CN106017987A

CN106017987A - 一种振动式采泥器的测控系统及监测与控制的方法

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Publication number: CN106017987A
Application number: CN201610333876.7A
Authority: CN
Inventors: 许士国; 蒋坤; 高卫国; 汪天祥
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2036-05-18
Also published as: CN106017987B

Abstract

本发明公开了一种振动式采泥器的测控系统，属于振动测试、控制技术以及水下沉积物采集领域。该振动式采泥器测控系统由仪器入水深度测量单元、沉积物固有频率识别单元、振动器振动频率调节单元和上位机组成。仪器入水深度测量单元用于检测入水深度；沉积物固有频率识别单元用来测量不同沉积物的固有频率并据此调节振动器工作频率；振动器振动频率调节单元负责振动器的开启、关闭和调节；上位机包括入水深度显示模块、沉积物固有频率识别模块、振动器频率调节模块、采样信息记录模块、串口通信模块和其他模块。本发明的有益效果是沉积物采集过程可监测、沉积物的固有频率可测量、振动器的振动频率可调节。适用于以振动器为核心的振动式采泥器。

Description

一种振动式采泥器的测控系统及监测与控制的方法

技术领域

本发明属于振动测试、控制技术以及水下沉积物采集领域，涉及一种用于振动式采泥器的测控装置及测控方法。

背景技术

水底沉积物是水体的重要构成部分，对水环境具有重要的影响。水底沉积物一般是经过多年沉淀累积而形成，受到沉积特性和污染来源不同的影响，在深度上水底沉积物的组分和浓度都不一致，它具有明显的层理结构特点，表现为分层现象。因此需要一套采集样本时能获取多层次沉积物样本的采样设备。

当前较为常用的沉积物采样设备主要是抓斗采泥器和重力式采泥器。抓斗采泥器利用抓斗抓取表层沉积物，不满足多层次采样的需求。重力式采泥器使用重力作为采样动力源，利用采泥器本身的重力砸入沉积物中获得柱状样品，这种采样通常效果不佳，主要原因在于：一、采样管的贯入深度取决于采泥器重力，当获得较长沉积物样品时采泥器需要很大的配重，给采样过程带来困难，往往需要使用绞车等设备提升采样器；二、仪器砸入沉积物中容易对样品产生较大扰动，不满足原状采样的需求；三、采样时重力式采泥器容易倾斜，导致采集不到沉积物样品，采样成功率较低。

在抓斗采泥器和重力式采泥器之后的研究中，以振动方式进行沉积物采样的振动式采泥器特点较为突出，它以振动器作为采样动力源，提高了采样效率。这种采集方式通过振动器的振动作用使得与采样管壁接触的沉积物产生“液化”现象，破坏采样管与沉积物之间的粘结力，减小沉积物对采样管的侧面阻力，从而使得采泥器更加顺利贯入沉积物。由共振原理知，当振动器的振动频率接近沉积物的固有频率时，振动系统将产生共振现象，而此时最利于振能的利用，沉积物液化效果也是最好，采样效率将极大提高。由于沉积物是逐年累积形成，一般来说，表层沉积物较为稀软，越往深处，沉积物逐渐变硬。因此，不同地点、不同层次沉积物的固有频率不尽相同。为了更大的利用振动作用和液化现象，选择与不同沉积物固有频率近似的振动频率进行采样能够极大提高采样效率和采样成功率。

丹麦KC-Denmark公司的振动式沉积物采样器在传统柱状采泥器的基础上配备了振动器，这种振动式采泥器比常规采泥器采样效率提高，它还有相应的调速器对振动器的振动频率进行调节，但是这种频率调节具有盲目性，具体的振动频率值也不明确，同时采样深度也不好把握。中国发明专利授权公告号101713709公开了一种液体振动取样器，利用海水作为振动器的能量源，这种取样器需要配备较大的气仓，而且该采样器的振动频率不可以调节。中国发明专利公布号CN104792574A公布了一种直线共振式冰下海底沉积物取样器，这种振动式采样器的共振指的是两个振动电机共振产生直线振动，并不是振动采样器与沉积物的共振，而且这种采样器的振动频率不可调节，这些都不能高效利用振动器采集沉积物样品。

