阅读说明：本技术 一种海底沉积物力学特性与浅层气综合检测装置 (Comprehensive detection device for mechanical characteristics and shallow gas of submarine sediments ) 是由 李青 童仁园 贾生尧 郑俊杰 屠烟波 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种海底沉积物力学特性与浅层气综合检测装置。包括海底沉积物力学特性检测部分、浅层气检测部分和超声无线信号传输部分,海底沉积物力学特性检测部分、浅层气检测部分分别测量力学参数和海底浅层气甲烷浓度,超声无线信号传输部分用超声换能器将海底沉积物力学参数跨越泥水分离室和气水分离室送至在气体检测室的超声换能器；再经在气体检测室内的浅层气测量和海底沉积物力学参数收发电路以总线方式送至海上计算机。本发明能同时在线检测海底沉积物力学特性和浅层气,并利用超声波和FSK调制实现了不能用电缆数据传输部分的无线信号传输,跨越泥水气分离结构进行无线通信,检测准确性高,大大提升了海洋工程的效率。(The invention discloses a comprehensive detection device for mechanical characteristics and shallow gas of submarine sediments. The system comprises a mechanical property detection part of the submarine sediment, a shallow layer gas detection part and an ultrasonic wireless signal transmission part, wherein the mechanical property detection part of the submarine sediment and the shallow layer gas detection part respectively measure mechanical parameters and the methane concentration of the submarine shallow layer gas, and the ultrasonic wireless signal transmission part uses an ultrasonic transducer to transmit the mechanical parameters of the submarine sediment to the ultrasonic transducer in a gas detection chamber by crossing a mud-water separation chamber and the gas-water separation chamber; and then the gas is transmitted to an offshore computer in a bus mode through a shallow gas measurement and seabed sediment mechanical parameter transceiving circuit in a gas detection chamber. The invention can simultaneously detect the mechanical property and shallow gas of the submarine sediment on line, realizes wireless signal transmission of a part which can not use cable data transmission by using ultrasonic waves and FSK modulation, carries out wireless communication across a mud-water-gas separation structure, has high detection accuracy and greatly improves the efficiency of ocean engineering.)

一种海底沉积物力学特性与浅层气综合检测装置

技术领域

本发明涉及了一种海底测量检测仪器，尤其是涉及了一种海底沉积物力学特性与浅层气综合检测装置。

背景技术

随着经济和科技的发展，物产资源丰富的海洋成为了新时期资源开发的热点。而无论资源开采还是基础建设，都将离不开海洋工程设施建设，其中确定海底土体的基本物理力学性质和地基承载力等是海洋工程勘察的重要测试项目。除此之外在近海湾域广泛分布着浅层气，海底浅层气通常是指在海床下沉积物中聚积的天然气资源其主要组成成分为甲烷气体。而海底浅层气的泄露和喷发会造成施工平台下陷、倾覆及至发生火灾，严重威胁着施工人员的生命安全，对海洋工程建设造成极大的危害。所以研究海底沉积物力学特性与浅层气综合检测装置已经成为我国海洋能源开发和工程建设的迫切需要。

目前，检测海底沉积物力学特性通常采用的是静力触探技术，它通过液压把探头匀速压入沉积物中，在贯入的过程过通过应变敏感元件测得表征海底沉积物物理力学性质的三个参数：锥头阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压力。

当前国内探测浅层气通常采用的主要方法是勘探钻孔法，该方法主要是通过探杆收集富含浅层气的样本，然后在实验室提取出浅层气，最后利用气相色谱仪测得浅层气中的各气体成分，该方法检测结果准确，但是检测时间长，成本也比较高。且在工程上海底沉积物力学特性检测和浅层气检测都是分开检测的，费事费力，成本很高，甚至有些时候都不进行浅层气检测，留下巨大隐患。

因此现有技术中缺少了一种海底沉积物力学特性与浅层气同时检测的装置和方式。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供了一种海底沉积物力学特性与浅层气综合检测装置，实现了海底沉积物力学特性与浅层气的同时综合检测。

本发明采用的技术方案是：

主要由海底沉积物力学特性检测部分、浅层气检测部分和超声无线信号传输部分组成，海底沉积物力学特性检测部分经超声无线传输部分和外部海面上的上位计算机连接，海底沉积物力学特性检测部分实现海底沉积物土体压力、侧壁摩擦力、孔隙水压力的力学参数测量，浅层气检测部分实现海底浅层气甲烷浓度测量，超声无线信号传输部分用信号发送超声换能器将海底沉积物力学参数跨越泥水分离室和气水分离室送至在气体检测室内的信号接收超声换能器；浅层气甲烷浓度和海底沉积物的力学参数经在气体检测室内的浅层气测量和海底沉积物力学参数收发电路以总线方式送至海面船上的上位计算机。

