CN114993749A - 无抛载防倒式无缆重力取样器及海底沉积物取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无抛载防倒式无缆重力取样器及海底沉积物取样方法，取样器用于海底沉积物的取样，其包括取样组件、无线追踪模块、浮力组件和控制器，取样组件为柱状结构，浮力组件和无线追踪模块均连接在取样组件上，浮力组件和无线追踪模块还均与控制器连接；其还包括防倒组件，防倒组件活动连接在取样组件的上下两端之间，其包括：安装支架和辅助管，其中，安装支架中部滑动套设在取样组件上，取样组件上还设有防止安装支架脱出的第一限位件；辅助管为两对且两两相对设置在取样组件周侧，两对辅助管还可滑动地穿置在安装支架上，辅助管上还设有防止其脱出安装支架的第二限位件；本方案装置可不在海底抛载任何重物且取样时有助于防止装置倾倒。

Description

无抛载防倒式无缆重力取样器及海底沉积物取样方法

技术领域

本发明涉及海洋沉积物采样装置及技术领域，尤其涉及无抛载防倒式无缆重力取样器及海底沉积物取样方法。

背景技术

海洋是一个巨大的未知之地，通过一系列的科学调查，可以认识和了解海洋，充分利用海洋中的资源。海底沉积物是经过长时间的沉积作用形成的，通过研究海底沉积物可以获得大量的声学、化学、生物和物理信息。

目前获取海底沉积物的方法主要包括箱式取样器、重力取样器、抓斗取样器，这些设备都是通过绞车系统从科考船下放到海底取样。为了设备的安全不会使用缆绳同时下放两种仪器作业，因为按照水深4000米，放缆速度40m/min计算取样时间就需要3-4个小时，使用无缆重力取样器取样时可以不占用船时，节约成本。

目前存在的无缆重力取样器中，大多是通过携带浮球进行取样，取样完成后抛载重物达到浮力大于设备重力实现设备从海底回收的。现在的海洋科考，不仅仅是无缆重力取样器，像海底地震仪、锚系、海底大地电磁仪、海底日变站等需要在海底长期观测然后回收的设备都是使用在海底抛载重物的方法实现回收的，这样就在海底留下了大量的海洋垃圾。

另外，目前的一些重力取样器在重力取样的过程中容易发生重力柱倾倒和取样冒顶的现象，当重力柱倾倒时是无法取到样品的，目前存在的无缆重力取样器在重力柱倾倒时无法完成抛载回收；当出现取样冒顶时，取得的样品是作废的，无法供科学研究使用，浪费了大量的人力和物力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种可不在海底抛载任何重物且取样时有助于防止装置倾倒的无抛载防倒式无缆重力取样器及海底沉积物取样方法。

为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：

一种无抛载防倒式无缆重力取样器，用于海底沉积物的取样，其包括取样组件、无线追踪模块、浮力组件和控制器，所述取样组件为柱状结构，所述浮力组件和无线追踪模块均连接在取样组件上，所述浮力组件和无线追踪模块还均与控制器连接；其还包括防倒组件，所述防倒组件活动连接在取样组件的上下两端之间，其包括：

安装支架，中部滑动套设在取样组件上，所述取样组件上还设有防止安装支架脱出的第一限位件；

辅助管，为两对且两两相对设置在取样组件周侧，两对辅助管还可滑动地穿置在安装支架上，所述辅助管上还设有防止其脱出安装支架的第二限位件；

其中，辅助管与取样组件之间的间距均相等。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述取样组件包括：

取样外管，为两端敞开的管状结构；

第一取样内管，穿置在取样外管内且外壁与取样外管内壁相贴，其下端延伸至取样外管下端，所述第一取样内管的管状结构内形成第一样品存储腔；

第一取样刀头，为两端异径的管状结构，其大口端与取样外管下端连接，其小口端形成环形刀刃，且用于辅助移取海底沉积物；

第一止逆单元，设置在第一取样刀头与取样外管的下端之间且用于防止第一样品存储腔内的海底沉积物落出。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述辅助管为下端敞开的筒状结构，其内部穿置有第二取样内管，所述第二取样内管的外壁与辅助管的内壁相贴，其下端延伸至辅助管下端，所述第二取样内管的管状结构内形成第二样品存储腔，所述辅助管的下端连接有第二取样刀头，所述第二取样刀头为两端异径的管状结构，其大口端与辅助下端连接，其小口端形成环形刀刃，且用于辅助移取海底沉积物，所述第二取样刀头与辅助管之间还设有第二止逆单元，该第二止逆单元用于防止第二样品存储腔内的海底沉积物落出。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述第一止逆单元和第二止逆单元的结构相同，其均包括：

