CN105758687B - 一种深海沉积物原位培植及密封采样机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深海沉积物原位培植及密封采样机构，由外框架(1)、推动机构(2)、采样培养机构(3)、弹簧挡板(4)组成，推动机构(2)、采样培养机构(3)、弹簧挡板(4)固定在外框架(1)上，设备上固定有抗压附体材料和负重块。设备到达深海海底后，水面控制平台发出信号使推动机构(2)推动采样培养机构(3)插入沉积物，并向沉积物注入营养液，定植培养一段时间后，水面控制平台发出命令使采样培养机构(2)复位，弹簧挡板(4)封堵采样筒底部，此后设备执行脱钩命令，摆脱负重物的束缚使其回升水面，完成深海定植培养和采集沉积物的任务。

Description

一种深海沉积物原位培植及密封采样机构
技术领域
本发明是涉及一种沉积物采样器，具体地说是涉及一种采用拉动式封口板进行无扰动采样同时可以定点进行微生物培育的深海沉积物采样器。
背景技术
对于深海深达6000米处的沉积物采集一向是个难题，一是从水面上很难直接接触到底泥；二是底泥本身松散的材质很难保持采样原状。目前对底泥的采集多使用抓泥斗的方式，采集的也仅仅是表层破坏后的样品，对后续研究十分不利。此外，抓取沉积物的目的主要为研究海底微生物群落，微生物脱离深海水体环境很难存活，需在沉积物处进行定点培植，然后将已繁殖成规模群落的沉积物运至水面进行研究。
发明内容
本发明的目的是克服了现有技术的不足，提供了一种密封性能良好，不会丢失样品的且可进行定点培植微生物的深海沉积物原位培植及采样机构。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：
本发明的可控封口深海沉积物定点培植采样机构，主体部分由：外框架1、推动机构2、采样培养机构3、弹簧挡板4组成；推动机构2、采样培养机构3、弹簧挡板4通过螺丝固定在外框架1上。
作为优选，所述的外框架1为耐压的钛合金材料构成。
所述的推动机构2由：第一电机筒2.1、定位连接板2.2、导向管2.3、丝杆2.4、底座2.5、梯形螺母2.6组成。第一电机筒2.1内有步进电机，通过O型圈进行密封；电机转轴伸出，通过联轴器与丝杆2.4相连；丝杆2.4下部连接底座2.5；电机筒下部固接定位连接板2.2；定位连接板2.2中间固定设有梯型螺母2.6，该梯形螺母2.6与丝杆2.4螺纹配合；定位连接板2.2两端开有导向孔，导向管2.3通过插入定位连接板2.2边缘导向孔起到导向及防止螺母同丝杆一起运动的作用，保证梯型螺母2.6和定位连接板2.2与丝杆可发生相对运动。
采样培养机构3由第二电机筒3.1、轴壳3.2、螺杆3.3、导杆3.4、丝母3.5、导管3.6、连接密封头3.7、采样筒3.8、滴管3.9、营养液输入管3.10组成。第二电机筒3.1内密封有步进电机，电机轴通过联轴器与螺杆3.3相连；丝母3.5上部与螺杆3.3螺纹配合；导管3.6套在螺杆3.3上，且与丝母3.5下部螺纹配合；丝母3.5两侧开有圆孔，导杆3.4穿过该孔，固定丝母3.5以使其只能进行垂直方向上的运动；螺杆3.3、导杆3.4、丝母3.5、导管3.6均位于轴壳3.2内以进行密封；轴壳3.2下部与采样筒3.8进行固接；导管3.6下部设有连接密封头3.7，该连接密封头3.7下部与滴管3.9上部固接，滴管3.9下部接营养液输入管3.10；所述的第二电机筒3.1与采样筒3.8通过连接板5固定连接；连接板5设于推动机构2上的定位连接板2.2上部，且两者固定连接；
所述的连接密封头3.7上装有O型密封圈，可随导管3.6运动实现对采样筒3.8上盖的封堵和开放；当采样培养机构3进行采样时电机带动螺杆3.3转动，因丝母3.5被导杆3.4固定，使得丝母3.5无法随螺杆3.3同时转动，因而随着螺杆3.3的转动，丝母3.5向下运动，进而推动与丝母3.5相连接的导管3.6向下运动，进而使得与导管3.6固接的连接密封头3.7向下运动，使得采样筒3.8顶盖处不再处于密封状态；
