本实用新型专利技术公开了一种海底沉积物液化后流变特性原位测量装置，包括十字板头、连杆、电机、扭矩传感器、角位移传感器和控制模块；所述十字板头用于插入到海底沉积物中；所述连杆的底部连接所述十字板头；所述电机用于驱动所述连杆旋转，进而驱动所述十字板头旋转；所述扭矩传感器的一端通过联轴器连接所述电机的转轴，另一端连接所述连杆的顶部，用于检测连杆的扭矩；所述角位移传感器用于检测十字板头的转过角度；所述控制模块接收所述扭矩传感器和角位移传感器输出的检测信号，并控制所述电机转动。本实用新型专利技术的测量装置可以将十字板头直接插入到待测土体中，用于对待测土体的液化流变特性进行原位测量，操作简单，适合现场使用。
【技术实现步骤摘要】
一种海底沉积物液化后流变特性原位测量装置
本技术属于土体流变检测
，具体地说，是涉及一种用于检测海底沉积物的液化流变特性的测量装置。
技术介绍
土体流变特性是指土体液化后表现出的一系列类似流体的性质。原位测试是在岩土原来所处的位置上或基本上在原位状态和应力条件下对岩土性质进行的测试。一般情况下，由于有效应力的存在，土体的孔隙水压力小于总应力。然而，在波浪荷载的作用下，海床土中的孔隙水压力会不断升高，当孔隙水压力增大到与总应力相等时，海床土中的有效应力等于零，土骨架丧失了作用力，土颗粒“悬浮”在水中，这时土变成像流体一样的物质，丧失抗剪强度和承载能力，这就是海床土的液化现象。海床土液化失稳，对海洋环境及海洋工程都会带来巨大破坏，甚至引发海底滑坡等一系列地质灾害，给人类的生命带来巨大威胁。目前国内外学者通过试验研究、解析研究和数值分析研究，发现液化土是一种“剪切稀化”非牛顿流体，即随着剪切速率的增加，表观黏度逐渐降低。所以，分析液化现场原位海床土体的失稳破坏情况，了解现场原位海床土剪切流变性质，对保证极端海况下海洋工程结构物安全和预防地质灾害都有重要意义。在液化土体流变性质的分析中，表观黏度和流动曲线都是重要的参数。表观黏度是表示流体的内摩擦的物理量，是一层流体对另一层流体作相对运动的阻力，定义为剪应力与剪切速率的比值。剪切速率是由于流体的层流速度不同而形成的一种速度梯度，流动较慢的液层阻滞流动较快液层的运动，定义为剪应变与时间的比值。流动曲线是表示流体的剪切速率与剪应力的关系曲线。海底环境千变万化，有许多超出现在人们认知的未知影响因素，特别是海底沉积物所处的环境更为复杂。因此，要研究液化海底沉积物的流变特性，就必须对海底沉积物进行现场原位检测，才能解决工程实际问题，预防地质灾害。然而，现有用于检测流体表观黏度的测量装置仅限于实验室应用环境，例如旋转黏度计、毛细管黏度计、落球黏度计等。其中，旋转黏度计的原理是使流体在狭缝间产生剪切流动，测量流动过程中的扭矩来计算流体的表观黏度。毛细管黏度计是使流体在重力作用下缓慢流过一个标定好的玻璃毛细管黏度计，通过测量流体流过黏度计的时间来反映流体的黏度。落球黏度计的原理是将一个刚性球放入盛满流体的透明量筒里，刚性球凭重力下落，测量刚性球在流体中匀速通过时的速度来计算流体的表观黏度。此外，在模型试验研究土体流变特性方面，国内外学者也做了一系列探索性工作，例如，申请号为201110321240.8的中国技术专利公开了一种用于实验室的智能土工剪切流变仪；申请号为201610081275.1的中国技术专利申请公开了一种模拟泥石流起动的大变形十字板头剪切流变试验系统，这些专利申请技术都是用来研究土体流变特性的，但只能适用于实验室环境。上述土体流变特性测量方法之所以不适用于原位测量海底沉积物的流变特性的原因是：(1)现有装置的结构本身不适合现场使用，操作复杂且用时较长；(2)现有装置在测量之前必须先提取土样，然后将土样放在一个特定的容器内，这样会严重扰动土体，破坏了原有海底沉积物的结构；(3)现有装置只能针对单一的均质土，而实际海底沉积物液化过程十分复杂，可能出现分层现象，因此，现有装置无法测量出不同深度海底沉积物的流变特性。(4)中国技术专利申请201610081275.1采用光电编器记录脉冲数来计算土体应变，这种测量应变的方法抗干扰能力太弱，仪器本身易损坏，无法在严峻的工程现场测量，不适合原位检测。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种全新结构的海底沉积物液化流变特性测量装置，适合现场使用，且操作简单，可以为测量不同深度海底沉积物的流变特性提供硬件支持。为解决上述技术问题，本技术采用以下技术方案予以实现：一种海底沉积物液化后流变特性原位测量装置，包括用于插入到海底沉积物中的十字板头、连杆、电机、扭矩传感器、角位移传感器和控制模块；所述连杆的底部连接所述十字板头；所述电机用于驱动所述连杆旋转，进而驱动所述十字板头旋转；所述扭矩传感器的一端通过联轴器连接所述电机的转轴，另一端连接所述连杆的顶部，用于检测连杆的扭矩；所述角位移传感器用于检测十字板头的转过角度；所述控制模块接收所述扭矩传感器和角位移传感器输出的检测信号，并控制所述电机转动。进一步的，在所述测量装置中还设置有机箱，所述控制模块安装在所述机箱内，所述电机、联轴器、扭矩传感器、角位移传感器、连杆、十字板头位于所述机箱的外部，在所述扭矩传感器的外部壳体上安装有支撑架，所述支撑架安装在机箱上，从而将电机、联轴器、扭矩传感器、角位移传感器、连杆、十字板头与机箱组装在一起。