所述的海底沉积物力学特性检测部分、浅层气检测部分构成了力学特性与浅层气综合检测结构；力学特性与浅层气综合检测结构包括多功能孔压静力触探探头、变径接头、泥水分离室、气水分离室、气体检测室、转接头、压紧垫片和密封头；多功能孔压静力触探探头、泥水分离室、气水分离室、气体检测室和密封头从下到上依次同轴布置，主要由泥水分离室、气水分离室、气体检测室构成了浅层气检测部分，主要由多功能孔压静力触探探头构成了海底沉积物力学特性检测部分；多功能孔压静力触探探头的上端通过变径接头与泥水分离室下端连接一体，泥水分离室上端与气水分离室下端之间、气水分离室上端和气体检测室上端之间、气体检测室上端和密封头之间均通过转接头同轴连接，气水分离室上下两端分别和转接头之间中均安装有压紧垫片。

所述的泥水分离室的形状为圆柱形，内部放置有透水陶瓷管，外壁开有四个沿圆周间隔均布的矩形窗口，矩形窗口处嵌装多孔陶瓷或者透水石；所述的气水分离室的形状为圆柱形，中部的内壁设有环形内凸台，环形内凸台上开设多个小孔，并在环形内凸台上放置渗透膜，并用有同样小孔的压紧垫片压住渗透膜；所述的气体检测室的形状为圆柱形，下部的内壁设有环形内凸缘，环形内凸缘形成的孔中放置防水透气膜，防水透气膜使得海水不进入气体检测室，不损坏传感器与检测电路；气体检测室内部放置有非色散红外甲烷传感器，以及超声信号接收换能器、非色散红外甲烷传感器、浅层气测量和海底沉积物力学参数收发电路。

所述的多功能孔压静力触探探头包括连接杆、摩擦筒、通孔、孔隙水压力传感器、透水孔、透水滤器、锥头、第二变形柱、上组应变片、下组应变片、摩擦桶内部台阶、第一变形柱和透水盲孔；连接杆上端插装固定到变径接头的下端，第二变形柱和摩擦筒上端均固定于连接杆下端，第一变形柱和第二变形柱均套装在摩擦筒中；第一变形柱先套装在摩擦筒中，第一变形柱下部设有上下两道环形锥形外凸缘，摩擦筒下部设有上下两道环形内凸缘，两道环形锥形外凸缘分别套接装配于两道环形内凸缘中，第一变形柱的两道环形锥形外凸缘之间的外柱面安装有下组应变片；上面的一道环形锥形外凸缘之上的第一变形柱外套装有第二变形柱，第二变形柱上端和下端的外柱面分别设有两道环形外凸缘，第二变形柱的两道环形外凸缘之间的外柱面安装有上组应变片，第二变形柱下端的环形外凸缘的下端面配合连接在第一变形柱上面的一道环形锥形外凸缘和摩擦筒上面的一道环形内凸缘共同形成的摩擦桶内部台阶上；第一变形柱中心开设通孔，第一变形柱的通孔下端口同轴固定安装有锥头，锥头上端伸入第一变形柱的通孔内并在顶端面开设竖直的透水盲孔，锥头下端呈锥形体，锥头下端的顶部开设有水平的透水孔，透水孔的外端贯穿处锥头并连接安装有透水滤器，透水孔的内端和透水盲孔的底部连通，透水盲孔顶端安装孔隙水压力传感器，外部的水分经由透水滤器进入透水孔中，再经透水盲孔流入到孔隙水压力传感器处检测。

所述的上组应变片和下组应变片均由沿圆周间隔均布的四个应变片构成，所述的四个应变片以电桥结构连接构成了压阻式压力传感器。

所述的应变片和孔隙水压力传感器均通过一根8芯电缆线与外部的电源连接。

所述的应变片和孔隙水压力传感器经各自的小信号放大电路连接到单片机输出电压值，获得各自最终的采集信号；小信号放大电路包括运放芯片AD620 和运放芯片AD705，运放芯片AD620的正相输入端和反相输入端连接应变片/ 孔隙水压力传感器的输出两端，运放芯片AD620的基准电压端和运放芯片 AD705的输出端和反相输入端连接，运放芯片AD705的正相输入端分别经一个电阻和电源电压和地连接，运放芯片AD620输出端输出最终的采集信号。

