CN109991038B - 一种海底沉积物自动取样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海底沉积物自动取样装置，包括外筒、取样内筒、步进驱动机构和导向组件，步进驱动机构安装在外筒上端的上安装板上，步进驱动机构的输出端与取样内筒顶部相连，导向组件中的导向轴的下端与取样内筒顶部的导向连接板相连，外筒的下端面还设有能够水平移动的滑动托样底板，滑动托样底板连接托样驱动机构，托样驱动机构包括安装圆盘、齿条、主动齿轮、驱动电机，驱动电机通过安装支架固定在安装圆盘上，主动齿轮安装在驱动电机的输出轴端与安装在滑动托样底板上的齿条相啮合，滑动托样底板的顶面与取样内筒的下端面滑动接触，述滑动托样底板的底面与安装圆盘的上表面滑动接触，安装圆盘通过连接柱固定在所述外筒的下端面上。

Description

一种海底沉积物自动取样装置

技术领域

本发明涉及海洋采样技术领域，尤其涉及一种海底沉积物自动取样装置。

背景技术

在对海洋进行研究的过程中，经常需要采集海底表层的沉积物。随着海洋资源研究调查要求的提高，尤其是为了研究近海养殖区域海底环境变化情况，需要越来越准确的采集海底表层的沉积物，需要尽可能保持采集样品的原始状态，确保采集海底表层的沉积物不会在采集过程中受到干扰影响。

现有技术中通常采用抓斗式的采集器对海底表层的沉积物进行采样。如公开号为CN107314908A，专利名称为“一种可拆分式沉积物采样装置”，包括提杆组件、锁扣组件、负重箱、采样箱、连杆及两个抓斗，其利用两个抓斗的开合动作抓取海底表层的沉积物，类似这种两爪结构的抓斗式的采集器普遍存在抓斗操作不方便、两个抓斗在海底难以顺畅闭合、抓斗中的样品容易滑脱等缺点，其采样效率低，取样过程需要花费较多时间才能采集到符合要求的样品。

另外，现有的抓斗式的采集器中的两个抓斗是铰接式运动闭合的，导致采集的样品通常都被搅动混合，采集的沉积物中的各种物质被混合搅拌在一起，不能很好保留样品中各对象的分布状态，影响后续精确研究分析，尤其不适合在海底淤泥层比较厚的地方进行深层样品采集分析。为了更好地为科学研究提供真实的原始样本，需要进一步改进。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种海底沉积物自动取样装置，能够自动准确采集近海海底淤泥层的沉积物，采集样品在取样过程中不易脱落，采集过程能够保持采集样品的原始状态，有利于保证后续分析研究更加准确。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种海底沉积物自动取样装置，包括一个外筒、一个取样内筒、一个步进驱动机构和两个导向组件，所述外筒的上端设有圆形的上安装板，所述取样内筒同轴安装在所述外筒内侧下端，所述步进驱动机构安装在所述上安装板上，所述步进驱动机构的输出端和导向组件的下端与所述取样内筒顶部相连，所述外筒的下端面还设有滑动托样底板，所述滑动托样底板可滑动的设置在所述外筒筒口底部，所述滑动托样底板可移动让出通道便于所述取样内筒延伸出所述外筒底部、或可移动至覆盖住所述取样内筒筒口承托住筒内已采集的样品。

进一步的，所述滑动托样底板连接有托样驱动机构，所述托样驱动机构包括一个安装圆盘、齿条、主动齿轮、驱动电机，所述驱动电机设置在所述取样内筒外的所述外筒腔体内，所述驱动电机通过安装支架固定在所述安装圆盘上，所述安装圆盘通过连接柱固定在所述外筒的下端面上，所述主动齿轮安装在所述驱动电机的输出轴端与安装在所述滑动托样底板上的所述齿条相啮合，所述滑动托样底板的顶面与所述取样内筒的下端面滑动接触，所述滑动托样底板的底面与所述安装圆盘的上表面滑动接触。

