專利名稱：深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及海洋海底勘探領(lǐng)域，具體為一種深水可視化可操控超長重力活塞 式取樣裝置，主要用于海底沉積物中取樣。
背景技術(shù)：
目前主要應(yīng)用的重力活塞取樣系統(tǒng)有兩類(1)簡單式重力取樣系統(tǒng)；當(dāng)船上鋼 纜快速釋放時(shí)，取樣系統(tǒng)在配重和自重作用下克服海水的浮力和阻力，其下端的切削型管 靴靠動(dòng)能貫入地層。管口爪簧防止芯樣在提鉆時(shí)脫落。取樣管上部的球閥，在取樣器貫入 土層時(shí)在管內(nèi)水壓作用下打開，而提起時(shí)關(guān)閉，以保護(hù)芯樣免受海水沖刷。為了保持取樣管 在落入過程中處于穩(wěn)定垂直狀態(tài)并提高下落速度，一般還設(shè)置配重、穩(wěn)定器和鋼絲繩拋出 機(jī)構(gòu)。由于土樣在取樣管中上升時(shí)要克服與取樣管內(nèi)壁的摩擦力和取樣管內(nèi)的水壓，當(dāng)樣 品較長時(shí)會(huì)出現(xiàn)管內(nèi)土樣被壓實(shí)的現(xiàn)象，從而改變了取樣長度。(2)帶框架的活塞式重力取 樣系統(tǒng)；該取樣器在簡單式重力取樣器的基礎(chǔ)上增加了框架和活塞，并將活塞引繩固定在 框架頂部，使其長度恒定。當(dāng)框架下落，坐于海底時(shí)，活塞鎖定在海底平面的位置上，而取樣 管在慣性作用下貫人海底完成取樣。隨著取樣管貫入土中的深度不斷加大，活塞在取樣管 中的相對位置逐漸上移，隔開了靜水壓力對樣品的影響，同時(shí)消除了土樣被非均勻壓實(shí)的 現(xiàn)象，使取出的芯樣長度幾乎與取樣管貫入深度相等，但缺點(diǎn)是采樣深度淺。上述傳統(tǒng)的海底沉積物取樣，其不足之處在于目前國內(nèi)外海洋調(diào)查所采用的沉積 物重力活塞取樣系統(tǒng)，采用甲板收放模式，存在對作業(yè)船舶甲板面積要求大的弊端，只能利 用船舶定位進(jìn)行盲采樣，定位精度極低，作業(yè)深度基本在1000米以內(nèi)并且采樣長度基本在 7-8米，如果這種設(shè)備到深水區(qū)(3000米以深)作業(yè)，采樣長度一般不會(huì)超過5米，無精確距 地高度、無動(dòng)力源、無可視化、無可控性、無水下定位等系統(tǒng)支持，作業(yè)危險(xiǎn)性大，取樣器是 否觸底只能取決于作業(yè)人員的海上取樣經(jīng)驗(yàn)來判斷，其結(jié)果不僅降低了采樣成功率也影響 作業(yè)效率，更容易損壞調(diào)查設(shè)備，不能實(shí)時(shí)了解采樣點(diǎn)和原始樣的真實(shí)狀態(tài)和采樣過程的 擾動(dòng)情況等，導(dǎo)致所獲取的樣品很難全面反映樣品的真實(shí)情況，無法滿足科研的要求。

實(shí)用新型內(nèi)容針對現(xiàn)有重力取樣系統(tǒng)由于缺少可視、可控和必要的動(dòng)力源，難以適應(yīng)復(fù)雜海底 環(huán)境的問題；本實(shí)用新型的目的在于提供一種深水可視化可操控重力活塞式取樣裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種深水可視化可操控超長重力活塞 式取樣裝置，包括水上處理部分、水下樣品采集部分和水下圖像采集部分；所述水下樣品 采集部分，主要包括工作艙，采樣管柱、下固定板、液壓裝置、中固定板、承壓塊、重錘、液壓 絞車?yán)|繩、上固定板、攝像液壓絞車、提桿、打樁液壓絞車、吊桿、導(dǎo)軌、電源、配重塊、水密電 纜；所述工作艙上端固設(shè)有上固定板，上固定板上設(shè)有提桿，所述提桿上水平設(shè)置有吊桿；所述上固定板通過機(jī)架固設(shè)有攝像液壓絞車和打樁液壓絞車；所述工作艙為圓柱 體，其上部內(nèi)壁設(shè)有供重錘上下滑動(dòng)的左、右導(dǎo)軌；所述重錘上面設(shè)有的連接環(huán)通過液壓絞車?yán)|繩與提桿連接，所述重錘下面對應(yīng)設(shè)置有承壓塊；所述承壓塊為T型體，其下端與中固 定板固接；所述中固定板固設(shè)于密閉工作艙內(nèi)中部，其下部一側(cè)設(shè)有配重塊，另一側(cè)為工作 艙內(nèi)控制裝置和電源；再于配重塊和電源的下方設(shè)置有液壓裝置；所述液壓裝置上端與T 型承壓塊連接，下端與下固定板抵接；所述下固定板與采樣管柱固接，該采樣管柱穿過下固 定板與液壓工作站連接；所述水下圖像采集部分包括攝像液壓絞車、水密電纜、攝像機(jī)和 照明燈；所述攝像液壓絞車固設(shè)于上固定板上，該攝像液壓絞車上纏繞有水密電纜；所述 水密電纜末端接有攝像機(jī)和照明燈，該水密電纜掛在提桿和吊桿上，并通過吊桿將末端接 有的攝像機(jī)和照明燈垂設(shè)于水中。