CN108132292B - 可远程数据传输的深海原位电化学测试装置及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可远程数据传输的深海原位电化学测试装置及实现方法，测试装置结构包括水下部分和水面部分，水下部分包括：耐压壳体、顶盖、外部声信号通讯模块，水面部分包括：依次相连的换能器、中继器、卫星数据传输模块、卫星天线。耐压壳体与顶盖所组成的密闭测试空间内设置多通道电化学测试模块、数据转换模块、主控制器、电源模块和存储模块；多通道电化学测试模块、数据转换模块、电源模块、存储模块和声信号通讯模块均与主控制器连接，声信号通讯模块还与数据转换模块连接。本发明能够在深海同时进行多种金属或有机涂层涂覆试样的原位电化学测试，并通过卫星网络实现数据的远程传输，实现深海环境下材料腐蚀电化学数据的远程采集与监测。

Description

可远程数据传输的深海原位电化学测试装置及实现方法

技术领域

本发明属于专用仪器仪表制造技术领域，涉及一种可远程数据传输的深海原位电化学测试装置及实现方法。

背景技术

随着人们对深海环境的不断探索，各种工程装备材料在深海环境下的腐蚀问题也逐渐暴露，并成为制约深海资源开发和深海工程建设的技术瓶颈。因此,亟需对深海环境中材料的腐蚀行为和失效机制展开研究，从而促进我国海洋经济的顺利发展。目前对深海环境下材料腐蚀的研究大都采用实海挂片或室内模拟加速实验，前者无法实时表征深海中材料的腐蚀过程，后者则无法模拟材料在实际环境下的真实服役状态。鉴于此开展了深海原位电化学测试技术研究，可以对材料在深海环境下的原位腐蚀电化学信息进行记录，但由于深海环境的特殊性，无法对所测量数据进行实时的提取与处理，极大地降低了数据的利用效率，并且难以满足长期连续观测和远距离实时监测的要求。

发明内容

本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种能在水深3000米以内深海海洋环境进行材料原位电化学测试，并进行数据的实时远程传输的测试装置及实现方法。通过高压密封、单片机微控、滤波算法、卫星数据传输指令、声电转换等技术实现深海环境电化学数据的采集、信号处理以及卫星远程数据传输，能够在深海同时进行多种金属或有机涂层涂覆试样的原位电化学测试，并通过卫星网络实现数据的远程传输，实现深海环境下材料腐蚀电化学数据的远程采集与监测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、本发明提供一种可远程数据传输的深海原位电化学测试装置，其主体结构包括如下部分：

a、水下部分：包括耐压壳体、顶盖和外部声信号通讯模块，耐压壳体和顶盖组成封闭的测试空间，并在其内设置多通道电化学测试模块、数据转换模块、主控制器、电源模块和存储模块，多通道电化学测试模块、数据转换模块、电源模块、存储模块和声信号通讯模块分别与主控制器相连，其中，

所述多通道电化学测试模块与外部测试电极体系相连，用于根据预设指令对不同试样进行电化学测试，并将测试数据传递至存储模块；

所述数据转换模块用于将测试数据转换为声信号，并传递至声信号通讯模块；

所述主控制器用于向多通道电化学测试模块发送数据测试命令并读取相应通道的测试数据，然后将测试数据存储至存储模块，同时向数据转换模块发送数据转换指令，并向声信号通讯模块发送数据传输指令；

所述电源模块用于各模块的能源供应；

所述存储模块用于存储测试数据；

b、水面部分：包括依次相连的换能器、中继器、卫星数据传输模块和卫星天线，其中，

所述换能器用于接收声信号通讯模块传输的声信号，并将其转换为电信号传递至中继器；

所述中继器用于将换能器传递的信号进行调整放大，并传递至卫星数据传输模块；

所述卫星数据传输模块用于根据控制指令将实时数据通过卫星天线传输至卫星系统，并传递回实验室。

可选地，所述耐压壳体、顶盖材质选择为钛合金。

可选地，所述顶盖通过密封圈密封、并采用紧固螺栓锁紧的方式固定在耐压壳体顶端的开口部，与所述耐压壳体构成封闭的测试空间。

可选地，所述顶盖上固定子母式水密连接器，将多通道电化学测试模块与外部测试电极体系相连。

可选地，所述测试电极体系采用三电极体系，包括工作电极、参比电极和辅助电极，与子母式水密连接器A端连接，工作电极为测试试样；子母式水密连接器B端固定在耐压壳体顶盖上，其线端引入耐压壳体内与多通道电化学测试模块连接；通过插接子母式水密连接器A端与B端即可将测试电极体系接入测试装置。

