專利名稱：極區冰水界面探測系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及海洋測量系統，特別是涉及適用于極區冰水混合層海洋要素采集 的測量系統。
背景技術：
極區是地球系統的重要組成部分，極區海洋環境要素的測量對研究全球海洋環境 的變化具有重要意義。大量浮冰的存在是極區海洋環境的主要特點，極區冰水混合層的探 測成為極區海洋環境考察的重要方面。海冰生成時鹽分的析出及海冰融化時表面海水的淡化使得全球溫鹽環流受到較 大影響，其增長和衰退不僅強烈影響海氣之間的熱交換，而且影響海水表面的水平衡，進而 影響全球海洋環流。測量冰水混合層的溫鹽變化和海水流動，可以確定海冰消融后溶入海 水中的淡水量和海冰消融速度，這對研究冰蓋變化及大洋環流非常重要，對了解北冰洋進 入大西洋和太平洋的海水流量和流動路徑起著重要的作用。科學家們通常采用冰上鉆孔、布放極區浮標和潛標等方法測量極區冰層下混合層 的溫鹽和海流數據，以確定海水和淡水的交換量、交換速度以及對冰下海流的影響。但是， 在極區惡劣的環境下，上述現有的方法都存在諸多問題，冰上鉆孔是非常困難和危險的，布 放的浮標會被流冰碰壞。因此，開展極區海洋考察需要更適宜的冰水探測系統進行浮冰區 冰水混合界面的剖面測量。
發明內容針對現有技術難以對極區浮冰區冰水混合界面進行剖面測量的問題，本實用新型 推出一種可以在極區浮冰下進行循環探測的剖面測量系統，其目的在于，通過探測系統主 浮體上的電動滾筒控制探測系統上端置于浮冰下的升降平臺做上下剖面運動，由升降平臺 上的測量儀器在升降過程中采集溫、鹽、深、海流數據，實現浮冰區冰水混合界面的剖面測量。本實用新型所涉及的極區冰水界面探測系統，包括系留系統、主浮體、系纜和升降 平臺。主浮體和升降平臺為具有正浮力的殼體結構，由系留系統系留在海底。從主浮體內 引出并收放的系纜連接升降平臺，通過系纜的收放實現升降平臺的上升和下降。系留系統為單點繃緊型結構，包括系留索、玻璃浮球、釋放器、錨鏈和重力錨。重力 錨位于系留系統的底端，沉在海底，用于將整個探測系統系留在海底。系留系統上部的系留 索連接探測系統的主浮體，系留索下端連接玻璃浮球，玻璃浮球下部連接釋放器，釋放器連 接在重力錨的錨鏈上。主浮體為橢球形殼體結構，為探測系統提供較大的集中浮力，保持系留索繃緊向 上，使系留系統保持繃緊狀態。主浮體的外殼為玻璃微珠泡沫塑料，橢球形狀使其在水中能適應水平流的方向， 以便將水平流所產生的阻力降至最低。主浮體內部安裝電動滾筒，電動滾筒由固定支架固定在主浮體內。電動滾筒是一密封圓筒，由鋁合金材料制成，“0”形圈密封。電動滾筒的內部安裝 有電機、減速器、主浮體控制器、主浮體電源等。利用鐘擺原理和內齒輪設計使電動滾筒外 殼轉動，而內部所有部件都不隨外殼轉動。電動滾筒外殼上纏繞系纜，系纜的一端固定在滾筒上，另一端穿出主浮體固定在 升降平臺上。電機通過減速器減速將扭矩傳遞給滾筒，使滾筒轉動，滾筒的轉動帶動升降平 臺系纜的收放，實現升降平臺的上升和下降。升降平臺為塑料成形外殼結構，呈流線型，尾部帶導流尾翼。升降平臺上設置測量 傳感器、平臺數據采集艙、配重和浮球，調整升降平臺內的部件重量及布放位置，使升降平 臺在水中處于水平狀態，并保持一定的凈浮力。測量傳感器包括溫鹽深傳感器、海流計和仰視聲納，溫鹽深傳感器測量海水不同 深度的溫度鹽度值，海流計測量海水的流速和流向，仰視聲納通過聲學換能器探測升降平 臺與浮冰和海面的距離。傳感器探頭充分暴露在升降平臺外的海水中，并使仰視聲納的波 束發射方向與垂直線成向前傾20°，使其能夠提前觀測到順流而來的浮冰。平臺數據采集艙內裝由平臺采集器和平臺電源。測量傳感器與平臺采集器用電纜 連接，平臺采集器通過系纜與主浮體控制器的控制模塊連接。在升降平臺的上升和下降過 程中，傳感器按預定時序進行剖面測量。所有的觀測數據通過系纜傳輸給主浮體控制器儲 存。升降平臺的升降循環由主浮體的電動滾筒驅動，電動滾筒驅動由主浮體控制器內 的控制模塊控制。