CN108827687B - 一种基于声波振动的高坝深库沉积物柱芯采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于声波振动的高坝深库沉积物柱芯采集装置，包括声波振动沉积物采集装置主体、采泥模块、触发采样模块；所述声波振动沉积物采集装置主体位于采泥模块内部，采集装置主体由上至下分别为振动电机、采泥模块中间平板、卧式轴承座、止回阀、采样筒；所述采泥模块包括位于振动电机顶部的采泥模块上连接板以及采样筒穿过的采泥模块下连接板；所述触发采样模块整体与振动电机处于同一水平位置，触发采样模块由防水舵机以及与防水舵机输出轴连接的拨杆组成。本发明基于声波振动的高坝深库沉积物柱芯采集装置面向高坝深库复杂条件水体，具有样品保真效果好、采样成功率高、适用性强以及便携简单、费用投入低等优点。

Description

一种基于声波振动的高坝深库沉积物柱芯采集装置

技术领域

本发明属于高坝深库复杂条件下沉积物的采集技术领域，是一种复杂条件下沉积物完整柱芯采样装置，尤其涉及深大水库沉积物声波振动智能采样装置。

背景技术

近年来，随着地球关键带和湿地生态系统相关研究不断深入，对水底沉积物完整柱芯的无扰动、高效原位取样调查的需求日益增长。因此，发明一种高效安全、便携耐用、取样品质高、取样成本低的沉积物采样装置已成为制约水体生态系统沉积物研究的关键技术难题，特别是对于高坝深库水体沉积物的原位采集与监测。传统的沉积物采样方法有蚌式抓斗采泥器、箱式沉积物取样器、重力柱状采样器、压入式和射入式取样器、振动取样器等。声波振动钻进技术的研究始于20世纪40年代，主要应用于石油钻井服务、高速打桩和矿产勘探的连续取样等方面；80年代后，该技术被逐步应用到环境样品的采集，并经过不断改进和多方面的应用试验，声波钻进技术日趋成熟，知名的声波钻进设备制造公司相继出现，如美国的Versa-Drill国际公司、Acker Drill公司、Gus Pech制造公司、加拿大的SonicDrill公司、日本的利根公司等。同时，声波振动技术也在世界范围内得到广泛应用，使用范围也从地质勘探、水文水井钻进、滑坡勘察与治理、地震爆破孔施工等钻探领域逐步扩展到江、河、湖、海沉积物调查、污染取样分析以及古环境古气候地理研究取样等领域，极大地促进了沉积物方面的物质地球化学循环、污染控制与治理及古沉积学科的发展。

目前，对于深大水库沉积物完整柱芯的原位采集难度较大，传统底泥采样方法存在如下不足：1)传统方法易受风浪水流、水位高程、底质类型等影响，加之样品回收过程容易出现脱落现象，造成采样效率低；2)传统方法难以实时观测水下地形及底质情况，依靠重力采样将势必造成沉积物表层受到扰动，进而破坏沉积物原有的层理结构；3)现有的声波振动沉积物采集装置最大只能采集水深为60m的底泥柱芯样品，并且需要搭建钻探平台，这将严重限制了进一步推进对深大水库(高达300m)与海岸河口沉积物的相关研究；4)传统方法智能化水平不足，采样过程需要多人同时配合、操作程序复杂、采样风险高，致使样品采集成本和科研投入增加。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于声波振动的高坝深库沉积物柱芯采集装置，该声波振动沉积物采集装置面向高坝深库复杂条件水体(水深不一、底质多样、水动力多变等)，针对传统采样方法的不足，本发明是一种具有样品保真效果好、采样成功率高、适用性强以及便携简单、费用投入低等于一体的基于声波振动的高坝深库完整沉积物柱芯智能采集装置。