所述采樣管柱為分段結(jié)構(gòu)，每段管柱呈錐形管，各個(gè)管柱螺紋連接。所述工作艙內(nèi) 控制裝置包括水下控制計(jì)算機(jī)，水下高度計(jì)，壓力傳感器，電壓傳感器及水下定位模塊；所 述水下控制計(jì)算機(jī)信號輸入端與水下高度計(jì)，壓力傳感器，電壓傳感器及水下定位模塊連 接，水下控制計(jì)算機(jī)通過水密電纜與水上處理部分連接。所述工作艙內(nèi)還設(shè)有壓力傳感器、 電壓傳感器和高度計(jì)。所述上固定板的下端設(shè)置有限位傳感器。所述水上處理部分通過水 密電纜與攝像液壓絞車和打樁液壓絞車連接。本實(shí)用新型的有益效果是1、本實(shí)用新型的全過程立式收放，可視化可控超長重力取樣裝置采用立式收放模 式，大大節(jié)約了甲板空間，具有良好的船舶實(shí)用性。2、本實(shí)用新型的全過程可視，集成了聲學(xué)設(shè)備、傳感器、可視化裝置、水下定位系 統(tǒng)，解決了以往盲采樣的弊端，既提高了系統(tǒng)的作業(yè)能力，又提高了作業(yè)效率，可以滿足特 定深海海底沉積物取樣的科學(xué)需要，填補(bǔ)了我國在該研究領(lǐng)域的空白。3、本實(shí)用新型的作業(yè)安全性，簡單實(shí)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和作業(yè)模式，大大減少了操作 人員，安全性能有很大提升。4、本實(shí)用新型的成果具有很直觀的多種同步模式，增強(qiáng)抗復(fù)雜環(huán)境的能力，可以 提升可視化可控重力取樣系統(tǒng)的效率和成功率。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
一種深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，主要包括水下樣品采集部分 和水下圖像采集部分；所述水下樣品采集部分，主要包括工作艙，采樣管柱1、下固定板2、 液壓工作站3、中固定板4、承壓塊5、重錘6、液壓絞車?yán)|繩7、上固定板8、攝像液壓絞車9、 提桿10、打樁液壓絞車11、吊桿12、高度計(jì)13、導(dǎo)軌14、電源15、配重塊16、水密電纜17、攝 像機(jī)18 ；所述工作艙上端固設(shè)有上固定板8，上固定板8上設(shè)有提桿10，所述提桿10上水 平設(shè)置有吊桿12 ；所述上固定板8通過機(jī)架固設(shè)有攝像液壓絞車9和打樁液壓絞車11 ；所 述工作艙為圓柱狀體，其上部內(nèi)壁設(shè)有供重錘上下滑動(dòng)的左、右導(dǎo)軌；所述重錘上面設(shè)有的 連接環(huán)通過液壓絞車?yán)|繩7與提桿10連接，所述重錘下面對應(yīng)設(shè)置有承壓塊5 ；所述承壓 塊為T型體，其下端與中固定板4固接；所述中固定板4固設(shè)于工作艙內(nèi)中部，其下部一側(cè) 設(shè)有配重塊16，另一側(cè)為工作艙內(nèi)控制裝置和電源15 ；再于配重塊16和電源15的下方設(shè)置有液壓工作站3 ；所述液壓工作站3上端與T型承壓塊連接，下端面與下固定板2抵接； 所述下固定板2與采樣管柱1固接，該采樣管柱1穿過下固定板2與液壓工作站3連接；所 述水下圖像采集部分包括攝像液壓絞車9、水密電纜17、攝像機(jī)和照明燈；所述攝像液壓 絞車9固設(shè)于上固定板8上，該攝像液壓絞車9上纏繞有水密電纜17 ；所述水密電纜17末 端接有攝像機(jī)18和照明燈19，該水密電纜17掛在提桿10和吊桿12上，并通過吊桿12將 末端接有的攝像機(jī)18和照明燈19垂設(shè)于水中。所述采樣管柱為分段結(jié)構(gòu)，每段管柱呈錐 形管，各個(gè)管柱螺紋連接。