)的吊篮上，接地线(5)通过超重力离心机轴心引出到超重力离心机外，设备独立电源(6)和数据收集处理系统(14)均固定于模型箱(2)的箱体外。3.根据权利要求1所述的一种超重力离心机的深海基础电磁感应空间定位和测向装置，其特征是：所述的屏蔽箱(1)包括内层和外层的两层，外层材料为铜(8)，内层材料为硅钢(7)，内层和外层通过热轧复合法紧密贴合在一起。4.根据权利要求1所述的一种超重力离心机的深海基础电磁感应空间定位和测向装置，其特征是：所述的磁源(15)为磁感应追踪设备磁源。5.根据权利要求1所述的一种超重力离心机的深海基础电磁感应空间定位和测向装置，其特征是：所述的屏蔽箱(1)和模型箱(2)的箱顶盖均开有小孔(11)，...
【专利技术属性】
技术研发人员：赖莹，朱斌，陈云敏，陈川，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33
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