专利名称：深水可视化可操控超长重力活塞式取样装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及海洋海底勘探领域，具体为一种深水可视化可操控超长重力活塞 式取样装置，主要用于海底沉积物中取样。
背景技术：
目前主要应用的重力活塞取样系统有两类(1)简单式重力取样系统；当船上钢 缆快速释放时，取样系统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 靴靠动能贯入地层。管口爪簧防止芯样在提钻时脱落。取样管上部的球阀，在取样器贯入 土层时在管内水压作用下打开，而提起时关闭，以保护芯样免受海水冲刷。为了保持取样管 在落入过程中处于稳定垂直状态并提高下落速度，一般还设置配重、稳定器和钢丝绳抛出 机构。由于土样在取样管中上升时要克服与取样管内壁的摩擦力和取样管内的水压，当样 品较长时会出现管内土样被压实的现象，从而改变了取样长度。(2)带框架的活塞式重力取 样系统；该取样器在简单式重力取样器的基础上增加了框架和活塞，并将活塞引绳固定在 框架顶部，使其长度恒定。当框架下落，坐于海底时，活塞锁定在海底平面的位置上，而取样 管在惯性作用下贯人海底完成取样。随着取样管贯入土中的深度不断加大，活塞在取样管 中的相对位置逐渐上移，隔开了静水压力对样品的影响，同时消除了土样被非均勻压实的 现象，使取出的芯样长度几乎与取样管贯入深度相等，但缺点是采样深度浅。上述传统的海底沉积物取样，其不足之处在于目前国内外海洋调查所采用的沉积 物重力活塞取样系统，采用甲板收放模式，存在对作业船舶甲板面积要求大的弊端，只能利 用船舶定位进行盲采样，定位精度极低，作业深度基本在1000米以内并且采样长度基本在 7-8米，如果这种设备到深水区(3000米以深)作业，采样长度一般不会超过5米，无精确距 地高度、无动力源、无可视化、无可控性、无水下定位等系统支持，作业危险性大，取样器是 否触底只能取决于作业人员的海上取样经验来判断，其结果不仅降低了采样成功率也影响 作业效率，更容易损坏调查设备，不能实时了解采样点和原始样的真实状态和采样过程的 扰动情况等，导致所获取的样品很难全面反映样品的真实情况，无法满足科研的要求。

实用新型内容针对现有重力取样系统由于缺少可视、可控和必要的动力源，难以适应复杂海底 环境的问题；本实用新型的目的在于提供一种深水可视化可操控重力活塞式取样装置。为实现上述目的本实用新型的技术方案是一种深水可视化可操控超长重力活塞 式取样装置，包括水上处理部分、水下样品采集部分和水下图像采集部分；所述水下样品 采集部分，主要包括工作舱，采样管柱、下固定板、液压装置、中固定板、承压块、重锤、液压 绞车缆绳、上固定板、摄像液压绞车、提杆、打桩液压绞车、吊杆、导轨、电源、配重块、水密电 缆；所述工作舱上端固设有上固定板，上固定板上设有提杆，所述提杆上水平设置有吊杆；所述上固定板通过机架固设有摄像液压绞车和打桩液压绞车；所述工作舱为圆柱 体，其上部内壁设有供重锤上下滑动的左、右导轨；所述重锤上面设有的连接环通过液压绞车缆绳与提杆连接，所述重锤下面对应设置有承压块；所述承压块为T型体，其下端与中固 定板固接；所述中固定板固设于密闭工作舱内中部，其下部一侧设有配重块，另一侧为工作 舱内控制装置和电源；再于配重块和电源的下方设置有液压装置；所述液压装置上端与T 型承压块连接，下端与下固定板抵接；所述下固定板与采样管柱固接，该采样管柱穿过下固 定板与液压工作站连接；所述水下图像采集部分包括摄像液压绞车、水密电缆、摄像机和 照明灯；所述摄像液压绞车固设于上固定板上，该摄像液压绞车上缠绕有水密电缆；所述 水密电缆末端接有摄像机和照明灯，该水密电缆挂在提杆和吊杆上，并通过吊杆将末端接 有的摄像机和照明灯垂设于水中。所述采样管柱为分段结构，每段管柱呈锥形管，各个管柱螺纹连接。所述工作舱内 控制装置包括水下控制计算机，水下高度计，压力传感器，电压传感器及水下定位模块；所 述水下控制计算机信号输入端与水下高度计，压力传感器，电压传感器及水下定位模块连 接，水下控制计算机通过水密电缆与水上处理部分连接。所述工作舱内还设有压力传感器、 电压传感器和高度计。所述上固定板的下端设置有限位传感器。所述水上处理部分通过水 密电缆与摄像液压绞车和打桩液压绞车连接。本实用新型的有益效果是1、本实用新型的全过程立式收放，可视化可控超长重力取样装置采用立式收放模 式，大大节约了甲板空间，具有良好的船舶实用性。2、本实用新型的全过程可视，集成了声学设备、传感器、可视化装置、水下定位系 统，解决了以往盲采样的弊端，既提高了系统的作业能力，又提高了作业效率，可以满足特 定深海海底沉积物取样的科学需要，填补了我国在该研究领域的空白。3、本实用新型的作业安全性，简单实用的结构设计和作业模式，大大减少了操作 人员，安全性能有很大提升。4、本实用新型的成果具有很直观的多种同步模式，增强抗复杂环境的能力，可以 提升可视化可控重力取样系统的效率和成功率。