综上所述，现有的沉积物采样设备不能够高效采集沉积物样品且智能化程度不高，采样时的状态不能监测、不能根据不同沉积物层选择合适的振动频率，因此，需要研发振动式采泥器的测控系统，实现高效智能采集沉积物。

本发明研究在国家自然科学基金委科学仪器基础研究专项项目(51327004)资助下完成。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种振动式采泥器的测控系统，该测控系统用于监测和控制振动式采泥器，适用于采集水库、河流、湖泊等地的沉积物；能够解决当前采泥器采样效率低、采样过程不可监测与控制等问题，具有沉积物固有频率在线测量、振动器振动频率调节、采样过程实时监测等功能。

本发明的技术方案如下：

一种振动式采泥器的测控系统，包括下位机和上位机，下位机与上位机通过串口通信设置模块4-5进行通信，实现信息传输和有效控制。

所述的下位机包括仪器入水深度测量单元、沉积物固有频率识别单元和振动器振动频率调节单元。

所述的仪器入水深度测量单元包括压力传感器、AD转换单元和数据采集卡。所述的压力传感器安装在振动器上，随采泥器下放水中，用来检测仪器入水深度，AD转换单元将压力传感器输出的模拟信号转化为数字信号，通过数据采集卡采集数字信号，利用RS-485串口通信实时将该数字信号发送至上位机，上位机中显示仪器入水深度曲线，从而通过深度信息指导沉积物采样工作的开展。

所述的沉积物固有频率识别单元包括振动器、压电式加速度传感器、信号调理单元和数据采集卡。所述的振动器用来输出频率能够调节的振动信号，用作沉积物固有频率识别单元的输入信号；所述的压电式加速度传感器固定在振动器上，用来测量振动式采泥器工作时系统的加速度信号；信号调理单元将压电式加速度传感器输出的加速度模拟电压信号转化为标准电压信号，通过数据采集卡对标准电压信号进行采集，利用RS-485串口通信将其以数字信号的形式发送至上位机；上位机由LabVIEW软件编写而成，通过处理数字信号，寻找振动采样系统的共振频率，从而测量出沉积物的固有频率。

所述的振动器振动频率调节单元主要是通过调节振动器中电动机的转速，调节振动器的振动频率。振动器振动频率调节单元主要包括振动器、驱动单元、单片机控制板和串口通信单元。振动器由步进电动机带动振动块产生振动作用，作为沉积物采样器的动力源。步进电动机每转动一周，振动器振动一次，因此振动频率等于电机转动频率。单片机用于输出控制信号给驱动单元，步进电动机驱动单元接收控制信号并输出控制信号实现振动器的开启、关闭与频率调节。所述的振动器是控制对象，上位机与单片机控制板构成的下位机通过串口通信单元通信，上位机发送指令开启和关闭振动器。当需要对振动器振动频率进行调节时，上位机输入相应振动频率值作为设定值，转化为单片机控制板所需调节的参数值，通过串口通信单元发送到单片机控制板中，开启调节振动器的振动频率。

所述的上位机由LabVIEW软件编写而成，主要包括仪器入水深度显示模块、沉积物固有频率识别模块、振动器振动频率调节模块、采样工作信息记录模块、串口通信设置模块和系统工作状态操作模块。所述的仪器入水深度显示模块用来接收下位机传送过来的数字信号，转化为入水深度值并在上位机界面中实时显示出来，指导采样过程；所述的沉积物固有频率识别模块通过处理采集上来的振动采样系统的加速度数字信号，利用快速傅里叶变换方法(FFT)将时域信号转化为频域信号，接着将其转化为位移状态下的幅频曲线，寻找最大幅度，其对应的频率即为系统共振频率，也近似为沉积物的固有频率，上位机界面中显示测量的加速度曲线和经过信号处理测量出的沉积物固有频率值；所述的振动器振动频率调节模块通过上位机界面可以实现对振动器的开启、关闭和振动频率调节时的设定值输入，利用串口通信将信息发送到下位机的单片机中控制振动器的工作状态；所述的采样工作信息记录模块记录采样的时间、地点及其他采样信息；所述的串口通信设置模块用于配置各单元的串口信息，实现与下位机的有效通信；所述的系统工作状态操作模块用于各模块的开启与关闭以及保存采样时的各数据。