所述的超声无线传输部分包括了发射超声换能器和接收超声换能器，发射超声换能器安装在变径接头的内壁，并和海底沉积物力学特性检测部分的单片机输出端电连接；接收超声换能器安装在气体检测室的内壁，并和海面上的上位计算机电连接；采用了超声波的无线信号传输方式，将海底沉积物力学特性检测部分测得的数字信号通过FSK调制转换成适合在浅层气检测部分的泥水气分离结构中传输的模拟信号，驱动发射换能器发出声信号，将电信号转换成声信号，进入装置壳体内中传输；接收超声换能器接收到声信号后，将采集到的声信号转换成电信号，通过解调以及译码恢复出数字信号中的原始信号信息。

所述的发射超声换能器是封装于变径接头内部，发射超声换能器使用电池供电，具体采用压电换能器。

所述的模拟信号采用以下方式调制：通过两个直接数字频率合成(DDS) 模块分别产生两个频率不同的单极性正弦波信号，两个单极性正弦波信号分别经各自的模拟开关连接到第二反相器，一个模拟开关的调制端连接到基带信号，另一个模拟开关的调制端经第一反相器连接到基带信号，第二反相器的输出FSK已调信号到放大电路的输入端，放大电路的输出端连接到超声换能器，两个模拟开关在微处理器的控制下选通两路单极性正弦波信号中的一个，使得两个单极性正弦波信号沿时序交替输出FSK已调信号，再经放大电路放大后驱动发射超声换能器产生超声波的声信号；所述的放大电路包括运放THS4001，运放THS4001的正相输入端经第一电容连接第二反相器的输出端，运放THS4001 的反相输入端经第一电阻接地，运放THS4001的反相输入端和输出端之间并联有第二电阻和第二电容，运放THS4001的输出端经第三电阻输出模拟信号。

检测时船上的液压机将海底沉积物力学特性和浅层气综合检测装置贯入海底沉积物中，沉积物阻力会引起应变敏感元件外部空心柱的变形，空心柱上的应变敏感元件就会输出三个微小电压分别对应表征海底沉积物物理力学特性的三个参数。然后通过AD采样将输出的微小电压信号转换成数字电信号，利用调制器将数字信号转换成适合在信道中传输的模拟信号，驱动发射换能器，将电信号转换成声信号，进入无线信道中传输；接收超声换能器将捕捉到的声信号转换成电信号，通过锁相环解调以及译码恢复出原始信息，从而跨越泥水气分离结构，将信号传输至传感器放置室。

与此同时，利用泥水气分离结构下端的多孔陶瓷透水石实现固液分离，再由结构内部的高分子气液分离渗透膜实现气液分离，位于传感器放置室的基于红外吸收原理的甲烷传感器感知到浅层气就会输出相应的电压值。

最后通过位于传感器放置室电缆将两部分测得的信号发送给海上母船，从而实现了海底沉积物物理力学特性与浅层气综合监测。

本发明的有益效果是：

本发明实现了海底沉积物力学特性与浅层气的同时综合检测，能同时在线检测海底沉积物力学特性和浅层气，并利用超声波和FSK调制实现了不能用电缆数据传输部分的无线信号传输。

本发明数据能够跨越泥水气分离结构进行无线通信，检测准确性高，满足实际要求，进而能提高海洋工程的质量和有效排除浅层气对施工造成的安全隐患，大大提升了海洋工程的效率，具有广泛的应用前景和意义。

