CN114228911B

CN114228911B - 一种自浮沉剖面浮标

Info

Publication number: CN114228911B
Application number: CN202210164205.8A
Authority: CN
Inventors: 刘宁; 赵建锐; 马丽珊; 孔佑迪; 孙东波; 胡锦国
Original assignee: National Ocean Technology Center
Current assignee: National Ocean Technology Center
Priority date: 2022-02-23
Filing date: 2022-02-23
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2042-02-23
Also published as: CN114228911A

Abstract

本发明公开了一种自浮沉剖面浮标，涉及浮标技术领域，所述自浮沉剖面浮标，包括：外壳、测量传感器、浮力控制机构和测控装置；测量传感器位于外壳的顶部；浮力控制机构包括伸缩部和配重件；伸缩部位于外壳内，且伸缩部的端部穿过外壳的底部；配重件位于外壳内，且配重件固定在伸缩部上；测量传感器和伸缩部均与测控装置电连接；测控装置用于控制测量传感器采集海洋环境数据，以及当需要改变运动方向时，控制伸缩部伸缩，以改变伸出外壳底部的伸缩量以及配重件的高度，使得浮标的重心发生变化，从而使得浮标发生翻转。本发明能提高浮标的工作效率。

Description

一种自浮沉剖面浮标

技术领域

本发明涉及浮标技术领域，特别是涉及一种自浮沉剖面浮标。

背景技术

海洋环境各种要素的剖面测量数据是进行海洋学研究、海上科学调查、渔情评估以及军事活动的一种重要数据。进行海洋环境参数剖面测量一般有快速投弃式、船载下放式和固定传感器链式三种方式。投弃式和船载下放式所获取的数据垂向分布密集，可用于小尺度海洋分析，但使用时必须使用船只在待测海域反复作业，所需人员、时间和经费成本都较高，且无法长期连续获取剖面。传感器链式方式由船只在待测海域布放，使用一个长链连接一系列的海洋传感器进行定点剖面连续观测。这种方式只能布放有限个传感器，垂向分布稀疏，剖面数据量小。

近年来，科学家开始研究使用浮标进行剖面观测，自持式剖面观测浮标已逐渐受到重视。这种浮标使用高压柱塞泵吸、排液，引起自身排水量变化，产生上浮和下沉的动力，可以实现海洋环境参数的剖面观测，目前在全球已得到了广泛应用。

自持式剖面观测浮标的海洋环境参数测量传感器一般安装在顶部，在浮标上下运动时，只取上升段的传感器测量数据，主要是由于浮标在下降时，传感器位于浮标运动的末端，此时传感器周围的海水已被浮标运动搅拌混乱，无法获取该位置的真实情况。这样导致浮标在整个生存周期内，约有一半的时间处于无效工作状态，因此，浮标的工作效率低。

发明内容

基于此，本发明实施例提供一种自浮沉剖面浮标，以提高浮标的工作效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种自浮沉剖面浮标，包括：外壳、测量传感器、浮力控制机构和测控装置；

所述测量传感器位于所述外壳的顶部；所述浮力控制机构包括伸缩部和配重件；所述伸缩部位于所述外壳内，且所述伸缩部的端部穿过所述外壳的底部；所述配重件位于所述外壳内，且所述配重件固定在所述伸缩部上；所述测量传感器和所述伸缩部均与所述测控装置连接；

所述测控装置用于：

控制所述测量传感器采集海洋环境数据；

当需要改变运动方向时，控制所述伸缩部伸缩，以改变伸出所述外壳底部的伸缩量以及所述配重件的高度，使得所述自浮沉剖面浮标的重心和浮心发生变化，从而使得所述自浮沉剖面浮标发生翻转。