进一步的，所述齿条为两个，两个所述齿条分别固定在所述滑动托样底板的两个侧面，其中一个所述齿条与所述主动齿轮啮合传动，另一个不与所述主动齿轮啮合的所述齿条旁啮合连接一个起辅助支撑的从动齿轮，从动齿轮支撑固定于所述安装圆盘上，所述齿条的两端设有限位挡块。

进一步的，所述滑动托样底板的底面设凸起的导向块，所述安装圆盘的上表面设有与所述导向块滑动配合的导向槽。

进一步的，所述安装圆盘的底面设有平衡配重底座，所述平衡配重底座中设有对称设置的配重块，所述平衡配重底座外设有能够包裹所述安装圆盘和平衡配重底座的密封底盖。

进一步的，所述步进驱动机构包括步进电机、联轴器、丝杆副和丝杆安装套，所述步进电机安装在所述上安装板中心，两个所述导向组件中的导向轴承分别安装在所述步进电机两侧的上安装板上，所述步进电机的输出轴穿过所述上安装板后与所述联轴器相连，所述联轴器再与所述丝杆副中的丝杆轴一端相连，所述丝杆副中的螺母套设在所述丝杆安装套的上法兰端，所述丝杆副中的丝杆露出端套设在所述丝杆安装套内腔中，所述丝杆安装套的下法兰端与所述取样内筒的顶部相连，所述取样内筒的顶部还设有一个导向连接板，所述导向连接板与两个所述导向组件中的导向轴的下端相连。

进一步的，所述步进驱动机构中设有防水的行程检测传感器，所述行程检测传感器固定在所述外筒内壁上，所述导向连接板上设有与行程检测传感器匹配使用的感应装置。

进一步的，所述步进电机、行程检测传感器和驱动电机经过防水绝缘处理，通过防水电缆与设于水面上的控制器相连。

进一步的，所述取样内筒的内部腔体为筒底略大、筒口略小的喇叭形，所述取样内筒的内筒表面设有蜂窝状网格，所述取样内筒的上部设有排水孔。

进一步的，所述外筒内部上端还设有防水的监控摄像部件，所述监控摄像部件固定在所述上安装板的底面上。

进一步的，所述上安装板的外圆柱面上设有四个吊钩，所述上安装板上部还设有一个密封罩，所述密封罩将露在所述上安装板外部的所述步进驱动机构和两个导向组件部分密封包裹在内。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明在取样内筒外设置起保护和定位作用的外筒，并设置步进驱动机构驱动取样内筒，还在取样内筒底部设置能够水平移动将取样内筒底部盖住的滑动托样底板，取样装置整体结构便于平稳的放置在海底，不采用现有技术中的抓斗式结构，改进后的步进驱动机构能够控制取样内筒按设定深度进行采样，取样内筒采样准确稳定，取样后托样驱动机构能够自动带动滑动托样底板封盖住取样内筒底部，避免取样内筒中的已采集的样品在向上提升过程中脱落，能够很好的保证采集样品的原始状态；

2、本发明通过步进电机控制的步进驱动机构能够按程序设定进行自动采样，步进驱动机构运动准确可靠，便于根据不同海底结构和位置调整采样深度，尤其适合在海底淤泥较多的近海养殖区进行采样；

3、本发明驱动滑动托样底板的托样驱动机构中采用齿轮齿条传动机构及滑动导向，能够在取样内筒离开海底时自动盖住取样内筒底部，使采样后的样品经滑动托样底板承托，确保已采集在取样内筒中的样品在取样装置向海面上提升过程中不会脱落；

4、本发明外筒底部的安装圆盘底面再设置平衡配重底座，便于将取样装置平稳的放置在海底，避免取样装置歪斜；

5、本发明外筒内再设置防水的监控摄像部件，便于确定采样位置和监控采样过程，更加便于采样操作；

6、本发明中的步进电机、行程检测传感器和驱动电机经过防水绝缘处理，并将各部件密封包裹在密封罩内，能够在海水或淡水江河湖泊工况中长期稳定使用，能够有效避免被海底较大的动物撞击损坏。