技术方案：为了实现上述目的，如本发明所述的一种基于声波振动的高坝深库沉积物柱芯采集装置，包括声波振动沉积物采集装置主体、采泥模块、触发采样模块；所述声波振动沉积物采集装置主体位于采泥模块内部，采集装置主体由上至下分别为振动电机、采泥模块中间平板、卧式轴承座、止回阀、采样筒；所述采泥模块包括位于振动电机顶部的采泥模块上连接板以及采样筒穿过的采泥模块下连接板；所述触发采样模块整体与振动电机处于同一水平位置，触发采样模块由防水舵机以及与防水舵机输出轴连接的拨杆组成。

其中，所述振动电机外设置有振动电机密封舱。振动电机的能量来源为48伏特的锂电池，考虑到防水耐压问题，振动电机密封舱、进出线接口均做专门的水密封处理，密封舱及水密接头的耐压性能可以实现装置在350m水深范围内进行作业。

其中，所述卧式轴承座带有不锈钢轴承，在采样过程中可实现轻微回旋作用；卧式轴承座与连接件Ⅰ的上端连接，连接件Ⅰ的下端与止回阀连接。整个声波振动沉积物采集装置的低速回转作用由卧式轴承座来实现。在采样过程中，轴承围绕平衡点进行轻微回旋运动，与轴承相连的采样主体部分在这种回旋力的作用下，能够轻松采集带泥沙的沉积物。

其中，所述止回阀与采样筒中间设置有连接件II。

作为优选，所述连接件Ⅰ与连接件II都是中空结构，且连接件Ⅰ侧边设有若干个孔用于排气及出水。

进一步地，连接件Ⅰ主要是内部带有螺纹的不锈钢接头，其主要功能是用来连接带有同样规格的有机玻璃采样筒，确保采样筒内能够保持真空状态，避免由于采样筒内水柱及泥柱的重力作用而出现滑脱现象。

连接件II主要是用来连接止回阀和与振动电机相连的卧式轴承座，从而实现振动电机驱动采样筒按一定频率钻向底泥。

其中，所述采泥模块上连接板与采泥模块下连接板之间设置有套有直线轴承的支撑轴作为采泥器的导向机架，用于保证采样筒能够垂直地插入沉积物中。

进一步地，所述触发采样模块上还设置有防止采样部分下落的挡片。挡片主要是在初始状态防止整个声波振动采泥器下落的挡片。挡片通过挡片安装轴与采泥模块上连接板和采泥模块下连接板固定。

触发采样模块中选择防水舵机来实现采集装置的触发，防水舵机通过法兰盘与采泥模块上连接板固定连接，主要是通过脉冲宽度调制技术来进行定位及调速。首先发送脉冲个数或频率给安装在振动电机密封舱内的控制电路，由控制电路驱动直流电机进行相应动作，并通过控制舵机输出轴的角度位移量、速度和加速度来确保舵机准确释放采集装置的触发机关。

作为优选，所述止回阀包括阀芯、套在阀芯上的压簧、自制可活动的铝质挡板以及止回阀关闭时实现铝质挡板完全密封的密封圈。止回阀设计实现了排气和负压封口作用，包括阀芯、根据套在阀芯上的压簧(压簧的弹力大小选择是根据铝制挡板在水体运动的作用力、自身重力和采样筒负压吸力综合计算而得到，最终目标是实现向下采样过程中采样筒顺畅排水、排气，并且结束采样并回收样品时实现阀门关闭时即挡板通过密封圈完全密闭。此外挡板重量十分重要，不能过重否则水体顶托作用很难打开挡板，从而排水和排气不顺畅，容易使采样筒有空气，进而产生液位差；挡板过轻水体的向下阻力不够大，挡板可能会封闭不严实)，根据压簧的蓄力和水体上顶作用对挡板的浮力大小而确定的铝质挡板、以及止回阀关闭时实现挡板完全密封的密封圈等组件，使得向下采样过程中，水体上顶对挡板的向上作用力和弹簧对挡板的反作用力共同影响，活动挡板在水体上顶作用力下挡板被打开即阀门打开，通过与止回阀相接的连接件II进行快速有效的排水，进而降低由于排水不畅而造成采样筒内形成负压而出现液面差，避免采集装置回收过程中由于水深降低引发压力降低而导致采样筒中的沉积物柱样发生脱落。结束采样并回收样品时水体下顶对挡板的向下阻力及弹簧蓄力共同叠加，确保挡板在装置回收过程中一直处于完全密闭状态即阀门关闭，由于采样筒排水顺畅而使得筒柱上覆水体填充完全并形成完整的负压状态，从而确保采样筒中采集到的沉积物样品不会因重力作用大于采样筒中负压而出现脱漏等现象。