附图说明

图1为本发明的装置安装布置结构图；

图2是装置整体结构图；

图3是泥水分离室的结构图；

图4是气水分离室的结构主视图；

图5是气体检测室的结构图；

图6是本发明的探头内部剖面图；

图7是本发明探头应变片的电桥结构示意图；

图8是小电压信号放大电路图；

图9是调制电路图；

图10是FSK调制波形情况示意图；

图11是驱动放大电路；

图12是FSK解调逻辑框图；

图13是浅层气测量和海底沉积物力学参数收发电路原理框图；

图14是非色散红外传感器的结构示意图；

图15是换能器频率测试曲线图；

图16是45kHz和90kHz载波信号图；

图17是FSK调制波形图；

图18是FSK信号放大波形图；

图19是FSK信号放大波形图；

图20是不同浓度的甲烷浓度测试结果图；

图21是现场测试实验数据结果图。

图中：多功能孔压静力触探探头1、变径接头2、泥水分离室3、矩形窗口 3.1、气水分离室4、环形内凸台4.1、气体检测室5、环形内凸缘5.1、转接头6、压紧垫片7、密封头8；1.1-连接杆；1.2-摩擦筒；1.3-通孔；1.4-孔隙水压力传感器；1.5-透水孔；1.6-透水滤器；1.7-锥头；1.8-第二变形柱；1.9应变片；1.10- 摩擦桶内部台阶；1.11-第一变形柱；1.12-透水盲孔；9.1-气室，9.2-传感器金属体，9.3-热释电探测器，9.4-印刷电路板，9.5-密封材料，9.6-环氧树脂板，9.7- 金属引脚，9.8-传感器金属板，9.9-进气孔，9.10-MEMS红外光源。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，具体实施主要由海底沉积物力学特性检测部分、浅层气检测部分和超声无线传输部分组成，海底沉积物力学特性检测部分经超声无线传输部分和外部海面上的上位计算机连接。海底沉积物力学特性检测部分实现海底沉积物土体压力、侧壁摩擦力、孔隙水压力的力学参数测量，浅层气检测部分实现海底浅层气甲烷浓度测量，超声无线信号传输部分用信号发送超声换能器将海底沉积物力学参数跨越泥水分离室和气水分离室送至在气体检测室内的信号接收超声换能器；浅层气甲烷浓度和海底沉积物的力学参数经在气体检测室内的浅层气测量和海底沉积物力学参数收发电路以总线方式送至海面船上的上位计算机。

本发明中，浅层气检测部分的泥水气分离结构将浅层气从泥水中分离出来，然后通过非色散红外甲烷传感器测得浅层气中甲烷浓度，实现了海底浅层气的采集和浓度的自动实时监测。海底沉积物力学特性检测部分是通过应变敏感元件实现了表征海底沉积物力学特性的锥头阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压力三个参数的实时测量。超声无线数据传输部分主要是为了海底沉积物力学特性检测部分检测到的数据能通过超声波换能器跨越浅层气检测部分的泥水气分离结构无线传输至传感器放置室。最后通过位于传感器放置室的电缆将两部分测得的数据传输到海面上母船的上位计算机上。

本发明通过具体实施的实验结果表明，具有对海底沉积物力学特性与浅层气综合检测的能力，可操作性强。

海底沉积物力学特性检测部分、浅层气检测部分构成了力学特性与浅层气综合检测结构。

如图2所示，力学特性与浅层气综合检测结构包括多功能孔压静力触探探头1、变径接头2、泥水分离室3、气水分离室4、气体检测室5、转接头6、压紧垫片7和密封头8；多功能孔压静力触探探头1、泥水分离室3、气水分离室 4、气体检测室5和密封头8从下到上依次同轴布置，主要由泥水分离室3、气水分离室4、气体检测室5构成了浅层气检测部分，主要由多功能孔压静力触探探头1和小信号放大电路、单片机构成了海底沉积物力学特性检测部分；

多功能孔压静力触探探头1的上端通过变径接头2与泥水分离室3下端连接一体，泥水分离室3上端与气水分离室4下端之间、气水分离室4上端和气体检测室5上端之间、气体检测室5上端和密封头8之间均通过转接头6同轴连接，气水分离室4上下两端分别和转接头6之间中均安装有压紧垫片7。

整个检测结构部件都用内、外螺纹连接，具有可拆卸性，方便拆卸和检测完成后的清洗，且整个装置内部都是中空的，作为气体通道。下面对结构主要部分进行详述。

泥水分离室3、气水分离室4、气体检测室5中的泥水气分离结构如下：

如图3所示，泥水分离室3的形状为圆柱形，内部放置有透水陶瓷管，透水陶瓷管和多功能孔压静力触探探头1同轴外壁开有四个沿圆周间隔均布的矩形窗口3.1，矩形窗口3.1处嵌装多孔陶瓷或者透水石，多孔陶瓷或者透水石能使得富含浅层气的海水进入并隔绝沉积物；下部外螺纹可以连接到变径接头上的内螺纹，与变径接头连接在一起；以便与多功能孔压静力触探探头连接。

如图4所示，气水分离室4的形状为圆柱形，中部的内壁设有环形内凸台4.1，环形内凸台4.1上开设多个小孔，小孔作为气体的流动通道，并在环形内凸台4.1上放置渗透膜，并用有同样小孔的压紧垫片压住渗透膜；上下两端为内螺纹，内壁上开有两道对称的半圆形凹槽，凸台与内壁之间有一个圆形凹槽，该凹槽用于放置圆环形密封圈。

如图5所示，气体检测室5的形状为圆柱形，下部的内壁设有环形内凸缘 5.1，环形内凸缘5.1形成的孔中放置防水透气膜，防水透气膜使得海水不进入气体检测室，不损坏传感器与检测电路；上下两端都是都是内螺纹，通过转接头分别与气体分离室和密封头连接，内部为中空，做为气体通道和放置气体传感器。