所述工作艙內(nèi)控制裝置包括水下控制計(jì)算機(jī)，水下高度計(jì)，壓力傳感器，電壓傳感 器及水下定位模塊；所述水下控制計(jì)算機(jī)信號輸入端與水下高度計(jì)，壓力傳感器，電壓傳感 器及水下定位模塊連接；水下控制計(jì)算機(jī)通過水密電纜與船上甲板控制部分連接。所述工 作艙內(nèi)還設(shè)有壓力傳感器、電壓傳感器和高度計(jì)。所述上固定板8的下端設(shè)置有限位傳感 器。所述甲板控制部分通過水密電纜與攝像液壓絞車9和打樁液壓絞車11連接。所述配重塊16為配重鉛塊，該配置鉛塊數(shù)量可根據(jù)取沉積物深度的需要確定，配 重鉛塊數(shù)量可增、可減。為便于視像監(jiān)控，甲板操作人員可通過啟動(dòng)水下攝像機(jī)收放液壓絞車收放水密電 纜來升降水下攝像機(jī)。該取樣裝置在安裝視像監(jiān)控裝置后，能實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)抓取沉積物過 程；甲板操作人員根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)顯示在屏幕上的圖像，選擇取樣地點(diǎn)，這樣工作人員根據(jù)監(jiān) 控圖像和各個(gè)傳感器反饋的信號實(shí)施有效監(jiān)控取樣工作。同時(shí)在該裝置出現(xiàn)意外情況時(shí)， 工作人員根據(jù)監(jiān)控圖像，作出正確的決策和操作，保護(hù)本裝置的回收，將樣品損失降低到最 低。在取樣裝置離海底100米距離范圍內(nèi)(改高度由水下高度計(jì)測量)，根據(jù)海底實(shí)際情況 和取樣需要選定一最合適海底距離。甲板操作人員根據(jù)顯示屏幕上的圖像，啟動(dòng)該采樣裝 置，在自身慣性速度和水中自由落體加速度的共同作用向下較快下落，采樣管柱插入沉積 物內(nèi)。水下定位模塊安裝在取樣裝置頂部，進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。在取樣裝置插入沉積物后，打樁 液壓絞車上提重錘，重錘沿導(dǎo)軌上提，當(dāng)重錘觸發(fā)限位傳感器后，液壓絞車放開，重錘在水 中自由落體運(yùn)動(dòng)下砸在承壓塊上，向下沖擊力傳導(dǎo)至采樣管柱上，致使采樣管柱向下進(jìn)一 步插入海底沉積物；重復(fù)上述下砸過程，在重錘反復(fù)下砸的過程中，整個(gè)取樣裝置下移，下 插至所需要的深度后停止下砸動(dòng)作。同時(shí)通過水下攝像機(jī)可觀察整個(gè)工作過程。理論上重 錘行程越長，重錘下砸沖擊力越大，所述重錘行程通過模擬試驗(yàn)后確定。水上處理部分為(1)控制計(jì)算機(jī):1臺P4雙核1. 6GHzCPU, IGB內(nèi)存，160GB硬盤，1個(gè)RJ45100M網(wǎng)
卡，19英寸液晶顯示器。(2)通訊模塊基于DSL技術(shù)的通訊模塊，理論數(shù)據(jù)傳輸速率大于2Mb/秒。(3)操作系統(tǒng)WIND0WS2000SP2。水下樣品采集部分和水下圖像采集部分(1)水下儀器桶1只硬鋁合金陽極防腐處理，耐壓4000米水深。(2)水下水密電纜美國SUBC00N專業(yè)水下電纜，耐壓6000米水深。(3)水下控制計(jì)算機(jī)工業(yè)控制級，PC104電路板卡結(jié)構(gòu)，P3-400CPU, 128MB內(nèi)存， 4GB外部閃存存儲卡，RJ45網(wǎng)卡，RS232串行接口，具有體積小耗電省抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)。(3)數(shù)據(jù)采集卡1只，模擬信號輸入8路(Al)，數(shù)字信號輸入16路(DI)，數(shù)字信號輸出16路(DO)。(4)通訊模塊1只，基于DSL技術(shù)的通訊模塊，理論數(shù)據(jù)傳輸速率大于2Mb/秒。(5)水下高度計(jì)模塊1只，工作水深4000米，測底高度50米(可選100米)，測 量精度0. 05米。(6)水下攝像機(jī)1只，工作水深4000米，PAL制彩色視頻格式，分辨率優(yōu)于400線。(7)水下照明燈1只，工作水深4000米，功率100W/24VDC (或150W/24VDC)。(8)壓力傳感器測量海水壓力40MPa、油缸壓力30Mpa、·..(9)電壓傳感器測量水下單元電源系統(tǒng)的電壓值，0-200VDC，精度0. 5V。(10)水下定位模塊為超短基線定位裝置。
