海洋沉积物热电声物性探测系统研究_丁忠军.pdf

Vol.42，No.3Jun.2023第42卷第3期2023年6月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.03.010海洋沉积物热电声物性探测系统研究丁忠军1，2，孟德健1，李洪宇1，冯志亮1（1.山东科技大学，山东青岛266590；2.国家深海基地管理中心，山东青岛266237）摘要：海洋沉积物取样测量会改变沉积物的温度、压力等参数，取样测量所得到的数据会与沉积物的真实参数有所差距。针对上述问题本文开展了海洋沉积物热、电、声探测技术研究，并设计了一款适用于深潜器的海洋沉积物原位热、电、声多参数探针。探针使用时差法测量沉积物中的声速、声衰减系数，使用温纳法测量沉积物的电导率参数，使用 NTC 热敏电阻作为温度传感器测量沉积物温度。在探针校准并对沙质沉积物进行测量。实验结果表明：探针测量电导率标准误差小于 2.8%。温度测量误差小于 0.28，温度测量时间不小于 120 s，此次获取泥沙样品的声速为 1 737.5 m/s，声衰减系数 2.5 dB/m。实验结果显示该探针能够准确、快速地测量海洋沉积物的热、电、声参数。关键词：原位测量；海洋沉积物；多参数探针；电导率；温度；水声换能器中图分类号：P738文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）03-0079-09收稿日期：2022-11-28基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFC0306600，2021YFC2802100）；山东省重点研发计划资助项目（2020JMRH0101）作者简介：丁忠军（1974），男，博士，教授，主要研究方向为深海装备运维技术和深海调查监测技术。E-mail：海洋沉积物中蕴含着丰富的矿产资源、油气资源。海洋沉积物的热力学、声学、电学等性质，受到沉积物所处环境、组成成分、含水率、孔隙度、颗粒粒径等参数影响1-2，因此可以通过测量沉积物的热力学、声学、电学性质推算海洋热流、海洋地质，为后续探索海洋资源，开发海洋资源打下基础。目前测量海底沉积物热、电、声方法大致可以分为两类：原位测量、取样测量。取样测量在取样过程中会改变沉积物所处的温度、压力环境3，也会受到取样器的容量限制，并不能够很好地反映出沉积物的真实特征4，相比取样测量而言原位测量更能够准确反映沉积物的性质。沉积物声学测量主要测量沉积物的声速、声衰减来推演沉积物性质，电学测量主要测量沉积物的电导率来反演沉积物孔隙度等性质，热力学测量为探测海洋地热流提供重要数据。国内外科学家已经开发了一系列海洋沉积物原位测量系统。例如：ROBB G B N 等5研发的沉积物声学探针设备，FU SS 等6研发的声学长矛系统（Acoustic Lance），候正瑜等7的沉积物声学原位测量系统；PENG Z 等8设计了一款基于圆形排列电极的海洋沉积物电阻率测量系统，徐志豪9设计的沉积物温度梯度探针。以上沉积物声学、电学、热力学系统均取得了不错的测量效果。随着水下运载技术装备的飞速发展，使用潜水器进行海洋沉积物的原位测量已经成为国内外研究热点6。使用载人潜水器或水下机器人操作探针类型传感器能够快速方便的测量沉积物的性质8。目前船载测量系统单次测量耗费时间长，绝大部分船载系统依靠重力贯入沉积物中，因而体积较大，重量较高。潜水器对于搭载的探测器有较高的体积重量限制，很难搭载目前已有的系统，并且目前测量系统中大部分系统不能够同时测量沉积物的热、电、声性质。针对目前沉积物探测系统存在的测量参数单海洋技术学报第42卷一，仪器体积较大的问题本文研制一款小型海底沉积物热、电、声多参数探测探针。通过设计小型聚偏氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）压电薄膜水声接收换能器，优化探针结构等方式减小探针贯入沉积物时造成的扰动，也便于潜水器进行快速操作。小型探针可以搭载在潜水器上，通过潜水器机械臂将探针贯入沉积物中，实现同步测量沉积物热力学、电学、声学参数。1探针结构1.1探针整体结构探针总体由三部分组成：电子舱、探针主杆、水声发射换能器。沉积物探测系统如图 1 所示，电子舱整体为钛合金制作，电子舱内安装信号采集电路，数据处理电路，供电电源等电子设备，通过工形固定板固定在电子舱内部。发射换能器谐振频率为 8 kHz，位于探针主杆与电子舱交界处右侧，从侧方向接入电子舱内与正弦波激励电路相连。电子舱下部为探针主探杆。主探杆由上到下分别安装了两只聚偏氟乙烯水声接收换能器，4 只环形铜电极。C1、C2、C3、C4 为 4 只环形铜电极直径为 16 mm，厚度为 1 mm，相互之间间隔 20 mm。