总之，本发明能够自动准确采集近海海底淤泥层的沉积物，采集样品操作不方便，采集过程能够保持样品形状，有利于后续精确研究分析。

附图说明

图1为本发明海底沉积物自动取样装置的整体外观示意图；

图2为本发明海底沉积物自动取样装置去除密封底盖和密封罩后的俯视示意图；

图3为本发明海底沉积物自动取样装置的剖视示意图；

图4为本发明海底沉积物自动取样装置去除外筒、密封底盖和密封罩后的立体示意图；

图5为本发明取样内筒与托样驱动机构部分的立体示意图。

附图标记说明：

1、外筒；2、取样内筒；21、排水孔；3、步进驱动机构；31、步进电机；32、联轴器；33、丝杆副；34、丝杆安装套；341、上法兰；342、下法兰；35、行程检测传感器；36、感应装置；4、导向组件；41、导向轴；42、导向轴承；5、上安装板；51、吊钩；6、导向连接板；7、托样驱动机构；71、安装圆盘；711、导向槽；72、滑动托样底板；721、导向块；73、齿条；74、主动齿轮；75、驱动电机；76、安装支架；77、连接柱；78、从动齿轮；79、限位挡块；8、平衡配重底座；81、配重块；9、密封底盖；10、监控摄像部件；11、密封罩。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

参见图1-5所示，一种海底沉积物自动取样装置，包括一个外筒1、一个取样内筒2、一个步进驱动机构3和两个导向组件4，所述外筒1的上端设有圆形的上安装板5，所述取样内筒2同轴安装在所述外筒1内侧下端，所述步进驱动机构3安装在所述上安装板5上，所述步进驱动机构3的输出端和导向组件4的下端与所述取样内筒2顶部相连，所述外筒1的下端面还设有滑动托样底板72，所述滑动托样底板72可滑动的设置在所述外筒1筒口底部，所述滑动托样底板72可移动让出通道便于所述取样内筒2延伸出所述外筒1底部、或可移动至覆盖住所述取样内筒2筒口承托住筒内已采集的样品。

参见图4-5所示，所述滑动托样底板72连接有托样驱动机构7，所述托样驱动机构7包括一个安装圆盘71、齿条73、主动齿轮74、驱动电机75，所述驱动电机75设置在所述取样内筒2外的所述外筒1腔体内，所述驱动电机75通过安装支架76固定在所述安装圆盘71上，所述安装圆盘71通过连接柱77固定在所述外筒1的下端面上，所述主动齿轮74安装在所述驱动电机75的输出轴端与安装在所述滑动托样底板72上的所述齿条73相啮合，所述滑动托样底板72的顶面与所述取样内筒2的下端面滑动接触，所述滑动托样底板72的底面与所述安装圆盘71的上表面滑动接触。

所述齿条73为两个，两个所述齿条73分别固定在所述滑动托样底板72的两个侧面，其中一个所述齿条73与所述主动齿轮74啮合传动，另一个不与所述主动齿轮74啮合的所述齿条73旁啮合连接一个起辅助支撑的从动齿轮78，从动齿轮78支撑固定于所述安装圆盘71上，所述齿条73的两端设有限位挡块79，防止齿条73运动超出行程范围。

所述齿条73、主动齿轮74、滑动托样底板72和安装圆盘71采用耐腐蚀的塑胶材料制成，能够在海水工况中长时间可靠使用。所述外筒1和取样内筒2可采用耐腐蚀的塑胶材料或合金材料制成。

所述滑动托样底板72的底面设凸起的导向块721，所述安装圆盘71的上表面设有与所述导向块721滑动配合的导向槽711。所述托样驱动机构7中也设有与行程检测传感器34同样结构的检测装置。

所述安装圆盘71的底面设有平衡配重底座8，所述平衡配重底座8中设有对称设置的配重块81，所述平衡配重底座8外设有能够包裹所述安装圆盘71和平衡配重底座8的密封底盖9；平衡配重底座8能够保证取样装置平稳的放置在海底，便于取样内筒2能够向下稳定钻入淤泥层中。