作为优选，所述振动电机的振动头产生的振动频率为50～185Hz，转速100～200rpm。振动电机主要组成设备是振动头，它能利用高频振动和低速回转作用，再加上向下的压力，使钻柱不断向沉积物中推进。振动头产生的振动频率通常为50～185Hz，转速100～200rpm。当振动与钻柱的自然谐振频率叠合时，就好产生共振，此时钻柱的作用就像飞轮或弹簧一样，把极大的能量直接传递给钻头。因此，声波振动可以在深水或激流等非常规水动力及底质类型复杂环境中，通过旋动调速器，可以调节振动电机振动频率的大小。选择适当的激振力以及频率，高效地获取不受干扰、样品无污染、无变形、样品采集连续完整的原位沉积物柱芯样品。

进一步地，所述声波振动沉积物采集装置主体搭载水下高清摄像系统和装置平衡系统，并且整个采集装置配备有水上智能控制系统。

采集装置水下高清摄像头安装在采泥模块下连接板，并用防水密闭保护舱室以防止进水或被其他物体损坏。采集装置的平衡系统是通过采集装置两侧的平衡羽翼、推进器，促使采集装置在前后左右方向上发生位移，并最终由平衡陀螺仪来进一步确认采样装置是否处于平衡状态。

整个装置利用脐带缆来连接水上智能控制系统和沉积物采集装置，进而通过树莓派3B+来控制水下视频的实时监测传输和操控Arduino Mega2560软件的中转处理过程。整个采集装置通过高频声波振动钻机在水底作业，更换50cm～200cm不同采样筒，可以取得不同深度的水底沉积物样本，水下作业深度可高达350m，最大程度地满足了不同学科对沉积物研究的不同需求。

工作原理：在进行样品采集前，借助水下高清摄像机和采样装置平衡系统，遥控水上部操作面板来初步分析水下地形及底质类型，选择最佳的采样点位。当声波振动沉积物采样装置平稳接触底泥后，通过水上智能控制系统发送控制信号给防水舵机，防水舵机输出轴上的拨杆执行旋转动作，拨开挡片，声波振动沉积物采集装置在重力作用下向下降落。当采样筒不再继续往下移动时，通过水上控制智能系统发送控制信号给控制电路，从而启动振动电机，调节声波振动沉积物采集装置保持在低频率档位，确保声波振动沉积物采集装置以较低的振动频率开始工作。随着采样深度的增加，沉积物采集装置还未到达预订采样深度，且不再往沉积物中向下移动时，进一步调节声波振动沉积物采集装置至较高档位，提高振动电机的振动频率，推动采样筒在沉积物中继续向下钻取。如果声波振动沉积物采集装置在较高档位运行条件下，采样筒在5s内未发生矢量向下的位移，表明遇到硬质底泥，控制电路会自动停止振动以防声波振动沉积物采集装置被损坏。在高振动速率驱动下，当沉积物采集装置中采样筒到达最大采样限位时，水上控制智能系统发送结束命令给控制电路，从而关门振动电机，完成沉积物柱芯的水下采集工作，向下采样过程中，活动挡板在水体上顶作用力下挡板被打开即阀门打开，通过与止回阀相接的连接件II进行快速有效的排水，进而降低由于排水、排气不畅而造成采样筒内形成负压而出现液位差，避免采集装置回收过程中由于水深降低引发压力降低而导致采样筒中的沉积物柱样发生脱落。结束采样并回收样品时挡板通过密封圈完全密闭即阀门关闭，由于采样筒排水顺畅而使得筒柱上覆水体填充完全并形成完整的负压状态，从而确保采样筒中采集到的沉积物样品不会因重力作用大于采样筒中负压吸力而出现脱漏等现象。沉积物柱芯采集结束后，将声波振动沉积物采集装置逐步回收至水上操作平台，获取原位完整的沉积物柱芯样品，从而完成整个采样过程。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)样品保真效果好：本发明的装置利用振动电机产生的高频声波振动，采样过程中无扰动、无压缩地使沉积物保持原始结构和厚度；高频声波振动钻进可在覆盖层和软基岩中实现样品采集连续完整，有效保持沉积物柱芯样品的原位状态。

