CN108151796A - 一种冰下湖无污染探测控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰下湖无污染探测器测控系统，包括电缆为两芯，用于供电与通信，由主控电路对绞车及伺服控制系统发指令，控制电缆的回收与释放；加热控制系统由主控电路控制，对探测器上部加热头、侧壁加热丝和下部加热头进行加热控制；传感器组至少包括温度传感器组、加速度传感器、姿态传感器和压力传感器，由主控电路发送指令给各传感器内置的信号采集电路，信号采集电路返回各传感器的数据给主控电路；取样与观测系统与主控电路连接，对冰下湖水进行取样及观测。本发明主控电路实现对温度、压力、姿态等探测器状态信息检测，以及梯度加热控制和绞车控制。

Description

一种冰下湖无污染探测控制系统

技术领域

本发明属于电控系统领域，特别地涉及一种冰下湖无污染探测器测控系统。

背景技术

南极大陆的冰层底下存在着冰下湖。南极冰下湖对南极冰盖运动和稳定性具有重要影响，它的水环境可能会提供微生物进化、地球古气候、南极冰盖的形成和演化机理的独特信息。当前，针对地球上长期被巨厚冰川(盖)覆盖的南极大陆的地球科学问题，科学家们想方设法弄清南极冰下湖的形成演变过程、南极冰下湖对冰盖物质平衡的影响，这些科学问题的解决需要一把钥匙——获取冰下湖水体物化参数的原位检测数据，并直接获取无污染的冰下湖湖水样品。通过无污染钻进取样和观测技术，可以实现对湖水的物理、化学特性及同位素检测：

(1)无污染钻穿冰盖后，对冰下湖水体物化参数(如温度、压力、电导率、 pH)的实时检测，可在人类历史上首次获取冰下湖水体的物化参数，研究冰下湖的水质特征，进而研究冰下湖的形成演变过程；

(2)对获取的冰下湖水体样品进行无机化学成分及同位素组成分析，获取高压、低温、低营养和黑暗环境条件下冰下湖体系的物理、化学、生物作用特征，研究冰下湖湖水来源，进而研究南极冰下湖对冰盖物质平衡的影响。

因此，研制南极冰下湖无污染探测器，实现冰下湖的无污染钻进采样与实时观测，对研究冰下湖的形成机理和演化规律、南极冰盖及冰下湖物质平衡形式、探索新的生命形式具有重要的科学意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种冰下湖无污染探测器测控系统，能够实时采集探测器探测过程中的各种参数，并对探测器的钻进、回收和湖水取样过程进行控制，具体而言，即能够实现对冰下湖湖水多参数测量及水样采集，以及对温度、压力、姿态等探测器状态信息检测以及梯度加热控制、绞车控制。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种冰下湖无污染探测器测控系统，包括电缆、上部加热头、侧壁加热丝、下部加热头、绞车及伺服控制系统、电源管理系统、远程通信系统、加热控制系统、传感器组、主控电路和取样与观测系统，其中，所述电缆为两芯，用于供电与通信，由所述主控电路对绞车及伺服控制系统发指令，控制电缆的回收与释放；所述远程通信系统至少包括冰上载波机和与冰上载波机连接的冰下载波机，所述冰下载波机与所述主控电路连接，通信采用电力线载波通信方式，利用两芯电缆既传输电力又传输信号；所述电源管理系统与所述主控电路连接；所述加热控制系统由所述主控电路控制，对所述上部加热头、侧壁加热丝和下部加热头进行加热控制；所述传感器组至少包括温度传感器组、加速度传感器、姿态传感器和压力传感器，由所述主控电路发送指令给各传感器内置的信号采集电路，信号采集电路返回各传感器的数据给所述主控电路；所述取样与观测系统与所述主控电路连接，在主控电路的控制下对冰下湖水进行取样及观测；所述主控电路通过RS485总线与传感器组中温度传感器组、加速度传感器、姿态传感器和压力传感器、加热控制系统以及取样与观测系统连接，基于Modbus RTU协议进行数据采集和控制。

优选地，所述传感器组还包括张力传感器、电压电流传感器、漏水检测传感器和钻头方位角电子罗盘，分别通过各自的信号采集电路与所述主控电路连接。

优选地，所述主控电路至少包括主控制器；所述电源管理系统包括Vicor 电源模块和电源管理电路；加热控制系统至少包括继电器板；绞车及伺服控制系统至少包括电机驱动器；传感器组还包括融冰孔径测量仪，其中Vicor电源模块向所述电源管理电路和继电器板输送24V电压，电源管理电路将24V转为 5V和3.3V；所述主控制器与电源管理电路连接；所述继电器板和传感器组通过RS485总线与主控制器连接。