气体检测室5内部安装放置有非色散红外甲烷传感器，以及超声信号接收换能器、非色散红外甲烷传感器、浅层气测量和海底沉积物力学参数收发电路。

浅层气的采集主要由多孔陶瓷、透水石和防水透气膜完成。

多孔陶瓷/透水石的作用是实现泥水分离实现泥水分离，将富含浅层气的海水从沉积物中提取出来。采用的多孔陶瓷/透水石都是以刚玉砂、碳化硅等为主要原料，通过特殊的烧结工艺制备而成，具有耐高温，高压、抗酸、碱和有机介质腐蚀及高开孔率等优点。

具体实施的多孔陶瓷的多孔孔径为50微米，而在泥水室外壳上开了4个与多孔陶瓷的陶瓷板形状相同的长方形的窗口，然后通过胶水将多孔陶瓷的陶瓷板粘在长方形窗口内。由于泥水分离室内外存在压力差，富含浅层气的海水就可以通过窗口透过多孔陶瓷的陶瓷板进入泥水分离室内部，而泥沙则被多孔陶瓷挡在外部，实现了泥水的初步分离。

在泥水分离室内部还放了一个孔径更小为10微米的透水陶瓷管，进一步进行过滤，实现了泥沙与富含浅层气的海水的完全分离。

防水透气膜是将气体与海水分离实现气液分离，具体实施采用的是高分子的防水透气膜，高分子防水透气膜是一种以聚四氟乙烯为材料制成的高分子防水透气膜。每平方厘米的膜体上分布着数十亿的微孔，这些微孔的直径远远小于水珠的直径。高分子防水透气膜存在表面张力，能够阻挡液态水和固体颗粒的通过，同时又能让气体通过，因此具有良好的防水透气功能，从而实现了浅层气的采集。

从而将浅层气从泥水中提取出来，完成浅层气的采集。

本发明选用的是非色散红外甲烷传感器检测甲烷气体的浓度，能测量浓度范围为0-100％的甲烷气体，分辨能达到0.01％。

如图6所示，多功能孔压静力触探探头1.1包括连接杆1.1、摩擦筒1.2、通孔1.3、孔隙水压力传感器1.4、透水孔1.5、透水滤器1.6、锥头1.7、第二变形柱1.8、上组应变片、下组应变片、摩擦桶内部台阶1.10、第一变形柱1.11和透水盲孔1.12。

连接杆1.1上端插装固定到变径接头2的下端，摩擦筒1.2上下两端均开口，第二变形柱1.8和摩擦筒1.2上端均固定于连接杆1.1下端，第一变形柱 1.11和第二变形柱1.8均套装在摩擦筒1.2中；第一变形柱1.11先套装在摩擦筒1.2中，第一变形柱1.11下部设有上下两道环形锥形外凸缘，摩擦筒1.2下部设有上下两道环形内凸缘，两道环形锥形外凸缘分别套接装配于两道环形内凸缘中，两道环形锥形外凸缘之间和两道环形内凸缘之间形成环形间隙腔，第一变形柱1.11的两道环形锥形外凸缘之间的外柱面安装有下组应变片；上面的一道环形锥形外凸缘之上的第一变形柱1.11外套装有第二变形柱1.8，第二变形柱1.8上端和下端的外柱面分别设有两道环形外凸缘，第二变形柱1.8的两道环形外凸缘之间的外柱面安装有上组应变片，第二变形柱1.8下端的环形外凸缘的下端面配合连接在第一变形柱1.11上面的一道环形锥形外凸缘和摩擦筒 1.2上面的一道环形内凸缘共同形成的摩擦桶内部台阶1.10上；第一变形柱1.11 中心开设通孔1.3，第一变形柱1.11的通孔1.3下端口同轴固定安装有锥头1.7，锥头1.7上端伸入第一变形柱1.11的通孔内并在顶端面开设竖直的透水盲孔1.12，锥头1.7下端呈锥形体，锥头1.7下端的顶部开设有水平的透水孔1.5，透水孔 1.5的外端贯穿处锥头1.7并连接安装有透水滤器1.6，透水孔1.5的内端和透水盲孔1.12的底部连通，透水盲孔1.12顶端安装孔隙水压力传感器1.4，多功能孔压静力触探探头1.1外部的水分经由透水滤器1.6进入透水孔1.5中，再经透水盲孔1.12流入到孔隙水压力传感器1.4处检测。

上组应变片和下组应变片均由沿圆周间隔均布的四个应变片1.9构成，如图 7所示，四个应变片1.9以电桥结构连接构成了压阻式压力传感器，这样本发明在探头内部的传感器形成压阻式压力传感器，压阻式压力传感器是由四个应变片1.9的等值电阻连成的平衡电桥结构。

