一种电机驱动的缆系海洋剖面仪的制作方法

本发明涉及海洋探测设备技术领域，尤其涉及一种电机驱动的缆系海洋剖面仪。

背景技术：

海洋剖面运动设备是人们研究和探测海洋的重要工具。

目前，海洋微结构的测量方式主要有两种：锚系定点测量和船载垂向剖面测量。

锚系定点测量只能对海洋某一固定位置特定深度处进行测量，可以获得较好的时间序列观测，无法获得海洋微结构的垂向结构特征。

公开号为CN103712605A的中国专利文献公开了一种水下便携插针式坐底剖面仪包括：二端分别有上端盖和下端盖的密封腔体，上端盖的外侧具有与腔体贯通的缸体并安装有上导流罩，缸体的顶端有孔，下端盖的外侧安装有下导流罩，腔体内装置有贯通式步进电机，贯通式步进电机的中心轴上贯穿有丝杠，丝杠的上端与位于缸体内的活塞相连，活塞与缸体的配合面上设有密封圈，丝杠的下端通过联轴器与坐底插针的上端连接，坐底插针的下端穿过下端盖以及下导流罩，坐底插针与下端盖的配合面上设有密封圈，下端盖上有轴向孔，孔内装置传感器，传感器与下端盖的接触面上设有密封圈，腔体内安装控制单元和电池。

船载垂向剖面测量依靠调查船完成由海表至某一深度处的海洋微结构测量，但无法获得海洋微结构的时间变异特征，且受海况及现场操作复杂等不利因素限制。

对于海洋微结构的研究，时间变异和空间结构是刻画其特点的重要参量，基于此，发展同时获得垂向空间结构及时间变化的海洋微结构观测仪器亟待解决。

公开号为CN103994757A的中国专利文献公开了一种往复式海洋微结构剖面仪。它解决了海洋湍动能耗散率长期连续剖面观测的问题。该发明包括第一剖面仪子单元、第二剖面仪子单元及中央立架，两个剖面仪子单元一左一右固定在中央立架上，第一剖面仪子单元从上至下依次设置有第一浮力驱动部与第一观测部，第二剖面仪子单元从上至下依次设置有第二浮力驱动部与第二观测部，第一浮力驱动部、第二浮力驱动部均从上至下依次设置有浮漂舱、驱动舱与耐压舱，在浮漂舱内设置有上方油囊，在耐压舱内设置有下方油囊，在驱动舱内设置有驱动泵组件及电磁阀，第一观测部、第二观测部均电连接有控制器，控制器电连接驱动泵组件及电磁阀。

而浮力驱动缆系剖面仪运动不灵活，不能对发出的指令做出快速的反应。而对于电机驱动缆系剖面仪，需要长期持续在海洋中工作，传统的电机驱动的剖面仪都采用锂电池的供电方式，但是由于锂电池携带能量的局限性以及检测设备与运动系统同时需要锂电池的供电，这对运动系统的能耗提出了较高的要求。传统海洋剖面仪剖面仪的动力需要通过一个密封环输出，密封环的作用是保证水不会进入密封腔，但是这需要有足够大的摩擦力来保证，于是导致能耗损失大。

技术实现要素：

本发明提供了一种电机驱动的缆系海洋剖面仪，该海洋剖面仪密封性好，结构紧凑，控制运行可靠，并且能耗较低，可以极大的延长该海洋剖面仪的运行时间。

本发明提供了如下技术方案：

一种电机驱动的缆系海洋剖面仪，包括钢缆和滑动穿设在钢缆上的剖面仪主体，所述的剖面仪主体包括：

壳体，壳体内部设有密封腔；

步进电机，设在密封腔内；

电源，设在密封腔内，与步进电机电连接；

控制器，设在密封腔内，与电源和步进电机电连接；

导向架，设在壳体的外壁上，供钢缆穿过；

主动轮，设在壳体的外壁上，与钢缆相抵压；

磁耦合联轴器，包括设在密封腔内与步进电机连接的内磁体、设在壳体的外壁上与主动轮连接的外磁体；

从动轮，设在壳体的外壁上，与钢缆相抵压。

在使用时，将钢缆纵穿固定于任意海域内，钢缆底端可以通过锚块固定，顶端通过浮力件牵引。

作为优选，所述钢缆上设有用于限制剖面仪主体上下滑移距离的上限位件和下限位件。

剖面仪主体滑动地穿套与钢缆上，其剖面仪主体可沿钢缆在海水中升降移动。控制器控制用于接收外部控制指令，控制步进电机工作，壳体外部的主动轮通过磁耦合联轴器与步进电机联动，主动轮与钢缆压紧，步进电机工作时可带动剖面仪主体沿钢缆滑动上升或下降，实现对海洋剖面相关参数的测量。

