CN109163923A - 一种深海沉积物无人无缆取样装置及其取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海沉积物无人无缆取样装置及其取样方法。深海水下机器人造价昂贵，取样时间长。本发明装夹压铁可以快速下降，投放位置准确，振动电机使得取样管扎入更深；取样管完毕后，压铁抛掷，若取样管没有被海底沉积物卡住，在浮力作用下取样装置可以从沉积物中拔出快速上升；若取样管被海底沉积物卡住，主控制器检测到加速度传感器和计时器的信号，控制采样系统抛载装置抛掉采样系统，浮力系统自动上浮。本发明即使取样管被海底沉积物卡住，也能回收浮力系统，制造成本低，采样速度快，适合大洋科学调查的海底沉积物采样。

Description

一种深海沉积物无人无缆取样装置及其取样方法

技术领域

本发明涉及一种在海洋科学、海洋地质学中的海底取样器，具体涉及一种能自动完成下潜、采样、上浮的深海沉积物无人无缆取样装置及其取样方法。

背景技术

随着海洋开发和海洋技术的发展，我国有多艘海洋科考船在世界各大洋进行科考工作，很多时候需要采取海底沉积物，进行科学研究，在深海区域多是由水下机器人完成，但是深海水下机器人造价昂贵，取样时间长，需要新型低成本设备进行快速大量的取样。

发明内容

本发明针对现有深海海底取样器的缺点，提出一种快速、自动取样的深海沉积物无人无缆取样装置及其取样方法，该装置制造成本低，采样速度快，适合大洋科学调查的海底沉积物采样。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明一种深海沉积物无人无缆取样装置，包括浮力系统和采样系统；浮力系统设置在采样系统上方；所述的浮力系统包括起吊扣、GPS信号仪、浮体、稳定翼、主控制器、电池组、采样系统抛载装置、压铁抛载装置和压铁。起吊扣和GPS信号仪固定在浮体顶部；所述的稳定翼固定在浮体侧部；所述的主控制器、电池组、采样系统抛载装置、压铁抛载装置和压铁设置在浮体底部；主控制器控制采样系统抛载装置实现采样系统的松夹，并控制压铁抛载装置实现压铁的松夹。

所述的采样系统由壳体、电池、振动电机和取样管组成；壳体由采样系统抛载装置夹持；电池为振动电机供电；振动电机的底座固定在壳体上；取样管可拆卸连接在壳体底部；主控制器中集成加速度传感器、陀螺仪和计时器，并控制振动电机的启停和振动时间。

所述浮体的横截面和纵截面均呈流线型。

该深海沉积物无人无缆取样装置的取样方法，具体如下：

(1)在压铁抛载装置上装夹压铁，在采样系统抛载装置上装夹采样系统，完成取样装置组装。

(2)母船行驶至取样目标海域，启动GPS信号仪、主控制器、采样控制器，将取样装置放入海中；

(3)由于装夹压铁后的取样装置平均密度大于海水密度而下降，取样管扎入海底沉积层，此时加速度传感器采集到取样管扎入土壤的冲击信号，控制器发出信号振动电机开始振动，计时器开始计时，振动电机使得取样器周围土壤发生振动液化，使取样管扎入更深；

(4)当计时器达到第一设定值时，主控制器发出信号，振动电机停止振动，压铁抛载装置抛载压铁，由于抛载压铁后的取样装置平均密度小于海水密度，若陀螺仪有速度读数，则取样管没有被海底沉积物卡住，在浮力作用下取样装置从沉积物中拔出上升；若陀螺仪没有速度读数，且计时器计时达到第二设定值时，主控制器再判断陀螺仪读数：当陀螺仪有速度读数时，则完成采样和上浮动作，主控制器停止工作；当陀螺仪没有速度读数，主控制器发出信号控制振动电机继续振动，使得取样器周围土壤发生震动液化以降低取样管拔出的阻力；然后在计时器达到第三设定值时，振动电机停止振动；计时器计时达到第四设定值时，主控制器再次读取陀螺仪读数，若陀螺仪有速度读数，完成采样和上浮动作，主控制器停止工作；若陀螺仪依然没有速度读数，则取样管被海底沉积物卡住，无法上浮，主控制器控制采样系统抛载装置抛掉采样系统，浮力系统自动上浮。