优选地，所述取样与观测系统至少包括嵌入式录像机、摄像头和照明灯，照明灯为摄像头拍摄时照明，嵌入式录像机将摄像头拍摄的照片或视频进行存储。

优选地，所述漏水检测传感器为电容式，利用漏液改变电容介电常数的原理实现漏水检测，其输出为模拟量，通过AD方式与所述主控电路连接。

优选地，所述姿态传感器为六轴姿态传感器。

优选地，所述融冰孔径测量仪通过3路AD方式与所述主控制器连接。

优选地，所述冰下载波机和钻头方位角电子罗盘分别通过RS232接口与所述主控制器连接。

优选地，所述电机驱动器通过CAN总线与所述主控制器连接。

优选地，所述姿态传感器通过USART方式与所述主控制器连接。

本发明通过以上设置有益效果至少包括以下几点：

(1)与常规的测控系统相比，本发明为减少测控舱体体积、减少测控舱体接插件的个数、安装方便采用了基于RS485总线结构的分布式控制框架，通信协议使用的分布式Modbus协议，具有模块化、兼容性好的特点。

(2)常规海洋应用的带脐带缆的水下拖体或者缆控水下机器人，对缆的直径没有特别严格的要求，它们的电缆通常是多芯的，其中至少有两芯传输电力，还有别的电芯传输信号。由于南极冰下湖无污染探测器的电缆是内嵌在探测器内的，受到探测器体积限制，就要求电缆要尽量细。因此，本发明采用了电力线载波通信方式，利用两芯电缆既传输电力又传输信号，与常规海洋应用的测控系统采用RS485总线或者CAN通信相比，大大减少了电缆直径，通信距离更远，也解决了信号传输受电力线干扰的问题。

(3)与冰下湖无污染探测器测控系统同样具有耐压、防水需求的是水下拖体、水下钻机等水下应用的测控系统，这些水下应用的测控系统利用液体的导电性检测探测控制系统中有没有漏液。由于冰层融化的水很可能是不良导体，因此常规的利用液体导电性检测漏液的方法不适用于南极冰下湖无污染探测器的漏水检测。本发明采用电容式漏水检测传感器，利用漏液改变电容介电常数的原理巧妙地实现了极地条件下的漏水检测。

附图说明

图1为本发明实施例1的冰下湖无污染探测器测控系统的结构示意图；

图2为本发明实施例1的冰下湖无污染探测器测控系统的原理框图；

图3为本发明实施例2的冰下湖无污染探测器测控系统的原理框图；

图4为本发明实施例3的冰下湖无污染探测器测控系统的原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参见图1、2所示为本实施例1的冰下湖无污染探测器测控系统结构示意图与原理框图，包括电缆100、上部加热头20、侧壁加热丝12、下部加热头10、绞车及伺服控制系统30、电源管理系统40、远程通信系统50、加热控制系统 60、传感器组70、主控电路80和取样与观测系统90，其中，电缆100为两芯，用于供电与通信，由主控电路80对绞车及伺服控制系统30发指令，控制电缆的回收与释放；电源管理系统40与主控电路80连接；远程通信系统50至少包括冰上载波机51和与冰上载波机51连接的冰下载波机52，冰下载波机52与主控电路80连接，通信采用电力线载波通信方式，利用两芯电缆既传输电力又传输信号；加热控制系统60由主控电路80控制，对上部加热头20、侧壁加热丝12和下部加热头10进行加热控制；传感器组70至少包括温度传感器组71、加速度传感器72、姿态传感器73和压力传感器74，其中温度传感器组71包括 8路甚至更多的温度传感器，用于检测冰下湖无污染探测器不同部位的温度，传感器组70由主控电路80发送指令给各传感器内置的信号采集电路，信号采集电路返回各传感器的数据给主控电路80；取样与观测系统90通过RS485总线与主控电路80连接，在主控电路80的控制下对冰下湖水样进行取样及观测。

通过上述设置，两芯电缆100起到收放探测器、供电和通信的作用，主控电路80采集的探测器状态信息由冰下载波机52发送，经过近2500米的两芯电缆100传输至冰上载波机51，再传输到上位机并在监控显示器上显示，使操作人员可以对冰下复杂的环境进行实时监测，亦可对加热控制系统60和取样与观测系统90进行控制。

实施例2

参见图3所示为本实施例2的冰下湖无污染探测器测控系统结构示意图，取样与观测系统90至少包括嵌入式录像机91、摄像头92和照明灯93，照明灯 93为摄像头92拍摄时照明，嵌入式录像机91将摄像头92拍摄的照片或视频进行存储。

这样，便可对冰下湖的情况进行更直观的观测，拍摄的照片或视频结合冰下湖湖水的多参数原位测量，再联合取样到的冰下湖水样，可以获得冰下湖的温度、压力、电导率、pH值等物化参数的无污染检测数据，进而研究冰下湖的形成演变过程以及南极冰下湖对冰盖物质平衡的影响。

实施例3

参见图4所示为本实施例3的冰下湖无污染探测器测控系统结构示意图，传感器组70还包括张力传感器741、电压电流传感器75、漏水检测传感器76 和钻头方位角电子罗盘77，分别通过各自的信号采集电路与主控电路80连接。