可选地，所述耐压壳体尾端设置防水天线接口，用于连接外部声信号通讯模块。

可选地，所述多通道电化学测试模块包括依次连接的运放比例运算电路与滤波/补偿电路、模拟数字转换器、单片机、数字模拟转换器和通道选择继电器，所述单片机微控制器与主控制器连接，根据测试需求，可选择开路电位、电化学阻抗、极化曲线等电化学方法对各通道进行独立测试，并通过滤波算法、数字积分技术提高测量的精度。

可选地，所述主控制器采用STM32系列处理器。

可选地，所述电源模块优选蓄电池或超级电容供电。

可选地，所述存储模块采用内存大于等于16G的存储卡，保证长时间观测数据的记录与存储。

可选地，所述换能器、中继器、卫星数据传输模块、卫星天线采用浮标形式集成安装，整体采用太阳能板供电，浮标投放于水下部分投放点，与水下部分进行通讯。

可选地，所述声信号通讯模块与换能器之间选用长距离独立声通讯波段，减少通讯干扰。

可选地，水下部分的投放深度为100~3000米，可根据试验要求，在水下布放1~6个月的时间。

2、本发明另提供一种可远程数据传输的深海原位电化学测试装置的实现方法，

S1、通过上位机软件分别与测试装置的水下部分和水面部分进行通信，设置多通道电化学测试模块所选通道、所选方法，测量频率，数据传输周期等相关参数，并对水下部分的声信号通讯模块与水面部分的换能器进行波频调试，保证通讯畅通；

S2、将水下部分和水面部分进行组装，保证各部分之间导通并且无短接，同时保证水下部分整个耐压壳体密封良好；

S3、将各通道测试电极体系焊接在子母式水密连接器A端，接线与多通道电化学测试模块所选测试通道一一对应，焊接过程中避免体系之间或体系内部的接触导通；

S4、将焊接好的子母式水密连接器A端与子母式水密连接器B端连接，保证密封；

S5、进行装置投放：将水下部分单独或随深海试验装置进行投放，在投放点同时投放水面部分；

S6、水下部分电源模块为测试装置提供所需工作电压，由主控制器控制，多通道电化学测试模块按预设时间和频率进行电化学测量，实时测量数据按通道编号、对应时间和测试方法进行打包，存储于存储模块中；数据转换模块按预设周期将本次测试周期内打包好的数据转换为声信号，经声信号通讯模块传输至水面部分换能器；水面部分由太阳能板进行供电，换能器将接收的声信号转换为电信号，传递至中继器，经调整放大后由卫星数据传输模块通过卫星天线传输至卫星系统，再传输回实验室。

本发明的一种可远程数据传输的深海原位电化学测试装置及实现方法与现有技术相比，所产生的有益效果是，

1、本发明通过数据转换处理模块对深海原位电化学测量数据转换为声信号，并通过声信号通讯模块传至水面，经水面浮标接收处理后再由铱卫星网络进行远程数据传输，实现深海原位电化学测试数据的远程实时监测，提高了数据利用的效率。

2、本发明采用子母式水密连接器连接测试体系，可根据不同测试需求进行测试材料的更换和方法选择，操作简便，可重复利用。

3、本发明同时采用大容量SD卡对原始数据进行存储备份，便于读取，防止数据丢失。

4、本发明采用低功耗设计，可根据设置的测试时间间隔进行智能休眠和定时唤醒，在完成电化学测量功能的同时确保有足够的能源进行定时数据传输。

附图说明

附图1为本发明的水下部分结构示意图；

附图2为本发明的水面部分结构示意图。

图中，1、子母式水密连接器B端，2、耐压壳体顶盖，3、多通道电化学测试模块，4、存储模块，5、耐压壳体，6、声信号通讯模块，7、数据转换模块，8、电源模块，9、主控制器，10、太阳能板，11、铱卫星数据传输模块，12、换能器，13、铱星天线，14、中继器。

具体实施方式

下面结合附图1-2对本发明的一种可远程数据传输的深海原位电化学测试装置及实现方法作以下详细地说明。

实施例:

本发明的一种可远程数据传输的深海原位电化学测试装置，其主体结构包括如下部分：

a、水下部分：如附图1所示，包括耐压壳体5、顶盖2和外部声信号通讯模块6，耐压壳体5和顶盖2组成封闭的测试空间，并在其内集成安装多通道电化学测试模块3、数据转换模块7、主控制器9、电源模块8和存储模块4，多通道电化学测试模块3、数据转换模块7、电源模块8、存储模块4和声信号通讯模块6分别与主控制器9相连，其中，

多通道电化学测试模块3与外部测试电极体系相连，用于根据预设指令对不同试样进行电化学测试，并将测试数据传递至存储模块4。

数据转换模块7用于将测试数据转换为声信号，并传递至声信号通讯模块6，经声信号通讯模块6将转换过的测试数据以声信号的形式进行传输。

主控制器9是整个水下部分的控制中心，用于向多通道电化学测试模块3发送数据测试命令并读取相应通道的测试数据，然后将测试数据按通道编号存储至存储模块4，同时向数据转换模块7发送数据转换指令，按预设测试周期提起存储模块4中存储的测试数据转换为声信号，并向声信号通讯模块6发送数据传输指令。

