CN114910299A - 一种具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，涉及深海装备领域，该平台通过多级释放机构，使重力与浮力配合完成沉积物的整个取样回收过程，此过程仅需较小的动力单元依次触发即可完成插管与取样，无需大功率的动力源提供上下移动的动能。此专利的设计简化了深海原位长期实验平台的结构，同时减轻了重量，降低了成本，还增加了可靠性。

Description

一种具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台
技术领域
本发明涉及深海装备领域，特别涉及一种具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台。
背景技术
深海生命科学的研究需要在深海海底进行原位实验，实验结果需要采集沉积物样品进行分析，深海实验装备在回收时自动采集沉积物样品是一个必不可少的重要操作，在数千米以上的深海海底实现沉积物自动采样功能难度非常大。现有的技术，如专利号CN105758687 A 所述技术，是在平台上安装深海电机或液压站等动力推进机构，利用电能转化为机械，能将采样管插入沉积物并拔出来获取样品。但这类技术结构复杂，体积庞大且需要大量的电池在水下长期存放；设计的装备重量也非常重，一方面难以搭载水下机器人在水下寻址投放，另一方面需要配置大体积的深海浮力材料来使之上浮返回水面，成本很高。此外，大功率动力驱动推进机构在深海长期置放后，存在着一定的故障率，可能导致采样失败，进而导致实验数据缺失。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，该平台通过多级释放机构，使重力与浮力配合完成沉积物的整个取样回收过程，此过程仅需较小的动力单元依次触发即可完成插管与取样，无需大功率的动力源提供上下移动的动能。此专利的设计简化了深海原位长期实验平台的结构，同时减轻了重量，降低了成本，还增加了可靠性。
为实现上述目的，本发明可以采取以下技术方案：
一种具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，其包括：
搭载移动支架；
取样器，其可活动地设置在所述搭载移动支架上；
配重，其可分离地设置在所述搭载移动支架上，且所述配重与所述取样器内部的管子连接；以及，
浮体材料，其可分离地设置在所述搭载移动支架上，且所述浮体材料与所述取样器内部的管子连接，其中，
当需要取样时，所述实验平台的取样器被释放，所述取样器的管子在所述配重的重力作用带动下将压入沉积物中；
当需要回收样品时，所述实验平台的浮体材料被释放，所述取样器的管子在所述浮体材料的浮力作用带动下被拉入所述取样器的舱内。
如上所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，进一步地，当结束取样时，所述实验平台丢弃所述配重后在浮力作用下上升到水面。
如上所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，进一步地，所述搭载移动支架还包括：
挡管，其为方形框体结构且为可拆卸安装，所述挡管水平于地面设置；
声学释放器支撑架，其用于固定声学释放器；以及，
若干四角立杆，其垂直连接在所述挡管的下底面从而构成长方体框架，其中，所述浮体材料安装在所述长方体框架的两侧；
固定板，其设有滑移管，所述取样器的拉杆在所述滑移管内部滑移并起导向作用，所述固定板还设有圆孔，以限制所述声学释放器在使用过程中的左右晃动；以及，
电源固定杆，其连接在所述四角立杆上且分布在所述声学释放器支撑架两侧，所述电源固定杆上设有浮球电源，所述电源固定杆用于所述浮球电源的保护壳。
如上所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，进一步地，所述搭载移动支架还包括：