上述振动式采泥器的测控系统的操作方法，具体为：通过仪器入水深度测量单元检测仪器入水深度，指导沉积物采样工作的开展。当需要调节振动器的工作频率时，利用沉积物固有频率识别单元中的压电式加速度传感器测量振动采样系统的加速度信号，在上位机中对接收到的加速度数字信号进行处理，首先利用快速傅里叶变换方法(FFT)将该加速度的时域信号转化为频域信号，接着将其转化为位移状态下的幅频曲线，通过上位机查询位移幅频曲线中的最大幅度，其对应的频率即为系统共振频率，也就是沉积物的固有频率。根据沉积物固有频率测量单元测出的沉积物固有频率作为振动器振动频率调节单元中振动频率的设定值，上位机输入相应振动频率值作为设定值，转化为单片机控制板所需调节的参数值，通过串口通信单元发送到单片机控制板中，开启振动器的振动频率调节。

本发明的效果和益处是能够识别出不同沉积物的固有频率并据此调节振动器的振动频率，提高采样效率，同时能够监测仪器入水深度及采样深度，具有沉积物固有频率在线测量、振动频率可调节、仪器状态可监测的特点。

附图说明

图1是本发明振动式采泥器的测控系统构成图；

图2是本发明振动式采泥器的测控装置构成图；

图3是本发明入水深度测量单元构成图；

图4是本发明沉积物固有频率识别单元构成图；

图5是本发明振动器振动频率调节单元构成图；

图6是本发明振动式采泥器测控系统的上位机系统构成图；

图7是本发明测控系统的控制流程图；

图中：1入水深度测量单元；2沉积物固有频率识别单元；3振动器振动频率调节单元；4上位机；5电源模块；6振动式采泥器；

1-1数据采集卡；1-2AD转换单元；1-3压力传感器；

2-1信号调理单元；2-2压电式加速度传感器；2-3被测系统；

3-1单片机控制板；3-2驱动单元；3-3振动器；3-4串口通信；

4-1仪器入水深度显示模块；4-2沉积物固有频率识别模块；4-3振动器振动频率调节模块；4-4采样工作信息记录模块；4-5串口通信设置模块；4-6系统工作状态操作模块。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种振动式采泥器的测控系统具体说明如下：

图1到图6是本发明公开的一种振动式采泥器测控系统的实施例。

图1是本发明的测控系统构成图。该测控系统主要由仪器入水深度测量单元1、沉积物固有频率识别单元2、振动器振动频率调节单元3和上位机4构成。

图2是本发明的测控装置构成图。该测控系统装置主要由振动式采泥器6、振动器3-3、电机驱动单元3-2、单片机控制板3-1、压力传感器1-3、AD转换单元1-2、数据采集卡1-1、压电式加速度传感器2-2、信号调理单元2-1、电源模块5以及上位机4构成。其中，压力传感器1-3、AD转换单元1-2、数据采集卡1-1构成了仪器入水深度测量单元1的下位机单元；压电式加速度传感器2-2、信号调理单元2-1和数据采集卡1-1构成了沉积物固有频率识别单元2的下位机单元；振动器3-3、电机驱动单元3-2、单片机控制板3-1构成了振动器振动频率调节单元3的下位机控制单元。仪器入水深度测量单元1和沉积物固有频率识别单元2共用数据采集卡1-1。三个下位机单元均与上位机4通过RS-485串口通信方式连接。振动器3-3为振动式采泥器6提供振动作用，电源模块5为各下位机单元供电。

图3是本发明的入水深度测量单元构成图。仪器入水深度测量单元1由压力传感器1-3、AD转换单元1-2和数据采集卡1-1构成。其中，压力传感器1-3固定在振动器3-3上，用于测量仪器入水深度和采样深度。压力传感器1-3输出的模拟信号经过AD转换单元1-2转化为数字信号，通过数据采集卡1-1将数字信号发送到上位机4中，上位机4利用数值变化将其转化为深度值。采样深度为采样结束时记录的深度值和采样开始时记录的深度值的差值。

