CN106644583A - 一种投放式自主表层沉积物取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海底勘探装置，旨在提供一种投放式自主表层沉积物取样装置。该装置的整体呈胶囊状，包括半球形的尾部单元；壳体由上部隔板分为两个空腔；壳体的末端由底部隔板封闭，尾部单元与底部隔板之间为可拆卸的固定连接；中部单元由中部隔板分隔为上部的气瓶腔和下部的电气腔，其中气瓶腔内安置电磁阀、高压气瓶和低压气瓶，电气腔内安置控制和检测单元；在中部单元的壳体上沿其轴向均匀设置至少三块翼板；在尾部单元上装有取样管。本发明无需船只出海人工收线，可利用船只沿路抛洒和回收。不需要船只漂泊在海面等待取样结束后再收线返航，船运成本和人力成本较低，特别适合大规模浅海、近海等水域海底表层沉积物取样场合，实用性强。

Description

一种投放式自主表层沉积物取样装置

技术领域

本发明属于海底勘探装置，涉及用于自主下沉及上浮的水底表层取样装置，尤其是涉及一种含有电控浮体的新型水底沉积物取样器。

背景技术

由于全球海洋资源争夺的日渐加剧，海底沉积物的成分分析逐渐成为各国海洋战略的重中之重，提取水底沉积物自然而然成为了愈加关键的环节。国外已经有如“ARGO计划”的批量取样计划，而我国刚刚起步，尚处于人工抛洒人工收线定点取样的初期阶段。我国现在大部分规模化海底取样是由大型船只航行至取样点，抛洒取样器并停留至取样结束后收线返程。这样的取样方式成本昂贵，且耗时久。为了优化以上弊端，投放式自主取样器需要具有自主下沉及上浮功能，并通过计算机精确控制下沉及上浮加速度，实现大量抛放后能够自主取样后浮于水面的功能，因此对取样器的程序控制、信号发射、密封方式、结构设计等提出了较高要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种自主下沉及上浮的投放式自主表层沉积物取样装置。

为解决技术问题，本发明是通过如下技术方案实现：

提供了一种投放式自主表层沉积物取样装置，包括内部中空的壳体；该装置的整体呈胶囊状，包括半球形的尾部单元；壳体由上部隔板分为两个空腔，从而构成半球形的首部单元和圆柱形的中部单元；壳体的末端由底部隔板封闭，尾部单元与底部隔板之间为可拆卸的固定连接；

所述中部单元的内部空腔为密封状态，且由中部隔板分隔为上部的气瓶腔和下部的电气腔，其中气瓶腔内安置电磁阀、高压气瓶和低压气瓶，电气腔内安置控制和检测单元；首部单元的壳体上设有多个用于排水的通孔，其内部空腔中装有气囊，气囊通过两根导气管分别连接高压气瓶和低压气瓶；导气管穿过设于上部隔板的通孔，电磁阀设在位于气瓶腔一侧的导气管上；

在中部单元的壳体上沿其轴向均匀设置至少三块翼板；在尾部单元上装有取样管。

本发明中，所述尾部单元为实心结构，具有一个平行于半球形底面的贯穿通孔，中空管状的取样管安装在半球形端部且垂直于贯穿通孔；取样管的一端设带孔挡板，另一端设花瓣型卡爪，其内部空腔通过带孔挡板与贯穿通孔连通。

本发明中，所述控制和检测单元包括：微处理器模块、加速度传感器、水声Modem接收电路、电磁阀快速驱动电路及电磁阀保持电流检测电路；在壳体上还设有压力传感器；在底部隔板上开槽安装超声波测距传感器；所述微处理器模块通过导线分别连接加速度传感器、水声Modem接收电路、电磁阀快速驱动电路、电磁阀保持电流检测电路、压力传感器和超声波测距传感器，水声Modem接收电路为其余各电路或元件供电。

