CN107643381B - 一种海洋波浪能驱动的自动剖面观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋波浪能驱动的自动剖面观测装置，包括锚系浮球、钢缆、锚系重块、仪器台架、上部台架限位器、下部台架限位器；仪器台架被钢缆穿过并位于两台架限位器之间，仪器台架具有净浮力，仪器台架内部中上位置固定安装有单向移动模块，波浪向上和向下两个运动过程中，仪器台架有向水下净位移，波浪持续振动，仪器台架将沿钢缆向深水运动，并最终与下部台架限位器撞击而上浮。仪器台架上浮至上部台架限位器并装置后，又可在波浪作用下向深水运动。本发明全机械设计，无电力消耗，体积和重量相比现有商业化自动剖面平台大大减少，可以携带一套传感器进行全剖面观测，获得实时连续高分辨率数据，减少仪器使用成本，提高数据采集效率。

Description

一种海洋波浪能驱动的自动剖面观测装置

技术领域

本发明属于海水自动观测技术领域，适用于海洋中集成多种传感器进行自动剖面观测而设计的搭载平台，具体涉及一种海洋波浪能驱动的自动剖面观测装置。

背景技术

当今海洋观测、预报、研究越来越依靠于各类物理生态化学参数的自动连续观测，如海流潮流速度，厄尔尼诺现象的观测和预报，河口营养物质的输送转移等等，而获得高时间和空间分辨率的数据是关键和基础。目前常被使用的经典观测手段一般为集成了多种传感器的各类锚系系统，包括浮标、潜标、底部平台、着陆器等搭载平台。传感器通过浮力装置、连接缆绳、锚定装置、释放装置等固定于海水中某特定层位，进行长时间连续观测。然而，由于海洋地形变化剧烈，特定站位水深可从几十米到上千米，多套特定层位传感器观测显然成本高昂，操作难度加大。尤其在广袤的大海，进行多个锚系站位的观测更是使成本急剧上升，因此发展经济有效的自动剖面观测系统显得尤为迫切。

自动剖面观测装置有如下几种：1.电动机驱动缆绳释放和回收，带动传感器上下移动。电动机可放置于表层浮体内，传感器平台中，或海底锚定装置内。如Idronaut公司Buoy Profiler，Mclane公司的moored profiler，WHOI研究所的Ice-tethered profiler等。这种方法需要电机驱动，能耗大，成本高。2.整体平台浮力改变使得传感器上升或下沉。如Argo浮标、Glider滑翔机、AUV水下机器人等。在开阔大洋已被广泛使用，但由于油囊可变浮力很小，只能搭载有限且体积小巧的温盐等传感器，限制了多参数数据获得，且自动控制系统要求高，成本不菲，并不易于近海布放。3.波浪能驱动传感器平台沿缆绳单方向下降，触发开关后上浮至海面，如ODIM公司的Seahorse profiler，Del Mar公司的Wirewalker。这种利用波浪能进行垂直单向运动的方式非常环保，维护和操作方便，很有前景。但是Seahorse上浮时由电动开关触发，需要电机、电池和控制系统，Wirewalker结构复杂，且技术保密，引进成本高居不下。

我国海洋浮标、潜标等自动观测平台技术发展迅速，而利用波浪能自动剖面观测装置还未有报道，随着海洋科学研究和军事需要的增加，迫切需要一种操作简易、维护方便、成本低，适用海域广泛的自动剖面观测装置。

发明内容

为了解决上述的技术问题，克服现有自动剖面观测装置的不足，填补国内自动剖面观测的空白，本发明提供一种利用波浪能驱动下降，机械触发上浮、结构简单、维护方便、可适用海域广泛的平台装置。平台为机械构造，不需要电子控制系统，可根据需求搭载各类传感器，进行长时间自动剖面观测，可用于定点布放，也可以漂浮使用。成本低，操作方便。

