CN116576829B - 测量海底采样位置深度装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了测量海底采样位置深度装置，属于海洋调查测量技术领域，包括平台，所述平台连接有采样器、水深传感器以及用于水下移动的推进系统，所述平台连接有位于水面的漂浮组件，所述漂浮组件包括浮体，所述浮体连接有用于调控沉水深度的隔网，所述隔网开合连接有多个网片，所述平台下方设有底座和多个辅助组件，所述平台通过所述辅助组件与所述底座活动连接，所述底座固定有用于承接的支撑柱，所述支撑柱转动连接有多个叶板。本发明通过缓冲上层和下层水体冲击来稳定水下悬浮状态，提高深度测量的准确性的同时，具有不易损坏、便于回收的特点。

Description

测量海底采样位置深度装置

技术领域

本发明属于海洋调查测量技术领域，具体涉及一种测量海底采样位置深度装置。

背景技术

海底沉积物的声学特性（主要指声速和声衰减系数）研究对于军事海洋环境调查、海洋工程勘察、海底资源勘探开发以及海底环境监测等领域具有重要的应用价值。比如：浅海声场分析研究和声呐作用距离计算、海底浅层工程地质勘探和海底石油平台工程基地建设等，需要提供海底沉积物声学性质数据，

对海底采样与分析，必须准确测量海底采样点的海水深度，因为水深是采样站位点的一个重要指标。传统的方法是通过释放绳索来测量水深，这种方法的测量结果不准确，因为海洋中存在洋流，随着采样器释放的绳索受洋流影响，绳索并无法保持垂直状态，而是处于一种倾斜的状态，显然存在较大的误差，且海底通常存在有大型礁石，绳索下放过程中极易触碰礁石，最终导致测算所得数据深度远小于实际深度。

申请号为US16632509的美国发明专利，公开了一种全海深海底沉积物力学性能测量系统。该系统包括水上监测单元和水下测量装置，其中水下测量装置包括观测平台和测量机构；观察平台包括框架式主体和安装在框架式主体上的浮体，翼板，浮球舱，调平机构，配重和释放机构；浮球舱密封电路系统；测量机构包括锥体穿透测量机构，球形穿透测量机构和叶片剪切测量机构中的至少一个或采样机构。该发明中，当框架式主体到达海底时，调平机构在海底水平调节水下测量装置；在水下测量装置完成水下作业后，释放机构丢弃配重，以便回收该单元。该发明在以下技术层面存在改进空间：装置下沉进行测量工作时，其浮体容易受洋流冲击而拉扯测量装置移动，造成测量数据不准确；装置整体结构复杂不便维护，且调平机构运作时消耗较多电能，不利于长时间数据测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有稳定悬浮性和测量准确性的测量海底采样位置深度装置。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：

测量海底采样位置深度装置，包括：平台，平台连接有采样系统、水深传感器、推进系统以及浮于水面的漂浮组件，漂浮组件包括浮体，浮体与平台连接有绳体，浮体上方设有浮球，浮体中心贯通开设有圆孔，采样系统包括设置于平台底部中心的采样器。平台投入水后下沉，水深传感器对平台沉水深度检测，浮球在水面浮起并通过绳体限制平台位置，便于寻找和回收采集样品，洋流冲击浮球时，冲击水体被浮球的球面向下导流并作用浮体，使浮体下沉并由浮球提供浮力，降低浮体受冲击移动拉扯平台横向位移的幅度，提高测量数据准确度，水体通过圆孔时形成加速，有助于引导冲击洋流向水体下方流动，通过降低侧方冲击进一步提高浮体稳定性。

优选地，浮体环绕开设有通槽，圆孔通过通槽与浮体外侧壁连通，浮球与浮体上端之间固定有连杆，浮球内设有用于定位的铱星通讯系统。铱星通讯系统通过对外不断发送定位信号，便于岸上人员及时定位和找回侧面多方向的冲击水流能流过通槽进入圆孔内侧，形成冲击力的抵消，有利于通过降低浮球位移而提高定位准确性，在海面气流通过通槽时能发出噪声对生物驱赶，避免鸟类或海洋生物撞击浮体造成侧翻。

