CN101799376A - 探测坠体的悬吊装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种探测坠体的悬吊装置，包括：把杆，基本为U形，其开口端与探测坠体转动连接；第一翼板，位于把杆封闭端围成的平面内。其中所述把杆具有至少三个牵引点，悬吊装置还包括：牵引部和至少三条软索，各个软索的一端分别连接于各个牵引点，各个软索的另一端均连接于牵引部，还可以包括第二翼板，其基本垂直的连接于第一翼板。具有该悬吊装置的探测坠体下坠时，水流会对第一翼板产生逆向航向的阻力，该阻力的方向与把杆拉力的水平分力方向相反，削弱甚至消除了部分水平分力，使得把杆对探测坠体拉力的水平分力减小，从而能够减小探测坠体的横向位移，使探测坠体的下坠过程更接近于自由落体运动，进而提高水文垂直剖面图测量的准确性。

Description

探测坠体的悬吊装置

技术领域

本发明涉及水体测量技术领域，特别涉及一种探测坠体的悬吊装置。

背景技术

当前，随着科学技术日新月异的进步，人类对水体(包括海洋、江河、湖泊)资源的开发、利用和保护也突飞猛进的发展。要开发和利用水体资源必须先了解水体，对水体进行水文测量就是了解水体的一种方式。

例如，在物理海洋学中，随着不同深度的水层温度和含盐量的变化，声速也随之改变，获得特定海域的上述水体参数可以用于声纳测速、测距等海洋测绘；又如，测量海水的温度、盐度(含盐量)等水体参数可以用于海底暗流、大洋环流以及潮汐的研究。在环境海洋学里，测量水体的化学成分含量，可以用于监测和防控蓝藻、赤潮等灾害。

总之，获取水体中各种物理和化学参数比如温度、盐度、深度、溶解氧浓度、PH值、浊度、营养盐含量、叶绿素含量、BOD、COD、氮磷含量、CO₂含量等随着深度变化的垂直剖面图是水体水文和环境测量的重要测量方法。

温盐深垂直剖面测量为一种重要的水体测量技术，适用于海洋、江河湖面等水体的测量。由于盐度可以通过测量海水的导电性(Conductivity)而获得，因此温度(Temperature)、盐度随着深度(Depth)变化的垂直剖面图通常简称为CTD垂直剖面图。

CTD垂直剖面图在军事和民用方面都具有很重要的意义。例如，温度、盐度会影响海水的密度，进而导致声音在不同的温度和/或盐度的海水中的传播速度产生差异。通常将海水密度跃变的水层叫做密跃层，声音在密跃层中传播就像声音在管道中(又称作声道)传播一样，能量损耗最小，在同样的声能情况下声音可以传播得更远；当声音穿透密跃层时，就好像光线从空气传入玻璃两种不同介质的界面时会发生折射现象一样。海水这样的特性在军事上已经被广泛应用，潜艇的声纳可以利用密跃层发现遥远处的目标，也可以利用声道与遥远处的我方潜艇进行通讯，还可以利用密跃层对声波的折射和反射来躲避敌方的搜索。而通过CTD垂直剖面图就能探测到海水中密跃层的分布情况，类似于为潜艇绘制了一张海水地形图。

又例如，通过海洋CTD垂直剖面图可以发现不同海区、不同深度的暖水团和冷水团，这些都是探寻渔业资源的重要信息，也可以通过CTD垂直剖面图了解海底热量、湍流和电荷等的输运情况，用于海洋气候学的研究。