参见图3所示，所述步进驱动机构3包括步进电机31、联轴器32、丝杆副33和丝杆安装套34，所述步进电机31安装在所述上安装板5中心，两个所述导向组件4中的导向轴承42分别安装在所述步进电机31两侧的上安装板5上，所述步进电机31的输出轴穿过所述上安装板5后与所述联轴器32相连，所述联轴器32再与所述丝杆副33中的丝杆轴一端相连，所述丝杆副33中的螺母套设在所述丝杆安装套34的上法兰341端，所述丝杆副33中的丝杆露出端套设在所述丝杆安装套34内腔中，所述丝杆安装套34的下法兰342端与所述取样内筒2的顶部相连，所述取样内筒2的顶部还设有一个导向连接板6，所述导向连接板6与两个所述导向组件4中的导向轴41的下端相连；联轴器32、丝杆副33、丝杆安装套34和导向组件4可采用耐腐蚀的塑胶材料制成，所述丝杆副33采用梯形丝杆副。步进电机31也可替换为直流伺服电机。

所述步进驱动机构3中设有防水的行程检测传感器35，所述行程检测传感器35固定在所述外筒1内壁上，所述导向连接板6上设有与行程检测传感器35匹配使用的感应装置36。行程检测传感器35可以采样防水处理的磁簧开关也称为干簧管，感应装置36采样磁铁。所述步进电机31、行程检测传感器35和驱动电机75经过防水绝缘处理，通过防水电缆与设于水面上的控制器相连；控制器中设有操作界面便于操控，控制器采样现有技术设计，整个取样装置中的电气部分都采用低压直流电器元件，经过防水处理后能够在海水或淡水江河湖泊工况中长期稳定使用。

所述取样内筒2的内部腔体为筒底略大、筒口略小的喇叭形，所述取样内筒2的内筒表面设有蜂窝状网格，所述取样内筒2的上部设有排水孔21，由于取样内筒2的内部腔体为筒口略小的锥度结构，内筒表面还设置蜂窝状网格，采集区域的海底沉积物基本为淤泥状，在取样内筒2向下进给过程中海底淤泥会慢慢挤入取样内筒2内，能够稳定停留在取样内筒2内，因此淤泥样品能够完整的保存在取样内筒2腔体内部。

所述外筒1内部上端还设有防水的监控摄像部件10，所述监控摄像部件10固定在所述上安装板5的底面上。所述上安装板5的外圆柱面上设有四个吊钩51，所述上安装板5上部还设有一个密封罩11，所述密封罩11将露在所述上安装板5外部的所述步进驱动机构3和两个导向组件4部分密封包裹在内。

本发明使用时，利用与吊钩51相连的绳索将取样装置放置到近海海底，初始时取样内筒2停留在外筒1内侧上端，滑动托样底板72滑至外筒1一侧便于取样内筒2向下伸出；监控摄像部件10观测到放置平稳后，再启动程序控制步进驱动机构3带动取样内筒2向下钻入淤泥层中进行取样，取样内筒2向下进给到设定深度后，稍稳定一会使淤泥稳定在取样内筒2内，再控制步进驱动机构3带动向上提起，当取样内筒2的下端刚刚升高到托样驱动机构7后，托样驱动机构7中的驱动电机75控制滑动托样底板72滑动自动封盖住取样内筒2底部，稳定托住取样内筒2中的样品，然后便可将取样装置提升出水面；取样品时，再控制滑动托样底板72滑至外筒1一侧，轻轻敲击取样内筒2让其内部的样品慢慢滑出。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种海底沉积物自动取样装置，其特征在于：包括一个外筒（1）、一个取样内筒（2）、一个步进驱动机构（3）和两个导向组件（4），所述外筒（1）的上端设有圆形的上安装板（5），所述取样内筒（2）同轴安装在所述外筒（1）内侧下端，所述步进驱动机构（3）安装在所述上安装板（5）上，所述步进驱动机构（3）的输出端和导向组件（4）的下端与所述取样内筒（2）顶部相连，所述外筒（1）的下端面还设有滑动托样底板（72），所述滑动托样底板（72）可滑动的设置在所述外筒（1）筒口底部，所述滑动托样底板（72）可移动让出通道便于所述取样内筒（2）延伸出所述外筒（1）底部、或可移动至覆盖住所述取样内筒（2）筒口承托住筒内已采集的样品；所述滑动托样底板（72）连接有托样驱动机构（7），所述托样驱动机构（7）包括一个安装圆盘（71）、齿条（73）、主动齿轮（74）、驱动电机（75），所述驱动电机（75）设置在所述取样内筒（2）外的所述外筒（1）腔体内，所述驱动电机（75）通过安装支架（76）固定在所述安装圆盘（71）上，所述安装圆盘（71）通过连接柱（77）固定在所述外筒（1）的下端面上，所述主动齿轮（74）安装在所述驱动电机（75）的输出轴端与安装在所述滑动托样底板（72）上的所述齿条（73）相啮合，所述滑动托样底板（72）的顶面与所述取样内筒（2）的下端面滑动接触，所述滑动托样底板（72）的底面与所述安装圆盘（71）的上表面滑动接触；所述取样内筒（2）的内部腔体为筒底略大、筒口略小的喇叭形，所述取样内筒（2）的内筒表面设有蜂窝状网格，所述取样内筒（2）的上部设有排水孔（21）。

