海底沉積物聲速-壓力特性測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

周 舒 ，鄒大鵬 ,2*，肖體兵 ,2，張 謙 ，陳少偉

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省計(jì)算機(jī)集成制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006；

2.廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006；3.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510550）

海底沉積物聲速-壓力特性測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

周 舒1，鄒大鵬1,2*，肖體兵1,2，張 謙1，陳少偉3

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省計(jì)算機(jī)集成制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006；

2.廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省創(chuàng)新方法與決策管理系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006；3.廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510550）

文中設(shè)計(jì)基于可編程邏輯控制器（PLC）的測控平臺(tái)、伺服加壓控制、步進(jìn)推動(dòng)控制、多傳感器測量、觸摸屏交互等功能的溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)海底沉積物樣品的孔隙水自動(dòng)可控加壓，通過聲學(xué)測量功能單元測量海底沉積物在各個(gè)壓力下的聲速，模擬海底沉積物處于大陸坡2 000 m以淺海底表層任何深度變化時(shí)的聲學(xué)特性測量，得到海底沉積物聲速-壓力特性，為校正實(shí)驗(yàn)室測量數(shù)據(jù)還原到海底原位測量數(shù)據(jù)提供一種方法。

海底沉積物；溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)；PLC；聲速；孔隙水壓力

采用聲學(xué)的方法提取海底沉積物的物理—力學(xué)性質(zhì)信息，是一種探測海底的重要手段[1]，海底沉積物的聲速測量主要有原位直接測量法和實(shí)驗(yàn)室間接測量法兩種形式[2]，其中實(shí)驗(yàn)室測量由于操作簡便，可以多次重復(fù)測量，精度相對較高，能夠分析海底沉積物的物理特性、分層特性等，應(yīng)用極為廣泛。但是在實(shí)驗(yàn)室測量海底沉積物樣品忽略了海底實(shí)際的壓力環(huán)境，會(huì)造成聲速測量的誤差[3]。為了研究壓力對海底沉積物的聲速特性影響，王琪等[4]應(yīng)用壓力釜加壓系統(tǒng)測量研究指出在1 000 m水深以內(nèi)，海底沉積物靜水壓力變化對海底沉積物聲速?zèng)]有影響。這與呂妙麗等[5]、鄒大鵬等[6]應(yīng)用小尺度底質(zhì)聲學(xué)測試系統(tǒng)研究海底沉積物聲速隨著靜水壓力增長特性并不相同。因此有必有深入研究沉積物在不同海底深度壓力環(huán)境下的聲速變化，獲取更加精準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)基于PLC測控平臺(tái)、伺服加壓控制、步進(jìn)推動(dòng)控制、多傳感器測量觸摸屏交互功能的溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)，用ANSYS對測試艙進(jìn)行了靜力學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析加壓過程中可能對海底沉積物聲學(xué)測量產(chǎn)生的影響因素和誤差，減小聲學(xué)測量過程中加壓對測量精度的影響。最后實(shí)現(xiàn)了壓力可控狀態(tài)下，模擬海底沉積物處于不同海底深度變化時(shí)的聲學(xué)特性測量，進(jìn)行了部分海底沉積物孔隙水壓力變化下的聲學(xué)特性變化的研究，為校正實(shí)驗(yàn)室測量數(shù)據(jù)還原到海底原位測量數(shù)據(jù)提供一種方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

大陸架和大陸坡蘊(yùn)含著豐富的礦產(chǎn)資源，是當(dāng)前我國海洋資源勘探和開采的重點(diǎn)區(qū)域。大陸坡水深為2 000 m以淺，考慮到鹽度、溫度等影響，設(shè)計(jì)溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)的控制壓力范圍為0～30 MPa，完全覆蓋大陸坡范圍內(nèi)的海底表層沉積物所處的壓力范圍。壓力控制精度為0.1 MPa，保壓時(shí)間可調(diào)整，設(shè)定為10 min，以保證海底沉積物圍壓和孔隙水壓力充分平衡。海水的聲速可以由Wilson提出的海水聲速經(jīng)驗(yàn)公式[7]計(jì)算：