所述的弹簧挡板4由弹簧4.1、立板4.2、底板4.3、基座4.4组成，立板4.2与底板4.3焊接构成“L”形。其中每个立板4.2顶部两端各有一弧形钩，每个钩子勾住一个弹簧4.1；基座4.4分为上下两块，焊接在外框架1上，中间留有可使底板插入的空隙，用于在弹簧4.1松紧不同状态时限定底板的移动。在弹簧4.1处于拉紧状态时，底板4.3抵在采样筒3.8筒壁上；在弹簧4.1处于松弛状态时，底板4.3置于采样筒3.8下端，用于封闭采样筒3.8下端口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：当采样筒插入沉积物时，注射培养液定点培植沉积物内的微生物，培养完毕后回收采样筒，弹簧挡板将采样筒底部封堵，使得采样装置回升水面时，沉积物被完好保存于采样筒内不遭破坏。采样过程简单快捷，操作简便。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明推动机构示意图；
图3是本发明采样培养机构示意图；
图4为采样培养机构插入前状态；
图5为采样培养机构插入中状态；
图6为采样培养机构复位状态；
图7为采样培养机构连接密封头伸出状态和弹簧挡板结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明的可控封口深海沉积物定点培植采样机构，如图1所示，主体部分由：外框架1、推动机构2、采样培养机构3、弹簧挡板4组成；推动机构2、采样培养机构3、弹簧挡板4通过螺丝固定在外框架1上。
作为优选，所述的外框架1为耐压的钛合金材料构成。
如图2所示，所述的推动机构2由：第一电机筒2.1、定位连接板2.2、导向管2.3、丝杆2.4、底座2.5、梯形螺母2.6组成。第一电机筒2.1内有步进电机，通过O型圈进行密封；电机转轴伸出，通过联轴器与丝杆2.4相连；丝杆2.4下部连接底座2.5；电机筒下部固接定位连接板2.2；定位连接板2.2中间开有孔，与梯型螺母2.6配合，梯形螺母2.6与丝杆2.4螺纹配合；定位连接板2.2两端开有导向孔，导向管2.3通过插入定位连接板2.2边缘导向孔起到导向及防止螺母同丝杆一起运动的作用，保证梯型螺母2.6和定位连接板2.2与丝杆可发生相对运动。
如图3所示，采样培养机构3由第二电机筒3.1、轴壳3.2、螺杆3.3、导杆3.4、丝母3.5、导管3.6、连接密封头3.7、采样筒3.8、滴管3.9、营养液输入管3.10组成。第二电机筒3.1内密封有步进电机，电机轴通过联轴器与螺杆3.3相连；丝母3.5上部与螺杆3.3螺纹配合；导管3.6套在螺杆3.3上，且与丝母3.5下部螺纹配合；丝母3.5两侧开有圆孔，导杆3.4穿过该孔，固定丝母3.5以使其只能进行垂直方向上的运动；螺杆3.3、导杆3.4、丝母3.5、导管3.6均位于轴壳3.2内以进行密封；轴壳3.2下部与采样筒3.8进行固接；导管3.6下部设有连接密封头3.7，该连接密封头3.7下部与滴管3.9上部固接，滴管3.9下部接营养液输入管3.10；所述的第二电机筒3.1与采样筒3.8通过连接板5固定连接；连接板5设于推动机构2上的定位连接板2.2上部，且两者固定连接；
所述的连接密封头3.7上装有O型密封圈，可随导管3.6运动实现对采样筒3.8上盖的封堵和开放；当采样培养机构3进行采样时电机带动螺杆3.3转动，因丝母3.5被导杆3.4固定，使得丝母3.5无法随螺杆3.3同时转动，因而随着螺杆3.3的转动，丝母3.5向下运动，进而推动与丝母3.5相连接的导管3.6向下运动，进而使得与导管3.6固接的连接密封头3.7向下运动，使得采样筒3.8顶盖处不再处于密封状态；
如图7所示，所述的弹簧挡板4由弹簧4.1、立板4.2、底板4.3、基座4.4组成，立板4.2与底板4.3焊接构成“L”形。其中每个立板4.2顶部两端各有一弧形钩，每个钩子勾住一个弹簧4.1；基座4.4分为上下两块，焊接在外框架1上，中间留有可使底板插入的空隙，用于在弹簧4.1松紧不同状态时限定底板的移动。在弹簧4.1处于拉紧状态时，底板4.3抵在采样筒3.8筒壁上；在弹簧4.1处于松弛状态时，底板4.3置于采样筒3.8下端，用于封闭采样筒3.8下端口。
