CN212568620U - 一种基于rov的深海沉积物声学参数原位综合探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于海洋参数测量设备领域，具体是一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置。本实用新型包括，梯度温度探测装置、浅表层沉积物取样装置、发射换能器、接收换能器、接收换能器安装柱、安装托盘、装置支架和驱动油缸装置；装置支架上设有安装托盘；发射换能器安装在安装托盘下；驱动油缸装置设于装置支架上方，驱动油缸装置活塞与安装托盘连接；浅表层沉积物取样装置和接收换能器安装柱与安装托盘连接；接收换能器安装柱与浅表层沉积物取样装置连接，接收换能器安装在接收换能器安装柱上；温度探针穿过安装托盘固定在安装支架上。本实用新型的优点在于，结构紧凑，工作灵活稳定，可快速有效地获取样品和测量数据。

Description

一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置

技术领域

本实用新型属于海洋参数测量设备领域，具体说是一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置。

背景技术

随着国防军事、海洋权益和科学考察对海洋研究的不断加深,海底沉积物声学特性研究已经成为当前重要的研究课题方向。海底沉积物的声速和声衰减系数等声场分析、近海底水界面渗透性、海底沉积物温度场变化、流体速度以及其它物性参数(温度、盐度和压力)、沉积物的理化环境对于军事海洋学、工程地质勘探、海洋地球科学研究都具有重要意义。因此国内主要海洋研究机构，如：中国科学院海洋研究所、自然资源部第一海洋研究所等都开展了相关设备的研发。根据作业方式的不同，对沉积物的声学特性和相关物性参数的测量主要有两种方式，即取样测量和海底原位测量。由于取样进行实验室的测量需要先通过重力取样器或者箱式取样器来获得海底沉积物，这样将带来沉积物的结构扰动、沉积物所处环境的温度、压强的变化造成的测量误差；海底原位测量相比避免了取样和样品搬运过程中所带来的扰动而引起的不可预测的误差。已报道的原位测量系统主要包括美国海军研制的沉积物声学现场测量系统ISSAMS、夏威夷大学研制的沉积物垂直剖面声学长矛Acoustic Lance、南安普顿海洋中心和英国Geotek公司联合研制的海底沉积物声学与土工特性原位测量系统SAPPA等，都缺少多点位温度的原位测量，难以分析温度对沉积物声学特性影响。

综上所述，国内外现有的原位测量系统均采用船载绞车站位式测量，站位测量需要在每个站位进行一次或多次仪器下放回收操作，较为繁琐，容易破坏原有沉积地层环境和状态，而且搭载单一的声学检波器进行声速测量，无法开展沉积物声学参数和相关物性多参数同步综合测量。基于科学研究需求，本实用新型构建一种基于深潜器的深海沉积物声学参数原位实时综合探测装置，设备在插入沉积物对沉积物扰动小，同步获取沉积物声学参数和温度等相关物性参数，相比以往的设备具有明显的优势。因此，可以基于深潜器在近海底浮游的灵活性，研制出一种以深潜器为平台的近海底液压推进式测量设备，既能减少仪器的提升和下放操作，提高测量工作的效率，又能连续地多点站位作业，保证数据的真实性和高精度。

实用新型内容

本实用新型目的是提供一种基于ROV的深海沉积物声学参数及其相关物性参数的获取、记录、存贮和导出功能的固定装置，可以在深海浅层沉积物声学特性和相关物性参数的综合探测中使用，以克服上述传统深海沉积物声学参数原位探测获取装置所存在的不足。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置，其特征在于，包括，梯度温度探测装置、浅表层沉积物取样装置、发射换能器、接收换能器、接收换能器安装柱、安装托盘、装置支架和驱动油缸装置；

所述装置支架上设有可上下位移的安装托盘；所述发射换能器安装在安装托盘下表面上；所述驱动油缸装置设于装置支架上方，所述驱动油缸装置通过油缸杆活塞与安装托盘的上表面连接，使油缸杆活塞带动安装托盘上下位移；

所述装置支架内设有接收换能器安装柱和浅表层沉积物取样装置，所述浅表层沉积物取样装置顶部和接收换能器安装柱的顶部与安装托盘连接；所述接收换能器安装柱的侧壁表面与浅表层沉积物取样装置侧壁表面连接，所述接收换能器安装在接收换能器安装柱上；