可选的，所述浮力控制机构还包括推进机构；

所述推进机构位于所述外壳的内部；所述推进机构与所述测控装置电连接；所述推进机构的输出端与所述伸缩部的一端连接；所述伸缩部的另一端穿过所述外壳的底部。

可选的，所述伸缩部包括伸缩杆和浮力控制腔；

所述伸缩杆的一端与所述浮力控制腔连接；所述伸缩杆位于所述外壳的内部；所述浮力控制腔穿过所述外壳的底部；所述配重件套设在所述伸缩杆上。

可选的，所述自浮沉剖面浮标，还包括：叶片组；所述叶片组包括至少两个叶片；所述叶片组设置在所述外壳靠近底部的表面上。

可选的，所述叶片组中的叶片均匀布设在所述外壳靠近底部的表面上。

可选的，所述推进机构为电推杆。

可选的，所述自浮沉剖面浮标，还包括：顶盖和底盖；所述外壳为端部开口的中空结构；所述顶盖设置在所述外壳的顶端；所述底盖设置在所述外壳的底端；所述测量传感器设置在所述顶盖上；所述浮力控制机构的端部穿过所述底盖。

可选的，所述自浮沉剖面浮标，还包括：设置在所述外壳内部的隔板；

所述隔板的上表面设置所述测控装置；所述隔板的下表面设置所述推进机构。

可选的，所述自浮沉剖面浮标，还包括：连接件；所述推进机构的输出端通过所述连接件与所述伸缩部的一端连接。

可选的，所述顶盖与所述外壳的顶端相接触的位置以及所述底盖与所述外壳的底端相接触的位置均设置密封圈。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明实施例提出了一种自浮沉剖面浮标，外壳的顶部设置测量传感器，浮力控制机构中的配重件位于外壳的内部，且浮力控制机构中的伸缩部穿过外壳的底部，当需要改变运动方向时，测控装置控制伸缩部伸缩，以改变伸出外壳底部的伸缩量以及配重件的高度，使得浮标的重心和浮心发生变化，从而使得浮标发生翻转，实现了浮标变换运动方向时的自动翻转，使位于浮标外壳顶部的测量传感器始终位于运动方向的最前端，提高了浮标工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的自浮沉剖面浮标的立体图；

图2为本发明实施例提供的自浮沉剖面浮标的剖面图；

图3为本发明实施例提供的翻转前浮标的受力示意图；

图4为本发明实施例提供的翻转前浮标产生的力矩示意图；

图5为本发明实施例提供的翻转后浮标的受力示意图；

图6为本发明实施例提供的翻转后浮标产生的力矩示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1和图2，本实施例的自浮沉剖面浮标，包括：外壳2、测量传感器3、浮力控制机构和测控装置。

测控装置示例性的可为图1中的测控电路板8。当然，除了电路板外，测控装置也可为其他形态（例如具有外壳，外壳内设置有控制电路，外壳上设置有接口，接口用于与其他设备连接），只要其可实现下述测控电路板8的控制功能即可。

所述测量传感器3位于所述外壳2的顶部；所述浮力控制机构包括伸缩部和配重件14；所述伸缩部位于所述外壳2内，且所述伸缩部的端部穿过所述外壳2的底部；所述配重件14位于所述外壳2内，且所述配重件14固定在所述伸缩部上；所述测量传感器3和所述伸缩部均与所述测控电路板8电连接（或无线连接）。所述测量传感器3用于采集海洋环境数据。

所述测控电路板8用于：控制所述测量传感器3采集海洋环境数据；当需要改变运动方向时，控制所述伸缩部伸缩，以改变伸出所述外壳2底部的伸缩量以及所述配重件14的高度，伸出外壳2底部的伸缩量的改变使得浮标的整体排水体积发生变化，配重件14高度的改变使得所述自浮沉剖面浮标的重心和浮心发生变化，从而实现改变运动方向时浮标的翻转，保证了位于浮标外壳2顶部的测量传感器3始终位于运动方向的最前端，提高了浮标工作效率。