基座，为环形结构，其外周侧上设有限位槽；

止逆片，数量为多个且呈环形阵列连接在基座上，所述止逆片为弹性材料制成的弧形片状结构，其一端活动连接在限位槽中，其另一端沿接近基座虚拟轴线方向倾斜延伸，所述止逆片与基座之间具有第一配合状态和第二配合状态，第一配合状态时，多个止逆片远离基座的端部相互靠拢，将基座的环形结构内侧封闭，第二配合状态时，止逆片与基座活动连接的端部翻转，使基座的环形结构内侧敞开；

其中，第一止逆单元的基座为固定在第一取样刀头接近第一取样内管的一侧且止逆片连接至限位槽的端部被翻转限位在限位槽和第一取样刀头之间，所述海底沉积物经由第一取样刀头的小口端进入到第一取样内管时，止逆片与基座呈第二配合状态，当第一取样刀头的小口端无海底沉积物推移到第一取样内管时，止逆片受其自身重力或第一样品存储腔内的海底沉积物推动，使止逆片与基座呈第一配合状态；

另外，第二止逆单元的基座为固定在第二取样刀头接近第二取样内管的一侧且止逆片连接至限位槽的端部被翻转限位在限位槽和第二取样刀头之间，所述海底沉积物经由第二取样刀头的小口端进入到第二取样内管时，止逆片与基座呈第二配合状态，当第二取样刀头的小口端无海底沉积物推移到第二取样内管时，止逆片受其自身重力或第二样品存储腔内的海底沉积物推动，使止逆片与基座呈第一配合状态。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述第一限位件为设置在取样外管两端的第一限位环；所述第二限位件为设置在辅助管两端的第二限位环。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述取样外管的上端还连接有配重块，所述辅助管和取样外管的上端还设有可拆卸的管盖。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述安装支架为矩形框结构，其对角线位置设有连接杆且连接杆的相交位置设有与取样外管滑动套接配合的第一连接套；其中，两对辅助管分别可滑动地穿置连接在安装支架的边角上，所述安装支架矩形框结构的边角上还对应设有与辅助管配合的第二连接套。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述浮力组件包括：

环形支架，固定在取样外管的上端末；

浮力单元，为两对且呈环形阵列固定连接在环形支架上，所述浮力单元包括：

外壳，为上端敞开的筒状壳体结构，其内部形成安装腔，其侧面与环形支架固定连接；

压缩气瓶，固定设置在外壳的安装腔内，其输出端连接有第一电控阀；

盖板，盖设在外壳上端，且令外壳上端与压缩气瓶之间形成容置腔；

气囊，设置在盖板远离外壳的一侧，其充气端通过连接管穿入到容置腔内并与第一电控阀的输出端连接，由第一电控阀进行切换气囊与压缩气瓶之间的供气通断；

泄气管，设置在容置腔内，其一端与连接管连通，其另一端向上延伸且穿出盖板，所述泄气管上设有第二电控阀，由第二电控阀控制泄气管的通断，使气囊泄气或解除泄气；

子控制器，设置在容置腔内且与第一电控阀、第二电控阀连接且控制第一电控阀、第二电控阀的工作启闭，所述子控制器还与控制器连接；

收纳套，为两端敞开的筒状结构，其设置在盖板上且用于罩设未充气的气囊，收纳套的上端还设置有将未充气的气囊封装在收纳套内的薄膜，所述气囊充气后，该薄膜受气囊挤压而破裂或脱离收纳套；

压力传感器，设置在外壳上且用于感应外界压力，所述压力传感器与控制器连接。

作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述无线追踪模块为铱星通讯模块或光信标模块。

基于上述方案，本发明还提供一种海底沉积物取样方法，其包括上述所述的无抛载防倒式无缆重力取样器，所述浮力组件为浮力可调组件，所述取样组件上还设有水压感应单元，所述取样方法包括：

S01、选择预设投放区域，检测预设投放区域中的预设采样区域的水深，然后根据水深计算预计水压压力；

S02、在预设投放区域进行投放无抛载防倒式无缆重力取样器，使采样组件在海水中沿接近预设采样区域下沉；

S03、实时监测水压感应单元所反馈的水压值，在采样组件到达预设采样区域时，防倒组件与预设采样区域的支撑物接触且根据支撑物的隆起形态，两对辅助管在安装支架上滑动，以适应支撑物，同时，采样组件受重力作用而移取海底沉积物，安装支架受辅助管和外界顶推力而沿采样组件上端滑动，直至采样组件受海底沉积物阻力作用而停止刺入海底沉积物或安装支架滑动至与第一限位件配合时，采样组件所受阻力增大而令其停止下移，此时采样组件与防倒组件保持相对静止，水压感应单元的水压感应数值不再明显变化；