所述主控电路至少包括主控制器801，还包括AD采集电路、CAN接口电路、RS485接口电路、RS232接口电路、下载和调试接口等，其中主控制器801 可以采用STM32F103C8T7工业级单片机；电源管理系统40包括Vicor电源模块802和电源管理电路401；加热控制系统60包括继电器板80，来控制上部加热头20、侧壁加热丝12、下部加热头10的加热启停和加热功率；绞车及伺服控制系统30包括电机驱动器804；传感器组70还包括融冰孔径测量仪805，其中Vicor电源模块802向所述电源管理电路401和继电器板803输送24V电压，电源管理电路401将24V转为5V和3.3V；主控制器801与电源管理电路401 连接；继电器板803和传感器组70通过RS485总线与主控制器801连接，使用Modbus RTU协议对张力、压力、电压、电流、多路温度数据进行采集。

具体实施例中，漏水检测传感器76为电容式，利用漏液改变电容介电常数的原理实现漏水检测，其输出为模拟量，通过AD方式与主控制器801连接；姿态传感器73为六轴姿态传感器，通过USART方式与主控制器801连接；融冰孔径测量仪805通过3路AD方式与主控制器801连接；冰下载波机52和钻头方位角电子罗盘77分别通过RS232接口与主控制器801连接；电机驱动器 804通过CAN总线与主控制器801连接。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冰下湖无污染探测器测控系统，其特征在于，包括电缆、上部加热头、侧壁加热丝、下部加热头、绞车及伺服控制系统、电源管理系统、远程通信系统、加热控制系统、传感器组、主控电路和取样与观测系统，其中，所述电缆为两芯，用于供电与通信，由所述主控电路对绞车及伺服控制系统发指令，控制电缆的回收与释放；所述远程通信系统至少包括冰上载波机和与冰上载波机连接的冰下载波机，所述冰下载波机与所述主控电路连接，通信采用电力线载波通信方式，利用两芯电缆既传输电力又传输信号；所述电源管理系统与所述主控电路连接；所述加热控制系统由所述主控电路控制，对所述上部加热头、侧壁加热丝和下部加热头进行加热控制；所述传感器组至少包括温度传感器组、加速度传感器、姿态传感器和压力传感器，由所述主控电路发送指令给各传感器内置的信号采集电路，信号采集电路返回各传感器的数据给所述主控电路；所述取样与观测系统与所述主控电路连接，在主控电路的控制下对冰下湖水进行取样及观测；所述主控电路通过RS485总线与传感器组中温度传感器组、加速度传感器、姿态传感器和压力传感器、加热控制系统以及取样与观测系统连接，基于Modbus RTU协议进行数据采集和控制。

2.如权利要求1所述的冰下湖无污染探测器测控系统，其特征在于，所述传感器组还包括张力传感器、电压电流传感器、漏水检测传感器和钻头方位角电子罗盘，分别通过各自的信号采集电路与所述主控电路连接。

3.如权利要求1所述的冰下湖无污染探测器测控系统，其特征在于，所述主控电路至少包括主控制器；所述电源管理系统包括Vicor电源模块和电源管理电路；加热控制系统至少包括继电器板；绞车及伺服控制系统至少包括电机驱动器；传感器组还包括融冰孔径测量仪，其中Vicor电源模块向所述电源管理电路和继电器板输送24V电压，电源管理电路将24V转为5V和3.3V；所述主控制器与电源管理电路连接；所述继电器板和传感器组通过RS485总线与主控制器连接。

4.如权利要求1所述的冰下湖无污染探测器测控系统，其特征在于，所述取样与观测系统至少包括嵌入式录像机、摄像头和照明灯，照明灯为摄像头拍摄时照明，嵌入式录像机将摄像头拍摄的照片或视频进行存储。

5.如权利要求1所述的冰下湖无污染探测器测控系统，其特征在于，所述漏水检测传感器为电容式，利用漏液改变电容介电常数的原理实现漏水检测，其输出为模拟量，通过AD方式与所述主控电路连接。

6.如权利要求1所述的冰下湖无污染探测器测控系统，其特征在于，所述姿态传感器为六轴姿态传感器。

7.如权利要求3所述的冰下湖无污染探测器测控系统，其特征在于，所述融冰孔径测量仪通过3路AD方式与所述主控制器连接。

8.如权利要求3所述的冰下湖无污染探测器测控系统，其特征在于，所述冰下载波机和钻头方位角电子罗盘分别通过RS232接口与所述主控制器连接。

9.如权利要求3所述的冰下湖无污染探测器测控系统，其特征在于，所述电机驱动器通过CAN总线与所述主控制器连接。

10.如权利要求3所述的冰下湖无污染探测器测控系统，其特征在于，所述姿态传感器通过USART方式与所述主控制器连接。