海底沉积物声速-压力特性测试系统的设计与实验

周 舒 ，邹大鹏 ,2*，肖体兵 ,2，张 谦 ，陈少伟

（1.广东工业大学 广东省计算机集成制造重点实验室，广东 广州 510006；

2.广东工业大学 广东省创新方法与决策管理系统重点实验室，广东 广州 510006；3.广东工贸职业技术学院，广东 广州 510550）

海底沉积物声速-压力特性测试系统的设计与实验

周 舒1，邹大鹏1,2*，肖体兵1,2，张 谦1，陈少伟3

（1.广东工业大学 广东省计算机集成制造重点实验室，广东 广州 510006；

2.广东工业大学 广东省创新方法与决策管理系统重点实验室，广东 广州 510006；3.广东工贸职业技术学院，广东 广州 510550）

文中设计基于可编程逻辑控制器（PLC）的测控平台、伺服加压控制、步进推动控制、多传感器测量、触摸屏交互等功能的温压可控声学测量系统，实现海底沉积物样品的孔隙水自动可控加压，通过声学测量功能单元测量海底沉积物在各个压力下的声速，模拟海底沉积物处于大陆坡2 000 m以浅海底表层任何深度变化时的声学特性测量，得到海底沉积物声速-压力特性，为校正实验室测量数据还原到海底原位测量数据提供一种方法。

海底沉积物；温压可控声学测量系统；PLC；声速；孔隙水压力

采用声学的方法提取海底沉积物的物理—力学性质信息，是一种探测海底的重要手段[1]，海底沉积物的声速测量主要有原位直接测量法和实验室间接测量法两种形式[2]，其中实验室测量由于操作简便，可以多次重复测量，精度相对较高，能够分析海底沉积物的物理特性、分层特性等，应用极为广泛。但是在实验室测量海底沉积物样品忽略了海底实际的压力环境，会造成声速测量的误差[3]。为了研究压力对海底沉积物的声速特性影响，王琪等[4]应用压力釜加压系统测量研究指出在1 000 m水深以内，海底沉积物静水压力变化对海底沉积物声速没有影响。这与吕妙丽等[5]、邹大鹏等[6]应用小尺度底质声学测试系统研究海底沉积物声速随着静水压力增长特性并不相同。因此有必有深入研究沉积物在不同海底深度压力环境下的声速变化，获取更加精准的测量数据。

本文设计基于PLC测控平台、伺服加压控制、步进推动控制、多传感器测量触摸屏交互功能的温压可控声学测量系统，用ANSYS对测试舱进行了静力学分析和实验验证，分析加压过程中可能对海底沉积物声学测量产生的影响因素和误差，减小声学测量过程中加压对测量精度的影响。最后实现了压力可控状态下，模拟海底沉积物处于不同海底深度变化时的声学特性测量，进行了部分海底沉积物孔隙水压力变化下的声学特性变化的研究，为校正实验室测量数据还原到海底原位测量数据提供一种方法。

1 系统总体设计

1.1 系统的设计要求

大陆架和大陆坡蕴含着丰富的矿产资源，是当前我国海洋资源勘探和开采的重点区域。大陆坡水深为2 000 m以浅，考虑到盐度、温度等影响，设计温压可控声学测量系统的控制压力范围为0～30 MPa，完全覆盖大陆坡范围内的海底表层沉积物所处的压力范围。压力控制精度为0.1 MPa，保压时间可调整，设定为10 min，以保证海底沉积物围压和孔隙水压力充分平衡。海水的声速可以由Wilson提出的海水声速经验公式[7]计算：

