CN216082492U - 一种地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及检测设备技术领域，公开了一种地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，包括壳体以及依次设于壳体的内腔的激光拉曼测量模块、透镜组、反射镜组、活塞和驱动组件：透镜组与活塞的前端之间形成第一腔，第一腔设有第一滤孔与腔外连通；透镜组用于调节激光拉曼测量模块射出的激光，反射镜组用于将第一腔内的激光反射回激光拉曼测量模块；活塞的后端形成第二腔，第二腔设有第二滤孔与腔外连通；驱动组件设于第二腔内，其与活塞连接，用于驱动活塞前后运动，从而通过第一滤孔排出第一腔内的水或抽取腔外的水进入第一腔内。本实用新型利用了激光拉曼光谱技术，结构简单，使用方便，便于进行海底沉积物孔隙水的原位检测。
Description
技术领域
本实用新型涉及检测设备技术领域，特别是涉及一种地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头。
背景技术
深海环境作为海底一种典型的环境，海床被大量沉积物所覆盖，沉积物及其中独特的生物群落、丰富的矿产资源为研究深海乃至生命起源问题提供了重要平台。
深海环境下，沉积物的组分中有固液气三相，固态包括有机质和无机矿物等，液态主要是孔隙水，当中包含各种溶解态有机质、离子和气体，在冷泉区域附近还存在甲烷等气态物质。通过对海底沉积物的组分(如孔隙水中HS－、H2S，CH4，沉积物中碳酸盐矿物)成分定性和定量分析，对认识和解决气候变化、碳循环、冷泉系统等科学问题具有重要意义。
对于孔隙水的分析，目前的研究主要是通过各种采样手段获取样品进行实验室分析。对于一些易受环境影响而发生变化的成分，所得样品实验室分析结果容易与真实情况出现误差。
现有技术缺乏便于对沉积物孔隙水进行原位检测的装置，因此，现有技术亟待改进。
实用新型内容
本实用新型的目的是：提供一种地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，以解决现有技术缺乏便于对沉积物孔隙水进行原位检测的装置的技术问题。
为了实现上述目的，本实用新型提供了一种地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，包括壳体以及依次设于所述壳体的内腔的激光拉曼测量模块、透镜组、反射镜组、活塞和驱动组件：
所述透镜组与所述活塞的前端之间形成第一腔，所述第一腔设有第一滤孔与腔外连通；所述透镜组用于调节所述激光拉曼测量模块射出的激光，所述反射镜组用于将所述第一腔内溶液被激光激发而产生的拉曼散射收集并反射回所述激光拉曼测量模块；
所述活塞的后端形成第二腔，所述第二腔设有第二滤孔与腔外连通；所述驱动组件设于所述第二腔内，其与所述活塞连接，用于驱动所述活塞前后运动，从而通过所述第一滤孔排出所述第一腔内的水或抽取腔外的水进入所述第一腔内。
本申请一些实施例中，所述第一腔包括检测腔及容液腔；
所述透镜组与所述反射镜组之间形成容积不变的所述检测腔，所述检测腔设有所述第一滤孔；
所述反射镜组与所述活塞的前端之间形成容积随所述活塞运动而变化的所述容液腔，所述反射镜组设有连通所述检测腔及所述容液腔的透水孔。
本申请一些实施例中，所述反射镜组包括固定板和反射镜；
所述固定板与所述壳体的内壁固定连接，所述反射镜设于所述固定板朝向所述透镜组的一侧，所述固定板上位于所述反射镜的周边处设有若干个所述透水孔。
本申请一些实施例中，所述第一滤孔设于靠近所述透镜组的位置处。
本申请一些实施例中，所述第一滤孔包括通孔及透水过滤件；
所述第一腔的腔壁上设有所述通孔与腔外连通，所述透水过滤件设于所述通孔内或覆盖于所述通孔的孔口，用于过滤沉积物中的固体杂质组分。
本申请一些实施例中，所述透水过滤件为透水过滤圈，所述壳体的外壁与所述通孔对应的位置处设有一圈安装槽，所述透水过滤圈设于所述安装槽内，覆盖于所述通孔的孔口。
本申请一些实施例中，所述驱动组件包括旋转电机和丝杆；
所述丝杆的一端与所述活塞连接，其另一端与所述旋转电机的输出轴连接，所述丝杆将所述旋转电机的旋转运动转化成直线运动，从而带动所述活塞前后运动。
本申请一些实施例中，所述壳体的内腔位于所述激光拉曼测量模块的前方处设有接线端子；
所述壳体还设有过线腔，所述旋转电机的电缆导线穿过所述过线腔与所述激光拉曼测量模块的光纤导线一同集成于所述接线端子中。
本申请一些实施例中，所述第二腔内还设有压力补偿器，其用于使所述第二腔与腔外环境连通并使二者达到压力平衡的状态。
本申请一些实施例中，所述壳体靠近所述驱动组件的后端设有锥形头。
本实用新型实施例一种地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头与现有技术相比，其有益效果在于：
本实用新型实施例的地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，利用了激光拉曼光谱技术，结构简单，使用方便，便于进行海底沉积物孔隙水的原位检测，从而获得海洋沉积物中孔隙水中多种物质的浓度及其变化规律，以应用于气候变化、碳循环、冷泉系统、水合物开采等科学和工程研究中。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例的地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头的截面结构示意图；