2)装置适用性强：本发明的装置通过搭载水下高清摄像机实时观察水下地形，高精度压力传感器在线分析装置进入水体的深度，装置平衡系统有效维持装置在复杂水动力条件下保持平稳移动。多频声波振动使得筒体根据所采集的底质类型，围绕平衡点进行变速回旋运动，能够轻松原位采集到不同底质类型的沉积物柱芯样品；通过调节振动电机的振动频率，有效避免因采样筒遇到硬质沉积物而造成采样装置被损坏。其次，设计的振动电机密封舱承受水压可达350m水深，实现了可在不同水深条件下进行样品采集，这些优点极大地提高了采样装置在复杂条件水体中沉积物样品采集的成功率。

3)样品采集成功率高：采样筒体顶部设有排气排水及密封装置，有助于收集粘粉质沉积物；利用负压实现封口，防止较柔软的沉积物样品脱落，此外，本发明的装置中特有的止回阀设计实现了排气和负压封口作用，使得向下采样过程中，阀门打开，通过对止回阀连接件II的中空开孔进行有效的排水；结束采样并回收样品时阀门关闭，筒柱中填充完整的水柱而形成负压状态，有效避免采样筒中采集到的沉积物不会因重力作用大于采样筒的负压吸力出现脱漏等现象；样品成功率可高达98％。

4)便携简单，费用低廉：本发明的装置模块化组装，构造简单，可单人轻松操作；振动电机动力来源使用48伏特以下的安全电压，取样过程操作人员无需接触振动头，无论在深水或浅水环境下作业没有任何安全隐患。

总体来说，本发明的研发了一种具备水下地形高清观测、无扰动采集沉积物柱芯、样品保真效果好、采样成功率高、适用性强以及便携简单、费用投入低等于一体的高坝深库完整沉积物柱芯智能采集装置。与传统方法相比，其优点包括1)真正无扰动取样，样品无污染；2)沉积物柱芯样品采集成功率高，样品质量完全满足工程和科研用途；3)声波振动钻头在做好水密封前提下，可以下潜深达350m深处进行采样，且采样效率是传统方式的20倍以上；4)声波振动钻头抗干扰能力强，操作人员可通过水上部操作面板遥控沉积物采集装置在深水、激流或复杂底质条件下完成样品采集；5)实现便携安全、操作简单。本发明有效地克服了高坝深库样品采集的重大技术难点，极大地改进了传统方法采样成功率低、沉积物易破坏、偏离样品原位真实情况、数据匹配性差和沉积物时空分异大等不足与缺点，瞄准了当下国家对流域水电及近海资源开发利用的战略需求，进一步助力国家“生态文明”建设的发展。