释放块，其可转动连接在所述搭载移动支架的横杆上，所述横杆的两端连接在其中两四角立杆，所述释放块通过钢丝绳与所述声学释放器拉紧；以及，
档杆，其可转动连接在所述搭载移动支架的横杆上，所述声学释放器接收声学信号后释放钢丝绳，所述释放块与所述档杆在所述配重的重力作用旋转释放所述取样器的管子，其中，所述释放块与所述档杆在所述横管的位置以及所述横管到所述支腿的距离，使实验平台在水下不管处于何种状态重心位置始终低于浮心。
如上所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，进一步地，所述搭载移动支架还包括：
浮体材料支撑管，其设置在所述四角立杆的底部，用于放置所述浮体材料，以及，
仪器安装板，其平行于地面设置，所述仪器安装板上垂直设有取样器滑移管，所述取样器滑移管在所述取样器的取样过程以及所述实验平台的运输时起到限位与导向作用。
如上所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，进一步地，所述搭载移动支架还包括：
支腿，其设置在所述浮体材料支撑管的底部并靠近所述浮体材料设置；以及，
脱钩器，其设置在所述浮体材料支撑管的底部，所述脱钩器控制连接有触发模块且所述脱钩器连接所述浮体材料，所述触发模块动作将所述脱钩器打开，从而释放所述浮体材料。
如上所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，进一步地，所述脱钩器包括：
固定板，其连接在所述搭载移动支架上；
挡块，其通过销轴与所述固定板连接，所述挡块上设有盲孔，所述盲孔内设置圆形磁铁并通过环氧树脂灌封，所述销轴的一端也设置环氧树脂灌封的磁铁；
固定立板，其设置有两块，所述固定立板用于将所述挡块与所述旋转钩通过所述销轴连接，使其在两块固定立板的中间旋转；以及，
旋转钩，其将需要连接的的物体置于其上的凹槽内，并将所述旋转钩上方的直角槽置于所述挡块的直角槽内，使其扣合接触防止物体挂入其内后脱离；
如上所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，进一步地，所述浮体材料内还设有浮体材料保持架，所述浮体材料保持架包括：
连接架，其包括连接块、连接横管两侧固定管，其中，所述连接块与所述取样器的拉杆连接，以使得所述浮体材料在上升的同时通过取样器的拉杆将取样器拔出沉积物；两侧固定管中间的通孔内设置贯穿所述浮体材料的两个拉杆，通过取样器的拉杆将脱钩器连接，使浮体材料在水下不工作时固定在搭载移动支架的浮体材料支撑管上；以及，
U型焊接架，其垂直连接在所述连接架的两侧。
如上所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，进一步地，所述取样器连接支撑板包括：
支撑板本体，其为长方形板体且开设有用于穿过的孔洞；以及，
滑动柱，其垂直连接在所述支撑板本体上。
如上所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，进一步地，所述配重包括：
D型吊环；
配重拉杆；以及，
配重块，其设有两侧对称通孔，并在中间开设配重拉杆的连接通孔，所述配重块的对称通孔在与所述取样器连接支撑板连接时，使所述滑动柱穿入其中，以限制所述配重的旋转而只能上下移动。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：平台的设计有效利用了自身的配重的重力和浮体材料的浮力，通过多级释放机构完成深海底沉积物取样，此过程仅需较小的电能供给依次触发即可完成插管与取样，无需大功率的动力源提供上下移动的动能。本发明去除了用于采样驱动的大功率电机或液压站，简化了深海原位长期实验平台的结构，降低了成本，并且增加了可靠性；同时减轻了实验平台的重量，使平台满足水下机器人的搭载条件，实现海底精准投放，增加了深海科学研究的严谨性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的实验平台的立体示意图；