图4是本发明的沉积物固有频率识别单元构成图。沉积物固有频率识别单元2主要由振动器3-3、压电式加速度传感器2-2、信号调理单元2-1和数据采集卡1-1构成。其中，振动器3-3用来产生不同振动频率下的振动，用作沉积物固有频率识别单元2的输入信号。压电式加速度传感器2-2固定在振动器3-3上，用于测量以振动方式进行沉积物采集时整个采样系统的加速度信号，以模拟电压信号的形式输出。通过信号调理单元2-1将压电式加速度传感器2-2输出的模拟电压信号转化为标准电压信号，利用数据采集卡1-1采集标准电压信号，将其以数字信号的形式发送到上位机4，上位机4再进行一系列处理，分析出振动系统的共振频率，即为沉积物的固有频率。通过上位机4显示结果，据此测得的固有频率调节振动器的工作频率。

沉积物固有频率识别计算方法为：

首先，振动采样系统的运动方程可以简化为：

其中，M为参与振动的质量，β为土壤的阻力系数，c为土壤的弹性系数，F为最大激振力，ω为振动频率，为激振力的初始相位角。忽略方程解中的衰减项，解的形式可以表示为：

y＝Asin(ωt+α₀)，(A为位移振幅)

分析知，当振动频率ω与沉积物固有频率相等时，即系统发生共振时振幅A最大。振动系统相应的加速度可表示为：

a＝-Aω²sin(ωt+α₀)

因此，该频率测量单元具体计算步骤如下：

(1)通过上位机调节振动器的振动频率产生不同的振动作用，使用压电式加速度传感器测量振动采样系统的加速度时域信号a(t)；

(2)在上位机中将数据采集卡发送过来的振动加速度时域信号转化为频域信号，得到加速度的幅频曲线a(ω)；

(3)将加速度频域信号a(ω)除以相对应的频率平方，即ω²，得到位移的幅频曲线y(ω)；

(4)最后，上位机显示位移的幅频曲线，幅频曲线中幅度最大处所对应的频率为系统的共振频率，即为此时沉积物的固有频率ω_c，同时在上位机界面中显示测量结果。

图5是本发明的振动器振动频率调节单元构成图。振动器振动频率调节单元3主要用来调节振动器3-3中电动机的转速。电动机每转一周振动器完成一次振动，因此，振动频率等于电动机的转速。该单元主要包括振动器3-3、驱动单元3-2、单片机控制板3-1和串口通信单元3-4。振动器3-3是控制对象，上位机4与单片机控制板3-1构成的下位机以串口通信的方式联系，通过上位机4发送指令开启和关闭振动器3-3。当需要对振动器3-3振动频率进行调节时，上位机4将沉积物固有频率识别单元2测出的频率值作为振动器3-3振动频率设定值输入，转化为单片机控制板3-1所需控制的定时参数数据，通过串口通信单元3-4发送到单片机控制板3-1中，开启振动器3-3的振动频率调节。

图6是本发明的上位机系统构成图。上位机4主要包括仪器入水深度显示模块4-1、沉积物固有频率识别模块4-2、振动器振动频率调节模块4-3、采样工作信息记录模块4-4、串口通信设置模块4-5和系统工作状态操作模块4-6。其中，仪器入水深度显示模块4-1通过曲线方式将读取的压力传感器1-3信号转化为入水深度后实时显示；沉积物固有频率识别模块4-2显示振动采样系统的加速度时域信号曲线、加速度频域信号曲线以及位移频率信号曲线，最终显示测量出的沉积物固有频率值；振动器振动频率调节模块4-3实现振动器3-3开启、关闭和振动频率的设定值输入；采样工作信息记录模块4-4记录采样的时间、地点及其他采样信息；串口通信设置模块4-5用于配置各单元的串口信息，实现与下位机的有效通信；系统工作状态操作模块4-6用于各模块的开启与关闭以及保存采样时的各数据。