为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

本发明提供一种海洋波浪能驱动的自动剖面观测装置，包括浮球、重块、钢缆、单向移动模块、支架、浮力材料等。单向移动模块和支架固定为一个整体，支架上搭载浮力材料和传感器，浮力材料根据重量计算平衡，使整个装置存在净的上浮力。浮球浮于海面，重块悬于钢缆底部。起初，单向移动模块内部锁止机构处于锁止状态，当浮球随波浪向上移动时，带动钢缆和重块同时向上，而单向移动模块相对钢缆向下移动，当浮球随波浪下降时，单向移动模块因内部钢球与钢缆挤压而被固定在钢缆上，相对钢缆保持静止，达到一起下降的目的。如此重复，这样整个平台相对钢缆逐步下降。当移动至钢缆底端最低限位处时，触发锁定开关解锁钢球和钢缆之间的挤压力，整个平台由于净浮力而上浮，当移动至海面附近的钢缆顶端最高限位处时，反向触发锁定开关重新进入锁止状态，逐步下降。

所述浮球、钢缆、重块自上而下连接为一体，仪器台架内含单向移动模块，被钢缆穿过，在靠近浮球和重块附近的钢缆上各有一个限位器，限制仪器台架滑出钢缆。同时，上部限位器可触发模块内机关，模块锁止使台架单向逐步向下移动；下部限位器可触发模块机关，模块解锁台架在浮力材料带动下直线上浮；传感器和浮力材料集成搭载在仪器台架上，可实时记录水质参数。

所述仪器台架是中空的长方体结构，内部固定单向移动模块。外上部或内部均可安装浮力材料，确保整体台架有净浮力。外下部安装传感器，用于实时记录水质参数。顶部和底部各固定有两个圆柱状轴承，防止与钢缆过度摩擦，同时允许限位装置进入中空的长方体内部，触发内部单向移动模块机关。其中台架整体为可拆卸设计，长方体侧面盖板可打开，便于安装在钢缆上。外部有若干钻孔便于安装传感器等部件。

所述单向移动模块主体是八面体柱状不锈钢结构，内部中心部分为倒锥体中空设计。模块包括锥形弹簧、离合钢珠、钢珠支架、定位钢珠、操纵连杆、触动片等。所述锥形弹簧固定在钢珠支架一端，离合钢珠位于钢珠支架等距孔内。锥形弹簧、离合钢珠、钢珠支架整体安装在锥体空间内，定位钢珠和弹簧横向安装在模块主体内部。所述操纵连杆穿过单向移动模块主体，连杆上部和下部为触动片，中部有两个半球形豁口，触动片可与钢缆上下两个限位装置碰撞从而控制操纵连杆上下移动，带动撞针撞击或回位钢珠支架，达到钢珠分离或咬合钢缆的目的。内部定位钢珠可在操纵连杆移动到位后在弹簧作用下伸出，咬合连杆中部半球形豁口而暂时保持其位置，当触动片被突然触发后又可缩回，从而释放连杆当前位置而进入下一个位置。

作为优选的：锚系钢缆可根据测量深度需要采用一定长度，顶部浮球提供浮力，底部重块增加重量，尽量使锚系整体在水中保持漂浮并且垂直。锚系整体可锚定在固定站位，也可漂浮测定。锚系浮球可安装GPS天线定位，同时也可整体采用感应耦合连接，使传感器数据传输至浮球内部数据采集器中，通过铱星通讯实时发送数据。

作为优选的：所述浮力材料是采用密度0.25～0.4g cm^-3的固体中空玻璃微珠聚合而成，根据仪器台架整体重量和海水密度计算，选取一定体积，以维持整个台架有净浮力，确保离合钢珠脱离咬合钢缆时可上浮至海水表层。

作为优选的：台架整体三个侧面一体成型，一面为可拆卸的塑料盖板。顶部外侧安装有两个把手利用操作布放和回收。顶部和底部中心各安装有两个圆柱形轴承，钢缆穿过两个轴承中部，减少台架与钢缆摩擦，利于上下移动。台架两侧列有安装孔位用于传感器和浮力材料的固定。