本发明中，在导气管穿过设于上部隔板的通孔处，设有密封部件。

本发明中，所述尾部单元与底部隔板之间为可拆卸的固定连接是指：在底部隔板处设置电磁铁，在尾部单元的对应位置设置铁块，以电磁吸力实现尾部单元与底部隔板之间的连接。

本发明中，所述上部隔板和中部隔板与壳体的连接处设有三角支撑板。

本发明中，所述翼板呈半椭圆形，具有圆弧形的外边缘和直线的底边；其底边的两端通过槽榫结构嵌在翼板安装座上，翼板安装座通过螺钉固定在壳体表面。对称布置翼板可实现防横向湍流的作用。

本发明中，所述取样管通过相互配合的螺纹或卡扣部件固定在尾部单元上。

本发明中，胶囊状的壳体可使用金属材质，各隔板及尾部单元可使用亚克力材质。制作时，可先制作半球形的首部单元和圆柱形的中部单元，两者通过焊接方式固定连接。在安装上部隔板和中部隔板后，焊接三角支撑板以强化支撑。

气囊与导气管(可选PVC材质)、气瓶之间为密闭连接，并由电磁阀控制输气管的导通与关闭。气囊未充气时自然搭载在上层隔板上，充气时随气囊体积增大将首部单元内腔的水通过壳体上的通孔排出。气瓶包括高压气瓶和低压气瓶。其中高压是指高压气瓶内的气体压强足够使气体自发从高压气瓶通向气囊，并能确保气囊完全胀开，此时装置应处于减速下潜状态；低压是指低压气瓶内气体压强低于气囊充分胀开时的气压，并能确保气囊中气体能够自发从气囊通向低压气瓶，此时气囊体积减小，当装置速度趋于稳定时，然后关闭电磁阀，气囊不再向低压气瓶通气。高压气瓶用于充气，低压气瓶用于回收气体。可根据应用需要确定气瓶中气体压力。气瓶平稳放置在中层隔板上，并由固定带固定。本发明可根据上浮和下潜不同工况的需求自动控制电磁阀的吸合和释放，从而调整气囊的充放气状态，实现自主下沉和上浮。

装置中大部分电气装置或元件、电路均放置在电气腔中(电磁阀随气瓶放置在气瓶腔中)，以保证隔离防止进水，同时也可利用电气元件集成化设计尽量缩小占用的空间。本发明中所用的微处理器模块、加速度传感器、水声Modem接收电路、电磁阀快速驱动电路、电磁阀保持电流检测电路、压力传感器和超声波测距传感器均可直接采用现有技术，本发明并无特别要求。例如，微处理器模块可用TI公司的低功耗微处理器MSP430F149控制模块，压力传感器可用Intersema公司的MS5541C型号产品，加速度传感器可用GY-521MPU6050六轴加速度传感器(三轴陀螺仪+三轴加速度)；超声波测距传感器可用Risym的HC-SR04超声波模块。电源可采用蓄电池。

取样管有带孔挡板的一端固定在尾部单元的端部，设花瓣型卡爪的一端位于远离装置方向。尾部单元可用通过电磁吸力固定在中部单元末端的底边隔板上。当电磁铁掉电时电磁铁失去磁力，样品管实现脱钩。取样器插入表层取样时，花瓣型卡爪切断样品并储存于取样管的内部空腔，待取样器自动上浮时完成取样。

与现有技术相比，本发明具有的有益的效果是：

1、本发明无需船只出海人工收线，可利用船只沿路抛洒和回收。不需要船只漂泊在海面等待取样结束后再收线返航，船运成本和人力成本较低，特别适合大规模浅海、近海等水域海底表层沉积物取样场合，实用性强。

2、该装置能对取样过程中的上浮和下沉动作进行程序化电控，能够实现自主取样后浮于水面的功能，解决传统取样需单独控制取样过程的弊端。

3、该研究成果不仅可以应用于海底沉积物分析勘探，还可以有效地推广到其他综合性海洋调查项目，是现代海洋调查研究领域向更高、更精确探测的重要手段，具有十分广阔的应用和推广前景。

