CN109878639A - 模块化定点剖面浮标 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋环境监测领域，具体地说是一种模块化定点剖面浮标，包括依次连接且内部相互独立的传感器模块、浮力材模块、电控模块、浮力驱动模块和电源模块，在所述电源模块一侧设有应急抛载模块，在所述电源模块下端设有锚系模块，所述浮力驱动模块内部设有浮力调节机构，所述浮力调节机构包括通过隔离膜隔开的浮力调节清水舱和浮力调节海水舱，所述浮力调节清水舱内设有清水以及可往复移动的活塞，所述浮力调节海水舱上设有通孔，另外所述浮力驱动模块的壳体下端设有多个镂空孔。本发明包括多个独立的模块单元，能够满足不同作业要求，且浮力调节结构简单，大大降低浮标成本，另外还设有带卸力环的锚系模块实现长期定点监测。
Description
技术领域
本发明涉及海洋环境监测领域，具体地说是一种模块化定点剖面浮标。
背景技术
海洋是地球上最大的资源宝库，目前海洋科技已经成为现代科学技术发展的重要领域，海洋环境物理参数传感器检测技术是对海水温度、盐度、深度、浊度等进行检测的关键技术，而海洋潜浮标系统是应用海洋传感器检测技术的综合性设备平台，同时也是构成全天候海洋环境立体观测系统不可或缺的组成部分。我国具有大陆海岸线约1.8万公里，然而目前能够对海岸线内浅海域进行海洋环境监测的设备还相当匮乏，尤其缺少能够实现长时间、浅海域、定点监测的剖面浮标设备，这也导致我国近海浅海域只能依靠传统的监测方法进行监测，不仅人力和物力耗费较大，而且还无法准确、长期、连续的对浅海域海洋环境状况资料进行统计。
另外目前世界范围内广泛应用的剖面浮标壳体都是采用一体化设计，浮标设计完成后，其结构功能和应用场景就确定固化，在很大程度上限制了浮标功能的多样性，并且一旦浮标出现故障，维修和再升级也十分不便，而且其浮力调节方式大多采用外加油囊改变自身排水体积来实现浮标的上浮和下潜，此方式对油囊的加工工艺要求非常高，从而使浮标的造价昂贵，再者现有技术中的剖面浮标都是自行随海浪和海流漂泊作业，无法对特定海洋区域范围进行长时间的作业。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模块化定点剖面浮标，包括多个独立的模块单元，能够满足不同作业要求，并且利用设有活塞的浮力调节清水舱和隔离膜驱动浮力调节海水舱吸排水，进而驱动浮标上浮或下潜，浮力调节结构简单，大大降低浮标成本，另外还设有带卸力环的锚系模块实现长期定点监测。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种模块化定点剖面浮标，包括依次连接且内部相互独立的传感器模块、浮力材模块、电控模块、浮力驱动模块和电源模块，在所述电源模块一侧设有应急抛载模块，在所述电源模块下端设有锚系模块，所述浮力驱动模块内部设有浮力调节机构，所述浮力调节机构包括通过隔离膜隔开的浮力调节清水仓和浮力调节海水仓，所述浮力调节清水舱内设有清水以及可往复移动的活塞，所述浮力调节海水舱上设有通孔，另外所述浮力驱动模块的壳体下端设有多个镂空孔。
所述浮力调节机构包括驱动装置、滚珠丝杠和螺母座，其中滚珠丝杠通过所述驱动装置驱动旋转，螺母座内设有螺母套装于所述滚珠丝杠上，所述活塞通过所述螺母座带动移动。
所述浮力驱动模块包括壳体、上端盖和下端盖，在所述壳体内设有上支撑盘和下支撑盘，所述驱动装置设置于所述上端盖和上支撑盘之间，所述滚珠丝杠和螺母座设置于所述上支撑盘和下支撑盘之间，所述活塞上侧设有活塞套管穿过所述下支撑盘后与所述螺母座固连，且所述活塞套管穿过下支撑盘后套设于所述滚珠丝杠下部，所述浮力调节清水舱设置于所述下支撑盘与下端盖之间，在所述下端盖下侧设有所述浮力调节海水舱。
在所述上端盖和下端盖之间设有多个支撑杆，所述上支撑盘和下支撑盘均固装于所述支撑杆上，在所述上支撑盘和下支撑盘之间设有位移传感器，所述螺母座外侧设有导向板，且所述导向板一端与任一支撑杆滑动连接，另一端与所述位移传感器相连。