应变片1.9和孔隙水压力传感器1.4均通过一根8芯电缆线与外部的电源连接。

本发明的多功能孔压静力触探探头1.1工作过程是：

当探头贯入海底沉积物时，锥头1.7所受到的阻力会传递给第一变形柱1.11，第一变形柱1.11在两道环形锥形外凸缘之间发生变形，由下组应变片的阻值变化，产生锥头阻力(q_c)的信号。

于此同时，由于摩擦筒1.2的摩擦桶内部台阶1.10会与第二变形柱1.8相接触，第一变形柱1.11向上受压移动，将海底沉积物产生的对摩擦筒1.2的侧壁摩擦力传递给第二变形柱1.8，贴在第二变形柱1.8两道环形外凸缘的两个变形柱变形敏感区之间的上组应变片的阻值发生变化，产生侧壁摩擦力(f_s)的信号。

上下组应变片的阻值发生变化，平衡电桥结构的平衡就会打破，给电桥结构的对称两端施加5V的电压，阻值的变化在电桥结构的另外对称两端转化为微小电压变化信号，从而实现力信号的检测采集。

与此同时，海底沉积物/土体中的水分通过透水滤器1.6进入锥头1.7中的透水孔1.5和透水盲孔1.12，孔隙水压力传感器1.4将水压转变为微小电压变化信号。

最后将这三个微小电压变化信号经过放大、AD采样和计算就可以得到表征海底沉积物物理力学特性的三个值，从而实现海底沉积物物理力学特性检测。

由此通过多功能孔压静力触探探头1上述结构设计巧妙实现了同时检测表征海底沉积物物理力学特性的三个值：锥头阻力(q_c)、侧壁摩擦力(f_s)和孔隙水压力(u)。

应变片1.9和孔隙水压力传感器1.4经各自的小信号放大电路连接到单片机输出电压值，获得各自最终的采集信号；如图8所示，小信号放大电路包括运放芯片AD620和运放芯片AD705，运放芯片AD620的正相输入端和反相输入端连接应变片1.9/孔隙水压力传感器1.4的输出两端，运放芯片AD620的基准电压端和运放芯片AD705的输出端和反相输入端连接，运放芯片AD705的正相输入端分别经一个电阻和电源电压和地连接，运放芯片AD620输出端输出最终的采集信号。

多功能孔压静力触探探头1.1测得的表征海底沉积物力学特性的三个参数是微伏级的三个电压，通过小信号放大电路进行放大到0到3.3V，使得能被单片机采样得到其电压值。

具体的小信号放大电路如图4所示，选用了运放芯片AD620，该运放芯片 AD620具有高精度、低失调电压和低失调漂移特性，在1脚和8脚之间连接一个电阻来调节放大倍数，2脚和3脚是输入信号端，4脚和7脚为供电端，6脚为输出端，5脚是基准电压端。

理想状态下，当外部压力为零时，四个应变片1.9组成的电桥结构的四个阻值是等效的，电桥结构输出两脚的电压差为零，在实际使用当中发现，当外部压力为零时，探头会输出一个微小的负电压。

而单片机通过AD采样并不能识别微小的负电压，采用运放芯片AD705组成了一个电压跟随电路并与运放芯片AD620的5脚连接，抬高运放芯片AD620 的基准电压，运放芯片AD6206脚输出的电压值就是放大后的电压与基准电压之和，这样就实现了被单片机采样得到其电压值。

超声无线传输部分包括了发射超声换能器和接收超声换能器，发射超声换能器安装在变径接头2的内壁，并和海底沉积物力学特性检测部分的单片机输出端电连接；接收超声换能器安装在气体检测室5的内壁，并和海面上的上位计算机电连接。

具体实施采用超声波的无线信号传输方式，超声无线传输部分主要工作过程是在发射端，特别地将海底沉积物力学特性检测部分测得的数字信号通过 FSK调制转换成适合在浅层气检测部分的泥水气分离结构中传输的模拟信号，驱动发射换能器发出声信号，将电信号转换成声信号，进入装置壳体内中传输；接收超声换能器接收到声信号后，将采集到的声信号转换成电信号，通过解调以及译码恢复出数字信号中的原始信号信息。

力学特性检测到的参数需要跨越泥水气分离结构传输至位于气体检测室的单片机中信号处理，然后通过电缆传输至母船，实现浸水管道中力学特性检测参数传输。泥水气分离结构中有防水透气膜和渗透膜的存在，无法采用有线的方式传输，会破坏膜体，也无法采用常规的无线通信方式传输，会有产生干扰。