式中：Cw為海水聲速，m/s；S 為鹽度，g/kg；T 為溫度，℃；D為深度，m。根據(jù)式（1）可得壓力對海水聲速的影響大約為1.6 m·s-1/MPa，本加壓設(shè)備的精度設(shè)定值為0.1 MPa，因此其聲速最大絕對誤差為：

e=1.6×0.1=0.16 m/s （2）

海水的聲速雖然受到海水溫度T、靜壓力P、鹽度S的影響因時(shí)因地而異，在大陸坡海水聲速范圍大致在1 430～1 550 m/s變化，故可知聲速最大相對測量誤差為：

式中：δ為聲速最大相對誤差；e為聲速最大絕對誤差，m/s；c1取聲速最小值1 430 m/s，由此可知，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的加壓控制精度對海底沉積物的聲速影響非常小，對海底沉積物聲學(xué)測量產(chǎn)生的精度影響可以忽略不計(jì)。

1.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

海底沉積物溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示[8]。

圖1 海底沉積物溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

海底沉積物溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)的壓力執(zhí)行系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、打壓泵（計(jì)量泵）以及測試艙組成；艙間距調(diào)節(jié)系統(tǒng)由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)組成；傳感器系統(tǒng)主要由壓力傳感器、位移傳感器、接近開關(guān)（限位開關(guān)）組成；控制器選用歐姆的的PLC型號為CP1H-XA40DT-D；觸摸屏系統(tǒng)由歐姆龍的觸摸屏面板組成。

海底沉積物溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)的工作流程為：PLC首先上電掃描輸入端，然后執(zhí)行編寫好的用戶程序，最后輸出控制結(jié)果。目標(biāo)壓力值可通過觸摸屏設(shè)定，壓力反饋信號主要由量程為0～35 MPa，輸出信號為4～20 mA，精度等級為0.5級壓力傳感器測量提供，PLC會(huì)根據(jù)目標(biāo)壓力與實(shí)際壓力的差值來發(fā)出相應(yīng)的脈沖到伺服驅(qū)動(dòng)器，通過伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿帶動(dòng)計(jì)量泵的活塞移動(dòng)，活塞移動(dòng)會(huì)壓縮計(jì)量泵里的水的體積從而改變壓力，同時(shí)測試艙和計(jì)量泵通過高壓水管鏈接到一起，根據(jù)液壓傳動(dòng)原理，測試艙的壓力等于計(jì)量泵艙的壓力。實(shí)驗(yàn)過程中的壓力實(shí)現(xiàn)范圍不得超過壓力量程30 MPa。測試艙間距的調(diào)節(jié)則是由步進(jìn)電機(jī)通過鏈條傳動(dòng)帶動(dòng)測試艙活塞缸的雙絲桿，從而調(diào)整測試艙的距離用來配合測量不同長度的沉積物來實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)還通過位移傳感器和歐姆龍的接近開關(guān)實(shí)時(shí)檢測絲桿的行程，自動(dòng)控制絲桿回零以及限制絲桿超程，防止設(shè)備損壞等。

2 測試艙整體結(jié)構(gòu)的分析及對測量精度的影響

2.1 測試艙的結(jié)構(gòu)分析

測試艙是海底沉積物溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)的壓力實(shí)現(xiàn)部分和聲學(xué)測量通道，其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。海底沉積物的聲特性測試過程為：通過沉積物支架將置于測試艙內(nèi)部的沉積物通過測試艙前端蓋以及后活塞與外部的超聲波發(fā)射換能器S1以及超聲波接收換能器S2連接，然后通過計(jì)算機(jī)、聲波儀激發(fā)聲波和采集沉積物聲特性波形，最后對采集的波形進(jìn)行分析處理。

圖2 海底沉積物測試艙剖面圖

將換能器置于測試艙外面可以避免采用價(jià)格昂貴的高壓換能器、極大地減小測試艙的容積、提高加壓控制速度和精度，而且拆裝方便靈活、更換換能器和樣品速度快，大大提高了測試樣品的效率和精度[3,8]。