作为优选的：单向移动模块固定于台架内部中间位置。操纵连杆为圆柱体，与模块主体之间涂有润滑油，以便于上下移动。模块顶部和底部中心孔位圆滑处理，减少钢缆磨损。上下两个定位钢珠距离和操纵连杆上下可移动距离一致，同时与撞针高度一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明由于采用了以上的技术方案，可以携带一套传感器进行全剖面观测，获得实时连续高分辨率数据，减少仪器使用成本，提高数据采集效率；采用钢珠和锥形腔体结构使平台在波浪能作用下进行单方向运动，全机械设计，无电力消耗，体积和重量相比现有商业化自动剖面平台大大减少，成本显著降低。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是仪器台架结构的纵切面示意图；

图3仪器台架结构的俯视图；

图4仪器台架结构的仰视图；

图5-1单向移动模块结构纵切面示意图(咬合状态)；

图5-2单向移动模块结构纵切面示意图(上浮状态)；

图6单向移动模块的俯视图；

图7单向移动模块的仰视图；

附图标注：1、锚系浮球；2、台架限位器；3、仪器台架；4、浮力材料；5、单向移动模块；6、传感器；7、钢缆；8、锚系重块；9、台架把手；10、圆柱状轴承；11、挡块；12、上触动片；13、操纵连杆限位器；14、圆台弹簧；15、圆台腔体；16、定位钢珠和弹簧；17、钢珠支架；18、离合钢珠；19、撞针；20、下触动片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

如图1～图7所示，本发明提供一种海洋波浪能驱动的自动剖面观测装置的具体实施例。

如图1所示：锚系浮球1位于海面，使整个锚系漂浮于海面上层。下部连接钢缆7，末端连接锚系重块8，使锚系保持竖直。仪器台架3被钢缆7穿过，可沿钢缆7上下移动，并被台架限位器2限制移动距离。

如图2所示：所述仪器台架3包括浮力材料4、台架把手9、圆柱状轴承10、挡块11等；为长方体中空结构，长宽高分别为24cm×24cm×160cm，顶部和底部开口；其中三个侧面为厚度1cm的316不锈钢板一体成型，一面为可拆卸的PVC塑料盖板便于安装；钢缆自上而下依次穿过仪器台架3的圆柱状轴承10、上部挡块11、单向移动模块5、下部挡块11、圆柱状轴承10；其中单向移动模块5位于仪器台架3内部中上位置。

如图3和4所示：所述仪器台架3顶部和底部两侧各有两个台架把手9，便于回收和布放；其中圆柱状轴承10、挡块11在仪器台架3内部上方和下方各有两个，靠近圆柱状轴承10，为减少钢缆与台架3之间侧向撞击和磨损所设计；仪器台架3上半部外侧或内部可装载浮力材料4，能够使得仪器台架3在海水中保持竖直和一定浮力；下半部外侧可按需装载水质传感器6。

其中：所述浮力材料是采用密度0.25～0.4g cm^-3的固体中空玻璃微珠聚合而成，根据整体重量和海水密度计算，选取一定体积，以维持仪器台架3具有5kg净浮力(根据需要可调整所需净浮力)，垂直漂浮于水中。

如图5-1和5-2所示：所述单向移动模块5包括上触动片12、操纵连杆限位器13、圆台弹簧14、圆台腔体15、定位钢珠和弹簧16、钢珠支架17、离合钢珠18、撞针19、下触动片20。单向移动模块5主体为316不锈钢八面体结构，边长为4cm，高18cm，可通过支撑架固定于仪器台架3内部；模块内部为中空的圆台腔体15，内部自上而下依次装载有圆台弹簧14、钢珠支架17、离合钢珠18等；上触动片12、操纵连杆限位器13、撞针19、下触动片20组成操纵连杆整体，垂直嵌入单向移动模块5主体内部而不穿过圆台腔体15；当上触动片12或下触动片20被台架限位器2撞击时，操纵连杆整体可相对单向移动模块5主体部分上下移动2cm；上下两个定位钢珠16间距为2cm，(即主体部分上下移动距离与两定位钢珠距离相同，该距离可根据需要调整)，钢珠直径0.5cm，可咬合位于模块内部操纵连杆部分的半球形豁口，将操纵连杆整体暂时固定位置，撞击时，又可脱离咬合豁口，允许操纵连杆整体移动；单向移动模块5主体底部另开有两个撞针19的孔位，撞针19里端可撞击钢珠支架17使其回缩，外端与下触动片20连接。