由于季节变化及二十四小时内日照的变化，CTD垂直剖面图随着时间和海域的不同也相应变化的。但是在一定的海区，CTD垂直剖面图的变化具有一定的规律。为了摸清CTD垂直剖面图的变化规律，测量工作者需要经常出海进行水文测量。以往的测量方法是船舶在海上定点抛锚，停船状态下投放CTD测量仪进行垂直剖面测量。如果要进行某一海区测量，先在航海图上设定若干个测量点，船舶航行到上述测量点时停船抛锚，向海底投放CTD测量仪进行垂直剖面测量，下坠到海底特定深度并测量完毕后回收CTD测量仪，然后，船舶继续航行到下一测量点进行下一次测量，最后由多个测量点的测量结果综合获得整个海区的CTD垂直剖面图。船舶不断的航航停停，测量一片海区往往要花费相当长的时间，测量的工作量也相当大，例如，测量深度为3-4km，需要5-6小时，这种定点测量的方法既费时又费工。

为了提高测量效率，人们提出了一种走航式CTD测量方法，也就是在船舶行进过程中重复抛投、回收探测坠体，进行连续的CTD垂直剖面测量，不需要停航抛投，而且全部作业都是自动进行。

以下结合图1说明上述测量方法的工作原理。如图1所示，装有CTD测量仪的坠体1通过绞车2吊杆上的挂轮投放入水中，而绞车2固定于船舶3的甲板上。具体说来，绞车2处于自由转动状态，拖拽缆4盘绕在绞车2内部，其末端与坠体1连接，绞车2可以在坠体1的自重和水流阻力的拉力作用下将拖拽缆4释放，进而将坠体1沉放到水下预定的深度。

坠体1在下坠的过程中，装在其内部的CTD测量仪不断地进行实时数据测量，这些数据通过连接在坠体1尾部的拖拽缆4传回到船上的检测仪(图中未示出)，检测仪用于记录和储存坠体1每次下坠的测试结果。坠体1被投放到预定深度后，绞车2开始回收拖拽缆4，从而将坠体1由水下回收；当坠体1回收到距离水面的设定深度时即停止回收，绞车2再次开始自动释放拖拽缆4，坠体1再次被投向海底深处，船舶3沿方向D航行，图1中曲线A示出了坠体1在水中的运动轨迹。如此周而复始进行投放和回收作业，船舶始终在以一定的速度航行，于是节省了船舶停航、再启动的大量时间，提高了测量效率，大大节省了在某一海区测量的作业时间，提高了费效比。而且，由于作业速度快，测量点更密集，提高了水文测量精度，而且有可能捕捉到瞬间即逝的一些水文变化。

在投放下坠的阶段，希望坠体尽可能作接近自由落体的运动，这样获得的数据就越接近“垂直”剖面，然而问题在于，实际上坠体下坠过程中的通常都会产生横向偏移Δs，该横向偏移越大，所获得的数据就越远离垂直剖面，从而影响了测量的准确性。

发明内容

本发明解决的问题是坠体下坠过程中的通常都会产生的横向偏移，导致所获得的数据远离垂直剖面，从而影响了测量的准确性。

为解决上述问题，本发明提供一种探测坠体的悬吊装置，一方面，使坠体具有更大的下坠力而减小坠体受到的水平力，从而减少坠体的横向位移，提高测量的准确性；另一方面，悬吊装置具有一定的宽度，可以防止坠体下坠时发生旋转，以保证其姿态稳定性。

所述悬吊装置包括：

把杆，基本为U形，其开口端与探测坠体转动连接；

第一翼板，位于所述把杆封闭端围成的平面内。

优选的，所述第一翼板填充于所述把杆封闭端围成的平面内，并与把杆封闭端固定连接。

优选的，所述把杆具有至少三个牵引点，所述至少三个牵引点包括：第一牵引点、第二牵引点和第三牵引点，其中，所述第一牵引点和第二牵引点分别位于把杆封闭端的两个拐角处，所述第三牵引点位于所述第一翼板所在的平面外；所述悬吊装置还包括：牵引部和至少三条软索，各个软索的一端分别连接于各个牵引点，各个软索的另一端均连接于所述牵引部。