附图说明

图1为本发明投放式自主表层沉积物取样装置的外形示意图；

图2为本发明投放式自主表层沉积物取样装置的正视外形示意图；

图3为本发明投放式自主表层沉积物取样装置下潜时的横剖面示意图；

图4为本发明投放式自主表层沉积物取样装置下潜时的工作流程图；

图5为本发明投放式自主表层沉积物取样装置上浮时的横剖面示意图；

图6为本发明投放式自主表层沉积物取样装置上浮时的工作流程图；

图7为本发明投放式自主表层沉积物取样装置翼板单元示意图；

图8为本发明投放式自主表层沉积物取样装置取样器单元示意图。

附图标记：1首部单元，2中部单元，3翼板单元，4尾部单元，5取样器单元；101排水孔，102首部单元的壳体，103气囊，104连接螺栓，201中部单元的壳体，202上部隔板，203三角支撑板，204导气管，205导气管，206电磁阀，207电磁阀，208高压气瓶，209低压气瓶，210中部隔板，211压力传感器，212加速度传感器，213底部隔板，214电磁铁，215水声Modem接收电路，216电磁阀快速驱动电路及电磁阀保持电流检测电路，217微处理器模块，218超声波测距传感器，301翼板，302翼板安装座，303安装孔，304槽榫结构，401尾部壳体，402铁块，403贯穿通孔，404尾部单元实体，501通孔，502带孔挡板，503取样管，504花瓣型卡爪。

具体实施方式

以下的实施例可以使本专业技术领域的技术人员更全面的了解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明中的投放式自主表层沉积物取样装置，包括内部中空的壳体。该装置的整体呈胶囊状，包括半球形的尾部单元4；壳体由上部隔板202分为两个空腔，从而构成半球形的首部单元1和圆柱形的中部单元2；壳体的末端由底部隔板213封闭，尾部单元4与底部隔板213之间为可拆卸的固定连接；上部隔板202和中部隔板213与壳体的连接处设有三角支撑板。

所述中部单元2的内部空腔为密封状态，且由中部隔板210分隔为上部的气瓶腔和下部的电气腔，其中气瓶腔内安置电磁阀206、207、高压气瓶208和低压气瓶209，电气腔内安置控制和检测单元；首部单元的壳体102上设有多个用于排水的通孔101，其内部空腔中装有气囊103，气囊103通过两根导气管204、205分别连接高压气瓶208和低压气瓶209；导气管204、205分别穿过设于上部隔板202的通孔，电磁阀206、207设在位于气瓶腔一侧的导气管204、205上，在导气管204、205穿过设于上部隔板202的通孔处设有密封部件。在中部单元的壳体201上沿其轴向均匀设置4块翼板301；在尾部单元4上装有取样管503。

尾部单元4为实心结构，具有一个平行于半球形底面的贯穿通孔403，中空管状的取样管503安装在半球形端部且垂直于贯穿通孔403；取样管503的一端设带孔挡板502，另一端设花瓣型卡爪504，其内部空腔通过带孔挡板502与贯穿通孔403连通。取样管503通过相互配合的螺纹或卡扣部件固定在尾部单元4上。

尾部单元4与底部隔板213之间为可拆卸的固定连接是指：在底部隔板213处设置电磁铁214，在尾部单元4的对应位置设置铁块402，以电磁吸力实现尾部单元4与底部隔板213之间的连接。