优选地，浮体下端外侧边缘环绕布设有隔网，任一隔网固定有多个上下间隔布设的隔板，同一隔网固定的隔板在末端聚拢并连接有固定板，固定板环绕布设于浮体下端内侧，隔网底部固定有配重柱。配重柱利用重量拉扯隔网，使隔网拉伸带动多个隔板在固定板上展开形成扇形，水面下方的洋流冲击浮体时，水体被多个朝向的隔板朝向不同方向导流，有利于降低单侧冲击从而防止浮体侧翻沉水，由于冲击水流的流速较高，冲击水流通过上下相邻隔板的间隙时形成低压强，使得相邻隔板靠近并挤压水体排出，形成向外扩散水流，有利于消除后续的侧方水体冲击，进一步保持浮体稳定性，同时对外扩散的水流也能防止漂浮物附着浮体，造成浮体过重沉水导致定位失效，呈扇形展开状的隔板对向上水体向圆孔处导流，能形成对浮球的底部清洁。

优选地，平台在下方设置有底座和多个辅助组件，辅助组件包括与平台底端铰接的第一杆体，第一杆体下方设有固定套，固定套底端与底座上端固定，固定套内活动连接有第二杆体，第二杆体与第一杆体之间连接有万向联轴器。第二杆体能相对固定套轴向滑移和旋转，在底座触底时，第一杆体通过万向联轴器相对第二杆体发生摆动，使底座相对平台倾斜来适应不平整的海底面，保证平台的垂直姿态，提高水深传感器的测量准确度，多个第一杆体和第二杆体连接并环绕在采样器外侧，形成对采样器的侧方防护，能有效拦截海洋生物或植物靠近采样器影响采样。

优选地，第二杆体在固定套内的一端固定有活塞头，活塞头上端与固定套内顶端之间固定有弹簧，弹簧套设于第二杆体，固定套侧壁开设有多个流通孔，流通孔位于活塞头上方。底座相对平台倾斜时，第二杆体带动活塞在固定套内挤压内部空气同时拉伸弹簧，一方面缓冲第二杆体相对第一杆体的摆动幅度，避免底座过度倾斜与平台撞击，另一方面通过气体压缩和弹簧拉伸消耗震动对平台的传递，实现降低干涉，有利于延长水深传感器以及采样器的使用寿命，缓冲结束后弹簧恢复形变，拉动活塞上移挤压上方气体从流通孔流出，实现排气。

优选地，底座向上延伸设置有多个支撑柱，支撑柱顶部固定有橡胶头，支撑柱外壁沿轴线方向开设有多个环槽，环槽转动连接有转环，转环外侧固定有叶板，平台外侧固定有卡座，卡座位于橡胶头上方。平台整体在水中下沉时，底部水体向上流动促使转换带动叶板在环槽内旋转，形成的旋流有助于降低下沉速度，防止触底冲击过大造成平台及其内部设备损坏，叶板转动形成的旋流能抑制触底时沉积物的悬浮，有助于防止采样堵塞，水下存在横流时作用叶板转动，一方面叶板通过旋转消耗横向洋流动能，降低流速对水深传感器检测精度的影响，另一方面旋转的叶片有助于对平台侧壁清洁。

优选地，浮球内设有传感系统，传感系统包括设置于浮球内部的单片机控制单元、放大电路、数据采集模块、温度传感器以及电源，浮球底部中心处向下设置有超声传感器，电源分别与单片机控制单元、放大电路以及数据采集模块连接，温度传感器与超声传感器分别与数据采集模块连接。单片机控制单元通过发送信号至放大电路，放大电路控制超声传感器向海底发送超声波，超声波在探测至平台时反射成超声回波并被超声传感器接收，接收的回波信号经过数据采集模块处理后发送至单片机控制单元，单片机控制单元记录发送信号和接收信号的时间间隔，通过计算获取平台目前水深，最终取传感系统和与水深传感器的数据平均值，得到更准确的采样深度数据。

优选地，推进系统包括设置于平台侧方的多个推进器，多个推进器连接有控制舱，控制舱设置于平台内，控制舱连接有数据处理终端，数据处理终端用于接收和对比水深传感器与超声传感器的探测数据，数据处理终端根据探测数据利用控制舱控制推进器启动。数据处理终端接收到水深传感器与超声传感器的信号，当二者信号的数值差在预设范围内时，多个推进器同时启动实现平台的上浮回收，当平台沉底被洋流作用移动至珊瑚礁群下方时，超声传感器发送的超声波达到珊瑚礁群后反射，此时水深传感器与超声传感器的信号差值超出预设范围，则表明平台上方存在珊瑚礁或遮挡物，此时数据处理终端通过控制舱控制单侧推进器，使平台发生横向移动，直至水深传感器与超声传感器发出的信号差值在预设范围内，此时控制舱控制多个推进器同时启动，完成平台上浮和回收，避免平台上浮直接撞击珊瑚礁造成损坏，同时有利于保护生态环境。

