CN101318541A - 一种自持式海洋环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在近海海域使用的自持式海洋环境监测系统，此系统包括海面浮标，测量平台和锚泊系统，其中锚泊系统是由锚泊注塑钢缆、张紧锤、储链、重物锚块和大抓力锚组成，测量平台包括平台架体、浮力浮球、电机电池舱、温盐深传感器和棘爪机构等。海面浮标下端与锚泊注塑钢缆的上端相连，锚泊注塑钢缆从海表面悬垂到近海底，其下端依次悬挂着张紧锤、储链、重物锚块和大抓力锚。测量平台通过特殊的传动棘爪机构骑附在锚泊注塑钢缆上，测量平台在波浪的驱动下沿锚泊注塑钢缆从近海面下潜到近海底，又能够依靠自身的正浮力上浮，并在上浮过程中由其所搭载的传感器进行水体参数的测量和存储。它具有高效、节能、廉价和抗生物附着能力强等特点。

Description

一种自持式海洋环境监测系统

技术领域：

本发明属海洋环境立体监测技术领域。具体来讲，它是一种借助于水体的能量，用于特定海域对水体参数进行长期、定点、实时、立体监测的自持式海洋环境监测系统。

背景技术：

21世纪是海洋的世纪，海洋要素现场观测对海洋学研究、海洋工程建设和海上国防安全等诸多方面具有深远的意义。比如近年来气候的剧烈变化，恰恰是由大气和海洋共同作用的结果，且受海洋的影响较大，因为海洋表层储存的热量比大气多1000倍。而海洋存储热量的多少受海流、盐度等条件的影响，通过测量盐度可使研究人员弄清海流和海洋上降雨量的变化，从而研究其对气候的影响。再如利用自持性漂浮仪提供的数据，可画出海洋的气象图，用到计算机气象预测模型上，从而预报如厄尔尼诺等季节性变化的气象现象，等等。因此，海洋温度、电导率、海流等要素的测量具有非同寻常的意义。与大气的快速变化相比，海洋的变化则慢得多。由于海洋要素随时间和空间的变化比较缓慢，为了研究某一现象，往往需要对定点的垂直剖面或多点的水平剖面进行现场持续观测(可能长达数年)。而海洋观测依赖于观测平台和传感器，相对于纯技术性的传感器来说，持续观测会更多的依赖于所能提供的可靠性观测平台。以往进行海洋剖面参数的测量，多数由船载传感器或采用由潜标分层敷设传感器组来进行。这两类传统的测量方法，对于需求越来越大的海洋观测来说，通常认为是不够的，或者它们的花费太大——由船载仪器配合绞车往返多次完成测量，即使数天的连续观测，也会耗费大量人力和财力；采用传统潜标测量，则需要分层敷设多个传感器，不但大大增加了设备成本，也必然导致锚系变得复杂，其现场操作难度也随之提高。随着海洋要素观测的需求，近年来不断出现一些观测平台，来弥补传统观测方法的不足。像剖面测量浮标这类自持式测量平台系统已经成为调查研究船只的有效补充，当然它并不是唯一的自持性海洋观测平台，它只是相对比较成熟的新技术。近年来，自持性海洋观测平台又增加了锚定式剖面测量平台、自持式海面飞行器、水下滑翔机和无缆自治水下机器人等。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种自持式海洋环境监测系统，通过高效的波浪能传递装置，采用特殊的棘爪机构，直接利用波浪能量迫使测量平台下潜到海底或预定深度(浪起滑脱，浪伏下潜)；而测量平台的上浮回程则完全依靠平台自身的正浮力。本发明旨在提供一种以简约的方式，形成长期、定点、无人值守的海洋环境要素垂直剖面监测方法。

本发明的技术方案是：

一种自持式海洋环境监测系统，该装置系统包括海面浮标、测量平台和锚泊系统。其中锚泊系统又包括锚泊注塑钢缆、张紧锤、储链、重物锚块、大抓力锚和链接机构等；测量平台的一侧固连着上、下导向机构和棘爪机构，锚泊注塑钢缆穿过上、下导向机构和棘爪机构，使测量平台骑附在锚泊注塑钢缆上；测量平台上固定着温盐深传感器、浮力浮球和电机电池舱测量平台的平台架体外部罩有导流保护罩。