所述驱动装置的输出轴中心线与该浮标的主轴线重合，所述滚珠丝杠上端与所述驱动装置的输出轴固连。
所述应急抛载模块包括悬挂支架、电磁铁和压载铁，所述悬挂支架固定于电源模块上，所述电磁铁固定在悬挂支架上，所述压载铁通过所述电磁铁吸附固定。
所述锚系模块包括锚系线、重力锚和卸力环，多根锚系线上端与所述电源模块下端固连、下端与所述卸力环相连，所述卸力环通过连线与所述重力锚相连。
所述电控模块包括单片机、存储模块和通信模块，其中单片机的控制信号输入端分别与所述传感器模块中的各个传感器相连，且传感器模块采集的数据通过所述存储模块存储，单片机的控制信号输出端分别与所述浮力调节机构和应急抛载模块相连，所述传感器模块上端设有通信天线，且所述通信天线与所述通信模块相连。
所述通信模块包括4G模块、电台模块、北斗定位通信模块。
所述传感器模块、浮力材模块、电控模块、浮力驱动模块和电源模块的壳体开口端均设有端盖，并且相邻两个模块的连接端端盖中，其中一个端盖中部设有凸起，另一端盖中部设有与所述凸起配合的凹槽，所述凸起与所述凹槽螺纹连接，且所述凹槽内圆周槽壁上设有承装O型密封圈的密封槽。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明包括多个独立的模块单元，各个模块单元之间的连接采用标准化和通用化设计，能够根据实际的功能需求和应用环境选取适合的功能模块进行组合装配，从而满足不同作业要求，并且各个功能模块相互独立，可以在不影响其他功能模块的前提下修改目标模块的设计参数，以及设计出全新的功能模块以满足实际的作业要求，方便整个装置的功能升级和延展，同时也方便各个模块单元的维修和维护，当某个功能模块发生故障只需拆掉与之相邻的功能模块，便可以对该功能模块进行维修，或者替换成新的功能模块即可。
2、本发明利用设有活塞的浮力调节清水舱和隔离膜驱动浮力调节海水舱吸排水，进而驱动浮标上浮或下潜，浮力调节结构简单且大大降低浮标成本，并且浮力调节清水舱中的清水以及所述隔离膜能够对活塞进行有效保护，避免了海水对活塞的腐蚀以及海水里的杂质对活塞运动的阻碍，保证浮力调节机构正常运行并有效延长浮标的使用寿命。
3、本发明设有应急抛载模块，当浮标的浮力调节机构或电控模块出现故障导致剖面浮标在水下停留时间过长时，应急抛载模块的抛载机构就会开始工作，抛掉自身携带的压载铁使浮标上浮，降低浮标丢失的可能。
4、本发明设有锚系模块实现长期定点监测，并且在剖面浮标实际作业时，因卸力环的存在，避免了因为锚系线持续扭转导致其自身承受较大扭转力和拉力而致使锚系线断裂的情况，同时锚系模块会使浮标在特定深度的浅海域内运动，防止其随海浪和海流大范围的漂泊，实现针对目标海域长时间可靠的定点监测，降低浮标丢失的可能。
5、本发明的电控模块包括单片机、存储模块和通信模块，其中通信模块包括4G模块、电台模块、北斗定位通信模块三种通信系统，可根据不同工作地理位置需求选用合适的通信模式，使用灵活方便。
附图说明
图1为本发明的示意图，
图2为图1中的浮力驱动模块示意图。
其中，1、CTD传感器，2、传感器模块，3、浮力材模块，4、电控模块，5、浮力驱动模块，6、悬挂支架，7、电磁铁，8、锚系线，9、重力锚，10、卸力环，11、电源模块，12、起吊法兰盘，13、压力传感器，14、通信天线，15、驱动装置，16、位移传感器，17、下支撑盘，18、活塞，19、下端盖，20、浮力调节海水舱，21、隔离膜，22、浮力调节清水舱，23、螺母座，24、导向板，25、滚珠丝杠，26、支撑杆，27、上端盖，28、应急抛载模块，29、锚系模块，30、上支撑盘，31、活塞套管，32、凹槽，33、镂空孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～2所示，本发明包括由上到下依次连接的传感器模块2、浮力材模块3、电控模块4、浮力驱动模块5和电源模块11，在所述电源模块11一侧设有应急抛载模块28，在所述电源模块11下端设有锚系模块29，如图2所示，在所述浮力驱动模块5内部设有浮力调节机构，所述浮力调节机构包括通过隔离膜21隔开的浮力调节清水舱22和浮力调节海水舱20，所述浮力调节清水舱22内设有清水以及可往复移动的活塞18，所述浮力调节海水舱20上设有与外界相通的通孔，另外如图1所示，在所述浮力驱动模块5的壳体下端设有多个镂空孔33，以保证海水能够进入与所述浮力调节海水舱20接触，并经过所述通孔进出所述浮力调节海水舱20。