在此之前需说明以下几点：
首先由于该设备整体结构复杂，其涉及水声通讯技术、传感器技术等复杂技术层面。而该发明则着重介绍其采样机构部分的机械结构和技术实现方式，因此该设备上营养液输送机构部分、通讯部分、控制部分及传感部分未多做说明或图纸示意。
其次，为采样深海6000米处沉积物，必须考虑设备回收问题，利用绳索回拉不现实，首先需保证绳索在深海处的高压环境下强度合格，其次四千米长绳索的高昂费用和质量巨大的问题也很难得到解决，其方案可靠性非常低。因此回收设备必须采用增加浮力自行上浮的方法。因此在框架上需固定安装抗压浮体材料，且在设备沉水时必须安装配重块，否则设备无法沉入水底。
整个采样过程分为五步：采样设备沉至海底、采样筒插入沉积物并注射营养液、采样筒抽离并封堵采样筒底部、采样设备回升海面。
A采样设备沉至海底：
设备入水前在外框架1下配重一质量合适的水泥块，水泥块需预先留出供采样筒3.8插入沉积物的洞，且其与整个设备通过设备上的声学脱钩器进行连接。设备在负重水泥块的拖坠下沉入海底。
B采样筒插入沉积物并注射营养液：
采样动作开始前，需要说明，设备入水前，需要使推动机构上的电机转动一定圈数，使得采样筒3.8向下伸出一定距离，弹簧挡板4上的底板4.3可以预先抵在采样筒3.8筒壁上，使弹簧4.1处于拉紧状态(如图4)。设备沉入水底后，水面控制平台发出声信号，设备上控制单元接收到特定频率声学信号后，自主执行命令：
首先，采样培养机构3上的电机接收指令，转动一定圈数；进而带动螺杆3.3转动，因丝母3.5被导杆3.4固定，使得丝母3.5无法随螺杆3.3同时转动，因而随着螺杆3.3的转动，丝母3.5向下运动，进而推动与丝母3.5相连接的导管3.6向下运动，进而使得与导管3.6固接的连接密封头3.7向下运动，使得采样筒3.8顶盖处不再处于密封状态(如图7)。(此状态下，采样筒3.8插入沉积物时水流可从上部排出，沉积物可顺利进入入采样筒3.8中完成采样。)
采样培养机构3执行完成命令后，推动机构2上的第一电机筒2.1内部的步进电机转动一定圈数，带动丝杆2.4随之旋转，与定位连接板2.2固接的梯型螺母2.6随着丝杆2.4的旋转产生相对运动，随着梯型螺母2.6的向下运动，带动定位连接板2.2向下运动，进而带动与之固接的采样培养机构3向下插入沉积物(如图5)。
当采样机构3上的采样筒3.8插入沉积物后，水面控制平台再发出一特定声信号，设备上的控制单元接收此信号后，自主执行命令，使得培养机构3上的电机运转，使得滴管3.9向下插入沉积物中(如图5)。
滴管3.9插入沉积物后，水面控制平台再发出一特定声信号，控制设备上的营养液输送机构运行，营养液通过营养液输送管3.10流入滴管3.9，进而注入沉积物中。完成注射动作。
C采样筒抽离并封堵采样筒底部：
定植培养一段时间后，水面控制平台发送回收指令。首先，设备上的控制中心控制采样培养机构3上的电机反转，使连接密封头3.7复位，重新封堵采样筒3.8的上盖，使得采样筒3.8复位过程中沉积物不会掉出。
当连接密封头3.7复位后，控制中心控制推动机构2上的电机反转，使采样筒3.8复位。此时，由于采样筒3.8壁不再抵住弹簧挡板4上的底板4.3，因此在弹簧4.1迅速复位，拉动底板4.3封堵采样筒3.8底部。完成回收动作。(如图6)
D采样设备回升海面：
当采样设备完成对沉积物的回收动作后，水面控制平台发出一特定声信号，设备上声学脱钩器接收此信号后，执行脱钩命令，进行脱钩动作，此时负重水泥板与设备不再连接。失去负重块的牵制，设备在附体材料的浮力作用下回升至水面，进而完成整个定植培养和采样过程。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同，或采用现有技术加以实现。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种深海沉积物原位培植及密封采样机构，由外框架（1）、推动机构（2）、采样培养机构（3）、弹簧挡板（4）组成，其特征在于：推动机构（2）、采样培养机构（3）、弹簧挡板（4）固定在外框架（1）上，设备上固定有抗压浮体材料和负重块；