所述梯度温度探测装置顶部设于安装托盘上方，梯度温度探测装置的温度探针穿过安装托盘，并与固定在浅表层沉积物取样装置侧壁表面的安装支架固连。

所述接收换能器安装柱的侧壁面与浅表层沉积物取样装置侧壁面外切。

所述接收换能器安装柱上设有多个安装孔，所述安装孔内设有接收换能器，任意相邻两个所述接收换能器在垂直方向的间距固定。

所述装置支架为二层支架结构，包括，支撑柱体、支架顶板、以及与支架顶板相平行的水界面压盘；所述支撑柱体一端与支架顶板固连，另一端与水界面托盘固连；所述支撑柱体与安装托盘滑动连接；所述支架顶板和水界面压盘均设有使梯度温度探测装置、浅表层沉积物取样装置和换能器安装柱探出的通孔。

所述浅表层沉积物取样装置包括装置顶盖、连接管、取样刀头、采样衬管和密封机构；

所述采样衬管的一端通过连接管与取样刀头连接，另一端与装置顶盖连接；所述装置顶盖设有多个排水孔，所述装置顶盖上设有密封机构。

所述连接管设有多个通孔，所述连接件与设于通孔内的圆柱销连接。

所述取样刀头为中空结构，下部呈锥台状，上部呈圆柱状，该锥台的下端为刃口，圆柱状的侧壁沿圆周方向均匀开设有多个条形孔，圆柱状的上部套入连接管内，且条形孔与连接管上的通孔对应；

在锥台与圆柱的结合处内部设有多个刀具，每个刀具均包括刀片和连接件；连接件具有两块板，其中的第一连接板插设于条形孔中，并与连接管铰接，刀片固接于连接件的第二连接块板上，刀片呈三角形或扇形；连接件的两块板夹角为钝角，在两块板的结合处形成凸起。

所述密封机构包括螺纹杆、采样提把、尼龙块、压板A和压板B；

所述螺纹杆依次穿过尼龙块、压盘A、压盘B与装置顶盖螺纹连接；

所述装置顶盖与压板A之间的螺纹杆处外套有弹簧，且弹簧一端支撑压盘A，弹簧另一端穿过压盘B，与装置顶盖相抵接；

所述采样提把穿过尼龙块与压盘A相抵接。

所述压盘A为金属材质的圆板，压盘B为橡胶材质的圆板。

所述采样提把为U型管，所述采样提把两端杆部沿尼龙块圆心对称设置。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.本实用新型结构小巧紧凑，抗压能力和耐腐蚀性能强，易操作，定位精度高；

2.本实用新型基于深潜器搭载平台集成设计，具有实时原位测量功能，可适用于多种深度、温度和压力的复杂海底环境，可广泛应用于需要严格保真的地质取样、原位测量科学任务；

3.本实用新型可实时监测工作状态，基于深潜器平台具有工作灵活稳定，可快速、有效地获取地质样品和测量数据；

4.本实用新型取样衬管防水性能高，通过多方式防止海水进入取样衬管。

附图说明

图1本实用新型的结构示意图；

其中，1为浅表层沉积物取样装置，2为装置支架，3为接收换能器安装柱，4为接收换能器，5为发射换能器，6为安装托盘，7为梯度温度探测装置，8为安装支架，9为驱动油缸装置，201为水界面压盘，202为支撑柱体，203为支架顶板；

图2本实用新型的浅表层沉积物取样装置结构示意图；

其中，101为取样提把，102为尼龙块，103为压盘A，104为压盘B，105为装置顶盖，106为取样衬管，107为连接管，108为取样刀头，109为弹簧，110为螺纹杆；

图3本实用新型的取样刀头结构示意图；

图4本实用新型的刀具结构示意图；

其中，1081为刀片，1082为第一连接板，1083为第二连接板，1084为凸起。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

如图1所示，为本实用新型的结构示意图，一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置，包括，浅表层沉积物取样装置1、装置支架2、接收换能器安装柱3、接收换能器4、发射换能器5、安装托盘6、梯度温度探测装置7和驱动油缸装置9；

装置支架2上设有可上下位移的安装托盘6；所述发射换能器5安装在安装托盘6下表面上；驱动油缸装置9设于装置支架2上方，驱动油缸装置9通过油缸杆活塞与安装托盘6的上表面连接，使油缸杆活塞带动安装托盘6上下位移；

装置支架2内设有接收换能器安装柱3和浅表层沉积物取样装置1，浅表层沉积物取样装置1顶部和接收换能器安装柱1的顶部与安装托盘6连接；接收换能器安装柱3的侧壁表面与浅表层沉积物取样装置1侧壁表面连接，接收换能器4安装在接收换能器安装柱3上，接收换能器安装柱3设置在于发射换能器5一侧的安装托盘6上，发射换能器5发射声波信号，接收换能器4接收信号，进行沉积物声速、声衰减的测量。