图2是本发明实施例的实验平台的另一视角的立体示意图；
图3是本发明实施例的实验平台的结构示意图；
图4是本发明实施例的各释放位置结构示意图；
图5是本发明实施例的搭载移动支架的结构示意图；
图6是本发明实施例的脱钩器结构示意图；
图7是本发明实施例的浮体材料保持架结构示意图；
图8是本发明实施例的配重结构示意图；
图9是本发明实施例的取样器连接支撑板结构示意图。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
实施例：
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参见图1至图9，图1是本发明实施例的实验平台的立体示意图；图2是本发明实施例的实验平台的另一视角的立体示意图；图3是本发明实施例的实验平台的结构示意图；图4是本发明实施例的各释放位置结构示意图；图5是本发明实施例的搭载移动支架的结构示意图；图6是本发明实施例的脱钩器结构示意图；图7是本发明实施例的浮体材料保持架结构示意图；图8是本发明实施例的配重结构示意图；图9是本发明实施例的取样器连接支撑板结构示意图。
一种具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，由声学释放器1、搭载移动支架2、浮球电源3、浮体材料4、浮体材料保持架5、配重6、触发模块7、脱钩器2.13、取样器连接支撑板8、取样器组成。本实验平台在深海原位实验结束后，等待科学考察船的声学回收命令，接受到回收命令后，通过多级连动释放动作，完成沉积物取样并抛弃配重块，使装备上浮至海面。搭载移动支架2上的声学释放器1收到命令后，声学释放器1脱钩释放与配重6 连接的取样器，取样器的管子在配重6的重力作用下将压入沉积物中(此时取样器内的拉杆不动)，当管子插入一定的深度后，连接浮体材料4的触发模块7动作将脱钩器2.13打开释放，浮体材料4有左右两块，使浮体材料保持架5同时上移，并将取样器的管子缓慢拉入取样器舱内。取样完成后配重6被释放抛弃，实验平台在浮力的作用下上升到水面。
参见图5，图5(a)展示了搭载移动支架的三维立体结构示意图，图5(b)展示了搭载移动支架的剖切后的视图。搭载移动支架2由方形可拆卸挡管2.1、声学释放器支撑架2.2、四角立杆2.3、固定板2.4、滑移管2.5、电源固定杆2.6、释放块2.7、浮体材料支撑管2.8、仪器安装板2.9、支腿2.10、档杆2.11、取样器滑移管2.12、脱钩器2.13、浮体材料移动管2.14以及横管固连卡槽板2.15组成。为方便安装浮体材料方形可拆卸挡管2.1设置成可拆卸结构，通过螺栓固定在四角立杆2.3上，方形可拆卸挡管2.1的拐角设置成R角可方便抛载架上下滑移时不会有卡顿现象；为防止支架焊接变形影响浮体材料4的上下滑移，浮体材料移动管2.14 设置为可拆卸结构，上下分别与方形可拆卸挡管2.1和浮体材料支撑管2.8通过螺栓连接，浮体材料移动管2.14有四根；滑移管2.5设置在固定板2.4上，取样器的拉杆在其内部滑移并起导向作用，固定板2.4上右侧的圆孔限制声学释放器在使用过程中的左右晃动；左右设置的电源固定杆2.6可用于固定浮球电源3的保护壳，此处的设置不会影响浮体材料4的上下滑移；释放块2.7与档杆2.11通过铰链设置在支架2的横管上，其距离大小与取样器固定配重6的支撑板一致，档杆2.11在支架2中可大于90°角摆动，将与配重6连接的取样器连接支撑板 8限位在支架2的横管下，通过释放块2.7将其卡入在与横管固连的卡槽内，释放块2.7通过钢丝绳与声学释放器1拉紧，声学释放器1接收声学信号后释放钢丝绳，释放块2.7与档杆 2.11在配重6的作用下旋转释放取样器，释放块2.7与档杆2.11在支架2的横管位置以及横管到支腿2.10的距离，使实验平台在水下不管处于何种状态重心位置始终低于浮心；取样器滑移管2.12设置在仪器安装板2.9上，使取样器取样以及运输时起到限位与导向作用；支腿2.10 设置在浮体材料支撑管2.8的下方并靠近浮体材料，平衡实验平台在岸上与水下的重心与稳心。
