CN105865834A - 一种可控封口深海沉积物定植培养采样机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可控封口深海沉积物定植培养采样机构，由外框架(1)、推动机构(2)、采样机构(3)、注射机构(4)组成，推动机构(2)、采样机构(3)、注射机构(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)推动采样机构(3)插入沉积物，注射机构(4)向沉积物注入营养液，随后采样机构(2)执行封堵采样筒命令将采样筒封堵，定植培养一段时间后，水面控制平台发出命令使采样机构(2)复位，并使设备执行脱钩命令，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

一种可控封口深海沉积物定植培养采样机构
技术领域
本发明是涉及一种深海沉积物采样器，具体地说是涉及一种采用可以控制封口板进行无扰动采样同时可以定点进行微生物培植的深海沉积物采样器。
背景技术
对于深海沉积物的采集一向是个难题，尤其是六千米级沉积物采样课题。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可控封口沉积物采样器。
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、采样机构3、注射机构4组成；推动机构2、采样机构3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。电机筒内有步进电机，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的上部相连；丝杆2.4的下部连接底座2.5；电机筒下部固接定位连接板2.2；定位连接板2.2中间固定设置有梯型螺母2.6，且该梯形螺母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通过插入固定连接板2.2边缘导向孔从而起到导向及防止螺母同丝杆2.4一起运动的作用，保证梯型螺母2.6和固定连接板2.2与丝杆可发生相对运动。
所述的采样机构3由电机出线孔3.1、螺杆3.2、丝母3.3、导向块3.4、空心螺纹杆3.5、封口板3.6、第二电机筒3.7、连接板3.8、气孔3.9、采样筒3.10、挡板3.11、滑槽3.12组成。第二电机筒3.7内装有电机，第二电机筒3.7上开有电机出线孔3.1，第二电机筒3.7下部设有孔，以使电机转轴(以下称为螺杆3.2)伸出，第二电机筒3.7各部分均采用密封件进行密封，以确保电机可在水下正常运转；所述的螺杆3.2旋入空心螺纹杆3.5，且通过丝母3.3连接；其中丝母3.3为方块状，内部攻丝；导向块3.4通过螺钉固定在采样筒3.10上；空心螺纹杆3.5穿过导向块且其下部与封口板3.6通过螺钉连接；连接板3.8通过螺钉连接第二电机筒3.7与采样筒3.10，连接板3.8与推动机构2上的定位连接板2.2连接，且连接板3.8上开有气孔3.9，在采样机构3插入沉积物时保证采样筒3.10内水可以从上部流出，从而使得沉积物可顺利进入采样筒3.10内；挡板3.11通过螺钉固接在采样筒3.10的下部，并将封口板3.6下部遮住；采样筒3.10下部开有滑槽3.12，封口板3.6通过空心螺纹杆3.5的传动可沿滑槽3.12运动，用于封堵采样筒3.10。
所述的封口板3.6为钛合金薄板；
所述的丝母3.3为块状结构，且其上下各有大小不同的螺纹孔；空心螺纹杆3.5旋入丝母下部的大螺纹孔；螺杆3.2旋入丝母3.3上部的小螺纹孔，其中螺杆3.2在旋入小螺纹孔后继续向下旋入空心螺纹杆3.5内一段长度；三部分组成一个传动机构。
所述的注射机构4内部设有一装有营养液的注射器，电机转动推动注射器的注射柄，为沉积物注入营养液；其中注射机构4的出液嘴设于采样机构3上的采样筒3.10内；且注射机构4与采样机构3上的连接板3.8采用螺丝固接。
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，利用电机转动将封口板推入滑槽，横切沉积物，封堵采样筒下部插口，并注射培养液定点培植沉积物内的微生物。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是本发明可控封口深海沉积物定点培植采样机构采样结构示意图；
图3.1为滑槽示意图。