可选的，悬吊装置还包括延伸部，所述延伸部由把杆封闭端的基本中间位置向所述第一翼板所在的平面外伸出，所述第三牵引点即位于该延伸部上。

优选的，悬吊装置还包括第二翼板，所述第二翼板基本垂直的连接于所述第一翼板。

可选的，悬吊装置还包括第二翼板，所述第二翼板基本垂直的连接于所述第一翼板；所述延伸部为延伸杆，将所述第二翼板包围。

优选的，所述至少三条软索之一为拖拽缆。

所述把杆的开口端的宽度小于其封闭端的宽度。

还包括牵引部，所述牵引部直接设置于把杆的封闭端。

所述第一翼板和/或第二翼板的材料为金属和/或高分子有机材料。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

所述探测坠体的悬吊装置，相对于传统结构，在把杆的封闭端围成的平面内设置第一翼板，将平面空心区域C靠近把杆封闭端的一部分面积封闭，在投放下坠过程中，当探测坠体在把杆拉力的作用下产生横向偏移的趋势时，由于所述第一翼板阻碍了水流穿过把杆围成的平面空心区域C(见图4)，水流会对第一翼板产生逆向航向的阻力f，该阻力f的方向与把杆拉力的水平分力F22方向相反，削弱甚至消除了部分水平分力，使得把杆对探测坠体拉力的水平分力减小，从而能够减小探测坠体的横向位移，使探测坠体的下坠过程更接近于自由落体运动，进而提高水文垂直剖面图测量的准确性。

此外，采用柔性的软索连接把杆的至少三个牵引点，根据理想的把杆姿态预先设定各个软索的长度和各个牵引点的位置，在探测坠体投放或回收过程中，只有当把杆处于预定的姿态时，拖拽缆的拉力才会均匀地分配到各个软索使它们绷紧维持成一个稳定的空间锥体(各个软索受力达到平衡状态)，如果受到水下紊流的影响，把杆姿态一旦有变化的趋势时，必有至少一根软索会有松懈趋势，于是，拖拽缆的拉力就只分配到其余的软索上，使这些软索所受的拉力大于所述平衡状态时的受力值，对把杆来说，立即产生了抵消姿态变化趋势的相应的回复力，从而使整个探测坠体和及其悬吊装置保持稳定。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为目前走航式CTD测量方法的工作原理示意图；

图2为传统探测坠体下坠状态的示意图；

图3为传统探测坠体下坠状态的受力分析图；

图4为本发明实施例一中探测坠体的悬吊装置的主视图；

图5为本发明实施例一中悬吊装置在探测坠体下坠状态的侧视图；

图6为本发明实施例一中悬吊装置在探测坠体下坠状态的受力分析图；

图7为本发明实施例二中探测坠体的悬吊装置的主视图；

图8为本发明实施例二中探测坠体的悬吊装置的侧视图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术所述，传统的探测坠体在下坠过程中的通常会产生横向偏移的问题，影响测量的准确性，为此发明人对该问题进行了深入的分析。图2为传统探测坠体下坠状态的示意图，图3为传统探测坠体下坠状态的受力分析图。如图所示，在探测坠体1上装有可以以拖拽缆4为轴旋转的把杆5，把杆5将拖拽缆4和探测坠体5连接，并且，探测坠体1与把杆5的前叉通过转轴6转动连接，可在垂直于把杆的平面内围绕转轴6旋转。投放下坠时探测坠体1的头部朝向下方，把杆5在探测坠体1的后方；回收上升时探测坠体1为保持运动平衡会绕转轴6旋转至阻力最小方向，此时把杆5在探测坠体1前方，探测坠体1的头部朝向拖拽的方向。