2.2 測試艙的建模及有限元分析

由于測試艙的端蓋由螺栓固定，受力的時(shí)候螺栓最容易出現(xiàn)一定的軸向位移，所以有必要對端蓋這一側(cè)進(jìn)行有限元分析，對樣品的測量長度進(jìn)行校正。

（1）測試艙建模

利用solidworks建立測試艙的等效簡化受力3D模型如圖3。

圖3 測試艙等效簡化受力3D模型

（2）測試艙的有限元分析

測試艙的材料特性如表1所示。

表1 測試艙材料的主要參數(shù)

測試艙建立好模型后導(dǎo)入到ANSYS的workbench模塊中，按照表1設(shè)置好參數(shù)，其中端蓋和缸體間由于潤滑較好設(shè)置摩擦系數(shù)fa=0.1，端蓋表面和螺釘?shù)哪Σ凛^大設(shè)置摩擦系數(shù)fb=0.2，然后將螺釘與缸體之間的螺紋配合部分近似設(shè)置成綁定接觸。端蓋最重要的是要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算的精度隨著網(wǎng)格的數(shù)量增加而增加，但也不能劃分太細(xì)，否則計(jì)算精度反而降低，在物體的主要受力部分網(wǎng)格要盡量劃分得細(xì)一點(diǎn)，非關(guān)鍵受力部分可以選擇稀疏的網(wǎng)格劃分[9]，依此原則劃分好單元格后，在測試艙的端面和內(nèi)腔圓柱面上都加30 MPa的均勻壓力，來模擬測試艙實(shí)際加壓的狀態(tài)，可以得到其應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 測試艙應(yīng)力云圖

從圖4可以看出加測試艙受到的最大應(yīng)力為182.78 MPa，小于測試艙缸蓋（材料為sus304）的屈服極限是205 MPa，以及缸體（材料為sus316L）的屈服極限185 MPa，說明測試艙能承受規(guī)定范圍內(nèi)的工作壓力載荷。同時(shí)也可得到測試艙的形變圖如圖5所示。

圖5 測試艙形變圖

由圖5可知，測試艙在加壓時(shí)，沉積物耦合接觸的端蓋的凸臺(tái)面和推進(jìn)活塞桿的端面軸心線處發(fā)生了最大的形變，這個(gè)變形會(huì)造成了兩個(gè)換能器之間的實(shí)際距離增加，使得聲速走時(shí)增加，造成實(shí)測的聲速減小。以通常的測量樣品長度為100 mm，有限元分析的結(jié)果顯示其最大的形變量為0.059 757 mm，其對聲速測量產(chǎn)生的誤差不超過萬分之六，幾乎沒有影響，不需要校正。

3 自動(dòng)加壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖6。控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器（PLC）為控制核心通過以上各個(gè)單元協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)測試艙的壓力控制。

圖6 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

3.1 伺服系統(tǒng)控制線路的設(shè)計(jì)

溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)的加壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)選用松下型號為MHMD082G1U的伺服電機(jī)和MCDKT3520E的驅(qū)動(dòng)器，其伺服系統(tǒng)的硬件原理如圖7所示。

圖7 伺服系統(tǒng)硬件原理圖

該伺服系統(tǒng)的控制流程為：伺服驅(qū)動(dòng)器選擇在位置控制模式，主控制器PLC通過指令語言以及PLC系統(tǒng)的功能發(fā)出脈沖/方向序列信號給到伺服驅(qū)動(dòng)器，然后經(jīng)過伺服驅(qū)動(dòng)器的電子齒輪分/倍頻后，與伺服電機(jī)的光電編碼器所產(chǎn)生的反饋脈沖信號在偏差計(jì)數(shù)器中對比后形成偏差信號，利用整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差信號去驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)就可以達(dá)到對電機(jī)的精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)加壓要求，電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖頻率決定，方向由脈沖方向的高低電平?jīng)Q定，然后當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，會(huì)反饋伺服報(bào)警給到PLC，進(jìn)行伺服停機(jī)，清除報(bào)警。