四组环电极之间使用特制的连接件连接，方便后续扩充环电极数量，提高沉积物电导率测量深度。探测探针的主要结构均为金属结构，金属的导电能力要远远大于沉积物导电能力，因此有必要对环形铜电极与金属探杆之间进行绝缘处理。为了减小金属探杆带来的影响设计中采用如下方案：在铜电极与连接件之间增加橡胶垫；在测量铜环附近外表面上覆盖一层聚氨酯材料；在探杆内部整体使用环氧树脂进行固封。主杆内部在垂直方向上等距布置有若干 NTC（Negative Temperature Coefficient）热敏电阻，为了提高温度测量速度，在温度传感器安装时应该尽量使 NTC 热敏电阻传感器尽量靠近探杆内壁。为减小探针贯入沉积物过程中对沉积物造成扰动，探针主探杆直径设置为 16 mm，经计算在外径 16 mm，内径 11 mm 为情况下承受最大压强为 68.5 MPa，满足绝大部分使用要求。探针底部为锥形不锈钢件，采用圆锥形结构可以一定程度上减小探针插入沉积物时受到的阻力。1.2水声接收换能器设计现有测量系统大部分采用的水听器产品挂载在沉积物测量系统的探杆上，从而导致挂载水听器部分的探杆会有较高的突出部分，既增大了沉积物的贯入阻力、同时连接部分难以保证不受损坏。针对以上问题使用 PVDF 薄膜制作一款直径仅为 20 mm的换能器，以减少探针贯入阻力。接收换能器示意图如图 2 所示。图 1探测系统示意图NTC 热敏电阻C1C4C3C2接收换能器 A发射换能器T 形固定板电路系统电源电子舱接收换能器 B图 2PVDF 水声换能器示意PVDF 薄膜环氧树脂背衬连接件电路连接线80第3期压电材料使用 PVDF 薄膜，PVDF 薄膜的压电常数 g31为 216 10-3Vm/N，传统压电陶瓷压电材料的压电常数 g31为 11 10-3Vm/N。PVDF 压电薄膜的压电电压常数较之压电陶瓷要高出 20 倍以上，其有频响宽，声阻抗低等特性，除此之外 PVDF 压电薄膜还具有易弯曲，易做成管状等优点，适合制作水声换能器10。根据所设计换能器参数裁剪出一块适合大小的长方形 PVDF 压电薄膜，在 PVDF 薄膜两侧覆盖导电银胶。高温会使 PVDF 薄膜失去压电特性，所以不能采用焊接的方式将导线与压电材料相连接，在本设计中采用铆接的方式将 PVDF 压电材料与导线相连接，PVDF 薄膜形状如图 3 所示。与压电陶瓷不同，PVDF 压电材料为柔性材料，自身刚度不够，需要与背衬相结合提高整体刚度与耐静水压能力。接收换能器的背衬使用亚克力材料，亚克力材料声阻抗与水比较接近，可以有效地减小声反射。水声换能器内部使用环氧树脂将带螺纹的连接件与其他部件灌封为一体。1.3系统硬件组成沉积物探针的硬件设计如图 4 所示，声学探测包括一组发射换能器，两组接收换能器，在测量过程中探针主杆全部贯入沉积物中，主控芯片控制正弦波发射电路发射若干周期的正弦波信号，经过放大之后接入发射换能器。发射换能器发射固定数量的声波，采集电路并行采集 2 路水声换能器的信号输出。其中 7 个周期的正弦波信号由 DAC902 芯片产生，经过功率放大电路放大之后接入发射换能器。使用 AD7606 模数转换芯片同步采集两组水声接收换能器的接收信号，模数转换芯片通过并行的方式向主控芯片发送转换之后的数据。C1、C2、C3、C4 为四组环形铜电极，其中 C1或 C4 端接入 100 mA 交变电流源，另一端接地。在探测探针贯入沉积物的过程中不断测量 C2、C3 端口的电压实现沉积物电阻率的剖面测量。多只 NTC热敏电阻组成温度梯度测量系统，温度数据采集电路实时采集探入过程中沉积物的温度。为了减小探测器的能量消耗，增加探针在海底的探测时间，主控芯片及热、电、声探测模块大部分时间处于待机状态。到达工作地点之后通过姿态传感器判断仪器姿态从而唤醒探测装置。2沉积物多参数原位探测原理2.1电阻率测量原理目前温纳法测电阻率电极排列方式有两种：直线排列、环形排列。因直线型排列方法拓展性强，加工方便的原因，本测量系统中使用直线排列。4组环电极中 C1 或 C4 端为交变电流输入端，另一端为接地端，通过测量环电极 C2、C3 之间的电压差值就可以得到沉积物电导率11，换算公式如下。=2VI11r1-1r2()-1r3-1r4()（1）式中，为测量的沉积物电阻率（单位：m）；V 为环电极 C2、C3 之间的电势差；I 为环电极的输入电流值；r1-r4为电极之间的距离。温纳法将电极等距排列，那么以 可以表示如下。=2aVI（2）式中，a 为环电极间隔。2.2声学测量原理如图 5 所示沉积物声学测量由发射换能器 A 发射声波信号，在接收换能器 B、C 端接收声学信号。