翼板301呈半椭圆形，具有圆弧形的外边缘和直线的底边；其底边的两端通过槽榫结构304嵌在翼板安装座302上，翼板安装座302通过螺钉固定在壳体表面。

该装置中，控制和检测单元包括：微处理器模块217、加速度传感器212、水声Modem接收电路215、电磁阀快速驱动电路及电磁阀保持电流检测电路216，以及电源；在壳体上还设有压力传感器211；在中部单元2的底层亚克力板213上开槽安装超声波测距传感器218(可通过开启定时器，延时一定时间后再开始检测是否有回波信号，以避免发射探头的余振的干扰，以及避免接收声波经过尾部单元时产生的反射信号)。微处理器模块217通过导线分别连接加速度传感器212、水声Modem接收电路215、电磁阀快速驱动电路及电磁阀保持电流检测电路216、压力传感器211和超声波测距传感器218。其中，整个系统工作所需的6V直流电源由水声Modem接收电路215提供，微处理器模块217通过SPI总线与超声波测距传感器218、加速度传感器212相连，通过I/O端和PWM方波输出接口连接电磁阀快速驱动电路，完成对电磁阀206、207的控制。同时微处理器模块217通过RS232串口模块完成与水声Modem接收电路215的信息交换。压力传感器211动态反馈电压信号到微处理器模块217，进而动态控制电磁阀206、207。

本发明中，首部单元1与尾部单元4的壳体采用半球面型设计，在一定程度上能够降低流体的纵向阻力。同时为了抵抗海水横向阻力和流体阻力，壳体侧部加装四个对称翼板301，能实现重量平衡与阻力平衡，保证装置平稳下降。在取样时，样品可以通过水流和压力作用通过花瓣型卡爪504进入503取样管内；取样完成后，花瓣型卡爪504可以切断样品，阻止样品回流。

该装置的使用方法说明如下：

阶段一：下潜阶段

下潜过程中，超声波测距传感器218获取装置与水底表面的距离H，加速度传感器获取下潜加速度a。

设定H₀，a₀，保证H₀不会太大，且当加速度达到a₀的时候，此时由逼近曲线积分得到的v₀不会太大，不至于损伤取样装置。

预设距水底H₀时装置的加速度达到所需加速度a₀。在整个装置下潜过程中，装置先依靠自身重力处于加速下潜状态，期间通过传感器不断获取H、a，并结合加速度传感器212实时监测的加速度a，计算得到实时的浮力F，并比较装置所能提供最大浮力F₀(气囊103充分打开的情况下)。

一旦F≥F₀，立即通过电磁阀快速驱动电路开启电磁阀206，保证在短时间内将气囊103充分打开；此后装置做减速运动，继续监测H、a，当根据积分累积得到，V＝V₀或H＝H₀时，通过电磁阀207使气囊103中一部分气体进入低压气瓶209，最终使装置处于匀速下潜状态，直至触底，完成下潜工作。

阶段二：取样阶段

步骤1：减冲阶段：通过上一阶段设定的参数H₀和a₀来控制，当触底时，触底速度不太大，以此减小海底对于取样装置的纵向冲击。

步骤2：取样阶段：触底后，由于水流压力，使得花瓣型卡爪504打开，沉积物由于水流作用，进入取样管503。

步骤3：准备上浮阶段：待装置平稳后，花瓣型卡爪504切断样品，让样品保留在取样管503内，准备上浮。

阶段三：上浮阶段：

步骤1：等待过程：取样过程中，水声Modem接收电路215处于待机状态，其他系统部分处于掉电状态，几乎没有任何能量损耗。

步骤2：电路控制过程：当水声Modem接收电路215接收到水面平台的水声遥控指令和信息交换指令后，会向整个系统提供6V直流电源，系统上电，开始工作。

步骤3：通信过程：采用MS5541C数字压力传感器(压力传感器211)为感知系统，MS5541C采用3线的SPI接口，可以数字形式直接输出压力的测量值，可与所有具有SPI接口的MS5541C微处理器(微处理器模块217)进行通信，其主频时钟MCLK为32.768kHz，，简化了线路的复杂性，稳定可靠。