附图说明

图1是本发明声波振动沉积物柱芯采集装置的结构示意图；

图2是止回阀的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1-2所示，一种基于声波振动的高坝深库沉积物柱芯采集装置，包括声波振动沉积物采集装置主体、采泥模块、触发采样模块；声波振动沉积物采集装置主体位于采泥模块内部，采集装置主体由上至下分别为振动电机1、采泥模块中间平板2、卧式轴承座3、止回阀4、采样筒5，振动电机1外设置有振动电机密封舱10，振动电机1的振动头产生的振动频率为50～185Hz，转速100～200rpm，振动电机密封舱10以及振动电机1安装在采泥模块中间平板2上表面，卧式轴承座3安装在其下表面，卧式轴承座3带有不锈钢轴承，在采样过程中可实现轻微回旋作用；卧式轴承座3与连接件Ⅰ11的上端连接，连接件Ⅰ11的下端与止回阀4通过管螺纹连接，止回阀4与采样筒5中间设置有连接件II12，连接件II12上、下两端都是通过管螺纹分别与止回阀11、采样筒5进行连接，连接件Ⅰ11与连接件II12都是中空结构，且连接件Ⅰ11侧边设有若干个开孔用于排气及出水；止回阀4包括阀芯4-1、套在阀芯上的压簧4-2、活动铝质挡板4-3以及实现挡板完全密闭的密封圈4-4。

采泥模块包括位于振动电机1顶部的采泥模块上连接板6以及采样筒5穿过的采泥模块下连接板7，采泥模块上连接板6与采泥模块下连接板7之间设置有三根套有直线轴承13的支撑轴14作为采泥器的导向机架，用于保证采样筒5能够垂直地插入沉积物中。

触发采样模块整体与振动电机1处于同一水平位置，一般位于振动电机1的后面，触发采样模块由防水舵机8以及与防水舵机8输出轴连接的拨杆9组成，触发采样模块上还设置有防止声波振动沉积物采集装置下落的挡片15，挡片15通过挡片安装轴16与采泥模块上连接板6和采泥模块下7连接板固定，防水舵机8通过法兰盘17与采泥模块上连接板6固定连接。触发采样模块中选择防水舵机8来实现采集装置的触发，主要是通过脉冲宽度调制技术来进行定位及调速。首先发送脉冲个数或频率给安装在振动电机1的密封舱10内的控制电路，由控制电路驱动直流电机进行相应动作，并通过控制舵机输出轴的角度位移量、速度和加速度来确保舵机准确释放采集装置的触发机关。

声波振动沉积物采集装置主体搭载水下高清摄像系统，如水下高清摄像机(水下图像分辨率不低于1920×1080像素)和装置平衡系统，并且整个采集装置配备有水上智能控制系统，包括水上部控制面板。整个装置利用脐带缆来连接水上智能控制系统和沉积物采集装置，进而通过树莓派3B+来控制水下视频的实时监测传输和操控Arduino Mega2560软件的中转处理过程。整个采集装置通过高频声波振动钻机在水底作业，更换50cm～200cm不同采样筒，可以取得不同深度的水底沉积物样本，水下作业深度可高达350m，最大程度地满足了不同学科对沉积物研究的不同需求。

在进行样品采集前，借助水下高清摄像机和采样装置平衡系统，遥控水上部操作面板来初步分析水下地形及底质类型，为选择最佳的采样点位提供实时高清的证据。采集装置水下高清摄像头安装在采泥模块下连接板7，并用防水密闭保护舱室以防止进水或被其他物体损坏。采集装置的平衡系统是通过采集装置两侧的平衡羽翼、推进器，促使采集装置在前后左右方向上发生位移，并最终由平衡陀螺仪来进一步确认采样装置是否处于平衡状态。