如图2所示，所述浮力调节机构包括驱动装置15、滚珠丝杠25和螺母座23，其中滚珠丝杠25通过所述驱动装置15驱动旋转，螺母座23内设有螺母套装于所述滚珠丝杠25上，所述活塞18上侧设有活塞套管31套装于所述滚珠丝杠25上，且所述活塞套管31上端与所述螺母座23固连。机构工作时，驱动装置15驱动滚珠丝杠25旋转，进而通过所述螺母座23移动带动所述活塞18往复移动。本实施例中，所述驱动装置15为减速电机。
如图2所示，所述浮力驱动模块5包括壳体、上端盖27和下端盖19，在所述壳体内设有上支撑盘30和下支撑盘17，在所述上端盖27和下端盖19之间设有多个支撑杆26，所述上支撑盘30和下支撑盘17平行设置并且均固装于所述支撑杆26上，所述驱动装置15固装于所述上支撑盘30上，且驱动装置15的输出轴中心线与该浮标的主轴线重合，所述滚珠丝杠25和螺母座23设置于所述上支撑盘30和下支撑盘17之间，且所述滚珠丝杠25上端与所述驱动装置15的输出轴固连，所述活塞套管31上端穿过所述下支撑盘17后与所述螺母座23固连，且所述活塞套管31穿过所述下支撑盘17后套设于滚珠丝杠25下部，在所述上支撑盘30和下支撑盘17之间设有位移传感器16用于检测并记录活塞18位移，所述螺母座23外侧设有导向板24，且所述导向板24一端与任一支撑杆26滑动连接，另一端与所述位移传感器16滑动相连，所述螺母座23移动时即带动所述导向板24一同移动并通过所述位移传感器16实时检测活塞18位移，另外所述导向板24一端与支撑杆26滑动连接可防止螺母座23旋转，保证所述活塞18直线运动，所述浮力调节清水舱22设置于所述下支撑盘17与下端盖19之间，在所述下端盖19下侧设有所述浮力调节海水舱20，另外所述上端盖27与上侧的电控模块4下端相连，所述浮力调节海水舱20下端设有连接端盖封住下端口，使海水只能由浮力调节海水舱20上的通孔进出，并且所述连接端盖与下侧的电源模块11相连。所述位移传感器16为本领域公知技术。
所述浮力调节清水舱22内预先装有一定量清水，且所述隔离膜21将海水和清水完全隔离，避免了海水对活塞18的腐蚀和海水里的杂质对活塞18运动的阻碍，所述浮力调节海水舱20外壁与海水接触并开有通孔，浮力调节机构工作时，活塞18在所述驱动装置15、滚珠丝杠25和螺母座23作用下在所述浮力调节清水舱22内往复直线运动，并通过所述隔离膜21使所述浮力调节海水舱20吸水或排水，从而实现改变浮标整体重力进行浮力调节的目的，实现浮标的下沉和上浮。
如图1所示，本发明设有应急抛载模块28保证浮标顺利上浮，所述应急抛载模块28包括悬挂支架6、电磁铁7和压载铁，所述悬挂支架6固定于电源模块11的壳体表面，所述电磁铁7固定在悬挂支架6上，所述压载铁通过电磁铁7产生的磁性吸附固定，且所述电磁铁7通过连线与电控模块4中相应的控制信号输出端相连。当浮标没有按计划的时间节点上浮时，电控模块4发送指令使电磁铁7执行抛载任务，此时压载铁被抛弃，浮标的总质量将减少，并且在浮力的作用下上浮，最终回到海面。
如图1所示，本发明在所述电源模块11下端设有锚系模块29，能够确保浮标在目标海域范围内长期值守作业。所述锚系模块29包括锚系线8、重力锚9和卸力环10，多根锚系线8上端与所述电源模块11下端固连、下端与所述卸力环10相连，所述卸力环10通过连线与所述重力锚9相连。浮标工作时，重力锚9沉于海底，浮标将在距重力锚9一定距离的海水区域里定点作业，避免受海浪和海流因素影响而大范围漂泊，另外当浮标在海浪和海流的作用下发生旋转时，如果锚系线8直接与重力锚9相连，浮标旋转会带动锚系线8一同旋转，使锚系线8承受较大的扭转力和拉力，容易因自身旋转发生断裂，本发明在所述卸力环10的作用下，所述锚系线8只会有一定程度的扭动，避免因为锚系线8自身持续旋转导致断裂，确保了浮标在目标海域范围内长期值守作业。