发明人研究发现，传统的探测坠体投放时，参见图3所示，拖拽缆4由于受到水的阻力作用将拉扯把杆5，而把杆5受拖拽缆4的拉力F₁后与拖拽缆4方向一致，而与探测坠体1下坠的方向形成一个比较大的角度θ，于是，把杆5就对探测坠体1形成了一个侧向的拉力F₂，与下坠方向夹角为θ，坠体1对把杆5还具有反作用力F₂’，所述拉力F₂的垂直分力F₂₁与下坠方向相反，而水平分力F₂₂垂直于下坠方向并与航向D一致，探测坠体1受到拉力的水平分力越大，导致的横向偏移Δs也越大。

由此可见，探测坠体下坠过程中受到把杆拉力的水平分力才是影响测量准确性的本质原因之一，基于此，本发明提供一种探测坠体的悬吊装置，通过设置翼板结构来抵消或削弱所述拉力的水平分力，来减小探测坠体的横向位移，提高测量的准确性。所述悬吊装置不限于CTD测量系统的坠体，还可在各种水体水文垂直剖面调查行为中同时得到多种类型数据，例如物理水体学中CTD、溶解氧、PH、浊度等参数，水体生物学中营养盐、叶绿素等参数，水体环境保护领域中生物耗氧量(BOD)、COD、氮磷含量等参数，水体化学中氨氮、CO2等含量参数，因此具有广阔的应用范围。本文中所述的水体包括海洋、江河湖泊。

以下结合附图详细说明所述悬吊装置的一个具体实施例。为突出本发明的特点，附图中没有给出与本发明的发明点必然直接相关的部分，例如，绞车、船和探测坠体的内部结构。

实施例一

图4为本实施例中探测坠体的悬吊装置的主视图，图5为本实施例中悬吊装置在探测坠体下坠状态的侧视图。为清楚的说明悬吊装置的作用图中将探测坠体采用虚线示出。

如图所示，探测坠体的悬吊装置10包括：把杆11、第一翼板12和牵引部13。

其中，所述把杆11基本为U形，以中心线B-B为轴对称，其重心也位于该中心线B-B上。把杆11一端开口而另一端封闭，U形的开口端111用来与探测坠体1转动连接，而U形的封闭端112连接有牵引部13，用来与拖拽缆4连接。

所述第一翼板12位于把杆的封闭端112围成的平面内，优选的，第一翼板12填充于所述把杆封闭端112围成的平面内，并与把杆封闭端112固定连接。参照图4所示，由把杆11形成的框体结构，实际上基本包围出一个平面空心区域C，第一翼板12将该平面空心区域C靠近把杆封闭端112的一部分面积封闭，剩余的另一部分面积用于给探测坠体1提供转动的空间。

所述牵引部13设于把杆封闭端112的中间位置，与把杆重心所在的中心线B-B重合，可以在拖拽探测坠体1时保持姿态的平衡。

探测坠体1通常为炮弹形，其头部为弹头，其尾部还具有保持稳定的尾翼。探测坠体1长度方向的中间位置或附近设有转轴6，所述把杆开口端111的宽度与探测坠体1的尺寸(例如直径)相匹配，这样一来，开口端111通过转轴6与探测坠体1实现转动连接，所述探测坠体1具有在垂直于把杆11平面的方向旋转的自由度。

一般而言，探测坠体1尾翼的尺寸往往大于弹头的尺寸，因此，本发明优选的实施例中，把杆开口端111宽度小于其封闭端112的宽度，以给尾翼留出旋转的空间。

本实施例中的探测坠体的悬吊装置，相对于传统结构，在把杆的封闭端112围成的平面内设置第一翼板12，将所述平面空心区域C靠近把杆封闭端112的一部分面积封闭，参见图6所示本实施例中悬吊装置在探测坠体下坠状态的受力分析图，在投放下坠过程中，当探测坠体1在把杆拉力F₂的水平分力F₂₂作用下产生横向偏移的趋势时，由于所述第一翼板12阻碍了水流穿过把杆围成的平面空心区域C(见图4)，水流会对第一翼板12产生逆向航向D的阻力f，该阻力f的方向与把杆拉力的水平分力F₂₂方向相反，削弱甚至消除了部分水平分力，使得把杆11对探测坠体拉力的水平分力F₂₂减小，从而能够减小探测坠体的横向位移，使探测坠体1的下坠过程更接近于自由落体运动，进而提高水文垂直剖面图测量的准确性。