参见图4，图4(a)展示了取样器的管子准备取样前的状态，图4(b)展示了取样器的管子需要取样时，实验平台的取样器被释放，取样器在配重6的的重力作用带动下将压入沉积物中的过程，图4(c)展示了需要回收样品时，实验平台的浮体材料4被释放，取样器的管子在浮体材料4的浮力作用带动下被拉入取样器的舱内的过程，图4(d)展示了当结束取样时，需要回收实验平台，此时实验平台丢弃配重6后在浮力作用下上升到水面的过程。
参见图6，图6(a)展示了脱钩器的一个视角的剖面图，而图6(b)展示了脱钩器的另一个视角的剖面图。脱钩器2.13由：固定板2.13-1、挡块2.13-2、固定立板2.13-3、旋转钩2.13-4 组成。使用时通过固定板2.13-1与挡块2.13-2上的通孔用销轴连接限位，在挡块2.13-2的盲孔内设置圆形磁铁并通过环氧树脂灌封，销轴的一端也设置环氧树脂灌封的磁铁，两者的磁铁采用异性相吸的原理放置，旋转钩2.13-4将需要连接的的物体置于其上的凹槽内，并将旋转钩2.13-4上方的直角槽置于挡块2.13-2的直角槽内，使其扣合接触防止物体挂入其内后脱离；固定立板2.13-3设置两块将挡块2.13-2与旋转钩2.13-4通过销轴连接，使其在两块的中间旋转。
参见图7，图7(a)展示了浮体材料保持架的三维立体结构示意图，图7(b)展示了连接架的三维立体结构示意图。浮体材料保持架5由：连接架5.1与U型焊接架5.2组成。为确保浮体材料4在上升的过程中将取样器拔出沉积物，以及满足两块浮体材料4同时上升的功能，通过连接架5.1与U型焊接架5.2有螺栓固连为一个整体，浮体材料4设置为两块分别置于平台两侧可大大减小平台的高度。连接架5.1由连接块5.1-1、连接横管5.1-2和两侧固定管 5.1-3焊接而成。连接块5.1-1与取样器的两个拉杆连接，使浮体材料4在上升的同时通过拉杆将取样器拔出沉积物。连接架5.1的两侧固定管5.1-3中间的通孔内设置贯穿浮体材料4的两个拉杆，通过拉杆将脱钩器2.13连接，使浮体材料4在水下不工作时固定在搭载移动支架2 的浮体材料支撑管2.8上，插管结束后两侧的脱钩器2.13同时释放浮体材料4。
参见图8，配重6由：D型吊环6-1、配重块6-2、配重拉杆6-3组成。配重块6-2上设置两侧对称通孔，并在中间开设配重拉杆6-3的连接通孔，配重块6-2的对称通孔在与取样器连接支撑板8连接时，使滑动柱8-2穿入其中，限制配重6的旋转，使其只能上下移动。取样器连接支撑板8的结构示意图如图9所示，图9(a)展示了取样器连接支撑板俯视状态下的视图，图9(b)展示了取样器连接支撑板8-1在滑动柱8-2穿过时候的使用状态下的视图。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，其特征在于，包括：
搭载移动支架；
取样器，其可活动地设置在所述搭载移动支架上；
配重，其可分离地设置在所述搭载移动支架上，且所述配重与所述取样器内部的管子连接；以及，
浮体材料，其可分离地设置在所述搭载移动支架上，且所述浮体材料与所述取样器内部的管子连接，其中，
当需要取样时，所述实验平台的取样器被释放，所述取样器的管子在所述配重的重力作用带动下将压入沉积物中；
当需要回收样品时，所述实验平台的浮体材料被释放，所述取样器的管子在所述浮体材料的浮力作用带动下被拉入所述取样器的舱内。
2.根据权利要求1所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，其特征在于，当结束取样时，所述实验平台丢弃所述配重后在浮力作用下上升到水面。
3.根据权利要求2所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，其特征在于，所述搭载移动支架还包括：
挡管，其为方形框体结构且为可拆卸安装，所述挡管水平于地面设置；
声学释放器支撑架，其用于固定声学释放器；以及，
若干四角立杆，其垂直连接在所述挡管的下底面从而构成长方体框架，其中，所述浮体材料安装在所述长方体框架的两侧；