本发明由于采用了能缓冲层流的漂浮组件和稳定姿态的辅助组件，因而具有如下有益效果：浮体通过圆孔和通槽对侧方水体向下导流，降低浮体拉扯平台幅度；隔网通过扇形分布的隔板对水体分流，减小横向冲击提高稳定性；隔网开合挤压水体形成对外扩散水体，对冲击水体消能，保持平台悬浮稳定性；第一杆体与第二杆体的配合实现底座与平台的可调节连接，便于在沉底接触倾斜底面时保持平台调平，提高测量准确性；第二杆体在固定套内滑移挤压，通过气压缓冲撞击震动干涉，提高使用年限；第一杆体与第二杆体形成采样器的防护；多个叶板能在支撑柱上旋转抑制底部悬浮沉积物避免采样堵塞；叶板也能消耗横向洋流的动能来提高深度检测准确度；传感组件与水深传感器对平台深度进行方向不同的两次测量，通过取均值提高了数据有效性和准确性；推进器根据传感组件和水深传感器的数据对比，实现平台回收上浮时的自动避障，防止平台撞击损伤，便于回收。因此，本发明是一种具有稳定悬浮性和测量准确性的测量海底采样位置深度装置。

附图说明

图1为漂浮组件与平台连接示意图；

图2为浮体与隔网半剖示意图；

图3为浮体与隔网连接仰视示意图；

图4为隔网和隔板以及固定板连接示意图；

图5为平台与底座连接示意图；

图6为辅助组件局部剖示意图；

图7为支撑杆与叶板连接示意图；

图8为传感系统的流程示意图。

附图标号：平台1；采样系统2；水深传感器3；推进系统4；推进器40；漂浮组件5；浮体50；浮球51；圆孔52；通槽53；连杆54；隔网56；隔板57；固定板58；配重柱59；底座6；支撑柱60；橡胶头61；环槽62；转环63；叶板64；辅助组件7；第一杆体71；固定套72；第二杆体73；万向联轴器74；活塞头75；弹簧76；流通孔77；卡座8；传感系统9；单片机控制单元90；放大电路91；数据采集模块92；温度传感器93；电源94；超声传感器95。

具体实施方式

以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：

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。

参见附图1-附图2，测量海底采样位置深度装置，包括：平台1，平台1连接有采样系统2、水深传感器3、推进系统4以及浮于水面的漂浮组件5，漂浮组件5包括浮体50，浮体50与平台1连接有绳体，浮体50上方设有浮球51，浮体50中心贯通开设有圆孔52，采样系统2包括设置于平台1底部中心的采样器。

平台1投入水后下沉，水深传感器3对平台1沉水深度检测，浮体50和浮球51在水面浮起并通过绳体限制平台1位置，便于寻找和回收采集样品，洋流冲击浮球51时，冲击水体被浮球51的球面向下导流并作用浮体50，使浮体50下沉并由浮球51提供浮力，降低浮体50受冲击移动拉扯平台1横向位移的幅度，提高测量数据准确度，水体通过圆孔52时形成加速，有助于引导冲击洋流向水体下方流动，通过降低侧方冲击进一步提高浮体50稳定性。

浮体50环绕开设有通槽53，圆孔52通过通槽53与浮体50外侧壁连通，浮球51与浮体50上端之间固定有连杆54，浮球51内设有用于定位的铱星通讯系统。

铱星通讯系统通过对外不断发送定位信号，便于岸上人员及时定位和找回侧面多方向的冲击水流能流过通槽53进入圆孔52内侧，形成冲击力的抵消，有利于通过降低浮球51位移而提高定位准确性，在海面气流通过通槽53时能发出噪声对生物驱赶，避免鸟类或海洋生物撞击浮体50造成侧翻。

参见附图3-附图4，浮体50下端外侧边缘环绕布设有隔网56，任一隔网56固定有多个上下间隔布设的隔板57，同一隔网56固定的隔板57在末端聚拢并连接有固定板58，固定板58环绕布设于浮体50下端内侧，隔网56底部固定有配重柱59。