图 3PVDF 薄膜示意图及剖面图导电银胶PVDF 薄膜导电银胶PVDF 薄膜铆接接口图 4探测系统硬件组成正弦波电路NTC 热敏电阻电流源接收换能器发射换能器数据处理电路环电极数据处理电路姿态传感器供电电路数据存储系统时钟系统主控芯片丁忠军，等：海洋沉积物热电声物性探测系统研究81海洋技术学报第42卷图 5沉积物声学测量示意图发射换能器 接收换能器沉积物接收换能器CBASS图 6声学测量实验图本文设计的探针中发射换能器与接收换能器之间呈三角形状。由于加工工艺等原因，发射换能器与接收换能器之间的距离难以精确测量，所以采用对比法来测量沉积物中的声速。水声信号在水中与沉积物中的传播距离是一致的，根据公式 S=V T，沉积物中的声速测量公式如式（3）所示。V1=V2 T2T1（3）式中，V1为沉积物中的声速；T1为声波在沉积物中传播的时间；V2为在海水中的声速；T1为声波在海水中传播的时间；S 为接收换能器之间的距离。由于所布置的接收换能器距离较近，间隔较小，在测量中多次重复测量取平均值。沉积物的声衰减测量公式如下12。（f）=20lgA（f）snearA（f）sfar()-lgA（f）wnearA（f）wfar()S（4）式中，（f）为特定频率下的声衰减；A（f）snear，A（f）sfar分别为沉积物中近距离水听器、远距离水听器的振幅；A（f）wnear，A（f）wfar分别为海水中近距离水听器、远距离水听器的振幅；S 为水听器之间的距离。2.3热力学测量原理热力学测量采用 NTC 热敏电阻测量，NTC 热敏电阻是一款负温度系数的热敏电阻，它的阻值与温度的对应关系是非线性的，阻值与温度的关系符合如式（5）所示13。T1=1/(lnRtR()B+1T2)（5）式中，Rt为环境温度为 T1时热敏电阻的阻值；R 为环境温度为 T2时热敏电阻的阻值；B 为热敏电阻的材料常数。本文使用的热敏电阻在 T2为 25 时的阻值为 10 k。3系统测试与结果分析3.1电导率测量及数据分析海洋沉积物中含有物质种类与物质含量的不同会影响沉积物的电导率。在实验室中称取 74.56 gKCI，配置成 1.000mol/L 的溶液（密度 1.0449g/cm3），再稀释至 0.100 mol/L。在 25 环境下验证电导率测量的误差。在环型铜电极 C1 或 C4 端接入由IT6700H 可编程电源产生的 100 mA 交变电流，另一端接地。使用安捷伦 DSO-X 型示波器测量C2、C3 口电压值。数据经计算之后如表 1 所示。电导率测量校准中电导率的最大误差百分比为2.82%，误差期望值为 1.044%。探针总体测量误差大于1%，在探针主探杆贯入沉积物过程中，沙质沉积物会与探杆表面的聚氨酯绝缘层摩擦，部分绝缘层脱落，因此环电极附近金属探杆与沉积物直接接触。金属电导率远远大于沉积物电导率，导致测量沉积物电导率与实际值相比偏高。WHEATCROFT R A14指出海水与底部沉积物电阻率有着极大的不同，两者大约是 2.5 倍的关系，因此可以根据电阻率变化判断探针大体位置。3.2沉积物声学测量及数据分析声学测量实验图如图 6 所示，在发射换能器两表 1电导率测量表序号理论值/（S m-1）测量值/（S m-1）误差/%10.012 880.013 242.8220.012 880.013 021.0830.012 880.012 55-2.5040.012 880.013 182.3250.012 880.012 941.5082第3期5-1234时间/s幅值/V200-2001激励信号5-1234时间/s幅值/V0.050-0.05015-1234时间/s幅值/V0.050-0.0501图 8沉积物中接收换能器接收信号5-1234时间/s幅值/V200-20015-1234时间/s幅值/V0.050-0.05015-1234时间/s幅值/V0.050-0.0501换能器 A 10-3换能器 B激励信号换能器 A换能器 B图 7海水中接收换能器接收信号丁忠军，等：海洋沉积物热电声物性探测系统研究端施加 8kHz 的电压信号，电压信号的峰值为 15 V，每次发射7 个周期的正弦波，使用接收换能器接收声波信号。实验中使用 DPA-2698 型功率放大器驱动信号驱动发射换能器，使用示波器直接观察接收换能器接收信号。激励信号、接收信号幅值如图 7和图 8 所示。10-3 10-3 10-3 10-3 10-383海洋技术学报第42卷图 9接收声波信号局部曲线时间/s幅值/V14-2681204计算点第一峰值10220151050-5时间/s幅值/V-2681204计算点102151050-5图 9接收声波信号局部曲线14从图 7 和图 8 中可以看出随着传播距离的增加，声音信号在水中有一定程度的衰减，声音信号在沉积物中衰减程度要比在水中信号衰减程度要高，可以根据声音信号的衰减程度计算声衰减系数。