專利名稱:海底熱液口聲學原位測溫裝置的制作方法
技術領域:
本發明屬于深海裝備技術領域,具體涉及一種海底熱液口聲學原位測溫裝置。
背景技術:
由于巨大的熱通量、海底熱液生物、“黑暗生物鏈”等與生命起源有關的因素的存在,海底熱液活動區域成為了天然的海底實驗室。溫度場是準確全面估算熱液熱通量和熱液運動擴散方式的關鍵物理參數之一,溫度場的準確測量將為熱液口生物圈的研究、熱液熱通量的估算、海底熱液硫化物煙 體生長模式的研究、海底熱液成礦機理的研究等相關領域提供幫助。但由于熱液活動區的高溫高壓極端環境限制,現有的測定熱液口溫度的有效手段和技術非常有限。迄今為止己經開發了可以測量熱液口點溫度的溫度計。現有的手段主要用溫度傳感器陣列進行測量,但傳統的接觸式溫度測量裝置具有很大的局限性。因此,針對海底熱液口高溫、高壓、腐蝕、多塵的極端環境以及避免干擾熱液口的原始溫度場分布,必須采用非接觸式測量,制成一體化的海底熱液聲學原位測溫系統。針對原位測量海底熱液口溫度場的需要,目前尚未有一種海底熱液口聲學原位測溫裝置面市。
發明內容
本發明的目的在于克服傳統的海底熱液噴口溫度測量的缺點,提供了一種運行穩定可靠、測量準確快速的海底熱液口聲學原位測溫裝置。
本發明的具體方案是海底熱液口聲學原位測溫裝置主要有水聲換能器、聲學機架、數據采集系統、供電系統。所述的水聲換能器為球形水下換能器,其特點是方向性好,水平無指向性,垂直平面對0°范圍內無指向性,靈敏度高,有良好的溫度、壓力、時間穩定性,其最大工作深度為 4000m,以滿足海底實際工作需要。所述的聲學機架是用來安裝和固定水聲換能器的機械裝置,主要包括滑塊、橫梁、 立柱、直角三通連接件、墊腳板等。滑塊為一種扣式滑塊,滑塊分前后兩部分,通過四顆螺釘相連。前部分有一圓孔,其中心刻有一根中心線,可以用于標定水聲換能器幾何中心在聲學機架橫梁上的位置。橫梁為工字型結構,這樣既能保證橫梁具有抵抗外界壓力變形的能力, 又能減輕重量。立柱具有可調節高度的功能,可根據溫度場測量和海底地形對高度的需要, 實現自動升降。直角三通連接件用于連接橫梁與立柱。墊腳板用來增大聲學機架與海底的接觸面積,增強聲學機架的穩定性。整個聲學機架由鋁材加工而成。所述的聲學機架從上至下依次平行設置有上水聲換能器固定平臺和下水聲換能器固定平臺,上水聲換能器固定平臺由四根橫梁、四個直角三通連接件和十六個滑塊組成, 下水聲換能器固定平臺四根橫梁、四個直角四通連接件和十六個滑塊組成。所述的直角三通連接件在水平方向有兩個水平安裝槽、在豎直方向有一個豎直安裝孔;每個橫梁的兩端插入兩個直角三通連接件的水平安裝槽內,并通過螺釘固定,四根橫梁和四個直角三通連接件圍合成一個正方形的上水聲換能器固定平臺,每根橫梁上設置有四個滑塊,滑塊均勻
3分布在橫梁上,并通過螺釘固定;滑塊用于安裝和固定水聲換能器,拆裝容易,穩定性高。上水聲換能器固定平臺和下水聲換能器固定平臺通過四根立柱連接;所述立柱的兩端分別插入對應的直角連接件的豎直安裝孔內。下水聲換能器固定平臺與上水聲換能器固定平臺結構相同,只是將三通連接件換成了四通連接件,多出來的下豎直安裝孔用于安裝支柱,四根支柱的最底端都裝有墊腳板,通過螺釘連接。所述的數據采集系統包括NI設備、聲源自動切換電路、信號放大器和串口通信模塊。NI設備用于實現信號的發射、采集和存儲。聲源自動切換電路用于實現聲源信號在不同水聲換能器間的切換。信號放大器用于放大聲源信號。串口通信模塊用于實現NI設備與聲源自動切換電路間的通訊。所述的供電系統包括多個鋰電池構成的鋰電池組和UPS電源。鋰電池組通過UPS 電源將直流電轉換為交流電,為數據采集系統中的各電子設備提供電力。所述的數據采集系統存放在數據采集系統水密耐壓艙內,供電系統存放在供電系統水密耐壓艙內。從方便和經濟性的角度出發,數據采集系統水密耐壓艙和供電系統水密耐壓艙都采用流線型的圓柱形密封外殼設計,由鋁為材料鑄造而成,其外表面進行過氧化處理,這樣可提高水密耐壓艙的耐腐蝕性能。所述的數據采集系統水密耐壓艙和供電系統水密耐壓艙之間通過水密開關和電纜線相連。所述的水聲換能器分別通過水密同軸電纜、水密接插件連接到數據采集系統水密耐壓艙內的數據采集系統上。本發明可以克服傳統接觸式測量的缺點,在高溫、腐蝕、多懸浮顆粒的惡劣環境下連續實時測量,提高熱液口熱通量測量的準確度。為科學家研究洋殼散熱量、建立大洋環流模型、研究熱液對臨近海域海洋物理特性影響提供幫助。
圖1為海底熱液口聲學原位測溫裝置圖。圖2為圖1中I的局部放大圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理、結構做進一步的說明。如圖1所示,海底熱液口聲學原位測溫裝置由水聲換能器3、聲學機架、數據采集系統9、供電系統11組成。安裝在聲學機架上的水聲換能器3通過水密同軸電纜7、水密接插件連接到數據采集系統水密耐壓艙內,與數據采集系統9相連。供電系統11為數據采集系統9中的各電子設備提供電力。數據采集系統水密耐壓艙和供電系統水密耐壓艙之間通過水密開關10和電纜線相連。如圖1和圖2所示,聲學機架可用來安裝和固定水聲換能器3,主要包括滑塊1、橫梁2、立柱4、直角四通連接件5、墊腳板6。滑塊1為一種扣式滑塊,滑塊1分前后兩部分, 通過四顆螺釘相連。前部分有一圓孔,其中心刻有一根中心線,可以用于標定水聲換能器3 幾何中心在聲學機架橫梁2上的位置。橫梁2為工字型結構,立柱4具有可調節高度的功能,直角四通連接5用于連接橫梁與立柱。墊腳板6用來增大聲學機架與海底的接觸面積,增強聲學機架的穩定性。本發明的具體實施例如下
海底熱液口聲學原位測溫裝置主要有水聲換能器、聲學機架、數據采集系統、供電系統。水聲換能器為球形水下換能器,其特點是方向性好,水平無指向性,垂直平面 240°范圍內無指向性,靈敏度高,有良好的溫度、壓力、時間穩定性,其最大工作深度為 4000m,以滿足海底實際工作需要。聲學機架是用來安裝和固定水聲換能器的機械裝置,主要包括滑塊、橫梁、立柱、 直角四通連接件、墊腳板等。滑塊為一種扣式滑塊,滑塊分前后兩部分,通過四顆螺釘相連。 前部分有一圓孔,其中心刻有一根中心線,可以用于標定水聲換能器幾何中心在聲學機架橫梁上的位置。橫梁為工字型結構,這樣既能保證橫梁具有抵抗外界壓力變形的能力,又能減輕重量。立柱具有可調節高度的功能,可根據溫度場測量和海底地形對高度的需要,實現自動升降。直角三通連接件用于連接橫梁與立柱。墊腳板用來增大聲學機架與海底的接觸面積,增強聲學機架的穩定性。整個聲學機架由鋁材加工而成。聲學機架從上至下依次平行設置有上水聲換能器固定平臺和下水聲換能器固定平臺,上水聲換能器固定平臺由四根橫梁、四個直角三通連接件和十六個滑塊組成,下水聲換能器固定平臺四根橫梁、四個直角四通連接件和十六個滑塊組成。所述的直角三通連接件在水平方向有兩個水平安裝槽、在豎直方向有一個豎直安裝孔;每個橫梁的兩端插入兩個直角三通連接件的水平安裝槽內,并通過螺釘固定,四根橫梁和四個直角三通連接件圍合成一個正方形的上水聲換能器固定平臺,每根橫梁上設置有四個滑塊,滑塊均勻分布在橫梁上,并通過螺釘固定;滑塊用于安裝和固定水聲換能器,拆裝容易,穩定性高。上水聲換能器固定平臺和下水聲換能器固定平臺通過四根立柱連接;立柱的兩端分別插入對應的直角連接件的豎直安裝孔內。下水聲換能器固定平臺與上水聲換能器固定平臺結構相同,只是將三通連接件換成了四通連接件,多出來的下豎直安裝孔用于安裝支柱,四根支柱的最底端都裝有墊腳板,通過螺釘連接。數據采集系統包括NI設備、聲源自動切換電路、信號放大器和串口通信模塊。NI 設備用于實現信號的發射、采集和存儲。聲源自動切換電路用于實現聲源信號在不同水聲換能器間的切換。信號放大器用于放大聲源信號。串口通信模塊用于實現NI設備與聲源自動切換電路間的通訊。供電系統包括多個鋰電池構成的鋰電池組和UPS電源。鋰電池組通過UPS電源將直流電轉換為交流電,為數據采集系統中的各電子設備提供電力。數據采集系統存放在數據采集系統水密耐壓艙內,供電系統存放在供電系統水密耐壓艙內。從方便和經濟性的角度出發,數據采集系統水密耐壓艙和供電系統水密耐壓艙都采用流線型的圓柱形密封外殼設計,由鋁為材料鑄造而成,其外表面進行過氧化處理,這樣可提高水密耐壓艙的耐腐蝕性能。數據采集系統水密耐壓艙和供電系統水密耐壓艙通過固定架8固定。數據采集系統水密耐壓艙和供電系統水密耐壓艙之間通過水密開關和電纜線相連。水聲換能器分別通過水密同軸電纜、水密接插件連接到數據采集系統水密耐壓艙內的數據采集系統上。 海底熱液口聲學原位測溫裝置集成后的運行狀況為旋轉供電系統水密耐壓艙端蓋上的水密開關10至OPEN狀態,UPS電源工作,將鋰電池組的直流電轉換為220V的交流電,NI設備通電后開機,開機后事先編好的LabVIEW可執行程序自動運行,串口通信模塊開始工作打開聲源自動切換電路通道,NI設備信號發生器發出掃頻信號,經過信號放大器把信號放大經聲源自動切換電路傳輸到水聲換能器發出聲波信號,其余水聲換能器接收聲波信號,NI設備采集卡將水聲換能器發出和接收的信號采集回來,并存儲在硬盤中。數據采集的過程是一個循環的過程,每一個周期中所有水聲換能器都輪流作為發射聲波的水聲換能器,其余水聲換能器作為接收聲波的水聲換能器。完成后進入下一個周期的數據采集。數據采集完成后,旋轉供電系統水密耐壓艙端蓋上的水密開關至CLOSE狀態,系統就停止工作。
權利要求
1.海底熱液口聲學原位測溫裝置,包括水聲換能器、聲學機架、數據采集系統和供電系統,其特征在于所述的聲學機架從上至下依次平行設置有上水聲換能器固定平臺和下水聲換能器固定平臺,上水聲換能器固定平臺包括四根上橫梁、四根上直角三通連接件和十六個上滑塊組成;上直角三通連接件在水平方向有兩個水平安裝槽、在豎直方向有一個豎直安裝孔; 每根上橫梁的兩端插入兩個上直角三通連接件的水平安裝槽內,并通過螺釘固定,四根上橫梁和四個上直角三通連接件圍合成一個正方形的上水聲換能器固定平臺,每根上橫梁上設置有四個上滑塊,上滑塊均勻分布在上橫梁上,并通過螺釘固定;滑塊用于安裝和固定水聲換能器;下水聲換能器固定平臺包括四根下橫梁、四根下直角四通連接件和十六個下滑塊組成;下直角四通連接件在水平方向有兩個水平安裝槽、在豎直方向有兩個豎直安裝孔;每根下橫梁的兩端插入兩個下直角四通連接件的水平安裝槽內,并通過螺釘固定,四根下橫梁和四個下直角四通連接件圍合成一個正方形的下水聲換能器固定平臺,每根下橫梁上設置有四個下滑塊,下滑塊均勻分布在下橫梁上,并通過螺釘固定;下滑塊用于安裝和固定水聲換能器;所述的上水聲換能器固定平臺和下水聲換能器固定平臺通過立柱連接,立柱的兩端分別插入對應的直角連接件的豎直安裝孔內;下水聲換能器固定平臺中下直角四通連接件的另一豎直安裝孔上裝有支柱;四根支柱的最底端都裝有墊腳板,墊腳板通過螺釘與支柱連接;所述的數據采集系統包括NI設備、聲源自動切換電路、信號放大器和串口通信模塊; NI設備用于實現信號的發射、采集和存儲;聲源自動切換電路用于實現聲源信號在不同水聲換能器間的切換;信號放大器用于放大聲源信號;串口通信模塊用于實現NI設備與聲源自動切換電路間的通訊;所述的供電系統包括多個鋰電池構成的鋰電池組和UPS電源;鋰電池組通過UPS電源將直流電轉換為交流電,為數據采集系統中的各電子設備提供電力;所述的數據采集系統存放在數據采集系統水密耐壓艙內,供電系統存放在供電系統水密耐壓艙內,數據采集系統水密耐壓艙和供電系統水密耐壓艙之間通過水密開關和電纜線相連;所述的水聲換能器分別通過水密同軸電纜、水密接插件連接到數據采集系統水密耐壓艙內的數據采集系統上。
2.根據權利要求1所述的海底熱液口聲學原位測溫裝置,其特征在于所述的滑塊為一種扣式滑塊,滑塊分前后兩部分,通過四顆螺釘相連;前部分有一圓孔,其中心刻有一根中心線,用于標定水聲換能器幾何中心在聲學機架橫梁上的位置。
3.根據權利要求1所述的海底熱液口聲學原位測溫裝置,其特征在于橫梁為工字型梁。
4.根據權利要求1所述的海底熱液口聲學原位測溫裝置,其特征在于所述的水聲換能器為球形水下換能器。
全文摘要
本發明公開了一種海底熱液口聲學原位測溫裝置。本發明包括水聲換能器、聲學機架、數據采集系統和供電系統。聲學機架有兩層,每層都安裝有水聲換能器。數據采集系統包括NI設備、聲源自動切換電路、信號放大器和串口通信模塊。供電系統包括多個鋰電池構成的鋰電池組和UPS電源。鋰電池組通過UPS電源將直流電轉換為交流電,為數據采集系統中的各電子設備提供電力。水聲換能器分別通過水密同軸電纜、水密接插件連接到數據采集系統水密耐壓艙內的數據采集系統上。本發明可在高溫、腐蝕、多懸浮顆粒的惡劣環境下連續實時測量,提高熱液口熱通量測量的準確度。
文檔編號G01K11/22GK102322975SQ201110228479
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月10日 優先權日2011年8月10日
發明者付現橋, 葉敏, 樊煒, 蔡勇, 金濤 申請人:浙江大學舟山海洋研究中心