该振动式采泥器的测控系统具体实施步骤如下：

(1)将下位机安装在振动式采泥器6的振动器3-3上，在采样船上为该振动式采泥器6的测控系统供电，检查各单元的工作状况，待一切检查无误后，将整套测控装置随着振动式采泥器6缓慢放入水中。点击上位机4中采样工作信息记录模块4-4记录采样地点、时间等信息，同时配置好串口通信设置模块4-5，实现上位机4与下位机的有效通信，打开仪器入水深度显示模块4-1，采泥器入水的过程中，通过入水深度测量单元1实时测量仪器入水的深度并在上位机4中实时显示深度曲线。通过在上位机4中观察深度曲线的变化情况，当入水深度基本不再变化时，表明此时仪器已经到达触底，到达沉积物上。

(2)由于此时表层的沉积物较为稀软，样品容易进入采泥器中，此时通过上位机4发送5HZ的振动频率启动振动器3-3，记录下此时仪器的入水深度。通过入水深度的变化可以获知采泥器进入沉积物层的深度，即采样的深度。

(3)随着采泥器深度的不断增加，当上位机4中显示的深度曲线增加速度明显低于步骤2时，表明仪器下降到较坚硬的沉积物层中，仪器采样进程缓慢。此时，通过沉积物固有频率识别单元2测出此时的沉积物固有频率，根据上位机4中显示的固有频率结果，使用该频率作为振动器振动频率调节单元3的设定输入值，从而调节振动器3-3的振动频率。接着，继续测量仪器入水深度，以检验是否到达目标采样深度。

(4)根据深度曲线，若达到目标采样深度，则采样工作随即结束，若未达到采样深度，系统重复步骤3，直至采集目标长度的沉积物。

(5)点击系统工作状态操作模块4-6保存数据，关闭系统，断开电源，提升设备至采样船上，采样结束。

下面结合附图对本发明的测控方法的具体实施方式进行详细说明。

图7是本发明的控制流程图。

在步骤700中对振动式采泥器测控系统进行供电，系统开始工作；在步骤701中对上位机和下位机各个单元进行初始化设置，包括串口通信单元的配置、采样信息的记录等；在步骤702开始缓慢下放设备入水；接着在步骤703中开启入水深度测量单元，检测仪器入水深度并通过上位机进行实时显示；步骤704中通过观察仪器入水深度的变化情况，若深度仍在增加，则继续下放设备，若深度基本不再变化表明此时仪器已经触底；在步骤705中停止下放设备；步骤706在上位机中输入较低振动频率值，发送单片机中以此作为振动器的初始振动频率开启振动器，同时记录下此时入水深度值d₀；步骤707时振动器开始工作，利用振动作用带动采泥器采集样品；步骤708继续测量入水深度d_i；步骤709中，振动器每工作一段时间t_i，记录一下入水深度值，通过判断Δd是否满足一定要求(其中Δd_i＝d_i-d_i-1)，如果满足要求则进入步骤717，若不满足要求进入步骤710；步骤710中关闭入水深度测量单元；接着在步骤711中通过上位机控制单片机连续调节振动器的振动频率，作为沉积物固有频率识别单元的输入信号；同时在步骤712中使用压电式加速度传感器测量振动系统的连续加速度信号；在步骤713中使用数据采集卡将信号调理单元的振动加速度信号发送到上位机；在步骤714利用上位机的沉积物固有频率识别模块处理振动加速度信号并识别出系统的共振频率ω；步骤715中上位机将ω值作为控制信号发送单片机；步骤716中单片机控制振动器的振动频率为ω。接着继续测量入水深度；在步骤717中，如果此时采集到了目标样品长度L，则进入步骤718，否则系统转入步骤708继续工作；步骤718中在上位机保存采样过程中的各个数据，然后关闭测控系统；步骤719中对振动式采泥器测控系统断开电源，系统工作结束。