(5)取样装置浮出水面，GPS信号仪发出信号，母船确定取样装置位置，并打捞回收取样装置，完成取样。

本发明实现无人、无缆对深海沉积物进行取样，装夹压铁可以快速下降，投放位置准确，振动电机使得取样管扎入更深；取样管完毕后，压铁抛掷，若取样管没有被海底沉积物卡住，在浮力作用下取样装置可以从沉积物中拔出快速上升；若取样管被海底沉积物卡住，主控制器检测到加速度传感器和计时器的信号，控制采样系统抛载装置抛掉采样系统，浮力系统自动上浮。可见，即使取样管被海底沉积物卡住，本发明也能回收浮力系统，制造成本低，采样速度快，适合大洋科学调查的海底沉积物采样。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中采样系统结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种深海沉积物无人无缆取样装置，包括浮力系统和采样系统10；浮力系统在上方，采样系统在下方，确保浮心在重心之上；浮力系统完成整个装置的下潜、采样与上浮操作，包括起吊扣1、GPS信号仪2、浮体3、稳定翼4、主控制器5、电池组6、采样系统抛载装置7、压铁抛载装置8和压铁9。起吊扣1和GPS信号仪2固定在浮体3顶部，起吊扣1是整个装置起吊和回收的挂载装置，GPS信号仪2的功能是当取样完毕浮出海面后发出信号，指引母船来打捞，浮体3的功能是为整个装置提供浮力；浮体3的横截面和纵截面均呈流线型，在水平方向和铅垂方向阻力系数均很小，可以快速上下、水平运动。稳定翼4固定在浮体3侧部，功能是能很好地保持投放位置，确保不被海流冲走偏离投放位置太多；主控制器5、电池组6、采样系统抛载装置7、压铁抛载装置8和压铁9设置在浮体3底部；主控制器5的功能是控制采样系统抛载装置7在采样系统出现卡死状况时将采样系统抛载，以及控制压铁抛载装置8将压铁9抛掉；采样系统抛载装置7实现采样系统的松夹，压铁抛载装置8实现压铁9的松夹；压铁9的功能是为整个装置提供下沉的重力，使得整个装置具有一定的负浮力。采样系统抛载装置7和压铁抛载装置8均采用现有技术，两者可以是同样的结构，比如采用王璇等在中国船舶科学研究中心发表的论文“一种水下固体抛载装置的设计”中的抛载装置。

采样系统10由壳体、电池10-1、振动电机10-2和取样管10-3组成；壳体由采样系统抛载装置夹持；电池10-1的功能是为振动电机10-3供电；振动电机10-2的底座固定在壳体上；振动电机10-2的功能是驱动取样管10-3使得取样管插入和拔出的时候振动，从而使得海底沉积物发生振动，降低取样管插入和拔出的阻力；取样管10-3可拆卸连接(如通过螺栓固定)在壳体底部；取样管10-3的功能是提取海底沉积物样本，可以根据不同的取样要求更换取样管；主控制器5中集成有加速度传感器、陀螺仪和计时器，并控制振动电机10-2的振动启停和振动时间。

该深海沉积物无人无缆取样装置的取样方法，具体如下：

(1)在压铁抛载装置8上装夹压铁，在采样系统抛载装置7上装夹采样系统，完成取样装置组装。

(2)母船行驶至取样目标海域，启动GPS信号仪2、主控制器5、采样控制器10-1，将取样装置放入海中；

(3)由于装夹压铁后的取样装置平均密度大于海水密度，在惯性和重力作用下，可以快速下降，取样管扎入海底沉积层过程中，此时加速度传感器采集到取样管扎入土壤的冲击信号，控制器发出信号振动电机10-3开始振动，计时器开始计时，振动电机10-3使得取样器10-4周围土壤发生振动液化，使取样管扎入更深；