本发明也采用了电磁波无线传输模块和超声波换能器，并进行实验测试，实验结果显示电磁波无线传输方式在微波频段在无水管道中可以传输很短的一段距离，且管子内径越大传输越远，但在浸水管道中信号完全被屏蔽了。而采用超声波换能器调制转换通信后，信号获得准确的接收和提取，并未损失。

本发明有两个超声换能器，在发射端的超声换能器负责将电信号转换为机械振动信号声信号并耦合到探杆上，实现电声转换；在接收端的超声换能器负责接收探杆上的声波信号并转换为电信号，实现声电转换，供后续接收电路解调处理。

发射超声换能器是封装于变径接头2内部，发射超声换能器使用电池供电，具体采用较小的尺寸和较高的转换效率的压电换能器。

如图9所示，模拟信号采用以下方式调制：通过两个直接数字频率合成DDS 模块分别产生两个频率不同的频率适合在探杆中数据传输的单极性正弦波信号，两个单极性正弦波信号分别经各自的模拟开关连接到第二反相器，一个模拟开关的调制端连接到基带信号，另一个模拟开关的调制端经第一反相器连接到基带信号，第二反相器的输出FSK已调信号到放大电路的输入端，放大电路的输出端连接到超声换能器，两个模拟开关在微处理器的控制下根据需要发送的信息选通两路单极性正弦波信号中的一个，即两个模拟开关只有一个导通另一个关闭，使得两个单极性正弦波信号沿时序交替输出FSK已调信号，如图10所示，再经放大电路放大后驱动发射超声换能器产生超声波的声信号；两个单极性正弦波信号分别高低电平，分别代表了二进制数据1和0，高电平、高频率的单极性正弦波信号代表二进制数据1，低电平、低频率的单极性正弦波信号代表二进制数据0。

如图11所示，放大电路包括运放THS4001，运放THS4001的正相输入端经第一电容连接第二反相器的输出端，运放THS4001的反相输入端经第一电阻接地，运放THS4001的反相输入端和输出端之间并联有第二电阻和第二电容，运放THS4001的输出端经第三电阻输出模拟信号。

经过直接数字频率合成模块与模拟开关，得到了FSK已调信号，FSK已调信号中的直流分量不能承载有效的数字信息，由作为隔直电容的第一电容进行滤除，再通过运放THS4001将信号进行放大激发换能器。并在运放THS4001的后端加了一个第三电阻作为低通滤波器，滤除杂波。

运放THS4001采用了Analog Devices公司生产的高速低噪声电压型放大器THS4001。该运放的工作电压范围从±2.5V到±15V，带宽为270Mhz，具有 100mA的高输出驱动能力。

由此本发明采用上述的FSK调制波形，提高了抗噪声干扰性能。

具体实施中，如图10所示，静力触探探头所得的原始数据通过编码得到数字基带信号，数字基带信号无法直接在探杆中传输，将数字基带信号调制到一定频率的载波上，即调制到单极性正弦波信号上，使之能以探杆为信道传输。是用数字信号去调制载波的频率当发射信号“0”时输出频率为ω₁的正弦波，发射信号“1”时，输出另一种频率ω₂。

这样解决了其他常规调制方式下，由于探杆中有流动的水声波信号在传输时会出现幅度衰落与相位旋转、幅值的随机变化会导致接收机无法判断信号的问题，或者相位的移动会导致调制后接收机接收到的信号解调变得困难，相较于对相位和幅值的变化不敏感等的技术问题。

FSK调制波形的模拟信号的解调过程是如图12所示，先经过前置带通滤波器进行滤波，然后依次经过限幅器、鉴频器和整形器后输出分量。

浅层气测量和海底沉积物力学参数收发电路原理如图13所示，图13中虚线框是实现浅层气测量的非色散红外传感器(具体图14所示)，红外光源采用 MEMS红外光源，并且在MEMS红外光源上覆加3.3μm波长的滤光片(因浅层气的主要成分是甲烷CH4，其红外光谱的吸收峰波长3.3μm)，这样当MEMS 红外光源发出的3.3μm红外光，在“气室”内经多处反射到达热释电探测器，“气室”内的甲烷浓度高低对3.3μm红外光的吸收峰值大小产生影响，将使得热释电探测器的输出电压大小发生变化，从而实现甲烷浓度的测量。

将热释电探测器的输出电压进行滤波、放大、电压跟随后送至MCU的A/D 口，由MCU读取；微控制器MCU同时接收来自超声接收换能器经由FSK解调器发送过来的海底沉积物的三种力学参数；MCU将浅层气浓度和海底沉积物的三种力学参数，通过485总线传送到船上的上位计算机，由上位计算机完成浅层气浓度和海底沉积物力学参数的数据保存和显示。