步骤4：气囊103充气过程：微处理器模块217通过P4.1和P4.0端口启动电磁阀快速驱动电路，以瞬间的极大电流可靠地激励电磁阀206，气囊103开始充气，当电磁阀206成功激励之后，微处理器模块217自动调节流过电磁阀206的电流，保持电流的大小，减少系统整体功耗，同时确保电磁阀206一直处于开启状态，直到装置开始上浮。

步骤5：当装置仍然处于沉积物中时，微处理器模块217控制时钟电路检测在5s时间内超声波测距传感器218是否有显著变化。如果当浮力已经达到预设最大值F0时，超声波测距传感器218反馈的数值没有明显变化，则认为装置因取样管503扎底过深而无法上浮。微处理器模块217断开电磁铁214供电开关，电磁铁214处于掉电状态，失去磁力，使取样系统脱离装置，装置上浮以实现回收；反之，当超声波测距传感器218反馈的数值发生明显变化，则认为整体装置顺利完成上浮，微处理器模块217持续为电磁铁214供电。

步骤5：电磁阀206闭合过程：微处理器模块217每隔5s时间检测一次压力，当绝对压力值小于某一预设值top时，微处理器模块217控制电磁阀驱动电路闭合电磁阀206，停止给气囊103充气。此时可认定测量装置已正常上浮。

步骤6：重复过程：当检测压力值大于某一预设值bottom时，认为气囊103内气体漏气达到一定程度，装置有下沉倾向，重复步骤4，为气囊103充气。

本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。

Claims (8)

1.一种投放式自主表层沉积物取样装置，包括内部中空的壳体；其特征在于，该装置的整体呈胶囊状，包括半球形的尾部单元；壳体由上部隔板分为两个空腔，从而构成半球形的首部单元和圆柱形的中部单元；壳体的末端由底部隔板封闭，尾部单元与底部隔板之间为可拆卸的固定连接；

所述中部单元的内部空腔为密封状态，且由中部隔板分隔为上部的气瓶腔和下部的电气腔，其中气瓶腔内安置电磁阀、高压气瓶和低压气瓶，电气腔内安置控制和检测单元；首部单元的壳体上设有多个用于排水的通孔，其内部空腔中装有气囊，气囊通过两根导气管分别连接高压气瓶和低压气瓶；导气管穿过设于上部隔板的通孔，电磁阀设在位于气瓶腔一侧的导气管上；

在中部单元的壳体上沿其轴向均匀设置至少三块翼板；在尾部单元上装有取样管。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述尾部单元为实心结构，具有一个平行于半球形底面的贯穿通孔，中空管状的取样管安装在半球形端部且垂直于贯穿通孔；取样管的一端设带孔挡板，另一端设花瓣型卡爪，其内部空腔通过带孔挡板与贯穿通孔连通。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制和检测单元包括：微处理器模块、加速度传感器、水声Modem接收电路、电磁阀快速驱动电路及电磁阀保持电流检测电路；在壳体上还设有压力传感器；在底部隔板上开槽安装超声波测距传感器；所述微处理器模块通过导线分别连接加速度传感器、水声Modem接收电路、电磁阀快速驱动电路、电磁阀保持电流检测电路、压力传感器和超声波测距传感器，水声Modem接收电路为其余各电路或元件供电。

4.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，在导气管穿过设于上部隔板的通孔处，设有密封部件。

5.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述尾部单元与底部隔板之间为可拆卸的固定连接是指：在底部隔板处设置电磁铁，在尾部单元的对应位置设置铁块，以电磁吸力实现尾部单元与底部隔板之间的连接。

6.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述上部隔板和中部隔板与壳体的连接处设有三角支撑板。

7.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述翼板呈半椭圆形，具有圆弧形的外边缘和直线的底边；其底边的两端通过槽榫结构嵌在翼板安装座上，翼板安装座通过螺钉固定在壳体表面。

8.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，所述取样管通过相互配合的螺纹或卡扣部件固定在尾部单元上。