控制模塊由數據采集和存儲電路、驅動控制電路、數據傳輸控制電路組 成。通過控制電機的正反轉、收放系纜，實現升降平臺的上升和下降。每次系統布放前可根 據具體情況和需求設置系統的開機時間、剖面循環次數和傳感器采樣頻率。升降平臺與主浮體間的系纜有三種功能，牽引升降平臺做剖面循環、傳輸傳感器 數據和傳輸主浮體控制器喚醒和休眠命令。系纜為選用聚酰銨纖維繩芯的耐磨聚氨酯電 纜，考慮到海流作用，電纜直徑盡可能小。電纜密度與海水接近，在水中重量接近0。電動滾筒上的系纜在無人干預情況下自動、可靠、整齊地排放到滾筒上，由自動收 排線裝置保證系纜沿滾筒收放線的位置左右自動運行。特別是在收纜時，自動收排線裝置 可以自動按照系纜左右運行的速度排纜，到左右限位塊時自動切換方向。自動收排線裝置 由滑桿、滑塊、絲桿和換向撥叉機構組成。在排纜滑塊上有一小孔，系纜穿過小孔，跟隨滑塊 左右滑動，均勻排布在滾筒上。主浮體下的系留索通過圓環連接件與玻璃浮球連接。玻璃浮球為釋放器提供浮力 支撐，使釋放器遠離海底，防止被磨損。釋放器用于回收探測系統，釋放器通過轉環連接重 力錨上面的錨鏈。當釋放器接收到甲板單元(釋放器水上機)發出的釋放信號后，轉環與 錨鏈脫離，探測系統包括升降平臺和主浮體就浮到水面，以便回收。本實用新型所述的極區冰水界面探測系統，應用時錨定在海底并置于海面浮冰以 下。在探測系統布放前設置了開機時間、采樣間隔、每天剖面測量次數等。每次開機時，值 班電路喚醒主浮體控制器和平臺采集器，平臺采集器給傳感器加電，傳感器開始測量。測量 數據經平臺采集器處理后通過系纜發送給主浮體控制器，主浮體控制器接收到數據后，判 斷海流數據。當海流流速大于設定閥值(0.6米/秒)時，系統停止工作，進入休眠狀態；當海流流速小于設定閥值(0.6米/秒)時，滾筒啟動，放出系纜，升降平臺在浮力作用下緩慢 上升。在升降平臺上升過程中，傳感器沿途采集海流、水溫、鹽度、深度和浮冰距離等參數， 平臺采集器將剖面數據處理儲存并通過系纜傳輸給主浮體控制器。主浮體控制器不斷比較 升降平臺距浮冰的距離數值，當數值小于3米時，電動滾筒停止轉動，5秒鐘后，電動滾筒反 轉，回收系纜，升降平臺下降。升降平臺下降過程中，主浮體控制器不斷比較升降平臺深度 值和主浮體深度值之差，當差值小于1米時，電動滾筒停止轉動，主浮體發出休眠命令，除 值班外系統全部進入休眠狀態，等待下一次開機。本實用新型用于極區海洋考察，對研究海冰融化和形成、弄清北冰洋環流及其對 海洋、氣候的影響有著重要的幫助。本系統不僅適用于極區海洋考察，也可以通過調整系統 的配置用于其他海域，還可根據具體科學研究的需要配置相應的傳感器后，用于海洋污染、 生態、光學、聲學、地質等研究領域，具有較強的擴展能力。
圖1為極區冰水界面探測系統結構示意圖。圖中標記說明1、海冰3、海流計5、浮力球7、溫鹽傳感器9、系纜11、主浮體13、玻璃浮球15、釋放器17、錨鏈19、海底
具體實施方式
現結合附圖說明本實用新型的具體實施方式
。圖1顯示極區冰水界面探測系統的 基本組成結構。如圖所示，本實用新型所涉及的極區冰水界面探測系統，包括系留系統、主浮體 11、系纜9和升降平臺4。系留系統包括系留索12、玻璃浮球13、釋放器15、錨鏈14和重力錨18。重力錨18 位于系留系統的底端，用于將整個探測系統系留在海底19。系留系統上部的系留索連接探 測系統的主浮體11，系留繩下端連接玻璃浮球13，玻璃浮球13下部連接釋放器15，釋放器 15連接在重力錨18的錨鏈14上。主浮體11的外殼為橢球形狀，主浮體11內部安裝電動滾筒10，電動滾筒10由固 定支架固定在主浮體11內。電動滾筒10的內部安裝有電機、減速器、主浮體控制器、主浮體電源等。主浮體11內的電動滾筒10外殼上纏繞系纜9，系纜9的一端固定在電動滾筒10