在计算过程中分别寻找换能器接收信号的峰值：水听器在海水中接收到的近距离处振幅为 0.039 V，远距离处振幅为 0.017V，在沉积物中的分别为 0.026V、0.011 V，经计算声衰减系数为 2.5 dB/m。如图 9 中 A 所示在计算沉积物中声速时，由于水声换能器 A 在第一个峰值附近存在一个不合理突变点。所以在计算时采用水声换能器第二个峰值计算声速。接收换能器 B 在水中、沉积物中接收信号如图 10 所示。由图 10 可知，相同频率的声音信号在沙质沉积物中的传播速度要大于在水中传播速度。已知在25 附近声音信号在海水中传播速度为 1 500 m/s，换能器 B 接收到水声信号时间分别为 1.263 10-3s，1.462 10-3s。将数据代入式（3）可得声音信号在沙质样品中传播速度为 1 737.5 m/s。3.3温度测量及数据分析在测量过程中温度传感器一端与 10 k 的电阻串联，另一端接地，在电阻的另一端接入恒流源。通过测量温度传感器两端电压，间接测量环境温度。温度校准由恒温水槽来测量，在 50 恒温水中测量温度传感器输出。对温度传感器进行 13 次重复测量取每次测量的平均值结果如图 11 所示。经计算产生的温度最大差值约为-0.28。测量海水中声速时必须要考虑温度对声速的影响，其中水中声速与温度的关系式如下。C=1 557-0.024 5（74-t）2（6）式中，C 为声速；t 为测量时温度。根据式（6）可知，在 50 时水中声速 为 10-4 10-4 10-3AB 10-384第3期时间/s幅值/V6-2235-11A40 10-486420-2图 10换能器 B 接收信号局部曲线 10-3沉积物中峰值水中峰值水沉积物140810次数温度/50.250.150.049.949.849.726124图 11温度误差测量示意图丁忠军，等：海洋沉积物热电声物性探测系统研究1 542.878 m/s。探针在 50 时产生的误差最大为-0.28，此时对声速测量造成的误差约为-0.322m/s，该误差小于由测量仪器产生的误差，故可以忽略。将热敏电阻由室温下迅速插入温度相对恒定的水中，测量传感器由室温下达到设定温度 95%所需要的时间，作为传感器响应快慢的指标。由于海洋底部会产生巨大的海水压力，需要对传感器进行耐压保护处理，因此封装后的温度传感器响应时间会延长。因此需要确定封装之后的传感器到达稳定时所需要的时间。选取同一批次的温度传感器，一只进行封装处理，另一只不进行处理，将两只传感器同时放入水中记录到达稳定时所需要的时间。测量结果如图 12所示，在传感器未进行封装之前达到设定温度的响应时间为 36.5 s。在进行耐压封装之后响应时间为95.7 s。在实验中并没有考虑探针贯入沉积物过程中，由于探针与沉积物摩擦所带来的温度上升以及耗散所需要的时间。因此考虑到传感器响应时间，探针在实际应用中最少要在沉积物中稳定 120 s。4结论本文通过对海洋沉积物探测技术研究，设计了一款小型沉积物热、电、声探测探针，本文主要研140080100120时间/s温度/706050403020206040图 12传感器响应时间示意图封装后未封装85海洋技术学报第42卷参考文献：1JANSEN D，HEESEMANN B，PFENDER M，et al.In situ measurement of electrical resistivity of marine sediments,results fromCascadia Basin off Vancouver IslandJ.Marine Geology，2005，216（1/2）：17-26.2李琦，刘颉，常哲，等.海底沉积环境对海底表层沉积物声学参数测量影响研究J.海洋技术学报，2020，39（4）：41-46.3WANG J，LI G，LIU B，et al.Experimental study of the ballast in situ sediment acoustic measurement system in South China SeaJ.Marine Georesources and Geotechnology，2018，36（5）：515-521.4郭常升，窦玉坛，谷明峰.海底底质声学性质原位测量技术研究J.海洋科学，2007，31（8）：6-10.5ROBB G B N，BEST A I，DIX J K，et al.Measurement of the in situ compressional wave properties of marine sedimentsJ.IEEEJournal of Oceanic Engineering，2007，32（2）：484-496.6FU S S，WILKENS R H，FRAZER L N.Acoustic lance：New in situ seafloor velocity profliesJ.Journal of the Acoustical Societyof America，1996，99（1）：234-243.7侯正瑜，郭常升，王景强.