在其他实施例中，测量传感器3也可不受测控电路板8的控制，自动采集海洋环境数据，此时，测量传感器3可不与测控电路板8连接。

作为一种可选的实施方式，上述所有实施例中的所述浮力控制机构还包括推进机构12；所述推进机构12位于所述外壳2的内部；所述推进机构12与所述测控电路板8电连接或无线连接；所述推进机构12的输出端与所述伸缩部的一端连接；所述伸缩部的另一端穿过所述外壳2的底部。所述推进机构12可以为电推杆，测控电路板8控制电推杆实现伸缩部的往复运动，进而实现浮标整体排水体积和浮标的重心的变化。

作为一种可选的实施方式，上述所有实施例中的所述伸缩部包括伸缩杆和浮力控制腔6。所述伸缩杆与所述浮力控制腔6连接；所述伸缩杆位于所述外壳2的内部；所述浮力控制腔6穿过所述外壳2的底部；所述配重件14套设在所述伸缩杆上。在本实施例中，浮力控制腔6是前述伸缩部中能够穿过外壳底部的端部。

在包含前述推进机构12的情况下，推进机构12与伸缩杆的一端连接，伸缩杆的另一端与浮力控制腔6连接。

作为一种可选的实施方式，上述所有实施例中的所述自浮沉剖面浮标，还包括：连接件；所述推进机构12的输出端通过所述连接件与所述伸缩部的一端连接。

具体的，所述连接件可以为以螺纹方式连接的部件，例如，所述连接件包括螺栓7和螺母13；所述螺栓7穿过所述推进机构12的输出端以及所述伸缩部中伸缩杆的一端，使得两端连接，所述螺母13用于紧固连接处。当然，推进机构12的输出端与伸缩部的一端也可一体成型，或采用其他非螺纹方式连接（例如焊接、磁力吸附等）。

作为一种可选的实施方式，上述所有实施例中的所述自浮沉剖面浮标，还包括：顶盖4和底盖5。所述外壳2为端部开口的中空结构，例如，所述外壳2可以为端部开口的圆筒状结构。所述顶盖4设置在所述外壳2的顶端；所述底盖5设置在所述外壳2的底端；所述测量传感器3设置在所述顶盖4上；所述浮力控制机构的端部穿过所述底盖5。

作为一种可选的实施方式，所述顶盖4与所述外壳2的顶端相接触的位置以及所述底盖5与所述外壳2的底端相接触的位置均设置密封圈9，用于保障浮标体内的水密性。

密封圈9的形态可依外壳端部的形态而定，例如，端部为圆形，则密封圈9相应为O型圈。若端部为㮋圆形，则密封圈9相应为椭圆形圈，若端部为矩形，则密封圈9相应为矩形圈，以此类推不作赘述。

所述自浮沉剖面浮标的整体结构可以为圆柱形结构、椭圆柱体结构、长方体结构等，当然，也可为其他任意适合进行数据测量以及翻转的结构，本领域技术人员可根据需要进行灵活设计。

作为一种可选的实施方式，上述所有实施例中的所述自浮沉剖面浮标，还包括：设置在所述外壳2内部的隔板11。所述隔板11的上表面设置所述测控电路板8；所述隔板11的下表面设置所述推进机构12；所述上表面为朝向外壳顶部的一面，所述下表面为朝向外壳底部的一面。

此外，本领域技术人员可灵活设置测控电路板8和推进机构12的位置，例如，将测控电路板8或推进机构12固定于外壳的内壁上，或者，将测控电路板8与测量传感器3集成为一体，或者将测控电路板8与推进机构12集成为一体，或者，将测控电路板8设置于配重件14上等等，只要令测控电路板8和推进机构12安置于外壳内，且不影响正常工作即可。

作为一种可选的实施方式，上述所有实施例中的所述自浮沉剖面浮标，还包括：电池10；所述电池10分别与所述测控电路板8和推进机构12连接，所述电池10用于为所述测控电路板8和推进机构12供电。