此外，对于探测坠体1和悬吊装置10整体而言通常还具备以拖拽缆为轴转动的自由度，如果受到水下紊流影响将导致探测坠体的姿态不稳定，甚至因旋转而导致拖拽缆被破坏。

基于此，优选的，如图5所示，所述悬吊装置10还可以包括第二翼板14，所述第二翼板14基本垂直的连接于所述第一翼板12，也与把杆11重心所在的中心线B-B重合(见图4)，于是，当悬吊装置10受到垂直于第二翼板14方向的水流作用时，该第二翼板14可以起到调节平衡的效果，保证探测坠体1下坠姿态的稳定性。

以下结合附图详细说明本发明另一更为优选的实施例，通过多点柔性牵引的方式连接拖拽缆和把杆。

实施例二

图7为本实施例中探测坠体的悬吊装置的主视图，图8为本实施例中探测坠体的悬吊装置的侧视图。

如图所示，本实施例的悬吊装置20与实施例一的结构基本相同，主要区别在于，把杆21设有至少三个牵引点(图7和图8中仅以三个为例，即：第一牵引点a、第二牵引点b和第三牵引点c)，牵引部23通过至少三条软索(图7和图8中仅以三条软索为例，即：第一软索25a、第二软索25b和第三软索25c)与所述把杆21实现柔性连接。

其中，所述第一牵引点a和第二牵引点b分别位于把杆封闭端212的两个拐角处或其附近，实际上，第一牵引点a和第二牵引点b相对于把杆21重心所在中心线B-B为轴对称。所述第三牵引点c位于第一翼板22所在的平面外，而且基本处于把杆21重心所在平面上。各个软索25的一端分别连接于各个牵引点，另一端均连接于所述牵引部23。

具体的，把杆21还包括延伸部213，所述延伸部213由把杆封闭端212的基本中间位置向第一翼板22所在的平面外伸出，所述第三牵引点c即位于该延伸部213上。

显然，第三牵引点c也可以设于其他位置，从本质上来说，各个牵引点所确定的面与把杆21所在的平面形成一定角度，各个软索25分别连接于各个牵引点而拉紧时能够形成空间锥体的结构。

传统探测坠体的把杆采用的是单点牵引方式，拖拽缆直接与把杆的牵引部连接，这种牵引方式导致探测坠体姿态不稳定，如果在投放和回收时受到水下紊流影响将使探测坠体以拖拽缆为轴转动，甚至因旋转而导致拖拽缆被破坏。

而本实施例中，采用柔性的软索连接把杆的至少三个牵引点，根据理想的把杆姿态预先设定各个软索的长度和各个牵引点的位置，在探测坠体投放或回收过程中，只有当把杆处于预定的姿态时，拖拽缆的拉力才会均匀地分配到各个软索使它们绷紧维持成一个稳定的空间锥体(各个软索受力达到平衡状态)，如果受到水下紊流的影响，把杆姿态一旦有变化的趋势时，必有至少一根软索会有松懈趋势，于是，拖拽缆的拉力就只分配到其余的软索上，使这些软索所受的拉力大于所述平衡状态时的受力值，对把杆来说，立即产生了抵消姿态变化趋势的相应的回复力，从而使整个探测坠体和及其悬吊装置保持稳定。

参见图8，优选的，悬吊装置还可以包括第二翼板24，所述第二翼板24基本垂直的连接于所述第一翼板22，此时，所述延伸部213为延伸杆，将所述第二翼板24包围于其中，而多个牵引点之一刚好设于所述延伸杆上，这样一来，实现了第二翼板24的平衡作用和多个软索柔性牵引的平衡作用的巧妙结合，能够进一步的提高探测坠体和悬吊装置的稳定性。