作为优选，所述的密封腔包括第一密封腔和第二密封腔，所述的电源和控制器位于第一密封腔内，所述的步进电机和内磁体位于第二密封腔内。

磁耦合联轴器可用在间隔1cm的距离传递1N·m的扭矩，使用磁耦合联轴器传递扭矩可用获得最好的密封性能，同时也可以减少密封时的摩擦损耗。

控制器对剖面仪主体的运动状态进行控制，剖面仪主体的运动速度为0.2～0.5m/s。

剖面仪主体的运动状态包括其上升或下降的距离、往复运动的频率，控制器同时还接收外部控制指令对剖面仪主体进行控制。本发明剖面仪主体的运动速度控制在0.2～0.5m/s，若运动速度过低，则从上到下运动时间过长，无法准确测量海洋剖面上下的数据关系；若运动速度过高，则会产生过大的涡流阻力，能耗增加。

作为优选，剖面仪主体的运动速度为0.3m/s。

作为优选，剖面仪主体上安装有用于抵消剖面仪主体重力的浮力装置。

所述的浮力装置可以为普通的浮子，浮子与剖面仪主体所受浮力的大小应与其重力相等，浮力与重力相互抵消，消除剖面仪主体运动过程中不必要的能量消耗，节约能源，延长剖面仪的工作时间。

作为优选，所述的从动轮包括：

支架，固定在壳体的外壁上；

滚轮，滚轮的轮轴与支架滑动配合；

滚轮推架，一端与滚轮的轮轴相连，另一端通过压缩弹簧与支架的侧壁相抵。

从动轮与钢缆压紧，当钢缆上具有障碍物时，从动轮收缩避开障碍物，防止从动轮卡死，提高剖面仪主体运动的平稳性。

作为优选，所述的支架上设有限位件，用于限定滚轮相对于支架的滑动距离。

通过限位件可以调节从动轮对钢缆的初始压紧力的大小。

作为优选，所述的从动轮有两个，分别位于主动轮的两侧，两从动轮和主动轮的连线之间的夹角为160度～170度。最优选的，两从动轮和主动轮的连线之间的夹角为164.4度。

从动轮与主动轮的连线与竖直方向的夹角为5度～10度。最优选的，从动轮与主动轮的连线与竖直方向的夹角为7.8度。

当从动轮与主动轮处于合适的位置关系时可用使主动轮与钢缆之间具有足够的摩擦力，使剖面仪主体沿钢缆具有良好的运动状态。

作为优选，所述壳体远离主动轮的一侧面呈半椭球形。

剖面仪主体的一侧设计成流线型，可以使流线型一侧自动转向来流的方向，方便测试仪器工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、使用磁耦合联轴器传递扭矩可用获得最好的密封性能，同时也可以减少密封时的摩擦损耗；

2、从动轮与钢缆压紧，当钢缆上具有障碍物时，从动轮收缩避开障碍物，防止从动轮卡死，提高剖面仪主体运动的平稳性。

附图说明

图1为本发明使用状态结构示意图；

图2为剖面仪主体的剖视结构示意图；

图3为从动轮结构示意图。

附图中：1、钢缆；2、剖面仪主体；21、壳体；22、密封腔；221、第一密封腔；222、第二密封腔；23、步进电机；24、主动轮；25、磁耦合联轴器；251、内磁体；252、外磁体；26、从动轮；261、支架；262、滚轮；263、滚轮推架；264、调节螺钉；27、导向架；3、锚块；4、浮力件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，一种电机驱动的缆系海洋剖面仪，包括钢缆1和滑动穿设在钢缆上的剖面仪主体2。