深海温度梯度探测装置7由温度传感器、深海温度梯度探测探针和安装支架8组成；

梯度温度探测装置7顶部设于安装托盘6上方，梯度温度探测装置7的温度探针穿过安装托盘6，并与固定在浅表层沉积物取样装置1侧壁表面的安装支架8固连。

接收换能器安装柱3的侧壁面与浅表层沉积物取样装置1侧壁面外切。

接收换能器安装柱3上设有多个安装孔，安装孔内设有接收换能器4，任意相邻两个所述接收换能器4在垂直方向的间距固定。

装置支架2为二层支架结构，包括，支撑柱体202、支架顶板203、以及与支架顶板相平行的水界面压盘201；支撑柱体202一端与支架顶板203固连，另一端与水界面托盘201固连；支撑柱体202与安装托盘6滑动连接；支架顶板203和水界面压盘201均设有使梯度温度探测装置7、浅表层沉积物取样装置1和换能器安装柱3探出的通孔。

驱动油缸装置9通过驱动油缸作为动力源，推动油缸杆完成密封活塞的运动，密封活塞的后端盖与安装托盘6相连接，推动整套沉积物声学参数原位综合探测装置运行，同步插入沉积物中进行原位测量。安装支撑柱体202由4根不锈钢柱体构成，上下面分别由支架顶板203和水界面压盘201连接，形成二层立方体支架，用于固定测量装置。

其关键技术在于油缸驱动方式，目前基于ROV本体安装的油缸驱动方式通过油压抽放方式进行液压驱动，具有稳定、简易的特点。

本实用新型采用实时通讯控制系统进行通信，实时通讯控制系统包括供电系统、电池系统、通信子系统、探测控制系统、存储系统。

供电系统将岸基通过潜器传送的高压直流/交流电换为科学仪器可用的48V、24V、12V等直流电；

通信子系统用于提供高速以太网通讯；探测控制负责对供电系统、通信系统、深海沉积物声学参数原位综合探测装置持续监控；

存储系统完成系统参数配置，工作模式控制，在线采集，数据呈现，存储，处理功能；

本实用新型要完成利用深潜器进行深海沉积物声学参数原位综合探测工作，需要完成几个步骤：一、选址工作；二、深潜器下潜就位；三、原位测量数据获取；四、探测设备回收。

在步骤一过程中，利用科考船的海底探测能力，对拟测量点位区域进行海底地形测量和浅剖测量，初步判定沉积物范围和厚度，确定沉积物声学参数探测站位。

科考船定位，进行步骤二深潜器下潜作业，待ROV下潜到预定的作业站位后，海底沉积物表面与装置水界面压盘201接触，待ROV本体停留稳定后，沉积物声学参数原位综合探测装置由驱动油缸9提供液压油路，通过油缸杆驱动密封活塞前进，将浅表层沉积物取样装置1、接收换能器安装柱3通孔内的接收换能器4和梯度温度探测装置7无扰动同步插入沉积物中到达设定的深度，通过实时通讯控制系统进行系统采集参数设置，包括信号发射和接收频率、采样率、采样模式、记录时间、数据格式等，满足测量条件后开始测量获取数据；

执行步骤三获取参数，完成参数采集后执行步骤四，驱动油缸装置9往复运动，将探针连同取样装置一起拨出沉积物，利用ROV回收至甲板，进行数据的导出与转换，完成深海沉积物声学参数原位综合探测。

如图2所示为本实用新型的浅表层沉积物取样装置的结构示意图；

浅表层沉积物取样装置包括装置顶盖105、连接管107、取样刀头108、采样衬管106和密封机构；

采样衬管106的一端通过连接管107与取样刀头108连接，另一端与装置顶盖105连接；装置顶盖105设有多个排水孔，所述装置顶盖105上设有密封机构。

连接管107设有多个通孔，所述连接件与设于通孔内的圆柱销连接。

如图3～4所示，为取样刀头和刀具的结构示意图，取样刀头108为中空结构，下部呈锥台状，上部呈圆柱状，该锥台的下端为刃口，圆柱状的侧壁沿圆周方向均匀开设有多个条形孔，圆柱状的上部套入连接管内，且条形孔与连接管上的通孔对应；