具体实施中的非色散红外传感器如图14所示，包括气室9.1、传感器金属体9.2、热释电探测器9.3、印刷电路板9.4、密封材料9.5、环氧树脂板9.6、金属引脚9.7、传感器金属板9.8、进气孔9.9和MEMS红外光源9.10；传感器金属体9.2两端均开设有开口作为气室9.1，上部和下部的气室9.1之间通过两个通道连通，两个通道内分别安装有热释电探测器9.3和红外光源9.10，下部的气室9.1内装有印刷电路板9.4，热释电探测器9.3和红外光源9.10的探头端分别连接到印刷电路板9.4，气室9.1开口通过密封材料9.5、环氧树脂板9.6密封，印刷电路板9.4上设有金属引脚9.7，金属引脚9.7穿过密封材料9.5、环氧树脂板9.6伸出到传感器金属体9.2之外进行探测；上部的气室9.1的开口通过传感器金属板9.8封盖安装，传感器金属板9.8上开设有进气孔9.9，热释电探测器 9.3和红外光源9.10的输出电线穿设过进气孔9.9和mcu连接。

本发明的实施和测试情况如下：

检测装置实验与现场试验：为了实现2FSK调制，首先需要确定载波信号的频率,所以对市售的声波换能器进行了相关试验以确定载波信号的实际频率。其测试结果如图21所示。

两只换能器均用热熔胶粘在探头两端的内壁，中心距离为20cm，将双极性正弦波的峰峰值固定为20V，不断改变信号的频率，驱动发射换能器，用示波器观察接收信号的幅度以及频率，绘制出接收信号幅度与频率的关系曲线，如图15所示。为了保证两载波正交，互不干扰，高频载波的频率最好为低频载波频率的整数倍。所以选取45k和90k两个载波频率。

载波信号生成电路是使用stm32单片机配置两个DDS芯片，生成45kHz 和90kHz的载波信号。图16显示了两个AD9851频率合成芯片产生的载波信号波形。从图中可以看出，载波信号产生电路工作正常，可以输出两个频率分别为45kHz和90kHz的正弦载波。

频率选择电路根据要发送的数据选择相应的载波信号，从而产生FSK信号。图17显示了频率选择电路的测试波形，通道2是要发送的二进制信息，通道1 中的低频信号(45kHz)应于要发送的符号0，高电平频率信号(90k Hz)对应于要发送的符号1。从测试波形可以看出，调制电路可以得到正确的FSK波形。

驱动放大电路从图18可以看出，驱动放大电路能将FSK信号幅值放大到 16V以上。

换能器转换接收到的信号如图19所示。在图19中，通道1是接收的已调制信号，通道2是已解调的二进制信息。从图19中可以看出能比较好的还原出原始信号，实现了信号的无线传输。

为探究出该装置是否具有对海底沉积物中浅层气中甲烷浓度准确测量的性能，在实验室中进行了验证实验。甲烷浓度从10％到90％从低到高依次进行实验，测量结果如图所示，蓝色为实验的气体浓度，红色是测量出来的浓度，从图20中可以看出两条曲线基本重合，测量结果还是比较准确的满足实际要求。

之后还在杭州段的钱塘江上进行了浅层气检测初步现场试验。在试验中选取已探明的存在浅层气的浅层气富集点进行测试。首先将力学特性与浅层气综合检测装置和中空的连接杆相连接，再将电缆从连接杆中空通道中引出，并通过静力触探钻机将其压入江底，然后接上另一根连接杆，再用静力触探钻机压入，以此类推，将装置压入江底。

实验结果如图21所示，蓝色曲线代表装置打入沉积物所测得的数据，红色曲线是装置未打入沉积物所测得的数据。从图中可以明显看出，装置在打入沉积物前，气体浓度值输出为0.5％且保持不变，在打入沉积物后在前半段气体浓度值比未入沉积物时的浓度值高，但保持不变。而于江面下大约14米处，装置输出的浓度值有了明显的增加，并持续了一段时间，之后又回到初始值。本次试验结果表明了本发明检测装置的可行性，但仍需要继续改进。

由此实施可见，本发明能同时在线检测海底沉积物力学特性和浅层气，并利用超声波和FSK调制实现了不能用电缆数据传输部分的无线信号传输。

实验表明，该装置检测出的浅层气浓度的误差在允许范围内，且数据能够跨越泥水气分离结构进行无线通信，满足实际要求。该装置对海洋工程的开展有很大的指导作用，能提高海洋工程的质量和有效排除浅层气对施工造成的安全隐患，大大提升了海洋工程的效率，具有广泛的应用前景和意义。