2.根据权利要求1所述的一种海底沉积物自动取样装置，其特征在于：所述齿条（73）为两个，两个所述齿条（73）分别固定在所述滑动托样底板（72）的两个侧面，其中一个所述齿条（73）与所述主动齿轮（74）啮合传动，另一个不与所述主动齿轮（74）啮合的所述齿条（73）旁啮合连接一个起辅助支撑的从动齿轮（78），从动齿轮（78）支撑固定于所述安装圆盘（71）上，所述齿条（73）的两端设有限位挡块（79）。

3.根据权利要求2所述的一种海底沉积物自动取样装置，其特征在于：所述滑动托样底板（72）的底面设凸起的导向块（721），所述安装圆盘（71）的上表面设有与所述导向块（721）滑动配合的导向槽（711）。

4.根据权利要求2所述的一种海底沉积物自动取样装置，其特征在于：所述安装圆盘（71）的底面设有平衡配重底座（8），所述平衡配重底座（8）中设有对称设置的配重块（81），所述平衡配重底座（8）外设有能够包裹所述安装圆盘（71）和平衡配重底座（8）的密封底盖（9）。

5.根据权利要求1或2所述的一种海底沉积物自动取样装置，其特征在于：所述步进驱动机构（3）包括步进电机（31）、联轴器（32）、丝杆副（33）和丝杆安装套（34），所述步进电机（31）安装在所述上安装板（5）中心，两个所述导向组件（4）中的导向轴承（42）分别安装在所述步进电机（31）两侧的上安装板（5）上，所述步进电机（31）的输出轴穿过所述上安装板（5）后与所述联轴器（32）相连，所述联轴器（32）再与所述丝杆副（33）中的丝杆轴一端相连，所述丝杆副（33）中的螺母套设在所述丝杆安装套（34）的上法兰（341）端，所述丝杆副（33）中的丝杆露出端套设在所述丝杆安装套（34）内腔中，所述丝杆安装套（34）的下法兰（342）端与所述取样内筒（2）的顶部相连，所述取样内筒（2）的顶部还设有一个导向连接板（6），所述导向连接板（6）与两个所述导向组件（4）中的导向轴（41）的下端相连。

6.根据权利要求5所述的一种海底沉积物自动取样装置，其特征在于：所述步进驱动机构（3）中设有防水的行程检测传感器（35），所述行程检测传感器（35）固定在所述外筒（1）内壁上，所述导向连接板（6）上设有与行程检测传感器（35）匹配使用的感应装置（36）。

7.根据权利要求6所述的一种海底沉积物自动取样装置，其特征在于：所述步进电机（31）、行程检测传感器（35）和驱动电机（75）经过防水绝缘处理，通过防水电缆与设于水面上的控制器相连。

8.根据权利要求1所述的一种海底沉积物自动取样装置，其特征在于：所述外筒（1）内部上端还设有防水的监控摄像部件（10），所述监控摄像部件（10）固定在所述上安装板（5）的底面上。

Images