S04、在水压感应单元的水压感应数值不再明显变化时，控制器控制浮力组件工作，使采样组件连同防倒组件受浮力组件的牵引而上浮；

S05、实时获取监测水压感应单元所反馈的水压值，当水压值逐渐减小时，控制浮力组件所产生的浮力作用，令采样组件连同防倒组件以预设浮力或预设上浮速度进行上浮；

S06、实时获取监测水压感应单元所反馈的水压值，当水压值对应为采样组件浮出海面或达到预设可回收深度时，获取无线追踪模块所反馈的位置信息，且根据位置信息进行定位无抛载防倒式无缆重力取样器的所在位置并回收。

采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案巧妙性通过在取样组件上连接防倒组件，使得取样组件在接触到海底沉积物时，能够通过防倒组件的辅助管在安装支架上相应地上下滑动，以适应海底沉积物表面或其他支撑物表面不平整的情况，而辅助管通过在其上下两端设置限位环，能够有效避免其在安装支架的第二连接套上滑动时，发生脱出安装支架的异常问题，本方案还通过在取样组件上增设浮力组件，通过浮力组件产生的浮力来带动完成采样后的整个装置进行上升，使得无需进行抛载取样组件的配重块，即可实现装置的上浮，以便于后续进行回收，该方案实现了可不在海底抛载任何重物且取样时有助于防止装置倾倒的技术效果，其不仅对环境友好且能够提高采样的可靠性、稳定性和成功率，其具有较好的应用前景；除此之外，本方案装置还具有如下优点：

1、本方案装置达到了无缆取样，目前主流的沉积物取样方式还是使用绞车系统通过缆绳下放取样设备到海底获取沉积物。本方案实现了无缆取样，可以脱离科考船去作业节约了船时，在无缆取样的同时可以利用科考船去进行其他作业。

2、本方案装置有助于保护海底生态环境，其不再海底抛载重物。目前从海底回收长期观测仪器都是通过抛载重物使浮力大于仪器的重力来实现的。本发明利用气体状态方程，从气瓶中释放气体到气囊中，气体体积增大，浮力增大。本发明中浮力释放结构可以直接应用到其他的仪器设备上达到回收设备的作用

3、本方案装置可以在一定程度上防止取样组件倾倒，保证样品的完整度。在重力取样器触底时，两对辅助管先触底保证了设备的稳定性。两对辅助管具有一定的行程，可以在地形变化时调平设备。在取样组件贯入深度过大时，防倒组件卡在取样组件的取样外管上并与取样外管上端的第一限位件配合阻止取样组件继续贯入海底沉积物中，保证了样品的完整度。

4、本方案装置可实现多管取样。在两对辅助管上安装匹配的取样刀头和止逆单元可以在防倒的时候增加取样功能。通过两对辅助管进行获取表层样，而取样组件获得更深位置的样品。

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，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明方案的简要实施结构示意图；

图2是本发明方案的防倒组件的简要结构示意图；

图3是本发明方案的取样外管和第一取样内管与第一止逆单元或辅助管和第二取样内管与第二止逆单元的简要配合结构示意图，其中，第一止逆单元和第二止逆单元的大体结构一致，其主要差别在于第一止逆单元的基座、止逆片与第二止逆单元的尺寸有所差异，而第一取样外管和第一止逆单元、辅助管和第二止逆单元在该部分的连接结构和状态变化是相同的，因此在同一附图中展示；