在使用时，将钢缆1纵穿固定于任意海域内，钢缆1底端可以通过锚块3固定，顶端通过浮力件4牵引。

钢缆1上设有用于限制剖面仪主体2上下滑移距离的上限位件(图中未示出)和下限位件(图中未示出)。剖面仪主体2滑动地穿套于钢缆1上，可沿钢缆1在海水中升降移动。

如图2所示，剖面仪主体2包括：壳体21和壳体内部的密封腔22，密封腔22两端盖上端盖，端盖上有密封胶条密封。

剖面仪主体2的壳体为半蛋壳状，其一侧设计成流线型，流线型一侧自动转向来流的方向，方便测试仪器工作。流线型一侧相对的一侧为平板。

密封腔22包括第一密封腔221和第二密封腔222。第一密封腔221内设有控制系统，第二密封腔222内设有步进电机23以及与步进电机23联动的磁耦合联轴器25，磁耦合联轴器25包括与步进电机23联动的、设在第二密封腔222内的内磁体251以及设在密封腔为与内磁体251相配合的外磁体252，内磁体251和外磁体252分别设在平板的两侧。外磁体252与设在密封腔外的主动轮24联动，主动轮24压紧钢缆1滚动。

磁耦合联轴器25可用在间隔1cm的距离传递1N·m的扭矩，使用磁耦合联轴器传递扭矩可以获得最好的密封性能，同时也可以减少密封时的摩擦损耗。

平板上还设有两个从动轮26，分别位于主动轮24的侧上方和侧下方，从动轮压紧钢缆。

在平板上还设有导向架27，位于主动轮24的上方，上从动轮的侧上方，导向架27上设有供钢缆1穿过的通孔。

从动轮26与主动轮24的连线与竖直方向的夹角分别为7.8度。钢缆1依次穿过导向架27上的通孔、上从动轮、主动轮、下从动轮，当从动轮与主动轮处于合适的位置关系时可用使主动轮与钢缆之间具有足够的摩擦力，使剖面仪主体2沿钢缆具有良好的运动状态。

如图3所示，从动轮26包括：固定在密封腔平板一侧的外壁上的支架261、与支架滑动配合的滚轮262、一端与滚轮的轮轴相连，另一端通过压缩弹簧(图中未示出)与支架261的侧壁相抵的滚轮推架263、连接在支架261和滚轮推架263之间的调节螺钉264。调节螺钉264用于限定滚轮相对于支架的滑动距离，通过调节螺钉264可以调节从动轮对钢缆的初始压紧力的大小。

从动轮与钢缆1压紧，当钢缆上具有障碍物时，从动轮收缩避开障碍物，防止从动轮卡死，提高剖面仪主体运动的平稳性。

第一密封腔221内的控制系统包括锂电池、单片机、降压稳压模块、步进电机驱动板。控制系统的各个模块都通过固定件或直接用螺栓固定在承载板上，承载板与内端盖通过直角固定件连接起来固定在第一密封腔内。锂电池正负极与步进电机驱动板电源端用导线相连，锂电池正负极还与降压稳压模块输入端相连，降压稳压模块输出端与单片机电源端相连，单片机输出信号线与步进电机驱动板相连，步进电机驱动板输出信号与步进电机相连。

锂电池电压为12V，由降压稳压模块降压为5V后给单片机供电，12V电压为步进电机供电。单片机中有特定的程序，既可以使剖面仪主体自主运动，也可以接收控制信号。

在没有外界输入信号的情况下，剖面仪主体2按照预设的程序运行：在初始位置停留一段时间后，即以0.3m/s(水下运行最佳速度)向下运行，每过一段距离将传感器获取到的数据输入到单片机中，并按照“时间/位置-数据”的结构存入存储器中。下降到预设位置后，停留适当时间。再以0.3m/s的速度上行，回到初始位置，这样算作一个周期。在主程序运行过程中，可以向单片机发送信号，更改工作模式。可以完成定点不同时间段的数据测量记录。如果发现异常数据，可以反转一定距离回到异常点进行检测。可以根据实际情况更改速度值。

单片机有对周期数的计量。在超过一定周期数以后，接下来的每个周期结束，都会进行一次电源电量的检测，在电量低于阈值，会向主机发送信号，及时回收数据。

剖面仪主体的运动速度为0.3m/s，若运动速度过低，则从上到下运动时间过长，无法准确测量海洋剖面上下的数据关系；若运动速度过高，则会产生过大的涡流阻力，能耗增加。

剖面仪主体2的外部还安装有用于抵消剖面仪主体重力的浮力装置。浮力装置可以为普通的浮子，浮子与剖面仪主体所受浮力的大小应与其重力相等，浮力与重力相互抵消，消除剖面仪主体运动过程中不必要的能量消耗，节约能源，延长剖面仪的工作时间。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。