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、采样机构3、注射机构4组成；推动机构2、采样机构3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。电机筒内有步进电机，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的上部相连；丝杆2.4的下部连接底座2.5；电机筒下部固接定位连接板2.2；定位连接板2.2中间固定设置有梯型螺母2.6，且该梯形螺母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通过插入固定连接板2.2边缘导向孔从而起到导向及防止螺母同丝杆2.4一起运动的作用，保证梯型螺母2.6和固定连接板2.2与丝杆可发生相对运动。
如图3所示，所述的采样机构3由电机出线孔3.1、螺杆3.2、丝母3.3、导向块3.4、空心螺纹杆3.5、封口板3.6、第二电机筒3.7、连接板3.8、气孔3.9、采样筒3.10、挡板3.11、滑槽3.12组成。第二电机筒3.7内装有电机，第二电机筒3.7上开有电机出线孔3.1，第二电机筒3.7下部设有孔，以使电机转轴(以下称为螺杆3.2)伸出，第二电机筒3.7各部分均采用密封件进行密封，以确保电机可在水下正常运转；所述的螺杆3.2旋入空心螺纹杆3.5，且通过丝母3.3连接；其中丝母3.3为方块状，内部攻丝；导向块3.4通过螺钉固定在采样筒3.10上；空心螺纹杆3.5穿过导向块且其下部与封口板3.6通过螺钉连接；连接板3.8通过螺钉连接第二电机筒3.7与采样筒3.10，连接板3.8与推动机构2上的定位连接板2.2连接，且连接板3.8上开有气孔3.9，在采样机构3插入沉积物时保证采样筒3.10内水可以从上部流出，从而使得沉积物可顺利进入采样筒3.10内；挡板3.11通过螺钉固接在采样筒3.10的下部，并将封口板3.6下部遮住；如图3.1所示，采样筒3.10下部开有滑槽3.12，封口板3.6通过空心螺纹杆3.5的传动可沿滑槽3.12运动，用于封堵采样筒3.10。
所述的封口板3.6为钛合金薄板；
所述的丝母3.3为块状结构，且其上下各有大小不同的螺纹孔；空心螺纹杆3.5旋入丝母下部的大螺纹孔；螺杆3.2旋入丝母3.3上部的小螺纹孔，其中螺杆3.2在旋入小螺纹孔后继续向下旋入空心螺纹杆3.5内一段长度；三部分组成一个传动机构。
所述的注射机构4内部设有一装有营养液的注射器，电机转动推动注射器的注射柄，为沉积物注入营养液；其中注射机构4的出液嘴设于采样机构3上的采样筒3.10内；且注射机构4与采样机构3上的连接板3.8采用螺丝固接。
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费用高昂和重量巨大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。
整个采样过程分为四步：采样设备沉至海底、采样筒插入沉积物并注射营养液、封口板封堵采样筒底部、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3.10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：
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，控制推动机构2上的第一电机筒2.1内部的步进电机逆时针转动一定圈数，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机构3向下插入沉积物，当采样筒3.10插入沉积物，连接板3.8上的气孔3.9保证了采样筒3.10内的水可以从上部流出，从而保证沉积物可顺利进入采样筒3.10内。当采样机构3上的采样筒3.10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，控制注射机构4电机转动，推动注射器向沉积物内注入营养液。
C封口板封堵采样筒底部：
当采样筒3.10插入沉积物动作完成后，采样装置进行对采样筒下部的封堵，其实现方式如下：由于螺杆3.2预先旋入空心螺纹杆3.5内一定长度，且方块状丝母3.3通过螺纹连接在螺杆3.2与空心螺纹杆3.5接口处(方块状丝母3.3内部有螺纹)，丝母3.3的块状结构可以防止螺杆3.2带动空心螺纹杆3.5同时转动；因此当电机带动螺杆3.2转动时，空心螺纹杆3.5不转动，螺杆3.2与空心螺纹杆5产生竖直方向上的相对运动；在空心螺纹杆3.5上下运动的过程中，导向块3.4的存在保障了空心螺纹杆3.5不会出现运动位置的左右偏差；随着空心螺纹杆5的移动，与其固接的封口板被推入采样筒3.10下部的滑槽3.12(如图3.1)，并沿滑槽3.12逐渐插入采样筒，将采样筒底部封堵。挡板3.11的存在保证了封口板3.6在滑入滑槽3.12的过程中不会出现位置的偏差。