图4是本发明方案的第一止逆单元或第二止逆单元在海底沉积物推移至第一取样内管或第二取样内管过程中的止逆片的状态变化示意图，即止逆片与基座呈第二配合状态；

图5是本发明方案的第一止逆单元或第二止逆单元在海底沉积物取样结束后的止逆片的状态变化示意图，即止逆片与基座呈第一配合状态；

图6是本发明方案的浮力单元的简要实施结构示意图之一，其中，气囊处于未充气状态；

图7是本发明方案的浮力单元的简要实施结构示意图之二，其中，气囊处于充气状态；

图8是本发明方案装置被投入到预设投放区域后，其刚接触到海底沉积物时的状态，其中标号5指代的是海底沉积物，其简要用线条表示海底沉积物的沉积平面；

图9是本发明方案装置在接触到海底沉积物且采样组件、辅助管受重力作用插入或部分插入到海底沉积物时的状态；

图10是本发明方案装置在接触到不平整或起伏度高的海底沉积物表面时，防倒组件根据实际情况进行自适应调整辅助杆以避免采样组件倾倒等异常状态时的示意图；

图11是本发明方案装置在采样结束后，通过浮力组件进行上浮提升装置时的简要状态示意图；

图12是本发明方案的控制器与其他电控部件连接的简要示意图；

图13是本发明方案的浮力组件受控制器对气囊进行充气、泄气的简要逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图12之一所示，本实施例方案一种无抛载防倒式无缆重力取样器，用于海底沉积物5的取样，其包括取样组件1、无线追踪模块、浮力组件2和控制器，所述取样组件1为柱状结构，所述浮力组件2和无线追踪模块均连接在取样组件1上，所述浮力组件2和无线追踪模块还均与控制器连接；其还包括防倒组件3，所述防倒组件3活动连接在取样组件1的上下两端之间，其包括：

安装支架31，中部滑动套设在取样组件1上，所述取样组件1上还设有防止安装支架31脱出的第一限位件15；

辅助管32，为两对且两两相对设置在取样组件1周侧，两对辅助管32还可滑动地穿置在安装支架31上，所述辅助管32上还设有防止其脱出安装支架31的第二限位件33；

其中，辅助管32与取样组件1之间的间距均相等。

本方案中，所述取样组件1包括：

取样外管11，为两端敞开的管状结构；

第一取样内管12，穿置在取样外管11内且外壁与取样外管11内壁相贴，其下端延伸至取样外管11下端，所述第一取样内管12的管状结构内形成第一样品存储腔121；

第一取样刀头13，为两端异径的管状结构，其大口端与取样外管11下端连接，其小口端形成环形刀刃，且用于辅助移取海底沉积物5；

第一止逆单元14，设置在第一取样刀头13与取样外管11的下端之间且用于防止第一样品存储腔121内的海底沉积物5落出。

本方案中，所述辅助管32为下端敞开的筒状结构，其内部穿置有第二取样内管34，所述第二取样内管34的外壁与辅助管32的内壁相贴，其下端延伸至辅助管32下端，所述第二取样内管34的管状结构内形成第二样品存储腔341，所述辅助管32的下端连接有第二取样刀头35，所述第二取样刀头35为两端异径的管状结构，其大口端与辅助下端连接，其小口端形成环形刀刃，且用于辅助移取海底沉积物5，所述第二取样刀头35与辅助管32之间还设有第二止逆单元36，该第二止逆单元36用于防止第二样品存储腔341内的海底沉积物5落出。

作为一种选材举例，本方案中，所述第一取样内管12、第二取样内管34可以为PVC管或PE管等塑料管，但其选材并不局限于塑料管，也可以为其他材质管，例如金属管。

作为本方案的一种较优的选择实施方式，所述第一止逆单元14和第二止逆单元36的结构相同，其均包括：

基座141/361，为环形结构，其外周侧上设有限位槽142/362；

止逆片143/363，数量为多个且呈环形阵列连接在基座141/361上，所述止逆片143/363为弹性材料制成的弧形片状结构，其一端活动连接在限位槽142/362中，其另一端沿接近基座141/361虚拟轴线方向倾斜延伸，所述止逆片143/363与基座141/361之间具有第一配合状态和第二配合状态，第一配合状态时，多个止逆片143/363远离基座141/361的端部相互靠拢，将基座141/361的环形结构内侧封闭，第二配合状态时，止逆片143/363与基座141/361活动连接的端部翻转，使基座141/361的环形结构内侧敞开；

其中，第一止逆单元14的基座141为固定在第一取样刀头13接近第一取样内管12的一侧且止逆片143连接至限位槽142的端部被翻转限位在限位槽142和第一取样刀头13之间，所述海底沉积物5经由第一取样刀头13的小口端进入到第一取样内管12时，止逆片143与基座141/361呈第二配合状态，当第一取样刀头13的小口端无海底沉积物5推移到第一取样内管12时，止逆片143受其自身重力或第一样品存储腔121内的海底沉积物5推动，使止逆片143与基座141呈第一配合状态；

另外，第二止逆单元36的基座361为固定在第二取样刀头35接近第二取样内管34的一侧且止逆片363连接至限位槽362的端部被翻转限位在限位槽362和第二取样刀头35之间，所述海底沉积物5经由第二取样刀头35的小口端进入到第二取样内管34时，止逆片363与基座361呈第二配合状态，当第二取样刀头35的小口端无海底沉积物5推移到第二取样内管34时，止逆片363受其自身重力或第二样品存储腔341内的海底沉积物5推动，使止逆片363与基座361呈第一配合状态。