式中：Cw为海水声速，m/s；S 为盐度，g/kg；T 为温度，℃；D为深度，m。根据式（1）可得压力对海水声速的影响大约为1.6 m·s-1/MPa，本加压设备的精度设定值为0.1 MPa，因此其声速最大绝对误差为：

e=1.6×0.1=0.16 m/s （2）

海水的声速虽然受到海水温度T、静压力P、盐度S的影响因时因地而异，在大陆坡海水声速范围大致在1 430～1 550 m/s变化，故可知声速最大相对测量误差为：

式中：δ为声速最大相对误差；e为声速最大绝对误差，m/s；c1取声速最小值1 430 m/s，由此可知，本系统设计的加压控制精度对海底沉积物的声速影响非常小，对海底沉积物声学测量产生的精度影响可以忽略不计。

1.2 系统的总体设计方案

海底沉积物温压可控声学测量系统的总体结构设计如图1所示[8]。

图1 海底沉积物温压可控声学测量系统结构图

海底沉积物温压可控声学测量系统的压力执行系统由伺服驱动器、伺服电机、打压泵（计量泵）以及测试舱组成；舱间距调节系统由步进驱动器、步进电机组成；传感器系统主要由压力传感器、位移传感器、接近开关（限位开关）组成；控制器选用欧姆的的PLC型号为CP1H-XA40DT-D；触摸屏系统由欧姆龙的触摸屏面板组成。

海底沉积物温压可控声学测量系统的工作流程为：PLC首先上电扫描输入端，然后执行编写好的用户程序，最后输出控制结果。目标压力值可通过触摸屏设定，压力反馈信号主要由量程为0～35 MPa，输出信号为4～20 mA，精度等级为0.5级压力传感器测量提供，PLC会根据目标压力与实际压力的差值来发出相应的脉冲到伺服驱动器，通过伺服驱动器驱动电机，电机带动丝杆转动，丝杆带动计量泵的活塞移动，活塞移动会压缩计量泵里的水的体积从而改变压力，同时测试舱和计量泵通过高压水管链接到一起，根据液压传动原理，测试舱的压力等于计量泵舱的压力。实验过程中的压力实现范围不得超过压力量程30 MPa。测试舱间距的调节则是由步进电机通过链条传动带动测试舱活塞缸的双丝杆，从而调整测试舱的距离用来配合测量不同长度的沉积物来实现的。该系统还通过位移传感器和欧姆龙的接近开关实时检测丝杆的行程，自动控制丝杆回零以及限制丝杆超程，防止设备损坏等。

2 测试舱整体结构的分析及对测量精度的影响

2.1 测试舱的结构分析

测试舱是海底沉积物温压可控声学测量系统的压力实现部分和声学测量通道，其结构剖面图如图2所示。海底沉积物的声特性测试过程为：通过沉积物支架将置于测试舱内部的沉积物通过测试舱前端盖以及后活塞与外部的超声波发射换能器S1以及超声波接收换能器S2连接，然后通过计算机、声波仪激发声波和采集沉积物声特性波形，最后对采集的波形进行分析处理。

图2 海底沉积物测试舱剖面图

将换能器置于测试舱外面可以避免采用价格昂贵的高压换能器、极大地减小测试舱的容积、提高加压控制速度和精度，而且拆装方便灵活、更换换能器和样品速度快，大大提高了测试样品的效率和精度[3,8]。

2.2 测试舱的建模及有限元分析

由于测试舱的端盖由螺栓固定，受力的时候螺栓最容易出现一定的轴向位移，所以有必要对端盖这一侧进行有限元分析，对样品的测量长度进行校正。

（1）测试舱建模

利用solidworks建立测试舱的等效简化受力3D模型如图3。

图3 测试舱等效简化受力3D模型

（2）测试舱的有限元分析

测试舱的材料特性如表1所示。

表1 测试舱材料的主要参数

测试舱建立好模型后导入到ANSYS的workbench模块中，按照表1设置好参数，其中端盖和缸体间由于润滑较好设置摩擦系数fa=0.1，端盖表面和螺钉的摩擦较大设置摩擦系数fb=0.2，然后将螺钉与缸体之间的螺纹配合部分近似设置成绑定接触。端盖最重要的是要进行网格划分，计算的精度随着网格的数量增加而增加，但也不能划分太细，否则计算精度反而降低，在物体的主要受力部分网格要尽量划分得细一点，非关键受力部分可以选择稀疏的网格划分[9]，依此原则划分好单元格后，在测试舱的端面和内腔圆柱面上都加30 MPa的均匀压力，来模拟测试舱实际加压的状态，可以得到其应力云图如图4所示。