如图6和图7所示：为增加触动片与台架限位器2的碰撞成功率，上触动片12或下触动片20中心采用圆环状设计，并允许钢缆7穿过。同时单向移动模块5主体顶部和底部中心也开有钢缆孔位，并圆滑处理而尽可能减少与钢缆的磨损。

具体使用过程中：起初，由于净浮力作用，仪器台架3位于钢缆7上部台架限位器2附近，单向移动模块5内部离合钢珠18在圆台弹簧14的作用下与钢缆7咬合，操纵连杆位于相对模块主体靠下位置(如图5-1)，并被定位钢珠16咬合豁口而暂时固定。在波浪起伏过程中，锚系浮球1连同钢缆7和锚系重块8一起被波浪瞬间抬高时，钢缆7带动三个离合钢珠18瞬间向上移动，同时带动钢珠支架17向上移动，圆台弹簧14同时向上被压缩。由于圆台腔体15越向上开口越大，离合钢珠18将脱离对钢缆的咬合，从而使仪器台架3相对原位置静止。当波浪向下振动时，锚系浮球1连同钢缆7和锚系重块8一起瞬间降低，此时钢缆7相对单向移动模块5向下运动，圆台弹簧14向下施压，钢珠支架17和离合钢珠18在圆台腔体15内向下运动，将离合钢珠18和钢缆7紧紧咬合，使得仪器台架3和钢缆7相对静止，共同下降。

以上波浪向上和向下两个运动过程完毕后，仪器台架3有向水下净位移，波浪持续振动，仪器台架3将一步一步沿钢缆7向深水运动。当运动到钢缆7底部台架限位器2处时，触动片20被底部台架限位器2撞击，带动操纵连杆整体向上移动，使得操纵连杆位于相对模块主体靠上位置(如图5-2)，并被定位钢珠16咬合豁口而暂时固定。同时撞针19撞击钢珠支架17，使得离合钢珠18脱离对钢缆7的夹紧咬合，在整体净浮力的作用下，仪器台架3缓慢沿钢缆7上浮。当上浮至上部台架限位器2时，触动片12被撞击使得操纵连杆位于相对模块主体靠下位置，定位钢珠16固定其位置。撞针19停止作用与钢珠支架17，从而离合钢珠18再次咬合钢缆7。在波浪作用下仪器台架3重复上述运动，最终完成传感器6剖面自动测量。

需要强调的是：以上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，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种海洋波浪能驱动的自动剖面观测装置，包括锚系浮球、钢缆、锚系重块；所述锚系浮球位于海面，下部连接钢缆，钢缆末端连接锚系重块，其特征在于还包括仪器台架、位于锚系浮球端的上部台架限位器、位于锚系重块端的下部台架限位器；所述的台架限位器均固定在钢缆上，仪器台架被钢缆穿过并位于两台架限位器之间，仪器台架的浮力大于重力，仪器台架内部中上位置固定安装有单向移动模块，

所述的单向移动模块包括上触动片、操纵连杆限位器、圆台弹簧、圆台腔体、定位钢珠、钢珠支架、离合钢珠、撞针、下触动片；单向移动模块内部为中空的倒置圆台腔体，内部自上而下依次装载有圆台弹簧、钢珠支架，钢珠支架上安装有离合钢珠；所述离合钢珠在外侧受圆台腔体挤压时咬合钢缆；上触动片、操纵连杆限位器、撞针、下触动片组成操纵连杆整体，操纵连杆整体垂直嵌入单向移动模块主体内部而不穿过圆台腔体；当上触动片或下触动片被台架限位器撞击时，操纵连杆整体可相对单向移动模块主体部分上下移动设定距离A；上下两个定位钢珠间距为A，定位钢珠受弹簧作用可咬合位于单向移动模块内部操纵连杆部分的半球形豁口，将操纵连杆整体暂时固定位置，撞击时，又可脱离咬合豁口，允许操纵连杆整体移动；单向移动模块主体底部另开有两个撞针的孔位，撞针里端可撞击钢珠支架使其回缩，外端与下触动片连接；