在一个示例中，所述电池10可设置在所述隔板11上。在其他示例中，上述所有实施例中的所述自浮沉剖面浮标，还可包括：电池腔，以容纳电池10。

作为一种可选的实施方式，上述所有实施例中的所述自浮沉剖面浮标，还包括：叶片组；所述叶片组包括至少两个叶片1；所述叶片组设置在所述外壳2靠近底部的表面上。具体的，所述叶片组中的叶片1均匀布设在所述外壳2靠近底部的表面上。

本实施例的自浮沉剖面浮标的工作原理如下：

在工作时，采用人工或自动的方式将浮标投放入水。在入水时，浮力控制腔6处于顶出状态（浮力控制腔6穿过外壳2的底部且延伸至外表面），此时浮标浮力最大，可以浮在水面上。当需要浮标下降时，测控电路板8控制推进机构12工作，将浮力控制腔6抽入浮标体（外壳2的内部），此时浮标排水体积开始变小，在减小到浮力小于重力时，浮标开始下沉。此时，配重件14处于距离外壳2的底部（如，底盖5）较远的位置，导致浮标重心上升并高于浮心，浮标重力与浮力方向相对，浮标体稍有扰动极易产生使浮标翻转的扭矩，实现了浮标下降时的自动翻转，使位于浮标外壳2顶部的测量传感器3始终位于运动方向的最前端，提高了浮标工作效率。为了进一步提高翻转效率，在外壳2靠近底部的表面设置叶片组，在浮标重心上升并高于浮心的同时，由于叶片1会受到较大的水阻，会在浮标体下部形成一个向上的阻力F ₂，F ₂与重力与浮力的合力F ₁是一个相对的方向，如图3所示，此时，易产生使浮标发生翻转的力矩，从而进一步促进了浮标翻转的发生，翻转前力矩示意图如图4所示，其中，箭头表示力矩，o表示浮标的质心。这样在叶片1阻力和重心上升两个因素的共同作用下，会导致浮标更易发生翻转，翻转效率更高，此时测量传感器3将在下降段处于浮标体迎水的最前端。另外，在翻转后浮标的叶片1迎水导致的阻力F ₂将作用于浮标体后端，F ₂与重力减去浮力的合力F ₁是一个相反的方向，如图5所示，此时与F ₁与F ₂形成的合力矩会使浮标保持垂直向下的姿态，任何侧倾都会由合力矩纠正回来，有利于浮标下降时的姿态保持，翻转后力矩示意图如图6所示。

在浮标达到预设深度后，测控电路板8控制推进机构12将浮力控制腔6推出浮标，使浮标排水体积变大，浮力增加。在增加到浮力大于重力时，浮标开始上升。此时，配重件14处于处于距离外壳2的底部（如，底盖5）较近的位置，导致浮标重心上升，重力与浮标浮力方向相对，浮标体稍有扰动极易产生使浮标翻转的扭矩。为了进一步提高翻转效率，在外壳2靠近底部的表面设置叶片组，在浮标重心上升的同时，由于叶片1会受到较大的水阻，会在浮标体上部形成一个向下的阻力，进一步促进了浮标翻转的发生。在叶片1产生阻力和重心上升两个因素的共同作用下，会导致浮标更发生翻转，测量传感器3将在上升段处于浮标体迎水的最前端。另外，在翻转后浮标叶片1迎水导致的阻力将作用于浮标体后端，有利于浮标上升时的姿态保持。

上述实施例的自浮沉剖面浮标，具有如下优点：

1）通过在浮标体内增加配重件14的方式，在需要改变运动方向时主动调整浮标重心，使浮标发生翻转，保证了在浮标工作时，测量传感器3始终位于运动方向的前部，有利于测量传感器3进行测量，解决了水体扰动带来的测量效果不佳的问题。

2）通过在浮标体外增加叶片组的方式，使浮标在改变运动方向时，在浮标迎水方向的前端可以产生一个较大的反作用力（阻力），与重心改变配合使浮标更易发生翻转。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种自浮沉剖面浮标，其特征在于，包括：外壳、测量传感器、浮力控制机构和测控装置；