图4 测试舱应力云图

从图4可以看出加测试舱受到的最大应力为182.78 MPa，小于测试舱缸盖（材料为sus304）的屈服极限是205 MPa，以及缸体（材料为sus316L）的屈服极限185 MPa，说明测试舱能承受规定范围内的工作压力载荷。同时也可得到测试舱的形变图如图5所示。

图5 测试舱形变图

由图5可知，测试舱在加压时，沉积物耦合接触的端盖的凸台面和推进活塞杆的端面轴心线处发生了最大的形变，这个变形会造成了两个换能器之间的实际距离增加，使得声速走时增加，造成实测的声速减小。以通常的测量样品长度为100 mm，有限元分析的结果显示其最大的形变量为0.059 757 mm，其对声速测量产生的误差不超过万分之六，几乎没有影响，不需要校正。

3 自动加压控制系统的设计

控制系统总体方案设计如图6。控制系统以可编程逻辑控制器（PLC）为控制核心通过以上各个单元协调配合实现测试舱的压力控制。

图6 控制系统总体方案设计

3.1 伺服系统控制线路的设计

温压可控声学测量系统的加压动力机构选用松下型号为MHMD082G1U的伺服电机和MCDKT3520E的驱动器，其伺服系统的硬件原理如图7所示。

图7 伺服系统硬件原理图

该伺服系统的控制流程为：伺服驱动器选择在位置控制模式，主控制器PLC通过指令语言以及PLC系统的功能发出脉冲/方向序列信号给到伺服驱动器，然后经过伺服驱动器的电子齿轮分/倍频后，与伺服电机的光电编码器所产生的反馈脉冲信号在偏差计数器中对比后形成偏差信号，利用整个闭环系统产生的偏差信号去驱动伺服电机就可以达到对电机的精准控制，实现加压要求，电机的转速由脉冲频率决定，方向由脉冲方向的高低电平决定，然后当系统出现故障的时候，会反馈伺服报警给到PLC，进行伺服停机，清除报警。

3.2 步进系统控制线路的设计

温压可控声学测量系统的测试舱空间距离的调整采用的是型号为MMC11031122的三项混合式步进电机，其硬件控制原理图如图8所示。

图8 步进系统硬件原理图

步进电机的位移是通过脉冲信号来控制的，步进电机的速度则是通过发出脉冲信号的频率来控制的，步进电机的转向则可以通过改变其绕组通电相序获得，因此只需要控制发出脉冲信号的数量、频率、绕组通电相序就能够实现对步进电机的行程、速度、转向的控制[10]。步进驱动器就是通过接受PLC发出的步进脉冲/方向信号，然后将脉冲信号的电压和电流进行放大，驱动步进电机的各项绕组，使步进电机完成加速、减速、正反转、停机等动作，从而实现对测试舱间距的调节。

3.3 控制器PLC控制系统程序的设计

本设计需要6个输入点，10个输出点，3个模拟量电压/电流输入点，欧姆龙的型号为CP1HXA40DT-D的PLC，它共有输入24个点，输出16个点共40点的I/O分配口，内置模拟电压/电流输入4点，模拟电压/电流输入2点的模拟量输入输出功能，同时有0～3共4点的高速输出可调脉冲，其中 0～1 的高速脉冲频率范围是 1～100 kHz，2～3 的高速脉冲频率范围为1～30 kHz，设计该自动加压程序控制的输入/输出分配表如表2所示。利用PLC内部自带大量的辅助继电器取代硬件电路，通过辅助继电器的地址与欧姆龙触摸屏地址互通的功能设计控制程序进行控制，辅助继电器的地址分配如表3所示。I/O分配完成后，搭建PLC的硬件电路原理图如图9所示。