监测系统的上端是漂浮着的海面浮标，它的下端连着锚泊注塑钢缆，锚泊注塑钢缆一直近似悬垂至海底，其下端到海底之间又依次连有张紧锤、储链、重物锚块和大抓力锚，测量平台依靠棘爪机构骑附在锚泊注塑钢缆上，整个系统通过重物锚块和大抓力锚固定在待测海域的海底。

所述的自持式海洋环境监测系统，棘爪机构包括棘爪固定底板、固定半夹槽、可动半夹槽、棘爪转轴、棘爪转臂和恢复弹簧，固定半夹槽被固定在棘爪固定底板上，棘爪转臂的一端连接转轴，另一端连着可动半夹槽，恢复弹簧被转轴穿过，且其两端分别连在固定底板和转臂上。

所述的自持式海洋环境监测系统，测量平台包括平台架体、导流保护罩、温盐深传感器、浮力浮球、电机电池舱。

所述的自持式海洋环境监测系统，电机电池舱由两端密封端盖和密封圆筒通过密封紧固螺钉的连接而构成密封壳体，电机电池舱内依次固定着驱动电机、电机电源、电路电源和控制电路。

所述的自持式海洋环境监测系统，驱动电机的电机转轴伸出电机电池舱，电机转轴的末端通过凸轮紧固螺钉固定着，凸轮转动可以推动棘爪机构上的可动半夹槽转动。

所述的自持式海洋环境监测系统，张紧锤做成流线型，水中重量30kg左右。

所述的自持式海洋环境监测系统，锚泊注塑钢缆长度为200m左右，内芯钢丝直径为7mm左右，钢丝外层注塑一层塑料，注塑后直径为11mm左右

所述的自持式海洋环境监测系统，海面浮标主体直径0.9m左右，储链长度为25m左右，重物锚块重量200kg左右，大抓力锚长80cm左右。

所述的自持式海洋环境监测系统，控制系统组成包括单片机、驱动电机、电路电源、电机电源、电平转换与稳压模块、电磁继电器、通讯接口等。电平转换与稳压模块包括电平转换芯片、直流电源转换芯片，温盐深传感器与电平转换芯片相连，单片机通过电平转换芯片将串口收发信号转换为RS232接口信号，与电路电源连接的直流电源转换芯片输出端分别至单片机、电平转换芯片，单片机输出端通过固态继电器连接驱动电机的正反转开关和电源开关；单片机通过发送命令来读取温盐深传感器的深度值，当系统到达指定深度后，单片机发送信号来驱动固态继电器，实现电机的正转或反转，当驱动电机转到指定位置后，单片机发送信号驱动电机电源开关，关闭电机电源。

本发明所述的自持式海洋环境长期监测系统，从本质上说属于锚定式剖面观测系统，但其动力来源与已有的锚定式剖面测量平台系统完全不同——已有的要么借助与电机驱动，要么靠改变自身的水下浮力，而本发明所述的系统则完全借助于海表面波浪的能量。

本发明主要是一种用于特定海水区域，进行长期获取海洋环境参数的自动观测系统。测量平台的下潜运行是完全摄取的波浪能量，上浮则依靠自身的正浮力，它可以锁定在某深度范围内长期循环升沉，形成一种长期、定点、无人值守的海洋环境要素垂直剖面监测方法。