配重柱59利用重量拉扯隔网56，使隔网56拉伸带动多个隔板57在固定板58上展开形成扇形，水面下方的洋流冲击浮体50时，水体被多个朝向的隔板57朝向不同方向导流，有利于降低单侧冲击从而防止浮体50侧翻沉水，由于冲击水流的流速较高，冲击水流通过上下相邻隔板57的间隙时形成低压强，使得相邻隔板57靠近并挤压水体排出，形成向外扩散水流，有利于消除后续的侧方水体冲击，进一步保持浮体50稳定性，同时对外扩散的水流也能防止漂浮物附着浮体50，造成浮体50过重沉水导致定位失效，呈扇形展开状的隔板57对向上水体向圆孔52处导流，能形成对浮球51的底部清洁。

参见附图5-附图6，平台1在下方设置有底座6和多个辅助组件7，辅助组件7包括与平台1底端铰接的第一杆体71，第一杆体71下方设有固定套72，固定套72底端与底座6上端固定，固定套72内活动连接有第二杆体73，第二杆体73与第一杆体71之间连接有万向联轴器74。

第二杆体73能相对固定套72轴向滑移和旋转，在底座6触底时，第一杆体71通过万向联轴器74相对第二杆体73发生摆动，使底座6相对平台1倾斜来适应不平整的海底面，保证平台1的垂直姿态，提高水深传感器3的测量准确度，多个第一杆体71和第二杆体73连接并环绕在采样器外侧，形成对采样器的侧方防护，能有效拦截海洋生物或植物靠近采样器影响采样。

第二杆体73在固定套72内的一端固定有活塞头75，活塞头75上端与固定套72内顶端之间固定有弹簧76，弹簧76套设于第二杆体73，固定套72侧壁开设有多个流通孔77，流通孔77位于活塞头75上方。

底座6相对平台1倾斜时，第二杆体73带动活塞在固定套72内挤压内部空气同时拉伸弹簧76，一方面缓冲第二杆体73相对第一杆体71的摆动幅度，避免底座6过度倾斜与平台1撞击，另一方面通过气体压缩和弹簧76拉伸消耗震动对平台1的传递，实现降低干涉，有利于延长水深传感器3以及采样器的使用寿命，缓冲结束后弹簧76恢复形变，拉动活塞上移挤压上方气体从流通孔77流出，实现排气。

参见附图7，底座6向上延伸设置有多个支撑柱60，支撑柱60顶部固定有橡胶头61，支撑柱60外壁沿轴线方向开设有多个环槽62，环槽62转动连接有转环63，转环63外侧固定有叶板64，平台1外侧固定有卡座8，卡座8位于橡胶头61上方。

平台1整体在水中下沉时，底部水体向上流动促使转换带动叶板64在环槽62内旋转，形成的旋流有助于降低下沉速度，防止触底冲击过大造成平台1及其内部设备损坏，叶板64转动形成的旋流能抑制触底时沉积物的悬浮，有助于防止采样堵塞，水下存在横流时作用叶板64转动，一方面叶板64通过旋转消耗横向洋流动能，降低流速对水深传感器3检测精度的影响，另一方面旋转的叶片有助于对平台1侧壁清洁。

参见附图8，浮球51内设有传感系统9，传感系统9包括设置于浮球51内部的单片机控制单元90、放大电路91、数据采集模块92、温度传感器93以及电源94，浮球51底部中心处向下设置有超声传感器95，电源94分别与单片机控制单元90、放大电路91以及数据采集模块92连接，温度传感器93以及超声传感器95分别与数据采集模块92连接。

单片机控制单元90按照预定程序，发送脉冲信号至放大电路91，放大电路91驱动超声传感器95向海底发射脉冲超声波，同时，单片机控制单元90开始计时，超声波在探测至平台1时一部分折射，另一部分反射回海面并被超声传感器95接收，超声传感器95接收反射回来的超声波信号并送入数据采集模块92，数据采集模块92将数据处理后发送至单片机控制单元90，单片机控制单元90一旦接收到超声回波信号立即停止计时，并获得时间间隔，同时，根据超声波在海水中的传播规律，海水中的声传播速度与温度、压力及盐度有关，其中温度对声速影响最大，因此温度传感器93对海水温度测量，并获得海水温度。单片机控制单元90通过时间间隔、海水温度等数据计算得出平台1的采样深度。