如图1所示，本实施例中，所述传感器模块2包括CTD传感器1和压力传感器13，所述CTD传感器1采集海水温度和盐度，所述压力传感器13通过测量海水压力值来计算出浮标所在的海水深度，另外本发明也可以根据需要增加其他作业需求的相关传感器。各传感器分别通过螺纹连接方式固定在传感器模块2顶端，且各个传感器均为本领域公知技术。
所述电控模块4包括单片机、存储模块和通信模块，其中单片机的控制信号输入端分别通过水密接插件与所述传感器模块2中的CTD传感器1和压力传感器13连接以及与其他根据需求增加的传感器相连，单片机的控制信号输出端分别通过水密接插件与浮力调节机构中的驱动装置15和应急抛载模块28中的电磁铁7相连，所述存储模块使用FATFS文件系统将传感器模块2采集的数据进行数据存储，所述通信模块包括4G模块、电台模块、北斗定位通信模块三种通信系统，可根据不同工作地理位置需求选用合适的通信模式，在所述传感器模块2上端设有通信天线14，所述通信天线14可以实现浮标定位、传输数据和传达控制指令，当浮标上浮到水面时，所述4G模块、电台模块、北斗定位通信模块可通过所述通信天线14向数据中心发送协议数据，即浮标的位置信息和传感器测量数据。所述单片机、存储模块以及通信模块中的4G模块、电台模块、北斗定位通信模块均为本领域公知技术，另外各个模块部件之间连接使用的水密插接件也为本领域公知技术。
所述浮力材模块3中的浮力材可根据模块化功能重组多样性的需求，通过改变自身的设计参数来改变浮标总体排水体积，实现调节浮标总体浮力的目的，所述电源模块11通过水密接插件与其他模块相连并实现供电。
所述传感器模块2、浮力材模块3、电控模块4、浮力驱动模块5和电源模块11的壳体开口端均设有带O型密封圈的端盖以保证壳体内部密封封合，使得各个模块内部相互独立，并且相邻两个模块的连接端端盖中，其中一个端盖中部设有凸起，另一端盖中部如图2所示设有凹槽32，连接时所述凸起嵌入所述凹槽32中，且所述凸起外壁与所述凹槽32内壁螺纹连接，在所述凹槽32内圆周槽壁上设有承装O型密封圈的密封槽，以保证连接时两个端盖之间的密封，另外在各个端盖上均设有水密插接件插口。
如图1所示，在传感器模块2和浮力材模块3之间设有起吊法兰盘12方便起吊。
本发明的工作原理为：
本发明通过所述浮力调节机构驱动下降和上浮，在所述浮力调节机构的浮力调节清水舱22内预先装有一定量清水，且所述隔离膜21将海水和清水完全隔离，避免了海水对活塞18的腐蚀和海水里的杂质对活塞18运动的阻碍，浮力调节机构工作时，浮力调节清水舱22内的活塞18在所述驱动装置15作用下在所述浮力调节清水舱22内往复直线运动，并通过所述隔离膜21使所述浮力调节海水舱20吸水或排水，从而实现改变浮标整体重力目的，实现浮标的下沉和上浮。另外本发明设有应急抛载模块28保证浮标顺利上浮，当浮标没有按计划的时间节点进行上浮运动后，电控模块4发送指令使电磁铁7执行抛载任务，此时压载铁会被抛弃掉，浮标的总质量将减少，并且在浮力的作用下上浮，最终回到海面。
另外本发明工作时，锚系模块29中的重力锚9沉于海底，浮标将在距重力锚9一定距离的海水区域里实现定点作业，不会受海浪和海流因素影响大范围漂泊，并且在所述卸力环10的作用下，锚系线8不会受浮标转动影响发生断裂，确保浮标在目标海域范围内长期值守作业，所述电控模块4中的存储模块将传感器模块2采集的数据进行数据存储，并且所述电控模块4中的通信模块包括4G模块、电台模块、北斗定位通信模块三种通信形式，可根据不同工作地理位置需求选用合适的通信模式向地面控制中心发送浮标的位置信息和传感器测量数据，使用灵活方便。
Claims (10)