电源模块8用于整个水下部分模块的供电。

存储模块4用于原始测试数据的存储备份。

在上述方案中，耐压壳体5及顶盖2材质均选择为钛合金，顶盖2通过O型圈密封、并采用紧固螺栓锁紧的方式固定在耐压壳体5顶端的开口部，与耐压壳体5构成封闭的测试空间。耐压壳体5尾端设置防水天线接口，用于连接外部声信号通讯模块6。

在上述结构的基础上，顶盖2上固定子母式水密连接器，将多通道电化学测试模块3与外部测试电极体系相连，实现对测试对象的电化学方法测试。

测试电极体系采用三电极体系，包括工作电极、参比电极和辅助电极，与子母式水密连接器A端连接，工作电极为测试试样；子母式水密连接器B端1固定在耐压壳体5顶盖2上，其线端引入耐压壳体5内与多通道电化学测试模块3连接；通过插接子母式水密连接器A端与B端即可将测试电极体系接入测试装置。

在上述结构的基础上，多通道电化学测试模块3包括依次连接的运放比例运算电路与滤波/补偿电路、模拟数字转换器、单片机、数字模拟转换器和通道选择继电器，所述单片机微控制器与主控制器9连接，根据测试需求，可选择开路电位、电化学阻抗、极化曲线等电化学方法对各通道进行独立测试，并通过滤波算法、数字积分技术等提高测量的精度。

在上述结构的基础上，主控制器9负责水下部分的数据采集、存储、转换和传输功能的实现，为提高处理速度与稳定性，主控制器9采用STM32系列处理器。

在上述结构的基础上，为连续存储大量观测数据，并保证装置在长时间无人值守状态下的稳定工作，存储模块4采用内存大于等于16G的存储卡，电源模块8采用蓄电池或超级电容供电，可充电循环使用。

整个水下部分的投放深度为100~3000米，可根据试验要求，在水下布放1~6个月的时间。

b、水面部分：如附图2所示，包括依次相连的换能器12、中继器14、铱卫星数据传输模块11和铱星天线13，换能器12、中继器14、铱卫星数据传输模块11、铱星天线13采用浮标形式集成安装，整体采用太阳能板10供电，浮标对应水下部分投放点进行投放，并与之通信，其中，

换能器12用于接收声信号通讯模块6传输的声信号，并将其转换为电信号传递至中继器14。

中继器14用于将换能器12传递的信号进行调整放大，减少信号失真，并调整放大后的信号传递至铱卫星数据传输模块11。

铱卫星数据传输模块11用于根据控制指令将实时数据通过铱星天线13传输至铱星系统，并传递回实验室。

在上述结构的基础上，声信号通讯模块6与换能器12之间选用长距离独立声通讯波段，减少通讯干扰。

本发明的一种可远程数据传输的深海原位电化学测试装置，其实现方法包括如下步骤，

S1、通过上位机软件分别与测试装置的水下部分和水面部分进行通信，设置多通道电化学测试模块3所选通道、所选方法，测量频率，数据传输周期等相关参数，并对水下部分的声信号通讯模块6与水面部分的换能器12进行波频调试，保证通讯畅通；

S2、将水下部分和水面部分进行组装，保证各部分之间导通并且无短接，同时保证水下部分整个耐压壳体5密封良好；

S3、将各通道测试电极体系焊接在子母式水密连接器A端，接线与多通道电化学测试模块3所选测试通道一一对应，焊接过程中避免体系之间或体系内部的接触导通；

S4、将焊接好的子母式水密连接器A端与子母式水密连接器B端1连接，保证密封；

S5、进行装置投放：将水下部分单独或随深海试验装置进行投放，在投放点同时投放水面部分；

S6、水下部分电源模块8为测试装置提供所需工作电压，由主控制器9控制，多通道电化学测试模块3按预设时间和频率进行电化学测量，实时测量数据按通道编号、对应时间和测试方法进行打包，存储于存储模块4中；数据转换模块7按预设周期将本次测试周期内打包好的数据转换为声信号，经声信号通讯模块6传输至水面部分换能器12；水面部分由太阳能板10进行供电，换能器12将接收的声信号转换为电信号，传递至中继器14，经调整放大后由铱卫星数据传输模块11通过铱星天线13传输至铱星系统，再传输回实验室。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (8)