最终，取传感系统9所测数值与水深传感器3所测数值的平均值，从而获得更准确的采样深度数据。

推进系统4包括设置于平台1侧方的多个推进器40，多个推进器40连接有控制舱，控制舱设置于平台1内，控制舱连接有数据处理终端，数据处理终端用于接收和对比水深传感器3与超声传感器95的探测数据，数据处理终端根据探测数据利用控制舱控制推进器40启动。

数据处理终端接收到水深传感器3与超声传感器95的信号，当二者信号的数值差的绝对值在预设范围内时，多个推进器40同时启动实现平台1的上浮回收；

当水深传感器3与超声传感器95的信号差值的绝对值超出预设范围，则表明平台1上方存在珊瑚礁或遮挡物，此时数据处理终端通过控制舱控制单个推进器40启动，使平台1在水下发生横向移动，直至水深传感器3与超声传感器95发出的信号差值绝对值在预设范围内，此时表明平台1上方不存在遮挡物，此时控制舱控制多个推进器40同时启动，完成平台1上浮和回收，上述方案能有效避免平台1上浮直接撞击珊瑚礁造成采样器2和水深传感器的损坏，也防止对生态环境造成破坏。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (3)

1.测量海底采样位置深度装置，包括：平台（1），所述平台（1）连接有采样系统（2）、水深传感器（3）、推进系统（4）以及浮于水面的漂浮组件（5），

其特征是：所述漂浮组件（5）包括浮体（50），所述浮体（50）与所述平台（1）连接有绳体，所述浮体（50）上方设有浮球（51），所述浮体（50）中心贯通开设有圆孔（52），

所述采样系统（2）包括设置于所述平台（1）底部中心的采样器，

所述浮体（50）环绕开设有通槽（53），所述圆孔（52）通过所述通槽（53）与所述浮体（50）外侧壁连通，所述浮球（51）与所述浮体（50）上端之间固定有连杆（54），所述浮球（51）内设有用于定位的铱星通讯系统，

所述浮体（50）下端外侧边缘环绕布设有隔网（56），任一所述隔网（56）固定有多个上下间隔布设的隔板（57），同一所述隔网（56）固定的所述隔板（57）在末端聚拢并连接有固定板（58），多个所述固定板（58）环绕布设于所述浮体（50）下端内侧，所述隔网（56）底部固定有配重柱（59），

所述平台（1）在下方设置有底座（6）和多个辅助组件（7），所述辅助组件（7）包括与所述平台（1）底端铰接的第一杆体（71），所述第一杆体（71）下方设有固定套（72），所述固定套（72）底端与所述底座（6）上端固定，所述固定套（72）内活动连接有第二杆体（73），所述第二杆体（73）与所述第一杆体（71）之间连接有万向联轴器（74），

第二杆体（73）在所述固定套（72）内的一端固定有活塞头（75），所述活塞头（75）上端与所述固定套（72）内顶端之间固定有弹簧（76），所述弹簧（76）套设于所述第二杆体（73），所述固定套（72）侧壁开设有多个流通孔（77），所述流通孔（77）位于所述活塞头（75）上方，

所述底座（6）向上延伸设置有多个支撑柱（60），所述支撑柱（60）顶部固定有橡胶头（61），所述支撑柱（60）外壁沿轴线方向开设有多个环槽（62），所述环槽（62）转动连接有转环（63），所述转环（63）外侧固定有叶板（64），所述平台（1）外侧固定有卡座（8），所述卡座（8）位于所述橡胶头（61）上方。

2.根据权利要求1所述的测量海底采样位置深度装置，其特征是：所述浮球（51）内设有传感系统（9），所述传感系统（9）包括设置于所述浮球（51）内部的单片机控制单元（90）、放大电路（91）、数据采集模块（92）、温度传感器（93）以及电源（94），所述浮球（51）底部中心处向下设置有超声传感器（95），所述电源（94）分别与所述单片机控制单元（90）、所述放大电路（91）以及所述数据采集模块（92）连接，所述温度传感器（93）与所述超声传感器（95）分别与所述数据采集模块（92）连接。

3.根据权利要求2所述的测量海底采样位置深度装置，其特征是：所述推进系统（4）包括设置于所述平台（1）侧方的多个推进器，多个所述推进器连接有控制舱，所述控制舱设置于所述平台（1）内，所述控制舱连接有数据处理终端，所述数据处理终端用于接收和对比所述水深传感器（3）与所述超声传感器（95）的探测数据，所述数据处理终端根据探测数据利用所述控制舱控制所述推进器启动。