D采样设备回升海面：
当采样设备在海底定植培养一段时间后，水面控制平台发出一特定声信号，设备上控制单元接收此信号后控制推动机构顺时针旋转使采样机构升回原位。水面控制平台再发出一特定声信号，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，实现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。

Claims (8)

1.一种可控封口深海沉积物定植培养采样机构，由外框架(1)、推动机构(2)、采样机构(3)、注射机构(4)组成，其特征在于：推动机构(2)、采样机构(3)、注射机构(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。
2.根据权利要求1所述的一种可控封口深海沉积物定植培养采样机构，其特征在于：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；电机筒内有步进电机，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)的上部相连；丝杆(2.4)的下部连接底座(2.5)；电机筒下部固接定位连接板(2.2)；定位连接板(2.2)中间固定设置有梯型螺母(2.6)，且该梯形螺母(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)通过插入固定连接板(2.2)边缘导向孔从而起到导向及防止螺母同丝杆(2.4)一起运动的作用，保证梯型螺母(2.6)和固定连接板(2.2)与丝杆可发生相对运动。
3.根据权利要求2所述的一种可控封口深海沉积物定植培养采样机构，其特征在于：所述的采样机构(3)由电机出线孔(3.1)、螺杆(3.2)、丝母(3.3)、导向块(3.4)、空心螺纹杆(3.5)、封口板(3.6)、第二电机筒(3.7)、连接板(3.8)、气孔(3.9)、采样筒(3.10)、挡板(3.11)、滑槽(3.12)组成；第二电机筒(3.7)内装有电机，第二电机筒(3.7)的螺杆(3.2)旋入空心螺纹杆(3.5)，且通过丝母(3.3)连接；导向块(3.4)通过螺钉固定在采样筒(3.10)上；空心螺纹杆(3.5)穿过导向块且其下部与封口板(3.6)通过螺钉连接；连接板(3.8)通过螺钉连接第二电机筒(3.7)与采样筒(3.10)，连接板(3.8)与推动机构(2)上的定位连接板(2.2)连接，挡板(3.11)通过螺钉固接在采样筒(3.10)的下部，并将封口板(3.6)下部遮住；采样筒(3.10)下部开有滑槽(3.12)，封口板(3.6)通过空心螺纹杆(3.5)的传动可沿滑槽(3.12)运动，用于封堵采样筒(3.10)。
4.根据权利要求3所述的一种可控封口深海沉积物定植培养采样机构，其特征在于：连接板(3.8)上开有气孔(3.9)，在采样机构(3)插入沉积物时保证采样筒(3.10)内水可以从上部流出，从而使得沉积物可顺利进入采样筒(3.10)内。
5.根据权利要求3所述的一种可控封口深海沉积物定植培养采样机构，其特征在于：所述的丝母(3.3)为方块状，内部攻丝；空心螺纹杆(3.5)螺纹旋入丝母下部；螺杆(3.2)螺纹旋入丝母(3.3)上部，其中螺杆(3.2)在旋入丝母(3.3)上部后继续向下旋入空心螺纹杆(3.5)内一段长度；三部分组成一个传动机构。
6.根据权利要求1所述的一种可控封口深海沉积物定植培养采样机构，其特征在于：所述的注射机构(4)内部设有一装有营养液的注射器，电机转动推动注射器的注射柄，为沉积物注入营养液；其中注射机构4的出液嘴设于采样机构(3)上的采样筒(3.10)内；且注射机构(4)与采样机构(3)上的连接板(3.8)采用螺丝固接。
7.根据权利要求1所述的一种可控封口深海沉积物定植培养采样机构，其特征在于：所述的外框架(1)为耐压的钛合金材料构成。
8.根据权利要求3所述的一种可控封口深海沉积物定植培养采样机构，其特征在于：所述的封口板(3.6)为钛合金薄板。
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