更具体的说，该监测系统装置依靠海面浮标将波浪的起伏运动传递给锚泊注塑钢缆，使锚泊注塑钢缆上下不停的作小幅振动，棘爪机构通过间歇性抓紧和松脱运动(锚泊注塑钢缆下行时抓紧，上行时松脱)，将锚泊注塑钢缆的小幅上下振动转换成测量平台的单向下潜运动，也就是借助波浪能将呈现正浮力的测量平台驱动下潜到海底或预定的深度；当测量平台下潜到海底或预定深度后，棘爪机构上的可动半夹槽被驱动电机所驱动的凸轮推开，则棘爪机构就处于非工作状态，测量平台就在自身正浮力的作用下上浮至水面或设定的深度。当需要测量平台下潜时，就使棘爪机构又开始工作，带动测量平台下潜，如此反复工作，就可以使测量平台在水下一定深度范围内作上下循环运动，并在上升的过程中由测量平台所搭载的传感器采集各种水体参数，实现了海洋要素垂直剖面连续测量。为了实现此目的，本发明包括海面浮标、链接机构、锚泊注塑钢缆、棘爪机构、凸轮、测量平台、张紧锤、储链、重物锚块和大抓力锚等。本发明的海面浮标主体是一随波性能好的球壳，它有近一半的体积露出水面，海面浮标下端通过链接机构连着锚泊注塑钢缆，锚泊注塑钢缆下端又连一张紧锤，使锚泊注塑钢缆悬直，下端接近海底，而后张紧锤通过储链和沉于海底的锚块以及大抓力锚相连；测量平台一侧固定着导向机构和棘爪机构，锚泊注塑钢缆依次穿过导向机构和棘爪机构；测量平台靠一矩形架体支撑，其上分别固定着温盐深传感器、浮力浮球、电机电池舱，架体外面罩着两片流线型导流保护罩；电机电池舱内置驱动电机、电机电源、电路电源和控制电路等，电机转轴伸出电机电池舱后末端固定着凸轮。

根据本发明，该装置的特征为：(1)固定于测量平台一侧的棘爪机构，可执行抓紧和松脱的周期性运动。当锚泊注塑钢缆下降时，棘爪机构抓紧锚泊注塑钢缆，从而带动测量平台下降；当锚泊注塑钢缆上升时，棘爪机构松脱，测量平台由于惯性滞留在原位置。这样，就巧妙的进行了运动形式的转化，通过棘爪机构的离合运动，将小幅度的周期性伸缩运动转化为长距离的步进运动。并且棘爪机构的抓紧和松脱的周期性运动是由锚泊注塑钢缆带动的，而锚泊注塑钢缆的起伏是由海浪引起的，也就是说测量平台的下潜借助于海上无时不在的波浪能，无需人为供给能量。(2)棘爪机构上可动半夹槽的下端旁边放置一凸轮机构，凸轮连接在驱动电机的转轴上，当驱动电机带动凸轮转动，进而由凸轮推动可动半夹槽转动后，棘爪机构就彻底脱离锚泊注塑钢缆，棘爪机构不再起作用，锚泊注塑钢缆的小幅上下振动对测量平台无影响，测量平台就在自身正浮力的作用下上浮。(3)海表面浮体设计要有满足耐海水腐蚀、抗倾覆、稳定性和随波性好等要求，尤其是浮标体随波浪上下起伏性能要好，使其运动状态与海表面波浪起伏运动的尽可能同步。(4)锚泊注塑钢缆是经过特殊制作的注塑钢缆，内芯为优质钢丝绳，外面进行注塑封装处理，其刚性和韧性要恰到好处，且具有一定的抗拉伸性能，同时又具有较高的防腐蚀能力，并且它浸入海水里的表面摩擦系数也能满足系统特殊的要求；(5)锚泊系统中的张紧锤缀于锚泊注塑钢缆下部，起到绷直锚泊注塑钢缆的作用，它采用流线型设计。由中心有孔的圆柱形或圆台形铅砖套在中心轴杆上构成，可以有效的使锚泊注塑钢缆处于可上下振动的悬直状态；(6)二十多米长的储链可以保证整个锚泊系统在海上潮起潮落以及较大风浪的情况下，仍然可以使浮标漂浮在海面上，有效的传递海表面波浪势能。