当声波振动沉积物采样装置平稳接触底泥后，通过水上部控制面板发送控制信号给防水舵机8，防水舵机8输出轴上的拨杆9执行旋转动作，拨开挡片15，声波振动沉积物采集装置重力作用下向下降落。当采样筒5不再继续往下移动时，通过水上控制智能系统发送控制信号给密封舱10内的控制电路从而启动振动电机1，调节声波振动沉积物采集装置保持在低频率档位，确保声波振动沉积物采集装置以较低的振动频率开始工作。随着采样深度的增加，沉积物采集装置还未到达预订采样深度，且不再往沉积物中向下移动，调节声波振动沉积物采集装置至较高档位，提高振动电机1的振动频率，推动采样筒5继续向下钻取沉积物样品。如果声波振动沉积物采集装置在较高档位运行条件下，采样筒5在5s内未发生矢量向下的位移，表明遇到硬质底质，控制电路会自动停止振动以防声波振动沉积物采集装置被损坏。在高振动速率驱动下，当沉积物采集装置中采样筒5到达最大采样限位时，水上控制智能系统发送结束命令给控制电路，从而关门振动电机1，完成沉积物柱芯的水下采集工作。向下采样过程中，活动挡板4-3在水体上顶作用力下挡板4-3打开即阀门打开，通过与止回阀相接的连接件II12进行快速有效的排水、排气，进而降低由于排水不畅而造成采样筒5内形成负压而出现液位差，避免采集装置回收过程中由于水深降低引发压力降低而导致采样筒5中的沉积物柱样发生脱落。结束采样并回收样品时水体下顶对挡板的向下阻力及弹簧蓄力共同叠加作用下，确保挡板4-3完全密闭即阀门关闭，活动铝质挡板4-3和密封圈4-4实现挡板完全密闭，由于采样筒5排水顺畅而使得筒柱上覆水体填充完全并形成完整的负压状态，从而确保采样筒中采集到的沉积物样品不会因重力作用大于采样筒5中负压吸力而出现脱漏等现象。沉积物样品采集结束后，将声波振动沉积物采集装置逐步回收至水上操作平台，获取原位完整的沉积物柱芯样品，至此完成整个采样过程。

Claims (5)

1.一种基于声波振动的高坝深库沉积物柱芯采集装置，其特征在于，包括声波振动沉积物采集装置主体、采泥模块、触发采样模块；所述声波振动沉积物采集装置主体位于采泥模块内部，声波振动沉积物采集装置主体由上至下分别为振动电机(1)、采泥模块中间平板(2)、卧式轴承座(3)、止回阀(4)、采样筒(5)；所述采泥模块包括位于振动电机(1)顶部的采泥模块上连接板(6)以及采样筒(5)穿过的采泥模块下连接板(7)；所述触发采样模块整体与振动电机(1)处于同一水平位置，触发采样模块由防水舵机(8)以及与防水舵机(8)输出轴连接的拨杆(9)组成；

其中，所述卧式轴承座(3)带有不锈钢轴承，在采样过程中可实现轻微回旋作用；卧式轴承座(3)与连接件Ⅰ(11)的上端连接，连接件Ⅰ(11)的下端与止回阀(4)连接，整个声波振动沉积物采集装置的低速回转作用由卧式轴承座(3)来实现；

所述止回阀(4)与采样筒(5)中间设置有连接件Ⅱ(12)；所述连接件Ⅰ(11)与连接件Ⅱ(12)都是中空结构，且连接件Ⅰ(11)侧边设有若干个孔用于排气及出水；连接件Ⅱ(12)用来连接止回阀(4)和与振动电机(1)相连的卧式轴承座(3)，从而实现振动电机(1)驱动采样筒(5)按一定频率钻向底泥；所述振动电机(1)外设置有振动电机密封舱(10)；所述振动电机(1)的振动头产生的振动频率为50～185Hz，转速100～200rpm。

2.根据权利要求1所述的基于声波振动的高坝深库沉积物柱芯采集装置，其特征在于，所述采泥模块上连接板(6)与采泥模块下连接板(7)之间设置有套有直线轴承(13)的支撑轴(14)作为采集装置导向机架。

3.根据权利要求1所述的基于声波振动的高坝深库沉积物柱芯采集装置，其特征在于，所述触发采样模块上还设置有防止采样部分下落的挡片(15)。

4.根据权利要求1所述的基于声波振动的高坝深库沉积物柱芯采集装置，其特征在于，所述止回阀(4)的阀体内部包括阀芯(4-1)、套在阀芯上的压簧(4-2)、可活动的挡板(4-3)以及止回阀关闭时实现挡板完全密封的密封圈(4-4)。

5.根据权利要求1所述的基于声波振动的高坝深库沉积物柱芯采集装置，其特征在于，所述声波振动沉积物采集装置主体搭载水下高清摄像系统和装置平衡系统，并且整个采集装置配备有水上智能控制系统。