海底沉积物声学原位测量系统C/2014 年中国声学学会全国声学学术会议.江苏南京：声学技术，2014：390-393.8PENG Z，WANG J C，DONG R，et al.Design of a marine sediments resistivity measurement system based on a circular permuta-tion electrodeJ.Journal of Marine Science and Engineering，2021，9（9）：995-1016.9徐志豪.深海沉积物温度梯度探针设计与研究 D.广州：广东工业大学，2013.10张玲丽.PVDF 水听器的研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2015.11WON I.The geometrical factor of a marine resistivity probe with four ring electrodesJ.IEEE Journal of Oceanic Engineering，1987，12（1）：301-303.12陶春辉，王东，金翔龙.海底沉积物声学特性和原位测试技术M.北京：海洋出版社.2006.13陈浩桉，邹大鹏，肖体兵，等.海底原位观测系统温度测量单元的设计J.机床与液压，2021，49（8）：96-100.14WHEATCROFT R A.In situ measurements of near-surface porosity in shallow-water marine sandsJ.IEEE Journal of Oceanic Engi-neering，2002，27（3）：561-570.究结论如下：文中所设计的 PVDF 压电薄膜换能器具有较好的转换能力，能够完成沉积物声学测量任务；在文中所设计装置不仅能够通过 Wenner法测量沉积物电学性质，而且通过设计特殊连接件为后续增加测量电极提供接口；经过测试 NTC热敏电阻测量电路具有较好的稳定性和较高的灵敏度，热力学测量所需要的时间为 120 s。目前所设计的探针声学测量参数单一，电学测量中绝缘措施较差的问题，在后续的时间中将会对此继续进行改进。86第3期Study on Thermoelectric Acoustic Property Detection System of Marine SedimentsDING Zhongjun1，2,MENG Dejian1,LI Hongyu1,FENG Zhiliang1（1.School of Oceanology,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.National Deep Sea Center,Qingdao 266237,China）Abstract：Marine sediment sampling and measurement will change the temperature,pressure and other parameters of the sediment,andthe data obtained by sampling and measurement will be different from the real parameters of the sediment.Marine sediment sampling andmeasurement will change the temperature,pressure and other parameters of the sediment,and the data obtained by sampling andmeasurement will be different from the real parameters of the sediment.In view of the above problems,this paper carried out research onthe thermal,electrical and acoustic detection technology of marine sediments,and designed an in-situ thermal,electrical and acousticmulti-parameter probe of marine sediments suitable for