通过上述第一止逆单元14和第二止逆单元36，本方案中，当采样组件1的第一取样刀头13在插入海底沉积物5中时，能够将第一取样刀头13连接的第一止逆单元14上的止逆片143进行推动，使其围绕限位槽142进行翻转，令原先合围封闭的基座141呈敞开状态，从而使得第一取样刀头13继续受重力而下插入海底沉积物5内时，能够尽可能地方便海底沉积物5进入到第一取样内管12的第一样品存储腔121中，而当采样结束后，采样组件1在上升过程中，第一样品存储腔121内的海底沉积物5能够受其自身重力而压迫止逆片143，使其恢复到合围将基座141封闭的状态；对于第二取样刀头35在插入海底沉积物5中进行取样的过程和其对应止逆片363的状态与前述第一止逆单元14相似，便不再赘述。

为了方便限位安装支架31，本方案中所述第一限位件15为设置在取样外管11两端的第一限位环；所述第二限位件33为设置在辅助管32两端的第二限位环。

而为了避免海底沉积物5在采样后，出现第一取样内管12、第二取样内管34样品冒顶等异常状况，本方案中，作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述辅助管32和取样外管11的上端还设有可拆卸的管盖111、321，而为了方便配重，本方案中，所述取样外管11的上端还连接有配重块4，该配重块为圆管状，其固定套接在取样外管11的上端，配重块4的圆管状结构能够令其固定在取样外管11上时，对取样外管11该端的重力分布均匀性不造成过多影响，从而令取样外管1在海水中下沉时，保持更好的竖直运动状态。

而为了提高安装便利性，本方案中，所述安装支架31为矩形框结构，其对角线位置设有连接杆311且连接杆311的相交位置设有与取样外管11滑动套接配合的第一连接套312；其中，两对辅助管32分别可滑动地穿置连接在安装支架31的边角上，所述安装支架31矩形框结构的边角上还对应设有与辅助管32配合的第二连接套313；通过第一连接套312，可以使得安装支架31在取样外管1上滑动时，保持较好的导向性，同样的，第二连接套313能够保证辅助管32在滑动时，保持较好的竖直导向性。

对于浮力组件2而言，本方案中，所述浮力组件2包括：

环形支架21，固定在取样外管11的上端末；

浮力单元22，为两对且呈环形阵列固定连接在环形支架21上，所述浮力单元22包括：

外壳221，为上端敞开的筒状壳体结构，其内部形成安装腔，其侧面与环形支架21固定连接；

压缩气瓶222，固定设置在外壳221的安装腔内，其输出端连接有第一电控阀225，压缩气瓶222内填充的压缩气体可以为氮气；

盖板223，盖设在外壳221上端，且令外壳221上端与压缩气瓶222之间形成容置腔2211；

气囊224，设置在盖板223远离外壳221的一侧，其充气端通过连接管2241穿入到容置腔2211内并与第一电控阀225的输出端连接，由第一电控阀225进行切换气囊224与压缩气瓶222之间的供气通断；

泄气管226，设置在容置腔2211内，其一端与连接管2241连通，其另一端向上延伸且穿出盖板223，所述泄气管226上设有第二电控阀227，由第二电控阀227控制泄气管226的通断，使气囊224泄气或解除泄气；

子控制器228，设置在容置腔2211内且与第一电控阀225、第二电控阀227连接且控制第一电控阀225、第二电控阀227的工作启闭，所述子控制器228还与控制器连接；

收纳套229，为两端敞开的筒状结构，其设置在盖板223上且用于罩设未充气的气囊224，收纳套229的上端还设置有将未充气的气囊224封装在收纳套229内的薄膜，所述气囊224充气后，该薄膜受气囊224挤压而破裂或脱离收纳套229；

压力传感器23，设置在外壳221上且用于感应外界压力，所述压力传感器23与控制器连接。

本方案中，压力传感器23的主要作用在于感应海水对其造成的水压，而将压力传感器23用作水深探测是当前较为普遍的现有可查技术，此处便不再赘述其细节机理。

而为了便于对装置进行回收，本方案中，所述无线追踪模块为铱星通讯模块或光信标模块，所述无线追踪模块可以安装于取样组件1的取样外管11上端末。

基于上述方案，本实施例还提供一种海底沉积物5取样方法，其包括上述所述的无抛载防倒式无缆重力取样器，所述浮力组件2为浮力可调组件，所述取样组件1上还设有水压感应单元(即压力传感器23)，所述取样方法包括：

S01、选择预设投放区域，检测预设投放区域中的预设采样区域的水深，然后根据水深计算预计水压压力；

S02、在预设投放区域进行投放无抛载防倒式无缆重力取样器，使采样组件在海水中沿接近预设采样区域下沉；

S03、实时监测水压感应单元所反馈的水压值，在采样组件到达预设采样区域时，防倒组件3与预设采样区域的支撑物接触且根据支撑物的隆起形态，两对辅助管32在安装支架31上滑动，以适应支撑物，同时，采样组件受重力作用而移取海底沉积物5，安装支架31受辅助管32和外界顶推力而沿采样组件上端滑动，直至采样组件受海底沉积物5阻力作用而停止刺入海底沉积物5或安装支架31滑动至与第一限位件15配合时，采样组件所受阻力增大而令其停止下移，此时采样组件与防倒组件3保持相对静止，水压感应单元的水压感应数值不再明显变化；

S04、在水压感应单元的水压感应数值不再明显变化时，控制器控制浮力组件2工作，使采样组件连同防倒组件3受浮力组件2的牵引而上浮；

S05、实时获取监测水压感应单元所反馈的水压值，当水压值逐渐减小时，控制浮力组件2所产生的浮力作用，令采样组件连同防倒组件3以预设浮力或预设上浮速度进行上浮；

S06、实时获取监测水压感应单元所反馈的水压值，当水压值对应为采样组件浮出海面或达到预设可回收深度时，获取无线追踪模块所反馈的位置信息，且根据位置信息进行定位无抛载防倒式无缆重力取样器的所在位置并回收。

作为一种规格举例，本方案中，所述取样组件1的取样外管11总长可以为6m，其管径可以为20～40cm，安装支架31可以为边长100cm的正方形轮廓结构，辅助管32的长度可以为1.2～1.5m，辅助管32上的第二限位件33的间距为可以100cm，在该结构下，防倒组件3可以用于调整角度不大于45度的地形变化。

取样组件1的配重一般是1.0T，气瓶一个重约100kg，在取样组件1上搭载4个气瓶共计400kg。根据试验业经验，取样组件1贯入海底沉积物5中，满载沉积物加上沉积物的粘滞力，装置整体的起拔力不会超过2T。

浮力计算公式为F＝ρgV，F是浮力，ρ是液体密度，g是重力加速度常量，V是排开液体的体积。根据浮力公式可知，排开2m³的海水，浮力约为2T。

理想气体状态方程为pV＝nRT，p是压强，V是气体体积，T是温度，n是气体的物质的量，R是摩尔气体常数。根据理想气体状态方程可知在其他变量不变的条件下，压强越小气体体积越大。

本方案对应的液体压强公式是p＝ρgh，其中p是压强,ρ是液体密度，g是重力加速度常量，h是液体的深度，海水的密度约为1.03～1.07g/cm³。根据液体压强公式可知在水深为7000m时，压强约为70Mpa，气瓶设计为120Mpa(即最低承受120Mpa压强)，满足全海深作业。

作为一种应用场景模拟举例，当本方案装置在5000米水深的区域进行取样作业时，在到达需要作业的目标海域后，可以首先利用船载的测深设备确定目标海域的水深。

根据水深和液体压强公式：p＝ρgh可以计算出作业区压强为50Mpa。一个气瓶内储存为500L的120Mpa的氮气(气瓶体积为500L)。重力柱取样器配重11是1.0T，气瓶3一个重100kg，在重力取样器上搭载4个气瓶共计400kg，加上取样取样外管11等部件后，总1.6T重。

结合图1至图13所示，操作人员在船上的甲板释放重力取样器时，重力取样器在重力的作用下下沉。浮力组件2上的压力传感器23实时反馈感应数据，将其转化为重力取样器距离水面的深度并将数值反馈到控制器。重力取样器在触底的时候，防倒组件3的4根辅助管31首先触底，4根辅助管31同时触底保证了整个取样系统的稳定性，在遇到地形有一定坡度的地方4根辅助管31可以根据接触情况来自适应升降以将取样组件1调整到平衡的状态。重力取样器触底取样后，压力传感器23所反馈的数值保持不变。

当控制器监测到压力传感器23反馈的数值到达了目标水深并保持一段时间无变化，控制器可以通过控制浮力组件2的子控制器228的打开第一电控阀225(电磁阀)的开关。此时浮力组件2的状态是压缩气瓶222内储存有压强为120Mpa的气体，整体取样器处在压强是50Mpa的海底，当第一电控阀225(电磁阀)打开后，压缩气瓶222内的高压气体进入到可至少承受压强是50Mpa的气囊224内。

根据理想气体状态方程pV＝nRT可知气体从压强大的压缩气瓶222内进入到压强小的气囊224内气体体积变大，当气囊224充气到2m³时，根据浮力计算公式F＝ρgV可知此时气囊224产生的浮力是2T，大于重力取样器的重力和其在沉积物中的粘滞力重力取样器开始上浮。

当控制器(控制单元)监测到压力传感器23反馈的数值开始减小，可以同控制子控制器228关闭第一电控阀225的开关。重力取样器在上升的过程中，外部压强越来越小，由于气囊224所受海水的压力下降，其内部气体会因为外部限制力下降而进一步膨胀，从而导致气囊224会持续膨胀，此时控制器可以根据压力传感器23反馈的数值打开气囊224上的第二电控阀227(泄压阀)，使重力取样系统保持稳定的浮力上升。

当重力取样器浮出水面后，可以在船上接收到重力取样器上的无线追踪模块发送回来的位置信息，即可前去打捞。在夜晚作业时可以凭借光信标的频闪信号前去寻找。

以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，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 (10)

1.一种无抛载防倒式无缆重力取样器，用于海底沉积物的取样，其包括取样组件、无线追踪模块、浮力组件和控制器，所述取样组件为柱状结构，所述浮力组件和无线追踪模块均连接在取样组件上，所述浮力组件和无线追踪模块还均与控制器连接；其特征在于，其还包括防倒组件，所述防倒组件活动连接在取样组件的上下两端之间，其包括：

安装支架，中部滑动套设在取样组件上，所述取样组件上还设有防止安装支架脱出的第一限位件；

辅助管，为两对且两两相对设置在取样组件周侧，两对辅助管还可滑动地穿置在安装支架上，所述辅助管上还设有防止其脱出安装支架的第二限位件；

其中，辅助管与取样组件之间的间距均相等。

2.如权利要求1所述的无抛载防倒式无缆重力取样器，其特征在于，所述取样组件包括：

取样外管，为两端敞开的管状结构；

第一取样内管，穿置在取样外管内且外壁与取样外管内壁相贴，其下端延伸至取样外管下端，所述第一取样内管的管状结构内形成第一样品存储腔；

第一取样刀头，为两端异径的管状结构，其大口端与取样外管下端连接，其小口端形成环形刀刃，且用于辅助移取海底沉积物；

第一止逆单元，设置在第一取样刀头与取样外管的下端之间且用于防止第一样品存储腔内的海底沉积物落出。

3.如权利要求2所述的无抛载防倒式无缆重力取样器，其特征在于，所述辅助管为下端敞开的筒状结构，其内部穿置有第二取样内管，所述第二取样内管的外壁与辅助管的内壁相贴，其下端延伸至辅助管下端，所述第二取样内管的管状结构内形成第二样品存储腔，所述辅助管的下端连接有第二取样刀头，所述第二取样刀头为两端异径的管状结构，其大口端与辅助下端连接，其小口端形成环形刀刃，且用于辅助移取海底沉积物，所述第二取样刀头与辅助管之间还设有第二止逆单元，该第二止逆单元用于防止第二样品存储腔内的海底沉积物落出。

4.如权利要求3所述的无抛载防倒式无缆重力取样器，其特征在于，所述第一止逆单元和第二止逆单元的结构相同，其均包括：

基座，为环形结构，其外周侧上设有限位槽；

止逆片，数量为多个且呈环形阵列连接在基座上，所述止逆片为弹性材料制成的弧形片状结构，其一端活动连接在限位槽中，其另一端沿接近基座虚拟轴线方向倾斜延伸，所述止逆片与基座之间具有第一配合状态和第二配合状态，第一配合状态时，多个止逆片远离基座的端部相互靠拢，将基座的环形结构内侧封闭，第二配合状态时，止逆片与基座活动连接的端部翻转，使基座的环形结构内侧敞开；

其中，第一止逆单元的基座为固定在第一取样刀头接近第一取样内管的一侧且止逆片连接至限位槽的端部被翻转限位在限位槽和第一取样刀头之间，所述海底沉积物经由第一取样刀头的小口端进入到第一取样内管时，止逆片与基座呈第二配合状态，当第一取样刀头的小口端无海底沉积物推移到第一取样内管时，止逆片受其自身重力或第一样品存储腔内的海底沉积物推动，使止逆片与基座呈第一配合状态；