所述的推动机构(2)由第一电机筒(2.1)、定位连接板(2.2)、导向管(2.3)、丝杆(2.4)、底座(2.5)、梯形螺母(2.6)组成；第一电机筒(2.1)内有步进电机，通过O型圈进行密封；电机转轴伸出，通过联轴器与丝杆（2.4）相连；丝杆（2.4）下部连接底座（2.5）；电机筒下部固接定位连接板（2.2）；定位连接板（2.2）中间固定设有梯型螺母（2.6），该梯形螺母（2.6）与丝杆（2.4）螺纹配合；定位连接板（2.2）两端开有导向孔，导向管（2.3）通过插入定位连接板（2.2）边缘导向孔起到导向及防止梯形螺母（2.6）同丝杆（2.4）一起运动的作用，保证梯型螺母（2.6）和定位连接板（2.2）与丝杆（2.4）可发生相对运动；
所述的采样培养机构(3)由第二电机筒（3.1）、轴壳（3.2）、螺杆（3.3）、导杆（3.4）、丝母（3.5）、导管（3.6）、连接密封头（3.7）、采样筒（3.8）、滴管（3.9）、营养液输入管（3.10）组成；第二电机筒（3.1）内密封有步进电机，电机轴通过联轴器与螺杆（3.3）相连；丝母（3.5）上部与螺杆（3.3）螺纹配合；导管（3.6）套在螺杆（3.3）上，且与丝母（3.5）下部螺纹配合；丝母（3.5）两侧开有圆孔，导杆（3.4）穿过该孔，固定丝母（3.5）以使其只能进行垂直方向上的运动；螺杆（3.3）、导杆（3.4）、丝母（3.5）、导管（3.6）均位于轴壳（3.2）内以进行密封；轴壳（3.2）下部与采样筒（3.8）进行固接；导管（3.6）下部设有连接密封头（3.7），该连接密封头（3.7）下部与滴管（3.9）上部固接，滴管（3.9）下部接营养液输入管（3.10）；所述的第二电机筒（3.1）与采样筒（3.8）通过连接板（5）固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种深海沉积物原位培植及密封采样机构，其特征在于：所述的连接密封头(3.7)上装有O型密封圈，连接密封头(3.7)可随导管(3.6)运动实现对采样筒(3.8)上盖的封堵和开放；当采样培养机构(3)进行采样时电机带动螺杆(3.3)转动，因丝母(3.5)被导杆(3.4)固定，使得丝母(3.5)无法随螺杆(3.3)同时转动，因而随着螺杆(3.3)的转动，丝母(3.5)向下运动，进而推动与丝母(3.5)相连接的导管(3.6)向下运动，进而使得与导管(3.6)固接的连接密封头(3.7)向下运动，使得采样筒(3.8)顶盖处不再处于密封状态。
3.根据权利要求1所述的一种深海沉积物原位培植及密封采样机构，其特征在于：所述的弹簧挡板(4)由弹簧(4.1)、立板(4.2)、底板(4.3)、基座(4.4)组成，其中每个立板(4.2)顶部两端各有一弧形钩，每个钩子勾住一个弹簧（4.1）；基座（4.4）分为上下两块，焊接在外框架（1）上，中间留有可使底板插入的空隙，用于在弹簧（4.1）松紧不同状态时限定底板的移动；在弹簧（4.1）处于拉紧状态时，底板（4.3）抵在采样筒（3.8）筒壁上；在弹簧（4.1）处于松弛状态时，底板（4.3）置于采样筒（3.8）下端，用于封闭采样筒（3.8）下端口。
4.根据权利要求1所述的一种深海沉积物原位培植及密封采样机构，其特征在于：所述的外框架（1）为耐压的钛合金材料构成。
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Denomination of invention: An in situ culture and sealed sampling mechanism for deep sea sediments

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License type: Common License

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