deep-sea submersible.The probe used the time difference method to measure thesound velocity and sound attenuation coefficient in the sediment,the Wenner method to measure the conductivity parameters of thesediment,and the NTC thermistor as a temperature sensor to measure the temperature of the sediment.Sandy sediments were measuredafter probe calibration.The experimental results show that the acoustic velocity of the sediment samples is 1 588.1 m/s and the acousticattenuation coefficient is 2.5 dB/m.The standard error of the probe is less than 2.8%.The temperature measurement error is less than 0.28,and the temperature measurement time is not less than 120 seconds.The experimental results show that the probe can accurately andquickly measure the thermal,electrical and acoustic parameters of marine sediments.In view of the above problems,this paper carried outresearch on the thermal,electrical and acoustic detection technology of marine sediments,and designed an in-situ thermal,electrical andacoustic multi-parameter probe of marine sediments suitable for deep-sea submersible.The probe used the time difference method tomeasure the sound velocity and sound attenuation coefficient in the sediment,the Wenner method to measure the conductivity parametersof the sediment,and the NTC thermistor as a temperature sensor to measure the temperature of the sediment.Sandy sediments weremeasured after probe calibration.The experimental results show that the acoustic velocity of the sediment samples is 1 737.5 m/s and theacoustic attenuation coefficient is 2.5 dB/m.The standard error of the probe is less than 2.8%.The temperature measurement error is lessthan 0.28,and the temperature measurement time is not less than 120 s.The experimental results show that the probe can accuratelyand quickly measure the thermal,electrical and acoustic parameters of marine sediments.Key words：in-situ measurement;marine sediments;multi parameter probe;conductivity;temperature;underwater acoustic transducer丁忠军，等：海洋沉积物热电声物性探测系统研究87