權(quán)利要求一種深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，包括水上處理部分，其特征在于還包括水下樣品采集部分和水下圖像采集部分；所述水下樣品采集部分，主要包括工作艙，采樣管柱、下固定板、液壓裝置、中固定板、承壓塊、重錘、液壓絞車?yán)|繩、上固定板、攝像液壓絞車、提桿、打樁液壓絞車、吊桿、導(dǎo)軌、電源、配重塊、水密電纜；所述工作艙上端固設(shè)有上固定板，上固定板上設(shè)有提桿，所述提桿上水平設(shè)置有吊桿；所述上固定板通過機(jī)架固設(shè)有攝像液壓絞車和打樁液壓絞車；所述工作艙為圓柱體，其上部內(nèi)壁設(shè)有供重錘上下滑動(dòng)的左、右導(dǎo)軌；所述重錘上面設(shè)有的連接環(huán)通過液壓絞車?yán)|繩與提桿連接，所述重錘下面對應(yīng)設(shè)置有承壓塊；所述承壓塊為T型體，其下端與中固定板固接；所述中固定板固設(shè)于密閉工作艙內(nèi)中部，其下部一側(cè)設(shè)有配重塊，另一側(cè)為工作艙內(nèi)控制裝置和電源；再于配重塊和電源的下方設(shè)置有液壓裝置；所述液壓裝置上端與T型承壓塊連接，下端與下固定板抵接；所述下固定板與采樣管柱固接，該采樣管柱穿過下固定板與液壓工作站連接；所述水下圖像采集部分包括攝像液壓絞車、水密電纜、攝像機(jī)和照明燈；所述攝像液壓絞車固設(shè)于上固定板上，該攝像液壓絞車上纏繞有水密電纜；所述水密電纜末端接有攝像機(jī)和照明燈，該水密電纜掛在提桿和吊桿上，并通過吊桿將末端接有的攝像機(jī)和照明燈垂設(shè)于水中。
2.按權(quán)利要求1所述的深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，其特征在于所 述采樣管柱為分段結(jié)構(gòu)，每段管柱呈錐形管，各個(gè)管柱螺紋連接。
3.按權(quán)利要求1所述的深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，其特征在于所 述工作艙內(nèi)控制裝置包括水下控制計(jì)算機(jī)，水下高度計(jì)，壓力傳感器，電壓傳感器及水下定 位模塊；所述水下控制計(jì)算機(jī)信號輸入端與水下高度計(jì)，壓力傳感器，電壓傳感器及水下定位 模塊連接，水下控制計(jì)算機(jī)通過水密電纜與水上處理部分連接。
4.按權(quán)利要求1所述的深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，其特征在于所 述工作艙內(nèi)還設(shè)有壓力傳感器、電壓傳感器和高度計(jì)。
5.按權(quán)利要求1所述的深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，其特征在于所 述上固定板的下端設(shè)置有限位傳感器。
6.按權(quán)利要求1所述的深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，其特征在于所 述水上處理部分通過水密電纜與攝像液壓絞車和打樁液壓絞車連接。
專利摘要一種深水可視化可操控超長重力活塞式取樣裝置，包括水上處理部分、水下樣品采集部分和水下圖像采集部分；所述水下樣品采集部分，主要包括工作艙，采樣管柱、下固定板、液壓裝置、中固定板、承壓塊、重錘、液壓絞車?yán)|繩、上固定板、攝像液壓絞車、提桿、打樁液壓絞車、吊桿、導(dǎo)軌、電源、配重塊、水密電纜；所述水下圖像采集部分包括攝像液壓絞車、水密電纜、攝像機(jī)和照明燈。本實(shí)用新型的全過程立式收放，可視化可控超長重力取樣裝置采用立式收放模式，大大節(jié)約了甲板空間，具有良好的船舶實(shí)用性。本實(shí)用新型的作業(yè)安全性，簡單實(shí)用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和作業(yè)模式，大大減少了操作人員，安全性能有很大提升。
文檔編號G01N1/10GK201716214SQ20102025565
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者莊麗華, 張捷揚(yáng), 欒振東, 范奉鑫, 閻軍, 陳長安 申請人:中國科學(xué)院海洋研究所