1.一种模块化定点剖面浮标，其特征在于：包括依次连接且内部相互独立的传感器模块(2)、浮力材模块(3)、电控模块(4)、浮力驱动模块(5)和电源模块(11)，在所述电源模块(11)一侧设有应急抛载模块(28)，在所述电源模块(11)下端设有锚系模块(29)，所述浮力驱动模块(5)内部设有浮力调节机构，所述浮力调节机构包括通过隔离膜(21)隔开的浮力调节清水仓(22)和浮力调节海水仓(20)，所述浮力调节清水舱(22)内设有清水以及可往复移动的活塞(18)，所述浮力调节海水舱(20)上设有通孔，另外所述浮力驱动模块(5)的壳体下端设有多个镂空孔(33)。
2.根据权利要求1所述的模块化定点剖面浮标，其特征在于：所述浮力调节机构包括驱动装置(15)、滚珠丝杠(25)和螺母座(23)，其中滚珠丝杠(25)通过所述驱动装置(15)驱动旋转，螺母座(23)内设有螺母套装于所述滚珠丝杠(25)上，所述活塞(18)通过所述螺母座(23)带动移动。
3.根据权利要求2所述的模块化定点剖面浮标，其特征在于：所述浮力驱动模块(5)包括壳体、上端盖(27)和下端盖(19)，在所述壳体内设有上支撑盘(30)和下支撑盘(17)，所述驱动装置(15)设置于所述上端盖(27)和上支撑盘(30)之间，所述滚珠丝杠(25)和螺母座(23)设置于所述上支撑盘(30)和下支撑盘(17)之间，所述活塞(18)上侧设有活塞套管(31)穿过所述下支撑盘(17)后与所述螺母座(23)固连，且所述活塞套管(31)穿过下支撑盘(17)后套设于所述滚珠丝杠(25)下部，所述浮力调节清水舱(22)设置于所述下支撑盘(17)与下端盖(19)之间，在所述下端盖(19)下侧设有所述浮力调节海水舱(20)。
4.根据权利要求3所述的模块化定点剖面浮标，其特征在于：在所述上端盖(27)和下端盖(19)之间设有多个支撑杆(26)，所述上支撑盘(30)和下支撑盘(17)均固装于所述支撑杆(26)上，在所述上支撑盘(30)和下支撑盘(17)之间设有位移传感器(16)，所述螺母座(23)外侧设有导向板(24)，且所述导向板(24)一端与任一支撑杆(26)滑动连接，另一端与所述位移传感器(16)相连。
5.根据权利要求3所述的模块化定点剖面浮标，其特征在于：所述驱动装置(15)的输出轴中心线与该浮标的主轴线重合，所述滚珠丝杠(25)上端与所述驱动装置(15)的输出轴固连。
6.根据权利要求1所述的模块化定点剖面浮标，其特征在于：所述应急抛载模块(28)包括悬挂支架(6)、电磁铁(7)和压载铁，所述悬挂支架(6)固定于电源模块(11)上，所述电磁铁(7)固定在悬挂支架(6)上，所述压载铁通过所述电磁铁(7)吸附固定。
7.根据权利要求1所述的模块化定点剖面浮标，其特征在于：所述锚系模块(29)包括锚系线(8)、重力锚(9)和卸力环(10)，多根锚系线(8)上端与所述电源模块(11)下端固连、下端与所述卸力环(10)相连，所述卸力环(10)通过连线与所述重力锚(9)相连。
8.根据权利要求1所述的模块化定点剖面浮标，其特征在于：所述电控模块(4)包括单片机、存储模块和通信模块，其中单片机的控制信号输入端分别与所述传感器模块(2)中的各个传感器相连，且传感器模块(2)采集的数据通过所述存储模块存储，单片机的控制信号输出端分别与所述浮力调节机构和应急抛载模块(28)相连，所述传感器模块(2)上端设有通信天线(14)，且所述通信天线(14)与所述通信模块相连。
9.根据权利要求8所述的模块化定点剖面浮标，其特征在于：所述通信模块包括4G模块、电台模块、北斗定位通信模块。
10.根据权利要求1所述的模块化定点剖面浮标，其特征在于：所述传感器模块(2)、浮力材模块(3)、电控模块(4)、浮力驱动模块(5)和电源模块(11)的壳体开口端均设有端盖，并且相邻两个模块的连接端端盖中，其中一个端盖中部设有凸起，另一端盖中部设有与所述凸起配合的凹槽(32)，所述凸起与所述凹槽(32)螺纹连接，且所述凹槽(32)内圆周槽壁上设有承装O型密封圈的密封槽。
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