表2 输入/输出分配表

表3 辅助继电器分配表

图9 PLC硬件电路原理图

3.4 触摸屏系统的设计

触摸屏作为人机界面的沟通渠道[11]，能够用画面直观的实时显示加压设备的工作状态信息，本次设计采用的欧姆龙型号为NB7W-TW00B型号的触摸屏可以将触摸屏编程软件NB-Designer制作的控制画面从PC端传送至触摸屏，然后将触摸屏上的各个按钮、模块的对应地址信息通过RS-422通讯缆与PLC进行信息互通，因此就能直接利用控制面板按钮操控加压设备，还能根据不同需求，进行参数设置。

运用PLC编程软件CX-ONE编写好控制程序，上载到PLC中调试完成后就能实现整个系统的功能。

4 基于温压可控声学测量系统的海底沉积物实验研究

沉积物温压可控声学测量系统开发实物图如图10所示。

图10 海底沉积物温压可控声学测量系统

4.1 温压可控声学测量系统的性能测试

系统测试舱压力加压到1～20 MPa各值保压10 min后的值如表4。

表4 保压10 min对应各点的压力值

从表4可以看出，系统的保压性能很好，保压10 min的压力误差最大值小于0.07 MPa，满足控制精度0.1 MPa设计要求。系统从0～20 MPa每增加1 MPa的加压时间表如表5。

表5 系统加压时间统计表

从表5可以看出，加压过程中随着压力的增大，加压速度减慢，这既保护了设备也减小加压误差，符合规律，同时可以根据要求通过程序改变脉冲频率，从而改变加压的速度。

4.2 海底沉积物压力声特性的实验研究

通过试验可知加压设备稳定可靠，实验得到水以及海底沉积物在不同压力状态的声速变化规律如表6。沉积物在0 MPa，10 MPa，20 MPa下的声波传播特性如图11所示。

表6 水和海底沉积物在不同压力状态的声速

图11 沉积物在不同压力状态下的声波传播图

水和沉积物的在不同压力下的声速变化图如图12所示。

图12 水和沉积物在不同压力下的声速

其中水的声速随着压力的增加而增加的平均变化率为1.391 m·s-1/MPa，海底沉积物则为1.297 m·s-1/MPa。实验结果均小于理论上的海水声速随着压力增加的变化率1.6 m·s-1/MPa。水和海底沉积物实测声速的变化趋势与理论值的变化趋势基本一致，随着压力的增加其声速增大，由于实际测量中无法完全排除水以及沉积物中的气泡，温度波动的干扰以及其他测量误差，造成了测量的声速的变化率小于理论值。

5 总结

试验和实验结果证明，基于PLC控制的海底沉积物自动加压系统工作稳定可靠、操作便捷、控制方案修改灵活可行，压力控制精度高，保压时间可以调整设定，能够满足海底沉积物模拟海底水深变化引起静水压力变化下的声学特性测量实验研究，同时通过对海底沉积物在不同压力状态下的声学测量实验结果可知，沉积物的声速随着压力的增加呈现出匀速增加的趋势，增速趋势小于海水的增速趋势，这为实验室测量海底沉积物校正还原到海底原位声学特性的研究提供了设备和方法。

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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

广东省自然科学基金资助项目（2016A030313804）；广东省省级科技计划资助项目（2017A010102012，2015B010104006）；广东省计算机集成制造重点实验室资助项目（CIMSOF2016014）

周舒（1990-），男，硕士研究生，主要从事海洋声学检测设备的研发。E-mail：517656466@qq.com

邹大鹏（1977-），男，教授，主要从事机电液测控与海洋声学探测研究。E-mail：anthonyzou@126.com