本发明的有益效果是：

1、监测系统中测量平台可以不停的作上下循环运动，实现了单一传感器的连续垂直剖面测量，减少了传感器的数量。

2、测量平台下潜借助海表面无时不在的波浪能，上升靠自身的正浮力，测量平台上下循环运动无需人为供给能量，保证了系统以一种简约的方式进行长期稳定的运行。

3、本发明是对现有锚泊装置的创新性改进，是对海上传统现场测量方式的有益补充。

4、本发明测量平台可搭载温盐深以及荧光光度计等传感器或用户要求的其他测量仪器或装置。此监测系统主要依靠水体的能量进行驱动，实现了一种长期、定点、无人值守的海洋要素垂直剖面测量方法。它具有高效、节能、廉价和抗生物附着能力强等特点。

附图说明：

图1是本发明实施例自持式海洋环境监测系统组成图；

图2是本发明实施例的图1中测量平台A向视图；

图3为图1中局部放大图I；

图4为图2中测量平台的内部结构图；

图5为图2中测量平台的导流保护罩部件图；

图6为图4中测量平台内部的部件电机电池舱剖视图；

图7为图6中B-B剖视图；

图8为图6中控制电路系统原理框图。

图中，1海面浮标；2链接机构；3锚泊注塑钢缆；4上导向机构；5测量平台；6棘爪机构；7下导向机构；8张紧锤；9储链；10重物锚块；11大抓力锚；12温盐深传感器；13导流保护罩；14平台架体；15棘爪固定底板；16固定半夹槽；17可动半夹槽；18恢复弹簧；19棘爪转臂；20棘爪转轴；21电机转轴；22凸轮；23浮力浮球；24电机电池舱；25凸轮紧固螺钉；26 O型密封圈；27左密封端盖；28驱动电机；29密封圆筒；30电机电源；31电路电源；32控制电路；33密封紧固螺钉；34右密封端盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详述本发明。

如图1所示，本发明所述的自持式海洋环境监测系统主要由海面浮标1、锚泊注塑钢缆3、上导向机构4、测量平台5、棘爪机构6、下导向机构7、张紧锤8、储链9、重物锚块10和大抓力锚11以及链接机构2等组成。整个系统总体上可分为三大部分，分别是：海面浮标1、锚泊系统和测量平台5。其中锚泊系统是由锚泊注塑钢缆3、张紧锤8、储链9、重物锚块10和大抓力锚11构成。

如图1所示，海面浮标1的制作过程是：先将钢板压成球瓣拼焊成两个半球壳，再将两个半球拼焊起来成一个球体。最后，在其外表面进行喷漆作防腐蚀处理。张紧锤8是一个流线型的悬在锚泊注塑钢缆3下端的重物块，为了便于搬运和投放，将整个张紧锤重物块分解成数个圆台状铅块和圆柱状铅块、把它们依次套在张紧锤中轴杆上，最后形成一流线型张紧锤8。

如图4所示，测量平台5主体是由平台架体14作为支撑框架，其中平台架体14的中上部固定着浮力浮球23，平台架体14的中下部固定着电机电池舱24，平台架体14的一侧固定着温盐深传感器12，平台架体14的另一侧从上到下依次固定着上导向机构4、棘爪机构6和下导向机构7(图1)，矩形平台架体14两侧罩上两块导流保护罩13(图2、图5)；上导向机构4、棘爪机构6和下导向机构7依次被锚泊注塑钢缆3穿过，使测量平台5骑附在锚泊注塑钢缆3上。

如图1和图4所示，测量平台5是整个监测系统的主体，支撑框架为一矩形形状的平台架体14，为了在保证架体刚性的前提下减轻平台重量，选用钛板作为加工材料。提供浮力的浮力浮球23位于的中上部，较重的电机电池舱位于测量平台5的中下部，这样可以保证整个测量平台5在水下的稳定性。测量平台5的一侧固定有上导向机构4和下导向机构7，保证测量平台5循环运动过程中始终沿着锚泊注塑钢缆3。