为了控制十字板头插入到海底沉积物中，并对十字板头在海底沉积物中的插入深度进行精确测量，本技术可以采用以下两种优选方式：其一，设计所述连杆为可伸缩式连杆，手动或自动控制所述连杆伸缩，以驱动所述十字板头插入到海底沉积物中或者从海底沉积物中收回；在所述连杆上沿连杆的长度方向设置刻度线，通过所述刻度线确定所述十字板头插入到海底沉积物的深度；其二，在所述机箱上安装升降机构，将所述支撑架安装在所述升降机构上，通过所述升降机构驱动支撑架上下移动，进而驱动所述十字板头插入到海底沉积物中或者从海底沉积物中收回。利用所述控制模块控制所述升降机构运行，进而可以根据升降机构的运行状态确定出所述十字板头插入到海底沉积物的深度。为了便于角位移传感器的安装，所述电机优选采用双轴电机，将其中一个转轴通过联轴器连接所述扭矩传感器，另一个转轴通过另一联轴器连接所述角位移传感器，所述连杆与所述电机的转轴同步旋转。为了实现对电机转速的准确调节，本技术在所述测量装置中还设置有转速调节旋钮和转速传感器，所述转速调节旋钮安装在所述机箱上，并连接所述控制模块，所述控制模块根据通过转速调节旋钮输入的设定转速调节所述电机的转速；所述转速传感器安装在所述电机上，用于检测电机的转速，并生成转速信号发送至所述控制模块，所述控制模块根据接收到的转速信号调节电机的实际转速达到所述设定转速，以实现对电机转速的准确控制。优选的，在所述机箱上设置有数据接口，连接所述控制模块，所述控制模块通过所述数据接口与外部设备交互数据。进一步的，在所述测量装置上还设置有显示屏，安装在所述机箱上，并连接所述控制模块，用于显示各类参数，例如扭矩值、转过角度、转动时长等，以提供给现场的研究人员查阅，研究人员据此便可计算出海底沉积物的液化流变特性。为了便于携带，本技术在所述机箱的顶部还安装有把手，机箱中安装有用于为测量装置中的用电负载供电的蓄电池，所述蓄电池通过充电电路连接充电插口，所述充电插口设置在机箱上，接收外部的充电电源为所述蓄电池充电。为了使本技术的测量装置能够对水深大于5米的海底沉积物进行现场原位测量，本技术在所述测量装置中还设置有密封舱和通信模块；所述十字板头以及连杆的至少一部分伸出所述密封舱，测量装置的其它部件内置于所述密封舱中；所述通信模块内置于所述密封舱中，并连接所述控制模块，所述控制模块通过所述通信模块以有线方式或无线方式与远端的上位机通信，交互数据。优选的，在所述密封舱上安装有数字水下高度计，用于检测所述测量装置到海底沉积物的距离，并生成检测信号发送至所述控制模块本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种海底沉积物液化后流变特性原位测量装置，其特征在于，包括：十字板头，其用于插入到液化后的海底沉积物中；连杆，其底部连接所述十字板头；电机，其用于驱动所述连杆旋转，进而驱动所述十字板头旋转；扭矩传感器，其一端通过联轴器连接所述电机的转轴，另一端连接所述连杆的顶部，用于检测连杆的扭矩；角位移传感器，其用于检测十字板头的转过角度；控制模块，其接收所述扭矩传感器和角位移传感器输出的检测信号，并控制所述电机转动。
【技术特征摘要】
1.一种海底沉积物液化后流变特性原位测量装置，其特征在于，包括：十字板头，其用于插入到液化后的海底沉积物中；连杆，其底部连接所述十字板头；电机，其用于驱动所述连杆旋转，进而驱动所述十字板头旋转；扭矩传感器，其一端通过联轴器连接所述电机的转轴，另一端连接所述连杆的顶部，用于检测连杆的扭矩；角位移传感器，其用于检测十字板头的转过角度；控制模块，其接收所述扭矩传感器和角位移传感器输出的检测信号，并控制所述电机转动。2.根据权利要求1所述的海底沉积物液化后流变特性原位测量装置，其特征在于，还包括机箱，所述控制模块安装在所述机箱内，所述电机、联轴器、扭矩传感器、角位移传感器、连杆、十字板头位于所述机箱的外部，在所述扭矩传感器或电机的外部壳体上安装有支撑架，所述支撑架安装在所述机箱上。3.根据权利要求2所述的海底沉积物液化后流变特性原位测量装置，其特征在于，所述连杆为可伸缩式连杆，在所述连杆上沿连杆的长度方向设置有刻度线，用于测量所述十字板头插入到海底沉积物的深度。4.根据权利要求2所述的海底沉积物液化后流变特性原位测量装置，其特征在于，在所述机箱上安装有升降机构，所述支撑架安装在所述升降机构上，通过所述升降机构驱动支撑架上下移动，进而驱动所述十字板头插入到海底沉积物中或者从海底沉积物中收回。5.根据权利要求1所述的海底沉积物液化后流变特性原位测量装置，其特征在于，所述电机为双轴电机，其中一个转轴通过所述联轴器连接所述扭矩传感器，另一个转轴通过另一联轴器连接所述角位移传感器，所述连杆与所述电机的转轴同步旋转。6.根据权利要求2所述的海底沉积物液...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓磊，陈安铎，张民生，郑杰文，贾永刚，文明征，崔凯，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：新型
国别省市：山东,37
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