所述测控装置用于：

控制所述测量传感器采集海洋环境数据；

当需要改变运动方向时，控制所述伸缩部伸缩，以改变伸出所述外壳底部的伸缩量以及所述配重件的高度，使得所述自浮沉剖面浮标的重心和浮心发生变化，从而使得所述自浮沉剖面浮标发生翻转；

所述浮力控制机构还包括推进机构；

所述推进机构位于所述外壳的内部；所述推进机构与所述测控装置电连接；所述推进机构的输出端与所述伸缩部的一端连接；所述伸缩部的另一端穿过所述外壳的底部；

所述伸缩部包括伸缩杆和浮力控制腔；

所述伸缩杆的一端与所述浮力控制腔连接；所述伸缩杆位于所述外壳的内部；所述浮力控制腔穿过所述外壳的底部；所述配重件套设在所述伸缩杆上；

所述浮标还包括叶片组；

在入水时，浮力控制腔处于顶出状态，此时浮标浮力最大，浮标浮在水面上，当需要浮标下降时，测控装置控制推进机构工作，将浮力控制腔抽入浮标外壳的内部，此时浮标排水体积开始变小，在减小到浮力小于重力时，浮标开始下沉，此时，配重件处于距离外壳的底部较远的位置，导致浮标重心上升并高于浮心，浮标重力与浮力方向相反，浮标体稍有扰动极易产生使浮标翻转的扭矩，实现浮标下降时的自动翻转，使位于浮标外壳顶部的测量传感器始终位于运动方向的最前端，并且在外壳靠近底部的表面设置叶片组，在浮标重心上升并高于浮心的同时，由于叶片会受到较大的水阻，会在浮标体下部形成一个向上的阻力，阻力的方向与重力与浮力的合力方向相反，在叶片阻力和重心上升两个因素的共同作用下，会导致浮标更易发生翻转，测量传感器将在下降段处于浮标体迎水的最前端；

在浮标达到预设深度后，测控装置控制推进机构将浮力控制腔推出浮标，使浮标排水体积变大，浮力增加，在增加到浮力大于重力时，浮标开始上升，此时，配重件处于距离外壳的底部较近的位置，导致浮标重心上升，重力与浮标浮力方向相反，浮标体稍有扰动极易产生使浮标翻转的扭矩，并且在浮标重心上升的同时，由于叶片会受到较大的水阻，会在浮标体上部形成一个向下的阻力，在叶片产生的阻力和重心上升两个因素的共同作用下，会导致浮标更发生翻转，测量传感器将在上升段处于浮标体迎水的最前端。

2.根据权利要求1所述的一种自浮沉剖面浮标，其特征在于，所述叶片组包括至少两个叶片。

3.根据权利要求2所述的一种自浮沉剖面浮标，其特征在于，所述叶片组中的叶片均匀布设在所述外壳靠近底部的表面上。

4.根据权利要求1所述的一种自浮沉剖面浮标，其特征在于，所述推进机构为电推杆。

5.根据权利要求1所述的一种自浮沉剖面浮标，其特征在于，还包括：顶盖和底盖；所述外壳为端部开口的中空结构；所述顶盖设置在所述外壳的顶端；所述底盖设置在所述外壳的底端；所述测量传感器设置在所述顶盖上；所述浮力控制机构的端部穿过所述底盖。

6.根据权利要求1所述的一种自浮沉剖面浮标，其特征在于，还包括：设置在所述外壳内部的隔板；

7.根据权利要求1所述的一种自浮沉剖面浮标，其特征在于，还包括：连接件；所述推进机构的输出端通过所述连接件与所述伸缩部的一端连接。

8.根据权利要求5所述的一种自浮沉剖面浮标，其特征在于，所述顶盖与所述外壳的顶端相接触的位置以及所述底盖与所述外壳的底端相接触的位置均设置密封圈。