图2是图1中A处放大图；
图3是反射镜组的结构示意图；
图中，100、壳体；101、检测腔；102、容液腔；103、第二腔；104、过线腔；110、第一滤孔；111、第一通孔；112、第一透水过滤件；120、第二滤孔；121、第二通孔；122、第二透水过滤件；200、激光拉曼测量模块；210、光纤导线；300、透镜组；400、反射镜组；401、透水孔；410、固定板；420、反射镜；500、活塞；600、驱动组件；610、旋转电机；611、电缆导线；620、丝杆；700、接线端子；800、压力补偿器；900、锥形头。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，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，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1所示，是本实用新型优选实施例的一种地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，主要包括壳体100以及依次设于壳体100的内腔的激光拉曼测量模块200、透镜组300、反射镜组400、活塞500和驱动组件600。
具体的，参见图2，透镜组300与反射镜组400之间形成容积不变的检测腔101，检测腔101设有第一滤孔110。反射镜组400与活塞500的前端之间形成容积随活塞500运动而变化的容液腔102，反射镜组400设有连通检测腔101及容液腔102的透水孔401。检测腔101与容液腔102共同组成位于透镜组300与活塞500的前端之间的第一腔，第一腔通过第一滤孔110与腔外连通。其中，透镜组300为一系列透镜组合，但其作用主要是调节激光拉曼测量模块200发射出的激光，增强拉曼信号。反射镜组400作为拉曼测量信号的光路的一部分，反射镜组400用于将第一腔内溶液被激光激发而产生的拉曼散射收集并反射回激光拉曼测量模块200，即反射拉曼信号用于检测。
活塞500的后端形成第二腔103，第二腔103设有第二滤孔120与腔外连通。驱动组件600设于第二腔103内，其与活塞500连接，用于驱动活塞500前后运动，从而通过第一滤孔110排出第一腔内的水或抽取腔外的水进入第一腔内。
一些实施例中，参见图3，反射镜组400包括固定板410和反射镜420。固定板410与壳体100的内壁固定连接，反射镜420设于固定板410朝向透镜组300的一侧，固定板410上位于反射镜420的周边处设有若干个透水孔401。
一些实施例中，参见图2，第一滤孔110设于靠近透镜组300的位置处。
一些实施例中，参见图2，第一滤孔110包括第一通孔111及第一透水过滤件112。第一腔(检测腔101)的腔壁上设有该第一通孔111与腔外连通，第一透水过滤件112设于第一通孔111内或覆盖于第一通孔111的孔口，用于过滤沉积物中的固体杂质组分，避免固体杂质组分进入腔内。第二滤孔120包括第二通孔121及第二透水过滤件122。第二腔103的腔壁上设有该第二通孔121与腔外连通，第二透水过滤件122设于第二通孔121内或覆盖于第二通孔121的孔口，用于过滤沉积物中的固体杂质组分，避免固体杂质组分进入腔内。
一些实施例中，参见图2，第一透水过滤件112及第二透水过滤件122均为透水过滤圈，壳体100的外壁与通孔对应的位置处设有一圈安装槽，透水过滤圈设于安装槽内，覆盖于通孔的孔口。优选的，透水过滤圈可为陶瓷滤膜材质。
一些实施例中，参见图1，驱动组件600包括旋转电机610和丝杆620。丝杆620的一端与活塞500连接，其另一端与旋转电机610的输出轴连接，丝杆620将旋转电机610的旋转运动转化成直线运动，从而带动活塞500前后运动。优选的，旋转电机610采用电驱减速机。
一些实施例中，参见图1，壳体100靠近激光拉曼测量模块200的前端设有接线端子700。壳体100还设有过线腔104，过线腔104的延伸走向趋势与壳体100的内腔相同，旋转电机610的电缆导线611穿过过线腔104与激光拉曼测量模块200的光纤导线210一同集成于接线端子700中。
一些实施例中，参见图1，第二腔103内还设有压力补偿器800，其用于使第二腔103与腔外环境连通并使二者达到压力平衡的状态。
一些实施例中，壳体100靠近驱动组件600的后端(即图1视角中的下端)设有锥形头900，便于插入沉积物中。
实际使用时，地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头可与外部贯入装置组合使用。外部贯入装置上设有柔性探杆，柔性探杆内设有光电复合缆，柔性探杆用于与探头的接线端子700连接，与探头固定连接的同时建立通信连接。通过驱动柔性探杆，可将探头下放至海底预定深度。
当探头到达海底预定深度开始工作时，首先控制驱动组件600驱动活塞500向后运动，抽取预定深度处的水进入第一腔内，控制激光拉曼测量模块200发射激光，通过透镜组300照射样液，反射镜组400将第一腔内溶液被激光激发而产生的拉曼散射收集并反射回激光拉曼测量模块200处，从而可测得样液的目标离子浓度，实现原位检测。测量完毕后，控制驱动组件600驱动活塞500向前运动，将第一腔内的样液排出，探头继续下沉至下一预定深度重复上述测量步骤。