1.可远程数据传输的深海原位电化学测试装置，其特征在于，其主体结构包括如下部分：

a、水下部分：包括耐压壳体、顶盖和外部声信号通讯模块，耐压壳体和顶盖组成封闭的测试空间，并在其内设置多通道电化学测试模块、数据转换模块、主控制器、电源模块和存储模块，多通道电化学测试模块、数据转换模块、电源模块、存储模块和声信号通讯模块分别与主控制器相连，其中，

所述多通道电化学测试模块与外部测试电极体系相连，用于根据预设指令对不同试样进行电化学测试，并将测试数据传递至存储模块；

所述数据转换模块用于将测试数据转换为声信号，并传递至声信号通讯模块；

所述主控制器用于向多通道电化学测试模块发送数据测试命令并读取相应通道的测试数据，然后将测试数据存储至存储模块，同时向数据转换模块发送数据转换指令，并向声信号通讯模块发送数据传输指令；

所述电源模块用于各模块的能源供应；

所述存储模块用于存储测试数据；

b、水面部分：包括依次相连的换能器、中继器、卫星数据传输模块和卫星天线，其中，

所述换能器用于接收声信号通讯模块传输的声信号，并将其转换为电信号传递至中继器；

所述中继器用于将换能器传递的信号进行调整放大，并传递至卫星数据传输模块；

所述卫星数据传输模块用于根据控制指令将实时数据通过卫星天线传输至卫星系统，并传递回实验室；

所述多通道电化学测试模块包括依次连接的运放比例运算电路与滤波/补偿电路、模拟数字转换器、单片机、数字模拟转换器和通道选择继电器，所述单片机微控制器与主控制器连接，根据测试需求，选择开路电位、电化学阻抗、极化曲线多种电化学方法对各通道进行独立测试，并通过滤波算法、数字积分技术提高测量的精度；

所述换能器、中继器、卫星数据传输模块、卫星天线采用浮标形式集成安装，整体采用太阳能板供电，浮标投放于水下部分投放点，与水下部分进行通讯。

2.根据权利要求1所述的可远程数据传输的深海原位电化学测试装置，其特征在于，所述顶盖上固定子母式水密连接器，将多通道电化学测试模块与外部测试电极体系相连。

3.根据权利要求2所述的可远程数据传输的深海原位电化学测试装置，其特征在于，所述测试电极体系采用三电极体系，包括工作电极、参比电极和辅助电极，与子母式水密连接器A端连接，工作电极为测试试样；子母式水密连接器B端固定在耐压壳体顶盖上，其线端引入耐压壳体内与多通道电化学测试模块连接；通过插接子母式水密连接器A端与B端即可将测试电极体系接入测试装置。

4.根据权利要求1、2或3所述的可远程数据传输的深海原位电化学测试装置，其特征在于，所述水下部分的投放深度为100~3000米，根据试验要求，在水下布放1~6个月的时间。

5.根据权利要求1、2或3所述的可远程数据传输的深海原位电化学测试装置，其特征在于，所述顶盖通过密封圈密封、并采用紧固螺栓锁紧的方式固定在耐压壳体顶端的开口部，与所述耐压壳体构成封闭的测试空间。

6.根据权利要求1、2或3所述的可远程数据传输的深海原位电化学测试装置，其特征在于，所述耐压壳体尾端设置防水天线接口，用于连接外部声信号通讯模块。

7.根据权利要求1、2或3所述的可远程数据传输的深海原位电化学测试装置，其特征在于，所述声信号通讯模块与换能器之间选用长距离独立声通讯波段。

8.如权利要求1、2或3所述的可远程数据传输的深海原位电化学测试装置的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过上位机软件分别与测试装置的水下部分和水面部分进行通信，设置多通道电化学测试模块所选通道、所选方法，测量频率，数据传输周期相关参数，并对水下部分的声信号通讯模块与水面部分的换能器进行波频调试，保证通讯畅通；

S2、将水下部分和水面部分进行组装，保证各部分之间导通并且无短接，同时保证水下部分整个耐压壳体密封良好；

S3、将各通道测试电极体系焊接在子母式水密连接器A端，接线与多通道电化学测试模块所选测试通道一一对应，焊接过程中避免体系之间或体系内部的接触导通；

S4、将焊接好的子母式水密连接器A端与子母式水密连接器B端连接，保证密封；

S5、进行装置投放：将水下部分单独或随深海试验装置进行投放，在投放点同时投放水面部分；

S6、水下部分电源模块为测试装置提供所需工作电压，由主控制器控制，多通道电化学测试模块按预设时间和频率进行电化学测量，实时测量数据按通道编号、对应时间和测试方法进行打包，存储于存储模块中；数据转换模块按预设周期将本次测试周期内打包好的数据转换为声信号，经声信号通讯模块传输至水面部分换能器；水面部分由太阳能板进行供电，换能器将接收的声信号转换为电信号，传递至中继器，经调整放大后由卫星数据传输模块通过卫星天线传输至卫星系统，再传输回实验室。

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