(4)当计时器达到第一设定值(本实施例中为2分种)时，主控制器5发出信号，振动电机停止振动，压铁抛载装置8抛载压铁9，由于抛载压铁后的取样装置平均密度小于海水密度，若陀螺仪有速度读数，取样管没有被海底沉积物卡住，在浮力作用下取样装置从沉积物中拔出快速上升；若陀螺仪没有速度读数，且计时器计时达到第二设定值(本实施例中为15分钟)时，主控制器5再判断陀螺仪读数：当陀螺仪有速度读数时，说明取样器已经脱离海底土壤，完成采样和上浮动作，主控制器停止工作；当陀螺仪没有速度读数，主控制器5发出信号控制振动电机继续振动，使得取样器周围土壤发生震动液化以降低取样管拔出的阻力；然后在计时器达到第三设定值(本实施例中为20分钟)时，振动电机停止振动；计时器计时达到第四设定值(本实施例中为30分钟)时，主控制器再次读取陀螺仪读数，若陀螺仪有速度读数，说明已经上浮，完成采样和上浮动作，主控制器停止工作；若陀螺仪依然没有速度读数，则说明取样管被海底沉积物卡住，无法上浮，主控制器5控制采样系统抛载装置7抛掉采样系统，浮力系统自动上浮。

(5)取样装置浮出水面，GPS信号仪2发出信号，母船确定取样装置位置，并打捞回收取样装置，完成取样。

Claims (3)

1.一种深海沉积物无人无缆取样装置，包括浮力系统和采样系统；浮力系统设置在采样系统上方；其特征在于：所述的浮力系统包括起吊扣、GPS信号仪、浮体、稳定翼、主控制器、电池组、采样系统抛载装置、压铁抛载装置和压铁；起吊扣和GPS信号仪固定在浮体顶部；所述的稳定翼固定在浮体侧部；所述的主控制器、电池组、采样系统抛载装置、压铁抛载装置和压铁设置在浮体底部；主控制器控制采样系统抛载装置实现采样系统的松夹，并控制压铁抛载装置实现压铁的松夹；

所述的采样系统由壳体、电池、振动电机和取样管组成；壳体由采样系统抛载装置夹持；电池为振动电机供电；振动电机的底座固定在壳体上；取样管可拆卸连接在壳体底部；主控制器中集成加速度传感器、陀螺仪和计时器，并控制振动电机的启停和振动时间。

2.根据权利要求1所述的一种深海沉积物无人无缆取样装置，其特征在于：所述浮体的横截面和纵截面均呈流线型。

3.根据权利要求1或2所述的一种深海沉积物无人无缆取样装置的取样方法，其特征在于：该方法具体如下：

(1)在压铁抛载装置上装夹压铁，在采样系统抛载装置上装夹采样系统，完成取样装置组装；

(2)母船行驶至取样目标海域，启动GPS信号仪、主控制器、采样控制器，将取样装置放入海中；

(3)由于装夹压铁后的取样装置平均密度大于海水密度而下降，取样管扎入海底沉积层，此时加速度传感器采集到取样管扎入土壤的冲击信号，控制器发出信号振动电机开始振动，计时器开始计时，振动电机使得取样器周围土壤发生振动液化，使取样管扎入更深；

(4)当计时器达到第一设定值时，主控制器发出信号，振动电机停止振动，压铁抛载装置抛载压铁，由于抛载压铁后的取样装置平均密度小于海水密度，若陀螺仪有速度读数，则取样管没有被海底沉积物卡住，在浮力作用下取样装置从沉积物中拔出上升；若陀螺仪没有速度读数，且计时器计时达到第二设定值时，主控制器再判断陀螺仪读数：当陀螺仪有速度读数时，则完成采样和上浮动作，主控制器停止工作；当陀螺仪没有速度读数，主控制器发出信号控制振动电机继续振动，使得取样器周围土壤发生震动液化以降低取样管拔出的阻力；然后在计时器达到第三设定值时，振动电机停止振动；计时器计时达到第四设定值时，主控制器再次读取陀螺仪读数，若陀螺仪有速度读数，完成采样和上浮动作，主控制器停止工作；若陀螺仪依然没有速度读数，则取样管被海底沉积物卡住，无法上浮，主控制器控制采样系统抛载装置抛掉采样系统，浮力系统自动上浮；

(5)取样装置浮出水面，GPS信号仪发出信号，母船确定取样装置位置，并打捞回收取样装置，完成取样。