在锥台与圆柱的结合处内部设有多个刀具，每个刀具均包括刀片1081和连接件；连接件具有两块板，其中第一连接板1082插设于条形孔中，并与连接管铰接，刀片固接于连接件的第二连接板1083上，刀片呈三角形或扇形；连接件的两块板夹角为钝角，在两块板的结合处形成凸起1084。

在浅表层沉积物取样装置1下插过程中，通过排水孔排出多余的水体，通过采样衬管106完成取样与存储沉积物；

当采样装置上提时，筒内的样品下压刀具、使刀具向下转动，直至连接件上的凸起1084与圆柱状上部抵接，各刀片形成合拢将样品托住。

如图2所示中的密封机构部分示意图，密封机构包括螺纹杆110、采样提把101、尼龙块102、压板A103和压板B104；本实用新型的密封装置可设置为两种方式安装：

实施例1：装置顶盖105上设有螺纹杆110，螺纹杆110上设有尼龙块102，螺纹杆110依次穿过尼龙块102、压盘A103、压盘B104与装置顶盖105螺纹连接；

装置顶盖105与压板A103之间的螺纹杆110处外套有弹簧,109，且弹簧109一端支撑压盘A103，使压盘A 103不会自然落下，防止排水孔被堵住，弹簧109另一端穿过密压盘104，弹簧109一匝线圈穿过压盘104，使压盘B 104随弹簧的张紧力上下位移，且与装置顶盖105相抵接；

采样提把穿过尼龙块102与压盘A103相抵接。

当浅表层沉积物取样装置下插过程中，由于压盘B 104随弹簧的张紧力上位移，压盘A 103被弹簧109抵住不会自然落下，下插完成后，取样衬管106中的采集到的沉积物将取样衬管106中的水从排水孔挤压出去，完成密封；本实用新型为保证采集的沉积物做二次封堵，加大了沉积物取样的精准性和多方位保护的安全性；

本实用新型可采用实时通讯控制系统控制机械手或水下机器人，在取样完毕准备上提装之前，敲击采样提把101，尼龙块102由螺柱110固定，取样提把101穿过尼龙块102推动压盘A 103，压盘A 103继续传递至压盘B 104，实现排水孔封堵功能，弹簧109的上弹力小于取样提把101与尼龙块102之间的摩擦力，使得压盘紧贴在装置顶盖105上。

实施例2：装置顶盖105上设有螺纹杆110，螺纹杆110上设有尼龙块102，螺纹杆110依次穿过尼龙块102、压盘A 103、压盘B 104与装置顶盖105螺纹连接；

装置顶盖105与压板B 104之间的螺纹杆110处外套有弹簧109，实现弹簧109一端支撑压盘B 104，使压盘B 104不会自然落下，与装置顶盖105相抵接；

采样提把穿过尼龙块102与压盘A 103相固连，采样提把带动压盘A 103上下移动。

在取样完毕准备上提装之前，敲击采样提把101，尼龙块102由螺柱110固定，取样提把101穿过尼龙块102与连接的压盘A 103共同下压，压盘A 103继续传递至压盘B 104，实现排水孔封堵功能，弹簧109的上弹力小于取样提把101与尼龙块102之间的摩擦力，使得压盘紧贴在装置顶盖105上。

压盘A103为金属材质的圆板，压盘B104为橡胶材质的圆板。

采样提把101为U型管，所述采样提把101两端杆部沿尼龙块102圆心对称设置。采样提把101两端杆部长度相等均穿过尼龙块，且采样提把101与尼龙块102的中心线上的一点位于一条直线上。

本实用新型的工作原理为：

浅表层沉积物取样装置1、装置支架2、接收换能器安装柱3、接收换能器4、发射换能器5、安装托盘6、梯度温度探测装置7和驱动油缸装置9构成基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置；采样提把101、采样衬管106、密封装置、连接管107和取样刀头108构成浅表层沉积物取样装置；深海温度梯度探测装置7由温度传感器、深海温度梯度探测探针和安装支架8组成。整套装置通过安装托盘6和支撑柱体202连接固定在一起，安装于ROV等深潜器本体上，通过驱动油缸装置9提供驱动动力，无扰动同步插入沉积物中进行原位测量，通过实时通讯控制系统进行系统采集参数设置，设置声学发射换能器发射时间、频率、记录时间等参数，梯度温度探测装置7上的温度传感器的开始时间、结束时间、采样频率和采样间隔等参数。测量结束后，利用驱动油缸9的往复运动功能，将测量探测部分连同取样装置一起缓慢拨出沉积物，同ROV本体一起回收至甲板。

Claims (10)