如图3所示，棘爪机构6上的棘爪固定底板15上留有固定螺孔，可以方便的固定到平台架体14上，固定半夹槽16和可动半夹槽17为两个齿合夹槽，固定半夹槽16和可动半夹槽17两个半槽都做成带有退刀槽的“V”型槽，固定半夹槽16安装于棘爪固定底板15上，可动半夹槽17与棘爪转臂19的一端相连，棘爪转臂19的另一端可绕棘爪转轴20转动，棘爪转臂19带动可动半夹槽17转动，使两个夹槽齿合的间隙可以发生变化，锚泊注塑钢缆3穿过两夹槽的齿合面，恢复弹簧18穿在棘爪转轴20上，恢复弹簧18的两端分别连在棘爪固定底板15和棘爪转臂19上，其恢复力使可动半夹槽17贴紧锚泊注塑钢缆3。

如图4、图6和图7所示，电机电池舱24由左密封端盖27、右密封端盖34和密封圆筒29通过密封紧固螺钉33的连接构成密封壳体，电机电池舱24内依次固定着驱动电机28、电机电源30、电路电源31和控制电路32。驱动电机28通过电机转轴21伸出电机电池舱24，电机转轴21的末端通过凸轮紧固螺钉25固定着凸轮22，凸轮22恰好位于棘爪机构6上可动半夹槽17的端部旁边。

如图8所示，控制系统组成包括AT89C2051单片机、驱动电机、电路电源、电机电源、电平转换与稳压模块、电磁继电器、通讯接口等。7805是直流电源转换芯片，它负责将12v电压转换为5v电压，用来给AT89C2051单片机、AT24C16和MAX232等器件供电。MAX232是电平转换芯片，AT89C2051单片机通过它将UATR串口收发信号转换为RS232接口信号，以便实现与温盐深传感器的正常通信。AT24C16为I²C接口E²ROM用来存储预设深度和其它一些参数。AT89C2051单片机通过发送命令来读取温盐深传感器的深度值，当系统到达指定深度后，AT89C2051单片机发送信号来驱动SSR1或SSR2，SSR1或SSR2为固态继电器，然后SSR1或SSR2驱动HH52P1或HH52P2动作来实现电机的正转或反转。其中HH521P1为电机电源开关，HH52P2为控制驱动电机28正反转开关。当驱动电机28转到指定位置后，限位开关动作，通过CON6接口传送到AT89C2051单片机，AT89C2051单片机接到信号后，发送信号驱动HH52P1关闭电机24v电源。

整个监测系统的原理是：如图1所示，监测系统的上端是漂浮着的海面浮标1，它的下端连着200米长的锚泊注塑钢缆3，锚泊注塑钢缆3悬垂到近海底，其下端到海底之间又依次连有张紧锤8、储链9、重物锚块10和大抓力锚11，测量平台5通过上导向机构4、下导向机构7和棘爪机构6骑附在锚泊注塑钢缆3上。本身在水下为正浮力的测量平台5通过锚泊系统由棘爪机构6将海表面波浪能转换成测量平台5下潜的能量，带动测量平台5下潜。当测量平台下潜到海底或预定深度后，测量平台5依靠自身的正浮力上浮，并在上浮的过程中由其所搭载的温盐深传感器12实现对水体参数的测量。

测量平台5具体的下潜过程为：如图1所示，通过计算和设计，合理控制海面浮标1的浮力，使海面浮标1大约有一半体积露于水面，当海浪起伏时，海面浮标1就跟随着起伏运动，这样，连于海面浮标1下面的近似悬直的锚泊注塑钢缆3便上下抖动，固定在测量平台5一侧的棘爪机构6，如图3所示，由于通过其上两齿合的固定半夹槽16和可动半夹槽17骑附在锚泊注塑钢缆3上，当锚泊注塑钢缆3向下运动时，由于锚泊注塑钢缆3与两夹槽的摩擦力，它就会带动可动半夹槽17逆时针转动，而固定半夹槽16固定在棘爪固定底板上不动，这样两夹槽就会夹紧锚泊注塑钢缆3，棘爪机构6处于抓紧状态，随锚泊注塑钢缆3一起向下运动；当锚泊注塑钢缆3向上运动时，依靠摩擦力，带动可动半夹槽17顺时针转动，两夹槽松开锚泊注塑钢缆3，棘爪处于松脱状态。这样，棘爪机构6通过间歇性抓紧和松脱运动(锚泊注塑钢缆3下行时抓紧，上行时松脱)，将锚泊注塑钢缆3的小幅上下振动转换成测量平台的单向下潜运动，也就是借助波浪能将呈现正浮力的测量平台驱动5下潜到海底或预定的深度。

