深海作業起伏位移測量定位坐標裝置的製作方法

2023-06-02 19:04:31

本實用新型是一種深海作業起伏位移測量定位坐標裝置，用以測量深海海浪波高以及船舶(海洋平臺)起伏位移，屬於海洋工程技術領域。

背景技術：

21世紀是海洋的世紀，大力發展海洋經濟是中國面向21世紀的重大戰略選擇。大洋底的礦產資源非常豐富，因此世界各國都在大力發展深海採礦技術。採礦船(平臺)起伏信號的採集與補償是深海採礦作業的關鍵技術之一。現有的基於加速度計的位移信號採集儀器不適應採礦船(平臺)在波浪激勵下的低頻運動的工況；氣介式聲學測波儀需要在海洋中打一根樁，把測波探頭固定在海面上方十多米高的地方，顯然不適合深海作業的工礦；近年來研製的水聲測波儀需要將探頭固定在海底，也只適宜淺海作業，因此適於深海作業的海浪波高及船舶(海洋平臺)起伏位移測量裝置是一項新技術。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種新穎的測量深海海浪波高及採礦船(海洋平臺)起伏位移的裝置。該裝置通過控制體積的變化能在海水中自主下潛，通過壓力傳感器檢測海水靜壓力，單片機通過智能模糊預測控制能精確定位於程序預定的海水深度用作海洋靜止定位坐標，用以測量深海海浪波高及船舶、海洋平臺等的起伏位移。

本實用新型的結構示意圖如圖1所示，包括有由電源(14)、單片機(3)伺服電機(12)、傳動機構(13，11，10)、活塞(9)、活塞密封裝置(8)、壓力傳感器(2)、外殼(7，6)組成的自主沉浮組件及超聲發射\接收電路(1)、超聲傳感器(4)、溫度傳感器(5)組成的測距組件，其中伺服電機(12)與電源(14)連接，並與傳動機構(13，11，10)的輸入端連接，傳動機構的輸出端與活塞(9)連接。壓力傳感器(2)裝設在上半殼體(1)上，且其輸出端與單片機(3)連接，單片機(3)的輸出端與伺服電機(12)的輸入端連接。

上述上半殼體(1)的上端設置超聲傳感器(4)及溫度傳感器(5)，下半殼體內設置超聲發射\接收電路(17)。單片機(3)控制超聲發射\接收電路(17)通過超聲傳感器(4)發射\接收超聲波。

電路連接如圖2所示。溫度傳感器測量海水的溫度，補償溫度對聲速的影響，壓力傳感器檢測海水的壓強，通過單片機運算，控制裝置位於海中的某一個既定的深度。

上述傳動機構(13，11，10)分別為同步帶傳動、齒輪傳動、滾珠絲杆傳動副。

本實用新型的工作原理是：壓力傳感器(2)在線檢測定位坐標裝置所處的水深，並與程序預定的目標水深H0比較，若未達到預定的水深，則單片機控制伺服電機通過傳動機構(13，11，10)，驅動活塞(9)縮回，體積減少，使得重力大於浮力，坐標裝置下沉；反之，若檢測水深大於預定水深H0，活塞(9)朝外伸出，體積增大，使得坐標裝置的浮力大於重力，坐標裝置上浮；若檢測水深等於預定水深H0，則活塞(9)處於中間平衡位置，此時浮力等於重力。本實用新型由於採取模糊預測控制策略，與現有的定深控制相比，具有響應快，過度時間短的特點，即定位快速準確。超聲發射\接收電路(17)在單片機(3)的控制下，通過超聲傳感器(4)發射超聲波，並接收發射波的回波。在一個測波周期內，控制器(3)的計時器從發射超聲波開始計時，當收到超聲回波時停止計時，所計的時間為超聲波的傳播時間t。溫度傳感器的測量值輸入單片機(3)，用以補償因海水溫度變化引起超聲波傳播速度c(T)變化而導致的測量誤差。根據超聲測距原理，由單片機(3)計算所測距離H＝c(T)*t/2。

為了減少裝置在水中的運動阻力，裝置的兩端設計為半球型。

本實用新型是一種構思巧妙，結構簡單，方便實用的深海靜止定位坐標裝置。

附圖說明

圖1為本實用新型的總體結構圖；

圖2為本實用新型的電路連接圖；

圖3為本實用新型測量採礦船起伏位移的原理圖。

具體實施方式

實施例

本實用新型的結構示意圖如圖1所示，包括有由電源(14)、步進電機(12)、同步帶傳動機構(13)、錐齒輪傳動機構(11)、滾珠絲杆傳動機構(10)、活塞(9)、活塞密封裝置(8)、上半殼體(1)，下半殼體(16)組成的自主沉浮組件，以及超聲發射\接收電路(17)、超聲傳感器(4)、溫度傳感器(5)組成的測距組件，其中伺服電機(12)與電源(14)連接，並與同步帶(13)輸入端連接，同步帶(13)的輸出端與錐齒輪傳動機構(11)的輸入端連接。 端滾珠絲杆傳動機構(10)的輸出端與活塞(9)連接。活塞密封裝置(8)防止水進入。壓力傳感器(2)裝設在上半殼體(1)上，且其輸出端與單片機(3)的輸入端連接，單片機(3)的輸出端與伺服電機(12)的輸入端連接。

上述上半殼體(1)上裝設有超聲傳感器(4)及溫度傳感器(5)，下半殼體(16)內裝有超聲波發射\接收電路。單片機(3)控制超聲波發射\接收電路(17)通過超聲傳感器(4)發射\接收超聲波，並根據溫度傳感器的測量值計算距離。

電路連接如圖2所示。單片機為控制系統的核心。電源(14)採用高性能的鋰電池供電。

本實施例中，傳動機構為同步帶傳動(13)、錐齒輪傳動(11)、滾珠絲杆傳動(10)；單片機(3)為89C51單片機。

在深海採礦中，由于波浪的激勵，採礦船隨波浪起伏。採集採礦船的起伏信號並加以補償是深海採礦工程的關鍵技術之一。當本裝置下潛並駐停在海水某深度時(如200米)，即可作為靜止定位坐標。該裝置上的單片機(3)控制超聲發射\接收電路(17)通過超聲傳感器(4)朝採礦船發射周期性脈衝形式的超聲波，並同時開始計時；當超聲傳感器(4)接收到採礦船底板反射回來的回波時，停止計時，所計時間為超聲波的傳播時間t。單片機根據溫度傳感器測出的溫度值求出該溫度下的聲波傳播速度c(T)，則可計算採礦船的起伏位移h(t)(測量海浪波高類同)，其原理如圖3所示。根據超聲測距原理：超聲波發射到接受的時間t正比於定位坐標點(超聲傳感器4)到採礦船的距離，計算公式如下：

t＝2[H+h(t)]/c(T)，

式中：H——基本水深，m；

h(t)——採礦船瞬時起伏位移，m；

通過單片機計算得到起伏位移：h(t)＝[c(T)t-2H]/2。