Claims

1.一种振动式采泥器的测控系统，其特征在于，包括下位机和上位机(4)，下位机与上位机(4)通过串口通信设置模块(4-5)进行通信，实现信息传输和有效控制；

所述的下位机包括仪器入水深度测量单元(1)、沉积物固有频率识别单元(2)和振动器振动频率调节单元(3)；

所述的仪器入水深度测量单元(1)检测仪器入水深度，包括压力传感器(1-3)、AD转换单元(1-2)和数据采集卡(1-1)；所述的压力传感器(1-3)安装在振动器(3-3)上，压力传感器(1-3)输出的模拟信号经AD转换单元(1-2)转化为数字信号，通过数据采集卡(1-1)将数字信号发送到上位机(4)中，上位机(4)利用数值变化将数字信号转化为深度值；

所述的沉积物固有频率识别单元(2)测量沉积物的固有频率，包括振动器(3-3)、压电式加速度传感器(2-2)、信号调理单元(2-1)和数据采集卡(1-1)；所述的振动器(3-3)输出频率能够调节的振动信号，作为沉积物固有频率识别单元(2)的输入信号；所述的压电式加速度传感器(2-2)固定在振动器(3-3)上，测量振动采样系统的加速度信号；信号调理单元(2-1)将压电式加速度传感器(2-2)输出的加速度模拟电压信号转化为标准电压信号，数据采集卡(1-1)采集标准电压信号，将其以数字信号的形式发送到上位机(4)，上位机(4)处理数字信号，得到沉积物的固有频率；

所述的振动器振动频率调节单元(3)调节振动器(3-3)的振动频率，包括振动器(3-3)、驱动单元(3-2)、单片机控制板(3-1)和串口通信单元(3-4)；所述的单片机控制板(3-1)构成的下位机与上位机(4)通过串口通信单元(3-4)通信，上位机(4)发送指令开启和关闭振动器(3-3)，并调节振动器(3-3)的振动频率；

所述的上位机(4)包括仪器入水深度显示模块(4-1)、沉积物固有频率识别模块(4-2)、振动器振动频率调节模块(4-3)、采样工作信息记录模块(4-4)、串口通信设置模块(4-5)和系统工作状态操作模块(4-6)；所述的仪器入水深度显示模块(4-1)实时显示仪器入水深度；所述的沉积物固有频率识别模块(4-2)显示振动采样系统的加速度曲线和经过信号处理测量出的沉积物固有频率值；所述的振动器振动频率调节模块(4-3)通过上位机界面实现振动器(3-3)的开启、关闭和振动频率调节时的设定值输入；所述的采样工作信息记录模块(4-4)记录采样的时间、地点及其他采样信息；所述的系统工作状态操作模块(4-6)开启与关闭各模块，及保存采样时的各数据。

2.采用权利要求1所述的测控系统进行监测与控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将下位机安装在振动式采泥器(6)的振动器(3-3)上，配置好串口通信设置模块(4-5)，实现上位机(4)与下位机的有效通信；将振动式采泥器(6)缓慢放入水中，点击上位机(4)中采样工作信息记录模块(4-4)记录采样地点、时间信息及其他采样信息；打开仪器入水深度显示模块(4-1)，振动式采泥器(6)入水过程中，通过入水深度测量单元(1)实时测量仪器入水深度并在上位机(4)中实时显示深度曲线；在上位机(4)中观察深度曲线，当入水深度基本不变时，振动式采泥器(6)到达沉积物上；

第二步，沉积物表面层较软，通过上位机(4)发送5HZ的振动频率启动振动器(3-3)，记录振动式采泥器(6)的入水深度，由入水深度得到采泥器进入沉积物层的深度，即采样深度；

第三步，随振动式采泥器(6)深度不断增加，当上位机(4)中显示的深度曲线增加速度明显低于第二步时，通过沉积物固有频率识别单元(2)测出此时沉积物固有频率，并将沉积物固有频率作为振动器振动频率调节单元(3)的设定输入值，调节振动器(3-3)的振动频率；

第四步，根据上位机(4)中实时显示的深度曲线，检验是否到达目标采样深度，若达到目标采样深度，则采样工作结束；若未达到采样深度，重复第三步；

第五步，点击系统工作状态操作模块(4-6)保存数据，关闭系统，断开电源，采样结束。