3.2 步進(jìn)系統(tǒng)控制線路的設(shè)計(jì)

溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)的測試艙空間距離的調(diào)整采用的是型號為MMC11031122的三項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)，其硬件控制原理圖如圖8所示。

圖8 步進(jìn)系統(tǒng)硬件原理圖

步進(jìn)電機(jī)的位移是通過脈沖信號來控制的，步進(jìn)電機(jī)的速度則是通過發(fā)出脈沖信號的頻率來控制的，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向則可以通過改變其繞組通電相序獲得，因此只需要控制發(fā)出脈沖信號的數(shù)量、頻率、繞組通電相序就能夠?qū)崿F(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的行程、速度、轉(zhuǎn)向的控制[10]。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器就是通過接受PLC發(fā)出的步進(jìn)脈沖/方向信號，然后將脈沖信號的電壓和電流進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組，使步進(jìn)電機(jī)完成加速、減速、正反轉(zhuǎn)、停機(jī)等動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對測試艙間距的調(diào)節(jié)。

3.3 控制器PLC控制系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要6個(gè)輸入點(diǎn)，10個(gè)輸出點(diǎn)，3個(gè)模擬量電壓/電流輸入點(diǎn)，歐姆龍的型號為CP1HXA40DT-D的PLC，它共有輸入24個(gè)點(diǎn)，輸出16個(gè)點(diǎn)共40點(diǎn)的I/O分配口，內(nèi)置模擬電壓/電流輸入4點(diǎn)，模擬電壓/電流輸入2點(diǎn)的模擬量輸入輸出功能，同時(shí)有0～3共4點(diǎn)的高速輸出可調(diào)脈沖，其中 0～1 的高速脈沖頻率范圍是 1～100 kHz，2～3 的高速脈沖頻率范圍為1～30 kHz，設(shè)計(jì)該自動(dòng)加壓程序控制的輸入/輸出分配表如表2所示。利用PLC內(nèi)部自帶大量的輔助繼電器取代硬件電路，通過輔助繼電器的地址與歐姆龍觸摸屏地址互通的功能設(shè)計(jì)控制程序進(jìn)行控制，輔助繼電器的地址分配如表3所示。I/O分配完成后，搭建PLC的硬件電路原理圖如圖9所示。

表2 輸入/輸出分配表

表3 輔助繼電器分配表

圖9 PLC硬件電路原理圖

3.4 觸摸屏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

觸摸屏作為人機(jī)界面的溝通渠道[11]，能夠用畫面直觀的實(shí)時(shí)顯示加壓設(shè)備的工作狀態(tài)信息，本次設(shè)計(jì)采用的歐姆龍型號為NB7W-TW00B型號的觸摸屏可以將觸摸屏編程軟件NB-Designer制作的控制畫面從PC端傳送至觸摸屏，然后將觸摸屏上的各個(gè)按鈕、模塊的對應(yīng)地址信息通過RS-422通訊纜與PLC進(jìn)行信息互通，因此就能直接利用控制面板按鈕操控加壓設(shè)備，還能根據(jù)不同需求，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

運(yùn)用PLC編程軟件CX-ONE編寫好控制程序，上載到PLC中調(diào)試完成后就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

4 基于溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)的海底沉積物實(shí)驗(yàn)研究

沉積物溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)開發(fā)實(shí)物圖如圖10所示。

圖10 海底沉積物溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)

4.1 溫壓可控聲學(xué)測量系統(tǒng)的性能測試

系統(tǒng)測試艙壓力加壓到1～20 MPa各值保壓10 min后的值如表4。

表4 保壓10 min對應(yīng)各點(diǎn)的壓力值

從表4可以看出，系統(tǒng)的保壓性能很好，保壓10 min的壓力誤差最大值小于0.07 MPa，滿足控制精度0.1 MPa設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)從0～20 MPa每增加1 MPa的加壓時(shí)間表如表5。