固定板，其设有滑移管，所述取样器的拉杆在所述滑移管内部滑移并起导向作用，所述固定板还设有圆孔，以限制所述声学释放器在使用过程中的左右晃动；以及，
电源固定杆，其连接在所述四角立杆上且分布在所述声学释放器支撑架两侧，所述电源固定杆上设有浮球电源，所述电源固定杆用于所述浮球电源的保护壳。
4.根据权利要求3所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，其特征在于，所述搭载移动支架还包括：
释放块，其可转动连接在所述搭载移动支架的横杆上，所述横杆的两端连接在其中两四角立杆，所述释放块通过钢丝绳与所述声学释放器拉紧；以及，
档杆，其可转动连接在所述搭载移动支架的横杆上，所述声学释放器接收声学信号后释放钢丝绳，所述释放块与所述档杆在所述配重的重力作用旋转释放所述取样器的管子，其中，所述释放块与所述档杆在所述横管的位置以及所述横管到所述支腿的距离，使实验平台在水下不管处于何种状态重心位置始终低于浮心。
5.根据权利要求4所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，其特征在于，所述搭载移动支架还包括：
浮体材料支撑管，其设置在所述四角立杆的底部，用于放置所述浮体材料，以及，
仪器安装板，其平行于地面设置，所述仪器安装板上垂直设有取样器滑移管，所述取样器滑移管在所述取样器的取样过程以及所述实验平台的运输时起到限位与导向作用。
6.根据权利要求5所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，其特征在于，所述搭载移动支架还包括：
支腿，其设置在所述浮体材料支撑管的底部并靠近所述浮体材料设置；以及，
脱钩器，其设置在所述浮体材料支撑管的底部，所述脱钩器控制连接有触发模块且所述脱钩器连接所述浮体材料，所述触发模块动作将所述脱钩器打开，从而释放所述浮体材料。
7.根据权利要求6所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，其特征在于，所述脱钩器包括：
固定板，其连接在所述搭载移动支架上；
挡块，其通过销轴与所述固定板连接，所述挡块上设有盲孔，所述盲孔内设置圆形磁铁并通过环氧树脂灌封，所述销轴的一端也设置环氧树脂灌封的磁铁；
固定立板，其设置有两块，所述固定立板用于将所述挡块与所述旋转钩通过所述销轴连接，使其在两块固定立板的中间旋转；以及，
旋转钩，其将需要连接的的物体置于其上的凹槽内，并将所述旋转钩上方的直角槽置于所述挡块的直角槽内，使其扣合接触防止物体挂入其内后脱离。
8.根据权利要求7所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，其特征在于，所述浮体材料内还设有浮体材料保持架，所述浮体材料保持架包括：
连接架，其包括连接块、连接横管两侧固定管，其中，所述连接块与所述取样器的拉杆连接，以使得所述浮体材料在上升的同时通过取样器的拉杆将取样器拔出沉积物；两侧固定管中间的通孔内设置贯穿所述浮体材料的两个拉杆，通过取样器的拉杆将脱钩器连接，使浮体材料在水下不工作时固定在搭载移动支架的浮体材料支撑管上；以及，
U型焊接架，其垂直连接在所述连接架的两侧。
9.根据权利要求8所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，其特征在于，所述取样器连接支撑板包括：
支撑板本体，其为长方形板体且开设有用于穿过的孔洞；以及，
滑动柱，其垂直连接在所述支撑板本体上。
10.根据权利要求8所述的具有沉积物取样功能的深海原位长期实验平台，其特征在于，所述配重包括：
D型吊环；
配重拉杆；以及，
配重块，其设有两侧对称通孔，并在中间开设配重拉杆的连接通孔，所述配重块的对称通孔在与所述取样器连接支撑板连接时，使所述滑动柱穿入其中，以限制所述配重的旋转而只能上下移动。
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