所述的仪器台架上半部外侧或内部装载浮力材料，使得仪器台架在海水中保持竖直和一定浮力；下半部外侧装载水质传感器；

所述上触动片或下触动片中心采用圆环状设计，并允许钢缆穿过，同时单向移动模块主体顶部和底部中心也开有钢缆孔位。

2.如权利要求1所述的海洋波浪能驱动的自动剖面观测装置，其特征在于所述浮力材料采用密度0.25～0.4 g cm^-3的固体中空玻璃微珠聚合而成。

3.如权利要求1所述的海洋波浪能驱动的自动剖面观测装置，其特征在于所述仪器台架为长方体中空结构，顶部和底部开口；其中三个侧面为一体成型结构，一面为可拆卸的塑料盖板；所述仪器台架顶部和底部两侧各有两个台架把手，便于回收和布放；仪器台架上端和下端设置有用于减少钢缆磨损的圆柱状轴承和挡块。

4.如权利要求1所述的海洋波浪能驱动的自动剖面观测装置，其特征在于所述的锚系浮球安装有内部数据采集器和GPS天线定位，所述锚系浮球与传感器可采用感应耦合连接，传感器数据传输至浮球内部数据采集器中，通过铱星通讯实时发送数据。

5.如权利要求3所述的海洋波浪能驱动的自动剖面观测装置，其特征在于所述的台架限位器尺寸小于仪器台架的中空结构尺寸，使得台架限位器可以进入中空的长方体内部，触发单向移动模块。

6.一种权利要求1所述装置的海洋波浪能驱动方法，其特征在于：

起初由于净浮力作用，仪器台架位于钢缆上部台架限位器附近，单向移动模块内部离合钢珠在圆台弹簧的作用下被挤压圆台腔体而与钢缆咬合，操纵连杆整体位于相对模块主体靠下位置，并被定位钢珠咬合豁口而暂时固定，在波浪起伏过程中，锚系浮球连同钢缆和锚系重块一起被波浪瞬间抬高时，钢缆带动离合钢珠瞬间向上移动，同时带动钢珠支架向上移动，圆台弹簧同时向上被压缩；由于圆台腔体越向上开口越大，离合钢珠将脱离对钢缆的咬合，从而使仪器台架相对原位置静止；当波浪向下振动时，锚系浮球连同钢缆和锚系重块一起瞬间降低，此时钢缆相对单向移动模块向下运动，圆台弹簧向下施压，钢珠支架和离合钢珠在圆台腔体内向下运动，将离合钢珠和钢缆紧紧咬合，使得仪器台架和钢缆相对静止，共同下降；

以上波浪向上和向下两个运动过程完毕后，仪器台架有向水下净位移，波浪持续振动，仪器台架将一步一步沿钢缆向深水运动；当运动到钢缆底部台架限位器处时，触动片被底部台架限位器撞击，带动操纵连杆整体向上移动，使得操纵连杆位于相对模块主体靠上位置，并被定位钢珠咬合豁口而暂时固定；同时撞针撞击钢珠支架，使得离合钢珠脱离对钢缆的夹紧咬合，在整体净浮力的作用下，仪器台架缓慢沿钢缆上浮；当上浮至上部台架限位器时，触动片被撞击使得操纵连杆位于相对模块主体靠下位置，定位钢珠固定其位置；撞针停止作用与钢珠支架，从而离合钢珠再次咬合钢缆；在波浪作用下仪器台架重复上述运动，最终完成传感器剖面自动测量。