表5 系統(tǒng)加壓時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

從表5可以看出，加壓過程中隨著壓力的增大，加壓速度減慢，這既保護(hù)了設(shè)備也減小加壓誤差，符合規(guī)律，同時(shí)可以根據(jù)要求通過程序改變脈沖頻率，從而改變加壓的速度。

4.2 海底沉積物壓力聲特性的實(shí)驗(yàn)研究

通過試驗(yàn)可知加壓設(shè)備穩(wěn)定可靠，實(shí)驗(yàn)得到水以及海底沉積物在不同壓力狀態(tài)的聲速變化規(guī)律如表6。沉積物在0 MPa，10 MPa，20 MPa下的聲波傳播特性如圖11所示。

表6 水和海底沉積物在不同壓力狀態(tài)的聲速

圖11 沉積物在不同壓力狀態(tài)下的聲波傳播圖

水和沉積物的在不同壓力下的聲速變化圖如圖12所示。

圖12 水和沉積物在不同壓力下的聲速

其中水的聲速隨著壓力的增加而增加的平均變化率為1.391 m·s-1/MPa，海底沉積物則為1.297 m·s-1/MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均小于理論上的海水聲速隨著壓力增加的變化率1.6 m·s-1/MPa。水和海底沉積物實(shí)測聲速的變化趨勢與理論值的變化趨勢基本一致，隨著壓力的增加其聲速增大，由于實(shí)際測量中無法完全排除水以及沉積物中的氣泡，溫度波動(dòng)的干擾以及其他測量誤差，造成了測量的聲速的變化率小于理論值。

5 總結(jié)

試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，基于PLC控制的海底沉積物自動(dòng)加壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、操作便捷、控制方案修改靈活可行，壓力控制精度高，保壓時(shí)間可以調(diào)整設(shè)定，能夠滿足海底沉積物模擬海底水深變化引起靜水壓力變化下的聲學(xué)特性測量實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)通過對海底沉積物在不同壓力狀態(tài)下的聲學(xué)測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，沉積物的聲速隨著壓力的增加呈現(xiàn)出勻速增加的趨勢，增速趨勢小于海水的增速趨勢，這為實(shí)驗(yàn)室測量海底沉積物校正還原到海底原位聲學(xué)特性的研究提供了設(shè)備和方法。

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Design and Experiment of the Velocity-Pressure Characteristic Testing System for Seafloor Sediments

ZHOU Shu1,ZOU Da-peng1,2,XIAO Ti-bing1,2,ZHANG Qian1,CHEN Shao-wei3
1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Computer Integrated Manufacturing,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,Guangdong Province,China;
2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Innovation Method and Decision Management System,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,Guangdong Province,China;
3.Guangdong College of Industry and Commerce,Guangzhou 510550,Guangdong Province,China

This paper designs a temperature-pressure controllable acoustic measurement system based on the programmable logic controller (PLC)platform,servo pressure control,stepping drive control multi-sensor measurement,and touch screen interaction functions,and achieves automatic pressure control of pore water of seafloor sediments samples,so as to measure the sound velocity of seafloor sediments under various pressures through acoustic measurement function units.It simulates the measurement of acoustic characteristics of seafloor sediments which changes in any depth in shallow sea bottom surface on the continental slope shallower than 2000 m.Through experiments,this paper obtains the velocity-pressure characteristics of seafloor sediments,and thus provides a method for correcting laboratory testing data reduction to in-situ measurement data of sea floor.

seafloor sediments;temperature-pressure controllable acoustic measurement system;programmable logic controller(PLC);sound velocity;pore water pressure

O429

A

1003-2029（2017）05-0055-07

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.009

2017-02-24

廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2016A030313804）；廣東省省級科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2017A010102012，2015B010104006）；廣東省計(jì)算機(jī)集成制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（CIMSOF2016014）

周舒（1990-），男，碩士研究生，主要從事海洋聲學(xué)檢測設(shè)備的研發(fā)。E-mail：517656466@qq.com

鄒大鵬（1977-），男，教授，主要從事機(jī)電液測控與海洋聲學(xué)探測研究。E-mail：anthonyzou@126.com