[发明专利]一种船基深海沉积物智能重力采样装置

说明书

技术领域

本发明属于岩土、地质、生物和环境等工程中水下沉积物样品采集技术领域，涉及一种船基深海沉积物智能重力采样装置。

背景技术

随着我国“一带一路”和“海上丝绸之路”的建设，不断向海洋进军成为时代发展的要求。海底沉积物，尤其是深海沉积物，对于岩土工程中地基土强度和稳定性的评价、地质工程中沉积年代的划分、生物工程中底栖生物的研究和环境工程中污染物的分析十分重要。目前，采集海底表面深层沉积物的有效方式主要是重力柱状采样器，主要依靠取样器自身重力，将圆柱状的取样管扎到海底沉积物中，再通过缆车系统提拔上船获得样品。但是，仅依靠重力作用的采样器，当受到复杂海流影响时，在贯入土体过程中很容易发生偏斜，导致取得的样品数量不多且质量较差，影响沉积物的分层和结构特性，以及缺失地质年代信息等。

显然，重力柱状采样器在水中的下落姿态、轨迹和贯入海底沉积物时的垂直度需要准确描述和测量。这对于分析海流对采样器的影响程度，避免“暗箱作业”，以及评价和提高海底沉积物的采样质量和效率至关重要。

发明内容

本发明的目的是要解决无法监测传统重力采样器在水中的下落轨迹和姿态，无法评价沉积物的采样质量等关键问题，采用一种自容式加速度、角度、温度、盐度等集成一体的传感器系统，安装在重力采样器上，记录采样器的时空位置、加速度、偏转角度和海水温度、盐度等信息，并结合声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profilers，简称ADCP)测定海流随水深的速度变化，分析和评价采样器在水中的下落姿态和采样质量。根据获得的数据结果结合计算机软件数值模拟，通过改变采样器配重及其位置，以及实时改进和优化采样器尾部导流系统的结构，来提高采样质量和效率。

本发明的技术方案：

一种船基深海沉积物智能重力采样装置，包括重力采样系统I与实时数据采集、分析和处理系统II两部分；

所述的重力采样系统I包括配重铅块1、取样钢管2、刀头3、导流罩4、缆绳5和船载绞车6；所述的配重铅块1为圆环片状，多个配重铅块1通过卡箍固定在中空钢管上；所述的取样钢管2为中空的圆柱钢管，其内衬等直径的PVC储样管；取样钢管2顶端穿过搭载配重铅块1的中空钢管，通过螺纹连接，取样钢管2长度根据采样需要进行调节；所述的刀头3与取样钢管2底端通过螺纹连接，刀头3内部装有花瓣形阻隔器，切断土样并防止土样滑出；所述的导流罩4固定在取样钢管2顶端，导流罩4通过缆绳5连接至船载绞车6，实现收放；所述的船载绞车6固定在船上，用于控制采样器的运动速度和记录受力大小；

所述的实时数据采集、分析和处理系统II包括集成化自容式传感器7；所述的集成化自容式传感器7安装在固体浮力材料密封壳内，密封壳固定在配重铅块1上；所述的集成化自容式传感器7包括加速度传感器8、角度传感器9、温度传感器10和盐度传感器11；所述的加速度传感器8测量并记录x、y、z三个方向的线加速度和角加速度；所述的角度传感器9测量并记录x、y、z三个方向的角度大小；所述的温度传感器10和盐度传感器11测量海水随深度的温度和盐度变化，数据传输方式采用无线蓝牙；

所述的集成化自容式传感器7的密封壳采用一种新型高强度固体浮力材料，该材料主要由空心玻璃微珠和环氧树脂合成，具有耐高压、防渗性能好、质轻、无毒、不燃、化学稳定性好等优点；所述的集成化自容式传感器7的电源模块采用体积小、容量大、供电持久稳定的聚合物电池；实时数据采集、分析和处理系统II可以快捷的分析重力采样器下放至贯入土体以及回收整个过程的加速度、角度、海水温度和盐度随水深的变化，给出重力采样器的时空位置、下落姿态，以及海水基本参数指标等关键信息，进而实时评价重力采样器采集海底沉积物的质量。

采用CFD-DEM(Computational Fluid Dynamics-Discrete Element Method)流固耦合方法进行数据的优化处理，即计算机软件数值模拟优化系统；根据船载绞车6测量的下落速度和受力情况、集成化自容式传感器7测量的加速度、角度、海水温度和盐度，并结合船载ADCP测量的水流速度等数据，来模拟重力采样器在海水中的下落过程；流体部分采用CFD方法建立模型，考虑不同深度海水密度受温度、盐度影响的变化，固体部分采用DEM方法建立模型，通过改变重力采样器和导流罩4的结构以及配重铅块1的布置方式和数量来提高采样质量和效率。