图1为本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
一种深水可视化可操控超长重力活塞式取样装置，主要包括水下样品采集部分 和水下图像采集部分；所述水下样品采集部分，主要包括工作舱，采样管柱1、下固定板2、 液压工作站3、中固定板4、承压块5、重锤6、液压绞车缆绳7、上固定板8、摄像液压绞车9、 提杆10、打桩液压绞车11、吊杆12、高度计13、导轨14、电源15、配重块16、水密电缆17、摄 像机18 ；所述工作舱上端固设有上固定板8，上固定板8上设有提杆10，所述提杆10上水 平设置有吊杆12 ；所述上固定板8通过机架固设有摄像液压绞车9和打桩液压绞车11 ；所 述工作舱为圆柱状体，其上部内壁设有供重锤上下滑动的左、右导轨；所述重锤上面设有的 连接环通过液压绞车缆绳7与提杆10连接，所述重锤下面对应设置有承压块5 ；所述承压 块为T型体，其下端与中固定板4固接；所述中固定板4固设于工作舱内中部，其下部一侧 设有配重块16，另一侧为工作舱内控制装置和电源15 ；再于配重块16和电源15的下方设置有液压工作站3 ；所述液压工作站3上端与T型承压块连接，下端面与下固定板2抵接； 所述下固定板2与采样管柱1固接，该采样管柱1穿过下固定板2与液压工作站3连接；所 述水下图像采集部分包括摄像液压绞车9、水密电缆17、摄像机和照明灯；所述摄像液压 绞车9固设于上固定板8上，该摄像液压绞车9上缠绕有水密电缆17 ；所述水密电缆17末 端接有摄像机18和照明灯19，该水密电缆17挂在提杆10和吊杆12上，并通过吊杆12将 末端接有的摄像机18和照明灯19垂设于水中。所述采样管柱为分段结构，每段管柱呈锥 形管，各个管柱螺纹连接。所述工作舱内控制装置包括水下控制计算机，水下高度计，压力传感器，电压传感 器及水下定位模块；所述水下控制计算机信号输入端与水下高度计，压力传感器，电压传感 器及水下定位模块连接；水下控制计算机通过水密电缆与船上甲板控制部分连接。所述工 作舱内还设有压力传感器、电压传感器和高度计。所述上固定板8的下端设置有限位传感 器。所述甲板控制部分通过水密电缆与摄像液压绞车9和打桩液压绞车11连接。所述配重块16为配重铅块，该配置铅块数量可根据取沉积物深度的需要确定，配 重铅块数量可增、可减。为便于视像监控，甲板操作人员可通过启动水下摄像机收放液压绞车收放水密电 缆来升降水下摄像机。该取样装置在安装视像监控装置后，能实时监控整个抓取沉积物过 程；甲板操作人员根据监控系统显示在屏幕上的图像，选择取样地点，这样工作人员根据监 控图像和各个传感器反馈的信号实施有效监控取样工作。同时在该装置出现意外情况时， 工作人员根据监控图像，作出正确的决策和操作，保护本装置的回收，将样品损失降低到最 低。在取样装置离海底100米距离范围内(改高度由水下高度计测量)，根据海底实际情况 和取样需要选定一最合适海底距离。甲板操作人员根据显示屏幕上的图像，启动该采样装 置，在自身惯性速度和水中自由落体加速度的共同作用向下较快下落，采样管柱插入沉积 物内。水下定位模块安装在取样装置顶部，进行实时定位。在取样装置插入沉积物后，打桩 液压绞车上提重锤，重锤沿导轨上提，当重锤触发限位传感器后，液压绞车放开，重锤在水 中自由落体运动下砸在承压块上，向下冲击力传导至采样管柱上，致使采样管柱向下进一 步插入海底沉积物；重复上述下砸过程，在重锤反复下砸的过程中，整个取样装置下移，下 插至所需要的深度后停止下砸动作。同时通过水下摄像机可观察整个工作过程。理论上重 锤行程越长，重锤下砸冲击力越大，所述重锤行程通过模拟试验后确定。水上处理部分为(1)控制计算机:1台P4双核1. 6GHzCPU, IGB内存，160GB硬盘，1个RJ45100M网