另外，第二止逆单元的基座为固定在第二取样刀头接近第二取样内管的一侧且止逆片连接至限位槽的端部被翻转限位在限位槽和第二取样刀头之间，所述海底沉积物经由第二取样刀头的小口端进入到第二取样内管时，止逆片与基座呈第二配合状态，当第二取样刀头的小口端无海底沉积物推移到第二取样内管时，止逆片受其自身重力或第二样品存储腔内的海底沉积物推动，使止逆片与基座呈第一配合状态。

5.如权利要求2至4之一所述的无抛载防倒式无缆重力取样器，其特征在于，所述第一限位件为设置在取样外管两端的第一限位环；所述第二限位件为设置在辅助管两端的第二限位环。

6.如权利要求5所述的无抛载防倒式无缆重力取样器，其特征在于，所述取样外管的上端还连接有配重块，所述辅助管和取样外管的上端还设有可拆卸的管盖。

7.如权利要求5所述的无抛载防倒式无缆重力取样器，其特征在于，所述安装支架为矩形框结构，其对角线位置设有连接杆且连接杆的相交位置设有与取样外管滑动套接配合的第一连接套；其中，两对辅助管分别可滑动地穿置连接在安装支架的边角上，所述安装支架矩形框结构的边角上还对应设有与辅助管配合的第二连接套。

8.如权利要求2至4之一所述的无抛载防倒式无缆重力取样器，其特征在于，所述浮力组件包括：

环形支架，固定在取样外管的上端末；

浮力单元，为两对且呈环形阵列固定连接在环形支架上，所述浮力单元包括：

外壳，为上端敞开的筒状壳体结构，其内部形成安装腔，其侧面与环形支架固定连接；

压缩气瓶，固定设置在外壳的安装腔内，其输出端连接有第一电控阀；

盖板，盖设在外壳上端，且令外壳上端与压缩气瓶之间形成容置腔；

气囊，设置在盖板远离外壳的一侧，其充气端通过连接管穿入到容置腔内并与第一电控阀的输出端连接，由第一电控阀进行切换气囊与压缩气瓶之间的供气通断；

泄气管，设置在容置腔内，其一端与连接管连通，其另一端向上延伸且穿出盖板，所述泄气管上设有第二电控阀，由第二电控阀控制泄气管的通断，使气囊泄气或解除泄气；

子控制器，设置在容置腔内且与第一电控阀、第二电控阀连接且控制第一电控阀、第二电控阀的工作启闭，所述子控制器还与控制器连接；

收纳套，为两端敞开的筒状结构，其设置在盖板上且用于罩设未充气的气囊，收纳套的上端还设置有将未充气的气囊封装在收纳套内的薄膜，所述气囊充气后，该薄膜受气囊挤压而破裂或脱离收纳套；

压力传感器，设置在外壳上且用于感应外界压力，所述压力传感器与控制器连接。

9.如权利要求1所述的无抛载防倒式无缆重力取样器，其特征在于，所述无线追踪模块为铱星通讯模块或光信标模块。

10.一种海底沉积物取样方法，其特征在于，其包括权利要求1至9之一所述的无抛载防倒式无缆重力取样器，所述浮力组件为浮力可调组件，所述取样组件上还设有水压感应单元，所述取样方法包括：

S01、选择预设投放区域，检测预设投放区域中的预设采样区域的水深，然后根据水深计算预计水压压力；

S02、在预设投放区域进行投放无抛载防倒式无缆重力取样器，使采样组件在海水中沿接近预设采样区域下沉；

S03、实时监测水压感应单元所反馈的水压值，在采样组件到达预设采样区域时，防倒组件与预设采样区域的支撑物接触且根据支撑物的隆起形态，两对辅助管在安装支架上滑动，以适应支撑物，同时，采样组件受重力作用而移取海底沉积物，安装支架受辅助管和外界顶推力而沿采样组件上端滑动，直至采样组件受海底沉积物阻力作用而停止刺入海底沉积物或安装支架滑动至与第一限位件配合时，采样组件所受阻力增大而令其停止下移，此时采样组件与防倒组件保持相对静止，水压感应单元的水压感应数值不再明显变化；

S04、在水压感应单元的水压感应数值不再明显变化时，控制器控制浮力组件工作，使采样组件连同防倒组件受浮力组件的牵引而上浮；

S05、实时获取监测水压感应单元所反馈的水压值，当水压值逐渐减小时，控制浮力组件所产生的浮力作用，令采样组件连同防倒组件以预设浮力或预设上浮速度进行上浮；

S06、实时获取监测水压感应单元所反馈的水压值，当水压值对应为采样组件浮出海面或达到预设可回收深度时，获取无线追踪模块所反馈的位置信息，且根据位置信息进行定位无抛载防倒式无缆重力取样器的所在位置并回收。

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