2、海面 4、升降平臺 6、仰視聲納 8、平臺數據采集艙 10、電動滾筒 12、系留索 14、錨鏈 16、轉環 18、重力錨上，另一端穿出主浮體11固定在升降平臺4上。升降平臺4呈流線型，尾部帶導流尾翼。升降平臺4上設置測量傳感器、平臺數據 采集艙8、配重和浮力球5。測量傳感器包括溫鹽深傳感器7、海流計3和仰視聲納6，溫鹽深傳感器7測量海 水不同深度的溫度鹽度值，海流計3測量海水的流速和流向，仰視聲納6通過聲學換能器探 測升降平臺與浮冰和海面的距離。傳感器探頭充分暴露在升降平臺4外的海水中，并使仰 視聲納6的波束發射方向與垂直線成向前傾20°，使其能夠提前觀測到順流而來的浮冰1。平臺數據采集艙8內裝平臺采集器和平臺電源。測量傳感器與平臺采集器用電纜 連接，平臺采集器通過系纜9與主浮體控制器的控制模塊連接。主浮體11下的系留索12通過圓環連接件與玻璃浮球13連接，為玻璃浮球13下 的釋放器15提供浮力支撐，使釋放器15遠離海底，防止被海底磨損。釋放器15通過轉環 16連接重力錨18上面的錨鏈17。當釋放器15接收到甲板單元(釋放器水上機)發出的 釋放信號后，與錨鏈17脫離，探測系統包括升降平臺和主浮體就浮到水面，以便回收。
權利要求1.一種極區冰水界面探測系統，其特征在于所述探測系統包括系留系統、主浮體 (11)、系纜(9)和升降平臺⑷；主浮體(11)和升降平臺⑷為具有正浮力的殼體結構， 由系留系統系留在海底(19)，從主浮體(4)內引出并收放的系纜(9)連接升降平臺(4)， 通過系纜(9)的收放實現升降平臺(4)的上升和下降；系留系統上部的系留索連接主浮體 (11)，系留系統底端的重力錨(18)沉在海底，重力錨(18)連接的錨鏈(14)上端連接釋放 器(15)；主浮體(11)內部安裝電動滾筒(10)，電動滾筒(10)外殼上纏繞系纜(9)，系纜(9) 的一端固定在電動滾筒(10)上，另一端穿出主浮體(11)固定在升降平臺(4)上；升降平臺 (4)上安裝測量傳感器，測量傳感器包括溫鹽深傳感器(7)、海流計(3)和仰視聲納(6)，測 量海水溫度鹽度深度值、海水的流速和流向以及升降平臺與浮冰和海面的距離，測量傳感 器與平臺采集器(8)通過電纜連接，平臺采集器(8)通過系纜(9)與主浮體控制器的控制 模塊連接。
2.根據權利要求1所述的極區冰水界面探測系統，其特征在于，傳感器探頭充分暴露 在升降平臺(4)外的海水中，并使仰視聲納(6)的波束發射方向與垂直線成向前傾20°，使 其能夠提前觀測到順流而來的浮冰(1)。
3.根據權利要求1所述的極區冰水界面探測系統，其特征在于主浮體(11)的外殼為 橢球形狀；升降平臺(4)呈流線型，尾部帶導流尾翼。
4.根據權利要求1所述的極區冰水界面探測系統，其特征在于主浮體(11)下的系留 索(12)通過圓環連接件與玻璃浮球(13)連接，為玻璃浮球(13)下的釋放器(15)提供浮 力支撐，使釋放器(15)遠離海底，防止被磨損。
5.根據權利要求1所述的極區冰水界面探測系統，其特征在于釋放器(15)的與聲接 收器連接的脫鉤通過轉環(16)連接重力錨(18)上面的錨鏈(17)，接收相應的聲信號后，脫 鉤與轉環(16)脫離，探測系統浮到水面，以便回收。
專利摘要本實用新型涉及的極區冰水界面探測系統，系留在海底，包括系留系統、主浮體、系纜和升降平臺。通過主浮體的電動滾筒控制浮冰下的升降平臺做上下剖面運動，實現浮冰區冰水混合界面剖面測量。主浮體內的電動滾筒外殼上纏繞系纜，系纜的一端固定在滾筒上，另一端穿出主浮體固定在升降平臺上。電機通過減速器減速將扭矩傳遞給滾筒，使滾筒轉動，滾筒的轉動帶動升降平臺系纜的收放，實現升降平臺的上升和下降。測量傳感器包括溫鹽深傳感器、海流計和仰視聲納，測量海水不同深度的溫度鹽度值、海水的流速和流向以及升降平臺與浮冰和海面的距離。所有的觀測數據通過系纜傳輸給主浮體控制器儲存。本探測系統對研究海冰融化和形成以及其對海洋、氣候的影響有著重要幫助。
文檔編號G01F23/00GK201852611SQ201020584988
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月1日 優先權日2010年11月1日
發明者周達, 商紅梅, 張文良, 賈立雙, 鄔海強 申請人:國家海洋技術中心