测量平台5具体的上浮过程为：在系统下潜的过程中，控制电路32不断的读取深度信息，当测量平台5下潜到海底或预设的深度后，控制电路32发出驱动电机28驱动凸轮22转动，凸轮22推开棘爪机构6上的可动半夹槽17，使棘爪机构6就处于非工作状态，测量平台5就在自身正浮力的作用下上浮至水面或事先设定的深度。

当测量平台5上浮至水面或事先设定的深度后，控制电路32再发送控制命令使驱动电机28反转一定的角度，带动凸轮22恢复原位，棘爪机构6处于工作状态，就又可以带动测量平台5步进下潜。如此反复，测量平台5就可以在水下一定深度范围内上下不停的循环运动，由其搭载的传感器进行海洋要素的测量，这样就可以由单一传感器实现了自持式海洋要素的连续垂直剖面测量。

Claims (6)

1.一种自持式海洋环境监测系统，其特征在于：该监测系统包括海面浮标(1)和锚泊系统，监测系统的上端是漂浮着的海面浮标(1)，它的下端连接着锚泊注塑钢缆(3)，锚泊注塑钢缆(3)下端到海底之间又依次连有张紧锤(8)、储链(9)、重物锚块(10)和大抓力锚(11)，测量平台(5)通过上导向机构(4)、下导向机构(7)和棘爪机构(6)骑附在锚泊注塑钢缆(3)上。

2.按照权利要求1所述的自持式海洋环境监测系统，其特征在于：测量平台(5)是由平台架体(14)作为支撑框架，平台架体(14)上固定着浮力浮球(23)、电机电池舱(24)、温盐深传感器(12)、棘爪机构(6)，外面罩着两片导流保护罩(13)。

3.按照权利要求1所述的自持式海洋环境监测系统，其特征在于：棘爪机构(6)包括棘爪固定底板(15)、固定半夹槽(16)、可动半夹槽(17)、恢复弹簧(18)、棘爪转臂(19)和棘爪转轴(20)；棘爪机构(6)通过棘爪固定底板(15)被固定在测量平台的平台架体(14)上，而固定半夹槽(16)和棘爪转轴(20)被固定在棘爪固定底板(15)上；棘爪机构(6)的棘爪转臂(19)的一端连着可动半夹槽(17)，另一端可绕棘爪转轴(20)转动；恢复弹簧(18)被棘爪转轴(20)穿过，且其两端分别连在棘爪固定底板(15)和棘爪转臂(19)上。

4.按照权利要求2所述的自持式海洋环境监测系统，其特征在于：电机电池舱(24)由左密封端盖(27)、右密封端盖(34)和密封圆筒(29)通过密封紧固螺钉(33)的连接构成密封壳体，电机电池舱(24)内依次固定着驱动电机(28)、电机电源(30)、电路电源(31)和控制电路(32)。

5.按照权利要求4所述的自持式海洋环境监测系统，其特征在于：驱动电机(28)通过电机转轴(21)伸出电机电池舱(24)，电机转轴(21)的末端通过凸轮紧固螺钉(25)固定着驱动可动半夹槽(17)的凸轮(22)。

6.按照权利要求4所述的自持式海洋环境监测系统，其特征在于：驱动电机(28)动作情况受控于控制电路(32)，控制电路(32)的组成包括：单片机、驱动电机、电路电源、电机电源、电平转换与稳压模块、固态继电器、通讯接口；电平转换与稳压模块包括电平转换芯片、直流电源转换芯片，温盐深传感器与电平转换芯片相连，单片机通过电平转换芯片将串口收发信号转换为RS232接口信号，与电路电源连接的直流电源转换芯片输出端分别至单片机、电平转换芯片，单片机输出端通过固态继电器连接驱动电机的正反转开关和电源开关。

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