1.一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置，其特征在于，包括，浅表层沉积物取样装置(1)、装置支架(2)、接收换能器安装柱(3)、接收换能器(4)、发射换能器(5)、安装托盘(6)、梯度温度探测装置(7)和驱动油缸装置(9)；

所述装置支架(2)上设有可上下位移的安装托盘(6)；所述发射换能器(5)安装在安装托盘(6)下表面上；所述驱动油缸装置(9)设于装置支架(2)上方，所述驱动油缸装置(9)通过油缸杆活塞与安装托盘(6)的上表面连接，使油缸杆活塞带动安装托盘(6)上下位移；

所述装置支架(2)内设有接收换能器安装柱(3)和浅表层沉积物取样装置(1)，所述浅表层沉积物取样装置(1)顶部和接收换能器安装柱(3)的顶部与安装托盘(6)连接；所述接收换能器安装柱(3)的侧壁表面与浅表层沉积物取样装置(1)侧壁表面连接，所述接收换能器(4)安装在接收换能器安装柱(3)上；

所述梯度温度探测装置(7)顶部设于安装托盘(6)上方，梯度温度探测装置(7)的温度探针穿过安装托盘(6)，并与固定在浅表层沉积物取样装置(1)侧壁表面的安装支架(8)固连。

2.根据权利要求1所述的一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置，其特征在于，所述接收换能器安装柱(3)的侧壁面与浅表层沉积物取样装置(1)侧壁面外切。

3.根据权利要求1所述的一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置，其特征在于，所述接收换能器安装柱(3)上设有多个安装孔，所述安装孔内设有接收换能器(4)，任意相邻两个所述接收换能器(4)在垂直方向的间距固定。

4.根据权利要求1所述的一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置，其特征在于，所述装置支架(2)为二层支架结构，包括，支撑柱体(202)、支架顶板(203)、以及与支架顶板相平行的水界面压盘(201)；所述支撑柱体(202)一端与支架顶板(203)固连，另一端与水界面压盘(201)固连；所述支撑柱体(202)与安装托盘(6)滑动连接；所述支架顶板(203)和水界面压盘(201)均设有使梯度温度探测装置(7)、浅表层沉积物取样装置(1)和换能器安装柱(3)探出的通孔。

5.根据权利要求1所述的一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置，其特征在于，所述浅表层沉积物取样装置包括装置顶盖(105)、连接管(107)、取样刀头(108)、采样衬管(106)和密封机构；

所述采样衬管(106)的一端通过连接管(107)与取样刀头(108)连接，另一端与装置顶盖(105)连接；所述装置顶盖(105)设有多个排水孔，所述装置顶盖(105)上设有密封机构。

6.根据权利要求5所述的一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置，其特征在于，所述连接管(107)设有多个通孔，所述通孔内设有圆柱销，圆柱销上连有连接件。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置，其特征在于，所述取样刀头(108)为中空结构，下部呈锥台状，上部呈圆柱状，该锥台状的下端为刃口，圆柱状的侧壁沿圆周方向均匀开设有多个条形孔，圆柱状的上部套入连接管内，且条形孔与连接管上的通孔对应；

在锥台状与圆柱状的结合处内部设有多个刀具，每个刀具均包括刀片(1081) 和连接件；连接件具有两块板，其中第一连接板(1082)插设于条形孔中，并与连接管铰接，刀片固接于连接件的第二连接板(1083)上，刀片呈三角形或扇形；连接件的两块板夹角为钝角，在两块板的结合处形成凸起(1084)。

8.根据权利要求5所述的一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置，其特征在于，所述密封机构包括螺纹杆(110)、采样提把(101)、尼龙块(102)、压盘A(103)和压盘B(104)；

所述螺纹杆(110)依次穿过尼龙块(102)、压盘A(103)、压盘B(104)与装置顶盖(105)螺纹连接；

所述装置顶盖(105)与压盘A(103)之间的螺纹杆(110)处外套有弹簧(109)，且弹簧(109)一端支撑压盘A(103)，弹簧(109)另一端穿过压盘B(104)，与装置顶盖(105)相抵接；

所述采样提把穿过尼龙块(102)与压盘A(103)相抵接。

9.根据权利要求8所述的一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置，其特征在于，所述压盘A(103)为金属材质的圆板，压盘B(104)为橡胶材质的圆板。

10.根据权利要求8所述的一种基于ROV的深海沉积物声学参数原位综合探测装置，其特征在于，所述采样提把(101)为U型管，所述采样提把两端杆部沿尼龙块(102)圆心对称设置。

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