卡，19英寸液晶显示器。(2)通讯模块基于DSL技术的通讯模块，理论数据传输速率大于2Mb/秒。(3)操作系统WIND0WS2000SP2。水下样品采集部分和水下图像采集部分(1)水下仪器桶1只硬铝合金阳极防腐处理，耐压4000米水深。(2)水下水密电缆美国SUBC00N专业水下电缆，耐压6000米水深。(3)水下控制计算机工业控制级，PC104电路板卡结构，P3-400CPU, 128MB内存， 4GB外部闪存存储卡，RJ45网卡，RS232串行接口，具有体积小耗电省抗冲击等优点。(3)数据采集卡1只，模拟信号输入8路(Al)，数字信号输入16路(DI)，数字信号输出16路(DO)。(4)通讯模块1只，基于DSL技术的通讯模块，理论数据传输速率大于2Mb/秒。(5)水下高度计模块1只，工作水深4000米，测底高度50米(可选100米)，测 量精度0. 05米。(6)水下摄像机1只，工作水深4000米，PAL制彩色视频格式，分辨率优于400线。(7)水下照明灯1只，工作水深4000米，功率100W/24VDC (或150W/24VDC)。(8)压力传感器测量海水压力40MPa、油缸压力30Mpa、·..(9)电压传感器测量水下单元电源系统的电压值，0-200VDC，精度0. 5V。(10)水下定位模块为超短基线定位装置。
权利要求一种深水可视化可操控超长重力活塞式取样装置，包括水上处理部分，其特征在于还包括水下样品采集部分和水下图像采集部分；所述水下样品采集部分，主要包括工作舱，采样管柱、下固定板、液压装置、中固定板、承压块、重锤、液压绞车缆绳、上固定板、摄像液压绞车、提杆、打桩液压绞车、吊杆、导轨、电源、配重块、水密电缆；所述工作舱上端固设有上固定板，上固定板上设有提杆，所述提杆上水平设置有吊杆；所述上固定板通过机架固设有摄像液压绞车和打桩液压绞车；所述工作舱为圆柱体，其上部内壁设有供重锤上下滑动的左、右导轨；所述重锤上面设有的连接环通过液压绞车缆绳与提杆连接，所述重锤下面对应设置有承压块；所述承压块为T型体，其下端与中固定板固接；所述中固定板固设于密闭工作舱内中部，其下部一侧设有配重块，另一侧为工作舱内控制装置和电源；再于配重块和电源的下方设置有液压装置；所述液压装置上端与T型承压块连接，下端与下固定板抵接；所述下固定板与采样管柱固接，该采样管柱穿过下固定板与液压工作站连接；所述水下图像采集部分包括摄像液压绞车、水密电缆、摄像机和照明灯；所述摄像液压绞车固设于上固定板上，该摄像液压绞车上缠绕有水密电缆；所述水密电缆末端接有摄像机和照明灯，该水密电缆挂在提杆和吊杆上，并通过吊杆将末端接有的摄像机和照明灯垂设于水中。
2.按权利要求1所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样装置，其特征在于所 述采样管柱为分段结构，每段管柱呈锥形管，各个管柱螺纹连接。
3.按权利要求1所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样装置，其特征在于所 述工作舱内控制装置包括水下控制计算机，水下高度计，压力传感器，电压传感器及水下定 位模块；所述水下控制计算机信号输入端与水下高度计，压力传感器，电压传感器及水下定位 模块连接，水下控制计算机通过水密电缆与水上处理部分连接。
4.按权利要求1所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样装置，其特征在于所 述工作舱内还设有压力传感器、电压传感器和高度计。
5.按权利要求1所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样装置，其特征在于所 述上固定板的下端设置有限位传感器。
6.按权利要求1所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样装置，其特征在于所 述水上处理部分通过水密电缆与摄像液压绞车和打桩液压绞车连接。
专利摘要一种深水可视化可操控超长重力活塞式取样装置，包括水上处理部分、水下样品采集部分和水下图像采集部分；所述水下样品采集部分，主要包括工作舱，采样管柱、下固定板、液压装置、中固定板、承压块、重锤、液压绞车缆绳、上固定板、摄像液压绞车、提杆、打桩液压绞车、吊杆、导轨、电源、配重块、水密电缆；所述水下图像采集部分包括摄像液压绞车、水密电缆、摄像机和照明灯。本实用新型的全过程立式收放，可视化可控超长重力取样装置采用立式收放模式，大大节约了甲板空间，具有良好的船舶实用性。本实用新型的作业安全性，简单实用的结构设计和作业模式，大大减少了操作人员，安全性能有很大提升。
文档编号G01N1/10GK201716214SQ20102025565
公开日2011年1月19日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者庄丽华, 张捷扬, 栾振东, 范奉鑫, 阎军, 陈长安 申请人:中国科学院海洋研究所