在另一实施例中，第一腔包括检测腔101及容液腔102，活塞500只在一定行程内运动，只排出容液腔102内的液体，即在排液时，检测腔101内会残留上一次的样液，即每次液体的交换是不完全的。
以下进行计算公式的推导：设第一腔的体积为V0，检测腔101的体积(即残留样液的死体积)为V1。在首次测量前，先抽取标准液进入第一腔内，测量标准液的目标离子浓度，记为内标值C0，抽取的样液的目标离子浓度为C′。
第一次交换时：
第二次交换时：
第三次交换时：
同理，第n次交换时：
经运算整理得：
实际使用中，当探头制作完毕后，V1、V0的值可以测出，n为交换次数，可人为控制，C0是已知内标值，只有C′是未知量，是真实测量目标。
令：
代入探头相关参数后K为常数，把上式改写为：
由此可得：
综上，即使每次第一腔内的液体交换不完全，依然可以通过上述公式计算得到预定深度处样液的目标离子浓度为C′，得到可靠的原位检测结果。
综上，本实用新型提出的一种地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，利用了激光拉曼光谱技术，结构简单，使用方便，便于进行海底沉积物孔隙水的原位检测，从而获得海洋沉积物中孔隙水中多种物质的浓度及其变化规律，以应用于气候变化、碳循环、冷泉系统、水合物开采等科学和工程研究中。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，其特征在于，包括壳体以及依次设于所述壳体的内腔的激光拉曼测量模块、透镜组、反射镜组、活塞和驱动组件：
所述透镜组与所述活塞的前端之间形成第一腔，所述第一腔设有第一滤孔与腔外连通；所述透镜组用于调节所述激光拉曼测量模块射出的激光，所述反射镜组用于将所述第一腔内溶液被激光激发而产生的拉曼散射收集并反射回所述激光拉曼测量模块；
所述活塞的后端形成第二腔，所述第二腔设有第二滤孔与腔外连通；所述驱动组件设于所述第二腔内，其与所述活塞连接，用于驱动所述活塞前后运动，从而通过所述第一滤孔排出所述第一腔内的水或抽取腔外的水进入所述第一腔内。
2.根据权利要求1所述的地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，其特征在于，所述第一腔包括检测腔及容液腔；
所述透镜组与所述反射镜组之间形成容积不变的所述检测腔，所述检测腔设有所述第一滤孔；
所述反射镜组与所述活塞的前端之间形成容积随所述活塞运动而变化的所述容液腔，所述反射镜组设有连通所述检测腔及所述容液腔的透水孔。
3.根据权利要求2所述的地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，其特征在于，所述反射镜组包括固定板和反射镜；
所述固定板与所述壳体的内壁固定连接，所述反射镜设于所述固定板朝向所述透镜组的一侧，所述固定板上位于所述反射镜的周边处设有若干个所述透水孔。
4.根据权利要求3所述的地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，其特征在于，所述第一滤孔设于靠近所述透镜组的位置处。
5.根据权利要求1所述的地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，其特征在于，所述第一滤孔包括通孔及透水过滤件；
所述第一腔的腔壁上设有所述通孔与腔外连通，所述透水过滤件设于所述通孔内或覆盖于所述通孔的孔口，用于过滤沉积物中的固体杂质组分。
6.根据权利要求5所述的地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，其特征在于，所述透水过滤件为透水过滤圈，所述壳体的外壁与所述通孔对应的位置处设有一圈安装槽，所述透水过滤圈设于所述安装槽内，覆盖于所述通孔的孔口。
7.根据权利要求1所述的地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，其特征在于，所述驱动组件包括旋转电机和丝杆；
所述丝杆的一端与所述活塞连接，其另一端与所述旋转电机的输出轴连接，所述丝杆将所述旋转电机的旋转运动转化成直线运动，从而带动所述活塞前后运动。
8.根据权利要求7所述的地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，其特征在于，所述壳体的内腔位于所述激光拉曼测量模块的前方处设有接线端子；
所述壳体还设有过线腔，所述旋转电机的电缆导线穿过所述过线腔与所述激光拉曼测量模块的光纤导线一同集成于所述接线端子中。
9.根据权利要求1所述的地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，其特征在于，所述第二腔内还设有压力补偿器，其用于使所述第二腔与腔外环境连通并使二者达到压力平衡的状态。
10.根据权利要求1所述的地层沉积物激光拉曼原位孔隙水探头，其特征在于，所述壳体靠近所述驱动组件的后端设有锥形头。
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Cited By (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |