水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置，該裝置包括電纜拉頭鉸接環(huán)，溫度、鹽度、壓力測(cè)量傳感器、傳感器保護(hù)罩、浮力艙體、水下控制單元、內(nèi)油囊、直流電機(jī)、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥、單向閥、液壓馬達(dá)、后端蓋、外油囊、油囊保護(hù)罩、浮標(biāo)水密接口；可用于浮力轉(zhuǎn)換與升降控制，進(jìn)行海水溫度、鹽度、深度測(cè)量。通過耐海水腐蝕的硫化接頭的高強(qiáng)度拖曳電纜裝置與冰基浮標(biāo)裝置連接構(gòu)成北冰洋淺水型拖曳式溫鹽深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明進(jìn)行水下溫鹽深剖面測(cè)量，測(cè)量深度為冰層下0-120米，填補(bǔ)了國際上遠(yuǎn)海120米以淺觀測(cè)手段匱乏的空白，實(shí)現(xiàn)了同一區(qū)域水文和氣象同步觀測(cè)；采用超大容量的鋰電池供電，提高了系統(tǒng)的使用壽命，本發(fā)明可應(yīng)用于國際上從事極區(qū)研究的相關(guān)領(lǐng)域。
【專利說明】水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置，具體是與冰基浮標(biāo)、高強(qiáng)度拖曳電纜(零浮力拖曳電纜)裝置組成拖曳式溫鹽深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，直接用于北冰洋淺水型拖曳式溫鹽深監(jiān)測(cè)。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，世界海洋科學(xué)家們?cè)絹碓疥P(guān)注北極和北冰洋海洋環(huán)境的特征和北極冰雪融化過程對(duì)于氣候的影響等方面的研究。從事這些研究首先要獲得北極和北冰洋海洋環(huán)境的溫度、鹽度和深度的數(shù)據(jù)和變化規(guī)律，而獲取這些數(shù)據(jù)需要相應(yīng)的觀測(cè)和監(jiān)測(cè)設(shè)備，但目前這種觀測(cè)設(shè)備少之又少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足北極科學(xué)研究的需要。目前，美國伍茲霍爾海洋研究所研制了一種“纜繩定點(diǎn)式深水剖面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，其測(cè)量深度從水下100米-4000米，用于海洋大深度剖面監(jiān)測(cè)，這種裝置有兩個(gè)問題:一是裝置自身帶蓄電池，最長能夠連續(xù)工作3個(gè)月，二是水下100以淺的海洋環(huán)境無法測(cè)量，而恰恰北冰洋淺海環(huán)境的變化和測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于海洋科學(xué)家是最需要的。
[0003]水下探測(cè)浮標(biāo)是淺海環(huán)境變化和測(cè)量數(shù)據(jù)的必不可少的設(shè)備之一，水下探測(cè)浮標(biāo)一般由液壓裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而傳統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)裝置是由單沖程液壓泵向浮標(biāo)的外油囊注油或收油，來改變浮標(biāo)的體積，獲得浮標(biāo)浮力的變化，實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)的浮力測(cè)量。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是體積大，重量重，不能應(yīng)用于大排量的液壓系統(tǒng)中；另一種方式是采用單、雙向液壓泵及相關(guān)的閥件組合實(shí)現(xiàn)向外油囊注油或收油來改變體積的變化。單向油泵的工作狀態(tài)受其結(jié)構(gòu)限制轉(zhuǎn)向不能改變，進(jìn)出油口固定，如果改變泵的轉(zhuǎn)向，其密封件將會(huì)失效，造成泵的損壞。
[0004]在浮標(biāo)結(jié)構(gòu)位置許可的情況下，可通過四個(gè)電磁閥組合來改變油液的流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)向浮標(biāo)外油囊注油或收油。采用單向閥與換向閥的組合可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正向工作，且單向泵的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，價(jià)格低，這種方式也常被廣泛采用。雙向泵的工作原理與單項(xiàng)泵基本相同，但雙向泵的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為保證油泵能正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，并提高容積效率，需設(shè)計(jì)軸套的整體浮動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，而且需設(shè)計(jì)兩個(gè)進(jìn)油口和兩個(gè)出油口，在兩個(gè)進(jìn)油口上設(shè)計(jì)兩個(gè)液控單向閥。如果系統(tǒng)采用雙向油泵，在其出油口還需設(shè)計(jì)兩個(gè)單向閥，通過一定的管件聯(lián)接才能完成油泵的換向工作。以上兩種方式，雖然結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、體積較小，但都需外設(shè)閥件才能完成系統(tǒng)的正常工作，而且系統(tǒng)的注油和收油過程都需電機(jī)和電磁閥工作，其功耗較大，不適應(yīng)浮標(biāo)的長期有效地工作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了只有浮標(biāo)注油時(shí)電機(jī)工作，浮標(biāo)收油時(shí)電機(jī)不工作，大大減少浮標(biāo)的能源消耗，提高浮標(biāo)的工作壽命。該裝置與冰基浮標(biāo)、高強(qiáng)度拖曳電纜(零浮力拖曳電纜)裝置組成拖曳式溫鹽深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行冰層下水下溫鹽深剖面測(cè)量，測(cè)量深度為冰層下0-120米，填補(bǔ)了國際上遠(yuǎn)海100米以淺觀測(cè)手段匱乏的空白，由于冰基浮標(biāo)和水下剖面測(cè)量浮標(biāo)同時(shí)開展觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了同一區(qū)域水文和氣象同步觀測(cè)，具有非常大的推廣應(yīng)用價(jià)值，可以推廣應(yīng)用到國際上從事極區(qū)研究的相關(guān)領(lǐng)域。
[0006]本發(fā)明提供的一種水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置，用于浮力轉(zhuǎn)換與升降控制，進(jìn)行海水溫度、鹽度、深度測(cè)量，包括:
下部電纜拉頭鉸接環(huán)，溫度、鹽度、壓力測(cè)量傳感器、傳感器保護(hù)罩、浮力艙體、水下控制單元、內(nèi)油囊、直流電機(jī)、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥、單向閥、液壓馬達(dá)、后端蓋、外油囊、油囊保護(hù)罩、浮標(biāo)水密接口、姿態(tài)傳感器等構(gòu)成(圖3)。
[0007]水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置的殼體為圓柱體，由鋁合金管料加工而成，內(nèi)部初始狀態(tài)設(shè)定為負(fù)壓。其上部連接溫度、鹽度、壓力測(cè)量傳感器，傳感器四周套CTD保護(hù)罩，保護(hù)罩頂端的下部電纜拉頭鉸接環(huán)固定高強(qiáng)度拖曳電纜裝置的下部拉環(huán)；水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置的中部是浮力艙，浮力艙上端安裝水下控制單元，內(nèi)油囊設(shè)置在浮標(biāo)艙體內(nèi)部，外油囊設(shè)置在浮標(biāo)艙體外部，內(nèi)油囊與外油囊之間有一液壓馬達(dá)，即液壓馬達(dá)通過油管與內(nèi)油囊、外油囊連接，油馬達(dá)和外油囊之間裝有單向閥，外油囊和內(nèi)油囊之間還裝有電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥，微型直流電機(jī)帶動(dòng)油馬達(dá)旋轉(zhuǎn)；浮力艙后端蓋連接外油囊，外油囊的安全性由外油囊保護(hù)罩承擔(dān)，浮標(biāo)的水密接口連接高強(qiáng)度拖曳纜的下端水密接頭，保證數(shù)據(jù)信號(hào)的通路。
[0008]所述的水下控制單元包括:子控制器與時(shí)鐘電路單元、電源管理單元、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元以及電機(jī)控制單元。
[0009]子控制器與時(shí)鐘電路單元:子控制器也采用多串口 51單片機(jī)，根據(jù)冰基浮標(biāo)主控制器發(fā)送的指令控制水下剖面探測(cè)浮標(biāo)各主要單元的工作進(jìn)程。子控制器具備上電復(fù)位以及看門狗復(fù)位功能，避免程序運(yùn)行過程中跑飛所導(dǎo)致的系統(tǒng)死機(jī)。時(shí)鐘電路依然選用低頻時(shí)鐘芯片，其定時(shí)周期由子控制器預(yù)置，每個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生的脈沖信號(hào)反饋給子控制器，用于控制數(shù)據(jù)采集周期。
[0010]電源管理單元:電源管理中的DC/DC變換模塊采用輸出電壓可調(diào)的降壓型DC/DC開關(guān)電源芯片，為系統(tǒng)各主要單元提供高效、準(zhǔn)確、可靠的供電電平。
[0011]數(shù)據(jù)采集單元:水下剖面探測(cè)浮標(biāo)中的CTD傳感器采集其所在位置的溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù)。姿態(tài)傳感器用于監(jiān)測(cè)水下剖面探測(cè)浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)變化。子控制器對(duì)采集的溫鹽深和姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)送給冰上中央控制單元的主控制器。
[0012]數(shù)據(jù)通訊與傳輸單元:水下剖面探測(cè)浮標(biāo)通過RS232轉(zhuǎn)RS485芯片提供冰基浮標(biāo)裝置與水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置之間通訊所需的RS485接口。水下剖面探測(cè)浮標(biāo)將采集的水文數(shù)據(jù)通過RS485總線傳輸給冰基浮標(biāo)。
[0013]電機(jī)控制單元:水下剖面探測(cè)浮標(biāo)中的直流電機(jī)和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥的驅(qū)動(dòng)均采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，此類芯片在保證足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，具有完善的過流過熱保護(hù)功能。子控制器通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來控制直流電機(jī)和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥的開關(guān)時(shí)序，實(shí)現(xiàn)水下剖面探測(cè)浮標(biāo)的有序升降。
[0014]所述的水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置內(nèi)部初始狀態(tài)設(shè)定為(0.04-0.06)MPa的負(fù)壓，使內(nèi)油囊與外油囊形成壓力差。所述的冰基浮標(biāo)裝置和水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置的連接是采用芳綸復(fù)合電纜拉力接頭連接。
[0015]根據(jù)水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置距冰底的距離，為調(diào)整浮力升降單元的供油時(shí)間，防止其沖力過大撞擊冰底。水下剖面測(cè)量浮標(biāo)中的控制單元安裝了傾斜傳感器，用來測(cè)量浮標(biāo)在上升過程的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。
[0016]為了防止水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置撞擊冰底，設(shè)計(jì)時(shí)在水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置尾部設(shè)計(jì)了防撞擊裝置，裝置由三個(gè)防撞彈簧和一個(gè)防撞板組成。
[0017]所述的浮標(biāo)裝置殼體尾端延伸出外油囊保護(hù)罩。
[0018]本發(fā)明提供的一種水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置與冰基浮標(biāo)、高強(qiáng)度拖曳電纜(零浮力拖曳電纜)裝置組成北冰洋淺水型拖曳式溫鹽深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0019]所述的冰基浮標(biāo)裝置，用于氣象觀測(cè)及控制、衛(wèi)星通信、供電。高強(qiáng)度拖曳電纜(零浮力拖曳電纜)裝置:用于冰基浮標(biāo)裝置和水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置的連接，提供數(shù)據(jù)信號(hào)線、高強(qiáng)度拉力電纜、耐海水腐蝕的硫化接頭。
[0020]所述的冰基浮標(biāo)裝置安裝于冰層上方，實(shí)施冰面氣象觀測(cè)、數(shù)據(jù)通信、Argos衛(wèi)星通信及電力供給；水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置在冰層下做溫鹽深剖面測(cè)量，測(cè)量范圍120米，冰基浮標(biāo)裝置與水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置通過零浮力拖曳電纜裝置連接，零浮力拖曳電纜裝置既能拖著水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置隨冰層漂移，又提供電力供給和數(shù)據(jù)傳輸。
[0021]所述的冰基浮標(biāo)裝置為冰面氣象監(jiān)測(cè)及控制子系統(tǒng)的載體，該冰基浮標(biāo)裝置由鋰電池組、上部信號(hào)纜水密接口、溫度和相對(duì)濕度傳感器、氣壓傳感器、GPS定位模塊、Argos衛(wèi)星通信模塊、冰上中央控制單元、電池艙、浮標(biāo)浮力圈、上部電纜拉頭鉸接環(huán)、不銹鋼管等組成。
[0022]冰基浮標(biāo)裝置的上部用不銹鋼管組成山字形連接支架，支架左側(cè)支撐氣壓傳感器和GPS定位模塊，支架中間支撐溫度和相對(duì)濕度傳感，支架右側(cè)支撐Argos衛(wèi)星通信模塊，各傳感器的信號(hào)線由不銹鋼管連接到冰上中央控制單元。冰上中央控制單元安裝在冰基浮標(biāo)裝置標(biāo)體內(nèi)部，四周嵌套浮力圈，其作用是當(dāng)冰層融化時(shí)冰基浮標(biāo)裝置掉入水中，也能提供足夠的浮力漂浮在海面，繼續(xù)完成環(huán)境監(jiān)測(cè)；電池艙位于冰基浮標(biāo)裝置的下部，鋰電池組(300Ah )裝在電池艙內(nèi)部，保證系統(tǒng)工作一年所需的電力，上部電纜拉頭鉸接環(huán)連接高強(qiáng)度拖曳電纜裝置的上部拉環(huán)，上部信號(hào)纜水密接口連接高強(qiáng)度拖曳電纜裝置的上部水密接頭橡膠纜。
[0023]所述的冰上中央控制單元包括:主控與時(shí)鐘電路單元、電能補(bǔ)給與電源管理單元、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元以及數(shù)據(jù)通訊與傳輸單元。
[0024]主控與時(shí)鐘電路單元:主控制器采用多串口 51單片機(jī)，該系列單片機(jī)具有高速、低功耗、抗干擾性強(qiáng)、輸入輸出接口豐富等優(yōu)點(diǎn)。主控制器相當(dāng)于整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的大腦，在預(yù)設(shè)時(shí)鐘周期內(nèi)控制冰基浮標(biāo)各主要單元的工作進(jìn)程并協(xié)調(diào)管理冰基浮標(biāo)與水下剖面探測(cè)浮標(biāo)之間的控制時(shí)序和數(shù)據(jù)傳輸。主控制器具備上電復(fù)位以及看門狗復(fù)位功能，避免程序運(yùn)行過程中跑飛所導(dǎo)致的系統(tǒng)死機(jī)。時(shí)鐘電路選用低頻時(shí)鐘芯片，其外圍電路簡(jiǎn)單、定時(shí)準(zhǔn)確，能實(shí)現(xiàn)無干擾、首周期準(zhǔn)確的啟動(dòng)以及長持續(xù)時(shí)間定時(shí)等功能。時(shí)鐘電路的定時(shí)周期由主控制器預(yù)置，每個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生的脈沖信號(hào)反饋給主控制器，用于主控制器的休眠喚醒，以有效控制數(shù)據(jù)采集周期。
[0025]電能補(bǔ)給與電源管理單元:考慮到長期工作后的鋰電池在低溫下的放電能力有限，采用超級(jí)電容器對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。超級(jí)電容器具有充電時(shí)間短、使用壽命長、溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)，將其并聯(lián)于衛(wèi)星通訊電源以及電機(jī)電源端，在數(shù)據(jù)衛(wèi)星通訊以及電機(jī)啟動(dòng)過程中能夠提供瞬間大電流，從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸以及電機(jī)的可靠啟動(dòng)。電源管理中的DC/DC變換模塊采用輸出電壓可調(diào)的降壓型DC/DC開關(guān)電源芯片，該類型芯片具有輸入輸出電壓范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度范圍寬、靜態(tài)電流和關(guān)斷電流極低等優(yōu)點(diǎn)。由DC/DC開關(guān)電源芯片組成的電源管理單元為系統(tǒng)各主要單元提供高效、準(zhǔn)確、可靠的供電電平。
[0026]數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元:冰基浮標(biāo)裝置中的溫濕和氣壓傳感器構(gòu)成氣象數(shù)據(jù)采集單元，輸出氣象數(shù)據(jù)模擬量，通過Σ-Λ調(diào)制型A/D轉(zhuǎn)換芯片獲得氣象數(shù)據(jù)的數(shù)字量輸出給主控制器處理。存儲(chǔ)器采用非易失性NVRAM，為氣象與水文數(shù)據(jù)壓縮提供可靠的存儲(chǔ)空間。主控制器將捕獲的有效GPS時(shí)間和位置信息與處理完畢的有效氣象和水文數(shù)據(jù)加密打包，暫存于NVRAM中，待有效時(shí)刻將其發(fā)送至衛(wèi)星通訊單元。
[0027]數(shù)據(jù)通訊與傳輸單元:冰基浮標(biāo)裝置中的數(shù)據(jù)衛(wèi)星通訊單元采用ARG0S-3PMT-RFM模塊，該模塊能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星過頂預(yù)測(cè)并自動(dòng)喚醒，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)耐瑫r(shí)優(yōu)化數(shù)據(jù)衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的功耗。GPS衛(wèi)星定位模塊基于SiRF Star IV，具有低功耗、高定位精度、高靈敏度和高性能等優(yōu)點(diǎn)，為主控制器提供準(zhǔn)確的時(shí)間與位置信息。冰基浮標(biāo)裝置與水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置之間的通訊為長纜數(shù)據(jù)傳輸，為保證其可靠通訊，采用RS485協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。
[0028]所述的高強(qiáng)度拖曳電纜裝置由兩根電源線加兩對(duì)信號(hào)線成纜，每根纜芯外繞包聚酯，電源線和信號(hào)線絞和后套隔離層，沿隔離層編織芳綸拉力層，芳綸拉力層起到承載水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置重量，拖著水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置做剖面測(cè)量的作用，最外層是聚氨酯護(hù)套。
[0029]高強(qiáng)度拖曳電纜裝置的上部拉環(huán)連接冰基浮標(biāo)裝置的上部電纜拉頭絞接環(huán)，實(shí)現(xiàn)拖曳纜的功能；高強(qiáng)度拖曳電纜裝置中電源線和信號(hào)線由上部電纜拉頭分離出上部水密接頭橡膠纜接到冰基浮標(biāo)裝置的上部信號(hào)纜水密接口 ；高強(qiáng)度拖曳電纜裝置的下部拉頭連接水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置的下部電纜拉頭絞環(huán)，高強(qiáng)度拖曳電纜裝置拉著水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置隨冰漂移；高強(qiáng)度拖曳電纜裝置中電源線和信號(hào)線由下部電纜拉頭分離出下部水密接頭橡膠纜接到水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置的下部信號(hào)線水密接口，下部電纜拉環(huán)連接水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置下部電纜拉頭絞環(huán)，完成整個(gè)系統(tǒng)拖曳和電氣的物理連接。
[0030]本發(fā)明提供的所述的水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置的應(yīng)用方法包括的步驟:
1)初始狀態(tài)的水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置在水下120米處待機(jī)休眠隨冰漂移，該裝置的水下控制單元收到在冰面上隨洋流飄移的冰基浮標(biāo)裝置的中央控制單元發(fā)出指令后立即喚醒；
2)在水下控制單元的控制下，內(nèi)油囊向外油囊注油，使其的浮力增加，開始上升，即時(shí)進(jìn)行若干次(如:每上升50厘米)溫鹽深測(cè)量，外油囊油在壓力差的作用下再注入內(nèi)油囊，在接近冰面時(shí)，上升速度近似為零，待升至冰底，完成了由水下120米-O米的剖面測(cè)量；
3)然后在水下控制單元指令下，外油囊的油在壓力差的作用下注入內(nèi)油囊，外油囊收縮，使該水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置從水面開始下降，外油囊的油全部注入內(nèi)油囊，直至降到水下最深處獲得平衡，水下控制單元進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次測(cè)量，下降時(shí)不采集數(shù)據(jù)。
[0031]4)水下控制單元將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后傳至冰基浮標(biāo)裝置的冰上中央控制單元，再將數(shù)據(jù)通過Argos通信衛(wèi)星傳到互聯(lián)網(wǎng)上，用于研究人員的數(shù)據(jù)采集。
[0032]本發(fā)明構(gòu)成淺水型拖曳式溫鹽深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法中，冰基浮標(biāo)裝置在冰面上隨洋流飄移，其中的中央控制單元控制溫度、濕度、氣壓傳感器和GPS定位模塊，以每小時(shí)一次的時(shí)間間隔定時(shí)采集冰面數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)。冰上中央控制單元每隔24小時(shí)通過水下控制單元發(fā)出喚醒指令，喚醒一次水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置，使其上的浮力升降單元啟動(dòng)，在冰下0-120米范圍內(nèi)的上浮和下潛，通過CTD測(cè)量傳感器，進(jìn)行海水溫度、鹽度、壓力數(shù)據(jù)的采集；水下控制單元將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后傳至冰基浮標(biāo)裝置的冰上中央控制單元，再將數(shù)據(jù)通過Argos通信衛(wèi)星傳到互聯(lián)網(wǎng)上，使得研究人員在辦公室就能看到采集的數(shù)據(jù)。具體浮力升降單元工作過程詳細(xì)敘述如下:
初始狀態(tài)的水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置在水下120米處待機(jī)休眠隨冰漂移，在水下子控制單元的控制下，內(nèi)油囊向外油囊注油，使其的浮力增加，開始上升，每上升50厘米進(jìn)行溫鹽深測(cè)量，外油囊油在壓力差的作用下再注入內(nèi)油囊，在接近冰面時(shí)水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置的上升速度近似為零，待升至冰底，完成了由水下120米-O米的剖面測(cè)量；然后在水下控制單元指令下，外油囊的油在壓力差的作用下注入內(nèi)油囊，外油囊收縮，使水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置從水面開始下降，外油囊的油全部注入內(nèi)油囊，直至降到水下最深處獲得平衡，水下控制單元進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次測(cè)量，下降時(shí)不采集數(shù)據(jù)。
[0033]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
本發(fā)明殼體內(nèi)被抽成為負(fù)壓，內(nèi)油囊與外油囊形成壓力差，當(dāng)浮標(biāo)需要從水面向水下下降時(shí)，無需電機(jī)工作，外油囊的油會(huì)自動(dòng)收回到內(nèi)油囊，實(shí)現(xiàn)了只有注油時(shí)電機(jī)工作，浮標(biāo)收油時(shí)電機(jī)不工作，大大減少浮標(biāo)的能源消耗，提高浮標(biāo)的工作壽命。該裝置與冰基浮標(biāo)、高強(qiáng)度拖曳電纜(零浮力拖曳電纜)裝置組成拖曳式溫鹽深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行冰層下水下溫鹽深剖面測(cè)量，測(cè)量深度為冰層下0-120米，填補(bǔ)了國際上遠(yuǎn)海100米以淺觀測(cè)手段匱乏的空白，由于冰基浮標(biāo)和水下剖面測(cè)量浮標(biāo)同時(shí)開展觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了同一區(qū)域水文和氣象同步觀測(cè)。
[0034]本發(fā)明利用冰基浮標(biāo)裝置隨冰漂流，通過高強(qiáng)度拖曳纜裝置拖著水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置做水下溫鹽深剖面測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了在大范圍獲取海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)準(zhǔn)確得知海冰的漂移速度和漂移方向，對(duì)于研究極地的氣候變化提供了有效的觀測(cè)手段，特別是這種測(cè)量方式能夠獲取貼近冰層的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，這是目前國際上其它海洋剖面觀測(cè)儀器無法比擬的，實(shí)現(xiàn)了北冰洋淺水區(qū)的剖面觀測(cè)，使得獲取北冰洋淺水區(qū)數(shù)據(jù)成為可能。
[0035]科學(xué)家在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)，不僅需要海洋水文數(shù)據(jù)，也需要海洋氣象數(shù)據(jù)綜合開展研究，但往往在同一區(qū)域難以獲得同一時(shí)段、同一地點(diǎn)的數(shù)據(jù)。本發(fā)明利用冰基浮標(biāo)裝置開展極區(qū)氣象觀測(cè)，利用水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置開展淺水區(qū)溫鹽深測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了同一區(qū)域水文和氣象同步觀測(cè)，解決了水文數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)不同區(qū)域、不同時(shí)間的問題，使極區(qū)科學(xué)研究的數(shù)據(jù)來源更加真實(shí)。
[0036]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了長時(shí)間水文和氣象連續(xù)同步觀測(cè)。以往北冰洋用的海洋觀測(cè)儀器，均采用自備電池的方式，這種方式限制了儀器長時(shí)間連續(xù)觀測(cè)，本系統(tǒng)采用了大容量鋰電池組供電，電池艙設(shè)計(jì)在冰基浮標(biāo)裝置的標(biāo)體內(nèi)，加大了能量存儲(chǔ)空間，電池容量超出獨(dú)立剖面探測(cè)浮標(biāo)的數(shù)倍，大大增加了系統(tǒng)的在位工作時(shí)間。
[0037]本發(fā)明的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了多要素、長時(shí)間、同步實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè)，這些特點(diǎn)是全球海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取者一貫追求的宗旨，這項(xiàng)發(fā)明完全符合海洋科學(xué)研究的實(shí)際需求，有非常大的推廣應(yīng)用價(jià)值，其產(chǎn)品可以推廣到國際上從事極區(qū)研究的一些領(lǐng)域。
[0038]【專利附圖】

【附圖說明】圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖；其中:1、冰基浮標(biāo)裝置，2、水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置，3、高強(qiáng)度拖曳電纜裝置，4、海冰層。
[0039]圖2為本發(fā)明冰基浮標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；其中:19、鋰電池組，20、上部信號(hào)纜水密接口，21、溫濕傳感器，22、氣壓傳感器，23、GPS定位模塊24、Argos衛(wèi)星通信模塊，25、冰上中央控制單元，26、電池艙，27、浮力圈28、上部電纜拉頭鉸接環(huán)，29、不銹鋼管。
圖3為本發(fā)明水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；其中:30、下部電纜拉頭鉸接環(huán)，31、CTD傳感器，32、CTD保護(hù)罩，33、浮力艙，34、水下控制單元 35、內(nèi)油囊，36、直流電機(jī)，37、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥，38、單向閥，39、油馬達(dá)，40、后蓋板，41、外油囊，42、外油囊保護(hù)罩，43、下部信號(hào)線水密接口，44、姿態(tài)傳感器。
[0040]圖4為本發(fā)明水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置上升和下潛原理圖；其中:35、內(nèi)油囊，37、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥，38、單向閥，39、油馬達(dá)，41、外油囊。
[0041]圖5為本發(fā)明高強(qiáng)度拖曳電纜裝置剖面結(jié)構(gòu)圖；其中:51、電源線，52、信號(hào)線，53、聚氨酯層，54、隔離層，55、芳綸編織層，56、聚氨酯外護(hù)套。
[0042]圖6為本發(fā)明高強(qiáng)度拖曳電纜裝置及拉頭結(jié)構(gòu)示意圖；其中:60、上部拉頭，61、上部水密接頭橡膠纜，62、上部拉環(huán)，3高強(qiáng)度拖曳電纜裝置，63、下部拉頭，64、下部水密接頭橡膠纜，65、下部拉環(huán)。
[0043]圖7為本發(fā)明冰基浮標(biāo)冰裝置上中央控制單元框圖。
[0044]圖8為本發(fā)明水下剖面測(cè)量裝置浮標(biāo)水下控制單元框圖。
[0045]圖9為電纜拉頭接頭本體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為電纜拉頭接頭蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖；其中:101、接頭本體;102、接頭蓋板;103、軸心孔;104、接頭本體A端;105、接頭本體B端；106、鉆孔；107卡槽；108、鉸鏈接頭；109、槽孔；110、坡狀凸起物；111、斜孔；112、硫化池；113、圓孔。

【具體實(shí)施方式】
[0046]下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明描述。
[0047]具體實(shí)施例中所選用的設(shè)備、部件與材料及實(shí)驗(yàn)方法和工藝未注明具體條件，通常按照常規(guī)條件以及手冊(cè)中所述的條件，或按照制造廠商所建議的條件，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。
[0048]如圖所示，圖1所示為利用水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置組成的北冰洋淺水型拖曳式溫鹽深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。它由冰基浮標(biāo)裝置、水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置和高強(qiáng)度拖曳電纜裝置三部分組成。安裝時(shí)先在冰面上用冰鉆開一個(gè)垂直于冰面，直徑250毫米的冰孔。然后按冰基浮標(biāo)裝置的外形輪廓進(jìn)行擴(kuò)孔，清理碎冰后，將預(yù)先連接好的水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置、高強(qiáng)度拖曳電纜裝置依次放入冰孔，最后將冰基浮標(biāo)裝置入位并調(diào)整為垂直狀態(tài)。
[0049]圖2所示為冰基浮標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。它主要由溫、濕度傳感器21、氣壓傳感器22、GPS定位模塊23、Argos衛(wèi)星通訊系統(tǒng)24、電池艙26和冰上中央控制單元25等組成。
[0050]冰基浮標(biāo)裝置的上部用不銹鋼管29組成山字形連接支架，支架左側(cè)支撐氣壓傳感器22和GPS定位模塊23，支架中間支撐溫度和相對(duì)濕度傳感21，支架右側(cè)支撐Argos衛(wèi)星通信模塊24，各傳感器的信號(hào)線由不銹鋼管29連接到冰上中央控制單元25。冰上中央控制單元25安裝在冰基浮標(biāo)裝置標(biāo)體內(nèi)部，四周嵌套浮力圈27，其作用是當(dāng)冰層融化時(shí)冰基浮標(biāo)裝置掉入水中，也能提供足夠的浮力漂浮在海面，繼續(xù)完成環(huán)境監(jiān)測(cè)；電池艙26位于冰基浮標(biāo)裝置的下部，鋰電池組(300Ah) 19裝在電池艙26內(nèi)部，保證系統(tǒng)工作一年所需的電力，上部電纜拉頭鉸接環(huán)28連接高強(qiáng)度拖曳電纜裝置的上部拉環(huán)62，上部信號(hào)纜水密接口 20連接高強(qiáng)度拖曳電纜裝置的上端水密接頭61。
[0051]冰上中央控制單元25每小時(shí)整點(diǎn)發(fā)出一次采集數(shù)據(jù)的指令，溫濕度傳感器21和氣壓傳感器22采集60s的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，作為這一時(shí)刻整點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到冰上中央控制器25的存儲(chǔ)單元。溫、濕度傳感器21選用芬蘭Vaisala公司HMP155A型產(chǎn)品，其測(cè)量范圍:氣溫:(-80?60) °C，相對(duì)濕度:(O?100)%。氣壓傳感器22選用芬蘭Vaisala公司CS106型大氣壓傳感器，測(cè)量范圍(500-1100) hPa。
[0052]圖7所示為冰基浮標(biāo)裝置電氣控制框圖，它主要由四個(gè)單元組成:主控與時(shí)鐘電路單元、電能補(bǔ)給與電源管理單元、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元以及數(shù)據(jù)通訊與傳輸單元。
[0053]主控與時(shí)鐘電路單元:主控制器采用多串口 51單片機(jī)，該系列單片機(jī)具有速度快、功耗低、抗干擾性強(qiáng)以及輸入輸出接口豐富等優(yōu)點(diǎn)。時(shí)鐘電路選用低頻時(shí)鐘芯片，其外圍電路簡(jiǎn)單、定時(shí)準(zhǔn)確，能實(shí)現(xiàn)無干擾、首周期準(zhǔn)確的啟動(dòng)以及長持續(xù)時(shí)間定時(shí)。
[0054]電能補(bǔ)給與電源管理單元:DC/DC變換模塊采用輸出電壓可調(diào)的降壓型DC/DC開關(guān)電源芯片，該類型芯片具有輸入輸出電壓范圍寬、轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度范圍寬、靜態(tài)電流和關(guān)斷極低等優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容能在數(shù)據(jù)衛(wèi)星通訊以及電機(jī)啟動(dòng)過程中提供瞬間大電流，從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸以及電機(jī)的可靠啟動(dòng)。
[0055]數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元:溫、濕傳感器21和氣壓傳感器22構(gòu)成氣象數(shù)據(jù)采集單元，輸出氣象數(shù)據(jù)模擬量，通過Σ-Λ調(diào)制型A/D轉(zhuǎn)換芯片獲得氣象數(shù)據(jù)的數(shù)字量。存儲(chǔ)器采用非易失性NVRAM，為數(shù)據(jù)壓縮提供可靠的存儲(chǔ)空間。
[0056]數(shù)據(jù)通訊與傳輸單元=Argos衛(wèi)星通信模塊24采用Argos-3 PMT-RFM，該模塊能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星過頂預(yù)測(cè)并自動(dòng)喚醒，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)耐瑫r(shí)最大化降低數(shù)據(jù)衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的功耗。衛(wèi)星定位模塊基于SiRF Star IV，具有低功耗、高定位精度、高靈敏度和高性能等優(yōu)點(diǎn)。
[0057]冰基浮標(biāo)裝置與水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置之間的通訊因涉及長線數(shù)據(jù)傳輸，為保證其可靠通訊，本案采用485協(xié)議。
[0058]該系統(tǒng)布放到北冰洋后不可回收，設(shè)計(jì)工作時(shí)間為一年，冰基浮標(biāo)裝置和水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置工作需消耗較大電力，尤其是北極低溫惡的劣環(huán)境對(duì)系統(tǒng)供電系統(tǒng)提出了較高要求，經(jīng)過對(duì)電池性能指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，本案選定鋰電池作為系統(tǒng)供電電源，鋰電池的溫度范圍:-55° C-+85° C，單節(jié)標(biāo)稱容量19Ah，標(biāo)稱電壓3.6V，經(jīng)過對(duì)鋰電池的串并聯(lián)后，組成了容量300 Ah,電壓28 V的鋰電池組對(duì)系統(tǒng)供電。
[0059]圖3所示為水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)示意圖(圖示為平放位置)，由上部拉頭鉸接環(huán)30、溫度、鹽度、壓力測(cè)量傳感器31、傳感器保護(hù)罩32、浮力艙體33、水下控制單元34、內(nèi)油囊35、直流電機(jī)36、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥37、單向閥38、液壓馬達(dá)39、后端蓋40、外油囊41、油囊保護(hù)罩42、水密接口 43、姿態(tài)傳感器44等組成。
[0060]水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置的殼體為圓柱體，由鋁合金管料加工而成。其上部連接溫度、鹽度、壓力測(cè)量傳感器31，傳感器四周套CTD保護(hù)罩32，保護(hù)罩32頂端的下部電纜拉頭鉸接環(huán)30固定高強(qiáng)度拖曳電纜裝置的下部拉環(huán)65 ;水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置的中部是浮力艙33，浮力艙上端安裝水下控制單元34，內(nèi)油囊35設(shè)置在浮標(biāo)艙體33內(nèi)部，外油囊41設(shè)置在浮標(biāo)艙體33外部，內(nèi)油囊35與外油囊41之間有一液壓馬達(dá)39，即液壓馬達(dá)39通過油管與內(nèi)油囊35、外油囊41連接，油馬達(dá)39和外油囊41之間裝有單向閥38，外油囊41和內(nèi)油囊35之間還裝有電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥37，微型直流電機(jī)36帶動(dòng)油馬達(dá)39旋轉(zhuǎn)；浮力艙33后端蓋連接外油囊41，外油囊41的安全性由外油囊保護(hù)罩42承擔(dān)，浮標(biāo)裝置的水密接口 43連接高強(qiáng)度拖曳纜裝置的下端水密接頭64，保證數(shù)據(jù)信號(hào)的通路。
[0061]其中溫、鹽、壓力測(cè)量傳感器31采用美國海鳥公司生產(chǎn)的SEB 41產(chǎn)品，其溫度測(cè)量規(guī)范為:0-35° C，測(cè)量精度:0.002° C，電導(dǎo)率測(cè)量范圍:0-9 s/m，測(cè)量精度:0.0003 s/m，壓力測(cè)量范圍:0-100 dbar，測(cè)量精度:0.1%。該傳感器專門為海洋剖面測(cè)量浮標(biāo)設(shè)計(jì)，傳感器測(cè)量精度在出廠前已經(jīng)進(jìn)行了校準(zhǔn)，不需要再進(jìn)行定標(biāo)，傳感器的采樣速率為IHz或6Hz可選，具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口。
[0062]水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置殼體采用鋁合金管料加工，直徑183mm，高度1750mm。浮標(biāo)裝置內(nèi)部抽成(0.04-0.06) MPa的負(fù)壓，浮標(biāo)裝置頂端的CTD測(cè)量傳感器31和底端的外油囊41均安裝有保護(hù)罩，高強(qiáng)度拖曳電纜裝置下部拉環(huán)30連接在水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置的頂端30，為了保護(hù)CTD傳感器31在水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置上升過程中不會(huì)撞到冰底，采用水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置頂端重量大于底端重量的設(shè)計(jì)思路，保證水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置在上升過程中底端向上，同時(shí)水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置尾部安裝三個(gè)防撞彈簧和一個(gè)防撞板，三個(gè)防撞彈簧一端以120°均布在水下剖面測(cè)量浮標(biāo)外油囊護(hù)罩底端，采用焊接方式固定，另一端用螺釘固定于防撞板。
[0063]水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2中直流電機(jī)36的型號(hào)為ZYTD-38SRZ-R型，其額定的轉(zhuǎn)速為1800轉(zhuǎn)/分，額定電流:0.38A ;油馬達(dá)39選用意大利進(jìn)口產(chǎn)品，型號(hào)為BKP0.5A1，其轉(zhuǎn)速為(1000-7000 )ppm,容積效率為90% ；電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥37的通徑為2mm，額定功率:9W，額定電流 375mA,工作壓力:10.34 kg/cm2。
[0064]圖8所示為水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2電氣控制框圖，它主要由四個(gè)單元組成:子控制器與時(shí)鐘電路單元、電源管理單元、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元以及電機(jī)控制單元。
子控制器與時(shí)鐘電路單元:子控制器采用多串口 51單片機(jī)。時(shí)鐘電路選用低頻時(shí)鐘芯片。
[0065]電源管理單元:DC/DC變換模塊采用開關(guān)電源芯片。
[0066]數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元:CTD傳感器31采集水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置所在位置的溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù)。姿態(tài)傳感器44用于監(jiān)測(cè)水下剖面測(cè)量浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)變化。存儲(chǔ)器采用非易失性NVRAM，為數(shù)據(jù)壓縮提供可靠的存儲(chǔ)空間。
[0067]電機(jī)控制單元:油馬達(dá)39和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥37的驅(qū)動(dòng)均采用德州電子儀器廠生產(chǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，型號(hào)為:drv8840，此類芯片在保證足夠的驅(qū)動(dòng)電流的同時(shí)，具有完善的過流過熱保護(hù)功能。
[0068]圖4為水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置升降原理圖，若要水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置下潛，只須給電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥37加電，閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)90°，由于艙內(nèi)有(0.04-0.06)MPa的負(fù)壓，在壓力差的作用下，浮標(biāo)外油囊41的油快速流向內(nèi)油囊35，原有的浮力平衡系統(tǒng)打破，水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置下潛。隨著深度加大，外油囊41內(nèi)的油最終完全回到內(nèi)油囊35。下潛深度由高強(qiáng)度拖曳電纜裝置長度和現(xiàn)場(chǎng)海流決定。若要水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置上升，只須給直流電機(jī)36加電，電機(jī)帶油馬達(dá)39旋轉(zhuǎn)，液壓油從浮力艙33內(nèi)的內(nèi)油囊35流入艙外的外油囊41，隨著外油囊41體積的加大，原有的浮力平衡系統(tǒng)被打破，水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置開始上升，經(jīng)過一段時(shí)間(大約15分鐘)之后，外油囊41鼓脹到最大。最終浮標(biāo)回到水表面。
[0069]為了滿足系統(tǒng)對(duì)高強(qiáng)度電纜重量輕、破斷拉力大、彈性形變小、既要具備拖曳功能，又要具備供電和數(shù)據(jù)傳輸功能，專門研制了高強(qiáng)度拖曳異形電纜。圖6中高強(qiáng)度拖曳電纜裝置用于連接冰基浮標(biāo)裝置和水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置，使其能夠拖著水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置隨波逐流，又具有傳輸電氣數(shù)據(jù)信號(hào)及給水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置輸送電力的功能。
[0070]高強(qiáng)度拖曳電纜裝置剖面結(jié)構(gòu)見圖5。它是由2根電源線51加兩對(duì)信號(hào)線52成纜，每根纜芯外繞包聚酯53，電源線51和信號(hào)線52絞和后套隔離層54，沿隔離層54編織芳綸拉力層55，最外層是聚氨酯護(hù)套56。芳綸拉力層起到承載水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置重量，拖著水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置做剖面測(cè)量的作用，最外層是聚氨酯護(hù)套56 ；
圖6為本發(fā)明高強(qiáng)度拖曳電纜裝置及拉頭結(jié)構(gòu)示意圖；其中:60、上部拉頭，61、上部水密接頭橡膠纜，62、上部拉環(huán)，3高強(qiáng)度拖曳電纜裝置，63、下部拉頭，64、下部水密接頭橡膠纜，65、下部拉環(huán)。
[0071]高強(qiáng)度拖曳電纜裝置的上部拉環(huán)62連接冰基浮標(biāo)裝置的上部電纜拉頭絞接環(huán)28，實(shí)現(xiàn)拖曳纜的功能；高強(qiáng)度拖曳電纜裝置中電源線51和信號(hào)線52由上部拉頭60分離出帶上部水密接頭的橡膠纜61接到冰基浮標(biāo)裝置的上部信號(hào)纜水密接口 20 ;高強(qiáng)度拖曳電纜裝置的下部拉環(huán)65連接水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置的上部拉頭絞環(huán)30，高強(qiáng)度拖曳電纜裝置拉著水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置隨冰漂移；高強(qiáng)度拖曳電纜裝置中電源線51和信號(hào)線52由下部拉頭63分離出下部水密接頭橡膠纜64接到水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置的水密接口 43。完成整個(gè)系統(tǒng)拖曳和電氣的物理連接。
[0072]電源線51截面積為0.5 mm2，采用16根0.2mm直徑的鍍錫銅絲絞合而成；信號(hào)線52截面積為0.35 mm2，采用43根0.1mm直徑的鍍錫銅絲絞合而成；電纜外徑:9.3±0.5mm ;電纜破斷力:不低于300kg ;電纜凈重:103kg/km。
[0073]本發(fā)明提供一種由水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置組成北冰洋淺水型拖曳式溫鹽深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作過程:
I冰基浮標(biāo)裝置工作過程
冰基浮標(biāo)裝置I安裝在冰面上隨洋流以(0.1-0.3)m/s的速度飄移，浮標(biāo)內(nèi)的冰上中央控制單元25是冰基浮標(biāo)裝置I乃至整個(gè)系統(tǒng)的核心，它一方面控制安裝在冰基浮標(biāo)裝置I上的溫度、濕度傳感器21、氣壓傳感器22和GPS定位模塊23，以每小時(shí)一次的時(shí)間間隔定時(shí)采集冰面數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)。另一方面還每隔24小時(shí)喚醒一次水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2進(jìn)行海水溫鹽深數(shù)據(jù)的采集和傳輸。冰上中央控制單元25將所采集的數(shù)據(jù)傳送至Argos衛(wèi)星通信模塊24，大容量鋰電池組30裝在冰面浮標(biāo)裝置I的電池倉內(nèi)26，供給冰基浮標(biāo)裝置I和水下剖面測(cè)量子系統(tǒng)裝置2工作電源。
[0074]2水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置工作過程
冰上中央控制單元25每隔24小時(shí)向水下控制單元34發(fā)出喚醒指令，水下控制單元34喚醒處于休眠狀態(tài)的水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2，水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2的浮力升降單元啟動(dòng)，控制水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2在冰下0-100米范圍內(nèi)的上浮和下潛，CTD測(cè)量傳感器31在浮標(biāo)上升過程中采集不同海水深度的溫度、鹽度、壓力數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給水下控制單元34，水下控制單元34同時(shí)采集壓力信號(hào)，換算成浮標(biāo)上升過程中距冰底的位置高度，根據(jù)水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2距冰底的距離，調(diào)整浮力升降單元的供油時(shí)間，防止水下剖面測(cè)量浮標(biāo)2沖力過大撞擊冰底。水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2中的水下控制單元34安裝了傾斜傳感器43，用來測(cè)量浮標(biāo)在上升過程的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，為今后浮標(biāo)的改進(jìn)提供依據(jù)。水下控制單元34將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后傳至冰基冰上中央控制單元25，由冰基冰上中央控制單元25將數(shù)據(jù)通過Argos通信衛(wèi)星24傳到互聯(lián)網(wǎng)上，使得研究人員在辦公室就能看到采集的數(shù)據(jù)。
[0075]3浮力升降系統(tǒng)工作過程
初始狀態(tài)時(shí)，水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2在水下120米處待機(jī)，這時(shí)內(nèi)油囊35注滿油，油囊的容量為3升，注入了 2.5升的液壓油，外油囊41無油，出廠標(biāo)定時(shí)設(shè)定水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2的重力大于浮力500g，水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2在水下平衡位置處于休眠狀態(tài)且隨冰漂移。
[0076]標(biāo)定時(shí)將水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2的內(nèi)部抽成(0.04-0.06) MPa的負(fù)壓，使內(nèi)油囊35與外油囊41形成壓力差。當(dāng)水下控制單元34接到冰上中央控制單元25的叫醒指令，水下控制單元34給直流電機(jī)36加電并啟動(dòng)，直流電機(jī)36帶動(dòng)油馬達(dá)39旋轉(zhuǎn)，單向閥38打開，內(nèi)油囊35向外油囊41注油，外油囊41油量增加并膨脹，使得水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2體積逐漸增加，即水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2的浮力增加，當(dāng)水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2的浮力大于重力時(shí)，水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2開始上升，水下控制單元34同時(shí)給溫鹽深測(cè)量傳感器31加電，溫鹽深測(cè)量傳感器31每上升50厘米測(cè)量一次，水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2在上升過程中，浮力逐漸加大，上升速度逐漸加快，但這時(shí)拖曳電纜裝置3作用在浮標(biāo)上的重力隨著水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2的升高而增加，減緩了浮標(biāo)上升速度，通過出廠前室內(nèi)定標(biāo)，保證水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2在接近冰面時(shí)速度近似為零，防止水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2和冰底的撞擊，水下控制單元34在水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2上升過程中不斷采集壓力傳感器31的數(shù)據(jù)，隨時(shí)判斷水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2的上升高度，當(dāng)水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2快接近冰面時(shí)水下控制單元34給電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥37加電，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥37工作并打開，外油囊41的油在壓力差的作用下注入內(nèi)油囊35，外油囊41的油減少，體積減小，浮力減小，水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2上升速度減慢，保證接近冰底時(shí)浮標(biāo)水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2的速度為零。為了防止水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2撞擊冰底，設(shè)計(jì)時(shí)在水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2尾部設(shè)計(jì)了防撞擊裝置，裝置由三個(gè)防撞彈簧和一個(gè)防撞板組成。
[0077]水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2緩慢升至冰底，溫鹽深傳感器31完成了由水下120米-O米的剖面測(cè)量，水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2的浮力和重力相等，即水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2自身的浮力等于浮標(biāo)體在水中的重量和1/2纜繩3重量之和，水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2漂浮在水面。這時(shí)水下控制單元34給電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥37加電，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥37打開，外油囊41的油在壓力差的作用下注入內(nèi)油囊35，外油囊41收縮，水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2體積減小，浮力減小，這時(shí)水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2的浮力小于重力，浮標(biāo)體從水面開始下降，直至降到水下最深處獲得平衡。水下控制單元34關(guān)閉電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥37，外油囊41的油全部注入內(nèi)油囊35，水下控制單元34進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次測(cè)量。水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2下降時(shí)溫鹽深傳感器31不采集數(shù)據(jù)。
[0078]高強(qiáng)度拖曳電纜裝置3如何與冰基浮標(biāo)裝置I和水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2的數(shù)據(jù)電纜可靠連接是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，即包含使用了上下拉頭60和63，該拉頭(一種芳綸復(fù)合電纜拉力接頭)由本 申請(qǐng)人:提交的實(shí)用新型專利(申請(qǐng)?zhí)?CN201420468498.X)中有詳細(xì)記載，具體由接頭本體、接頭蓋板、軸心孔、硫化池構(gòu)成，接頭本體為一面被銑削成平面的空心柱體，中空位置為所述的硫化池，其一端設(shè)有軸心孔，另一端安裝鉸鏈接頭，用來固定芳綸拉力層55，芳綸拉力層經(jīng)編織后分別接到上下拉環(huán)62和65 ;接頭蓋板表面有坡狀凸起物，有一斜孔通過坡狀凸起物貫穿接頭蓋板；接頭蓋板表面圓孔。
[0079]如圖9，10所示，接頭本體101的中空位置為硫化池112，垂直于硫化池112的兩側(cè)內(nèi)壁，分別有鉆孔106直通接頭本體101表面；接頭本體一端104設(shè)有軸心孔103，接頭本體另一端105安裝鉸鏈接頭108 ;接頭蓋板102表面設(shè)有坡狀凸起物110，斜孔111通過坡狀凸起物112貫穿接頭蓋板102 ;所述的接頭蓋板102表面，有一圓孔113 ;接頭本體111被銑削成平面的位置與接頭蓋板102的形狀大小契合，接頭本體101表面設(shè)有卡槽107，接頭蓋板102相對(duì)位置設(shè)有槽孔109，用于接頭蓋板102與接頭本體101之間的固定。
[0080]本發(fā)明提供一種利用水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置構(gòu)建的北冰洋淺水型拖曳式溫鹽深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下設(shè)計(jì)特點(diǎn):
I能夠進(jìn)行水文和氣象同步觀測(cè)。本發(fā)明利用冰基浮標(biāo)裝置I進(jìn)行海洋氣象觀測(cè)，利用水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2進(jìn)行海洋水文監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了同一區(qū)域溫鹽深和氣象的同步觀測(cè)。
[0081]2具有北冰洋淺水區(qū)剖面測(cè)量功能。本發(fā)明采用液壓驅(qū)動(dòng)浮力控制技術(shù)，通過內(nèi)外油囊(35/41)的膨脹和收縮，改變水下剖面測(cè)量水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置2體的浮力，實(shí)現(xiàn)冰下0-120米水文剖面測(cè)量。
[0082]3具有GPS定位功能。本發(fā)明采用GPS定位模塊23，擬補(bǔ)了 Argos通信衛(wèi)星模塊24的定位精度偏低的缺陷，同時(shí)記錄了海冰的漂移軌跡，為研究海冰的漂移提供了有效地?cái)?shù)據(jù)，成為本發(fā)明的一個(gè)副產(chǎn)品。
[0083]4衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)傳輸功能。本發(fā)明采用Argos衛(wèi)星通信模塊24，實(shí)時(shí)傳送海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)落地后科研人員可通過互聯(lián)網(wǎng)及時(shí)下載。
[0084]5高強(qiáng)度拖曳電纜。本發(fā)明自行設(shè)計(jì)高強(qiáng)度拖曳電纜裝置3，采用電纜芯采用銅絲絞和，纜芯外包聚酯，編制芳綸制作拉力層，最外層采用聚氨酯護(hù)套，實(shí)現(xiàn)了一纜既能做拖曳纜又能傳輸電力和數(shù)據(jù)的功能。
[0085]該發(fā)明在試驗(yàn)室進(jìn)行了浮力標(biāo)定、密封試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)，在青島、昆明進(jìn)行了 120米水深的全量程剖面測(cè)量試驗(yàn)，衛(wèi)星通信試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
【權(quán)利要求】
1.一種水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置，含有用于浮力轉(zhuǎn)換與升降控制的艙體、內(nèi)油囊、外油囊、傳感器、電機(jī)、馬達(dá)部件；其特征在于主要包括: 下部電纜拉頭鉸接環(huán)，溫度測(cè)量傳感器、鹽度測(cè)量傳感器、壓力測(cè)量傳感器以及各傳感器保護(hù)罩、浮力艙體、水下控制單元、內(nèi)油囊、直流電機(jī)、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥、單向閥、液壓馬達(dá)、后端蓋、外油囊、油囊保護(hù)罩與浮標(biāo)水密接口、殼體； 該裝置的殼體為圓柱體，內(nèi)部初始狀態(tài)設(shè)定為負(fù)壓，使內(nèi)油囊與外油囊形成壓力差；其上部連接溫度、鹽度、壓力測(cè)量傳感器，傳感器四周套CTD保護(hù)罩，保護(hù)罩頂端的下部電纜拉頭鉸接環(huán)固定拖曳電纜裝置的下部拉環(huán)；該裝置的中部是浮力艙，浮力艙上端安裝水下控制單元，內(nèi)油囊設(shè)置在浮標(biāo)艙體內(nèi)部，外油囊設(shè)置在浮標(biāo)艙體外部，內(nèi)油囊與外油囊之間有液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)通過油管與內(nèi)油囊、外油囊連接，液壓馬達(dá)和外油囊之間裝有單向閥，外油囊和內(nèi)油囊之間裝有電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥，微型直流電機(jī)帶動(dòng)油馬達(dá)旋轉(zhuǎn)；浮力艙后端蓋連接外油囊；該裝置的水密接口連接拖曳纜裝置的下端水密接頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置，其特征在于:所述的水下控制單元包括:子控制器與時(shí)鐘電路單元、電源管理單元、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元以及電機(jī)控制單元；子控制器與時(shí)鐘電路單元:子控制器采用多串口 51單片機(jī)，用于控制水下剖面探測(cè)浮標(biāo)各主要單元的工作進(jìn)程；時(shí)鐘電路選用低頻時(shí)鐘芯片，用于控制數(shù)據(jù)采集周期； 電源管理單元:電源管理中的DC/DC變換模塊采用輸出電壓可調(diào)的降壓型DC/DC開關(guān)電源芯片，為系統(tǒng)各主要單元提供高效、準(zhǔn)確、可靠的供電電平； 數(shù)據(jù)采集單元:由CTD傳感器與姿態(tài)傳感器組成，用于采集其所在位置的溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)通訊與傳輸單元:采用RS232轉(zhuǎn)RS485芯片提供冰基浮標(biāo)裝置與水下剖面探測(cè)浮標(biāo)裝置之間通訊所需的RS485接口，并且水下剖面探測(cè)浮標(biāo)將采集的水文數(shù)據(jù)通過RS485總線傳輸給冰基浮標(biāo)裝置。
3.電機(jī)控制單元:由直流電機(jī)、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成，用于保證足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力與過流過熱保護(hù)功能；子控制器通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來控制直流電機(jī)和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥的開關(guān)時(shí)序。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置，其特征在于:該裝置內(nèi)部初始狀態(tài)設(shè)定為0.04-0.06MPa的負(fù)壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置，其特征在于:該裝置尾部安裝三個(gè)防撞彈簧和一個(gè)防撞板，三個(gè)防撞彈簧一端以120°均布在外油囊護(hù)罩底端,米用焊接方式固定，另一端用螺釘固定于防撞板。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置，其特征在于:該裝置殼體尾端延伸出外油囊保護(hù)罩。
7.權(quán)利要求1所述的水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置的應(yīng)用方法，其特征在于包括的步驟: 1)初始狀態(tài)的水下剖面測(cè)量浮標(biāo)裝置在水下120米處待機(jī)休眠隨冰漂移，該裝置的水下控制單元收到在冰面上隨洋流飄移的冰基浮標(biāo)裝置的中央控制單元發(fā)出指令后立即喚醒； 2)在水下控制單元的控制下，內(nèi)油囊向外油囊注油，整個(gè)裝置由于其浮力增加逐漸上升，即時(shí)進(jìn)行若干次溫鹽深測(cè)量；當(dāng)外油囊油在壓力差的作用下再注入內(nèi)油囊，在接近冰底時(shí)，完成了由水下120米-O米的剖面測(cè)量； 3)然后在水下控制單元指令下，外油囊的油在壓力差的作用下注入內(nèi)油囊，外油囊收縮，使裝置從水面開始下降，至外油囊的油全部注入內(nèi)油囊，直至降到水下最深處獲得平衡，水下控制單元進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次測(cè)量； 4)水下控制單元將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后傳至冰基浮標(biāo)裝置的冰上中央控制單元，再將數(shù)據(jù)通過Argos通信衛(wèi)星傳到互聯(lián)網(wǎng)上，用于研究人員的數(shù)據(jù)采集。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的應(yīng)用方法，其特征在于步驟2)所述的溫鹽深測(cè)量是每上升50厘米進(jìn)行一次。
【文檔編號(hào)】B63B22/24GK104386208SQ201410618620
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】楊慶寶, 張靜, 劉穎, 羅曉玲 申請(qǐng)人:天津遠(yuǎn)訊科技有限公司