牵引部23汇接各个软索25后与拖拽缆4连接。所述拖拽缆4不仅起到拖拽探测坠体的作用，而且还兼做传输数据的电缆，此时，更为优选的，所述至少三条软索25其中之一为拖拽缆；换言之，拖拽缆4延伸连接于所述牵引点，从而兼做软索。

与实施例一类似，本实施例中把杆开口端的宽度小于其封闭端的宽度，以给坠体尾翼留出旋转空间，其他与实施例一类似的结构在此不再一一赘述。

所述第一翼板和/或第二翼板的材料为金属和/或高分子有机材料。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。需要说明的是，本发明提供的探测坠体的悬吊装置不仅限于悬吊、拖拽上述实施例中的炮弹形探测坠体，也可以用于悬吊其他类型的探测坠体。

本发明提供的探测坠体的悬吊装置，可在各种水体水文垂直剖面调查行为中用于悬吊探测坠体而得到多种类型数据，例如物理水体海洋学中CTD、溶解氧、PH、浊度等参数，水体生物学中营养盐、叶绿素等参数，水体环境保护领域中生物耗氧量(BOD)、COD、氮磷含量等参数，海洋水体化学中氨氮、CO₂等含量参数，因此具有广阔的应用范围。在物理海洋学中，随着不同深度的水层温度和含盐量的变化，声速也随之改变，获得特定水域的上述水体参数可以用于声纳测速、测距等海洋测绘；又如，测量海水的温度、盐度(含盐量)等水体参数可以用于海底暗流、大洋环流以及潮汐的研究。在环境保护领域，测量水体的化学成分含量，可以用于监测和防控江河湖泊的蓝藻、赤潮等灾害。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种探测坠体的悬吊装置，其特征在于，包括：

把杆，基本为U形，其开口端与探测坠体转动连接；

第一翼板，位于所述把杆封闭端围成的平面内。

2.根据权利要求1所述的探测坠体的悬吊装置，其特征在于，所述第一翼板填充于所述把杆封闭端围成的平面内，并与把杆封闭端固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的探测坠体的悬吊装置，其特征在于，所述把杆具有至少三个牵引点，所述至少三个牵引点包括：第一牵引点、第二牵引点和第三牵引点，其中，所述第一牵引点和第二牵引点分别位于把杆封闭端的两个拐角处，所述第三牵引点位于所述第一翼板所在的平面外；

所述悬吊装置还包括：牵引部和至少三条软索，各个软索的一端分别连接于各个牵引点，各个软索的另一端均连接于所述牵引部。

4.根据权利要求3所述的探测坠体的悬吊装置，其特征在于，还包括延伸部，所述延伸部由把杆封闭端的基本中间位置向所述第一翼板所在的平面外伸出，所述第三牵引点即位于该延伸部上。

5.根据权利要求1所述的探测坠体的悬吊装置，其特征在于，还包括第二翼板，所述第二翼板基本垂直地连接于所述第一翼板。

6.根据权利要求4所述的探测坠体的悬吊装置，其特征在于，还包括第二翼板，所述第二翼板基本垂直地连接于所述第一翼板；所述延伸部为延伸杆，将所述第二翼板包围。

7.根据权利要求3所述的探测坠体的悬吊装置，其特征在于，所述至少三条软索之一为拖拽缆。

8.根据权利要求1或2所述的探测坠体的悬吊装置，其特征在于，所述把杆的开口端的宽度小于其封闭端的宽度。

9.根据权利要求1或2所述的探测坠体的悬吊装置，其特征在于，还包括牵引部，所述牵引部固定连接于把杆的封闭端。

10.根据权利要求1或5所述的探测坠体的悬吊装置，其特征在于，所述第一翼板和/或第二翼板的材料为金属和/或高分子有机材料。

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