吸入式深海海底生物采集与原位保持系统及其使用方法与流程

本发明涉及一种深海海底生物采样装置，特别涉及一种吸入式深海海底生物采集与原位保持系统及其使用方法。

背景技术：

深海海底赋存大量生物群落，对这些深海海底生物进行科学研究，是人类认识和研究海洋生命演化和海底环境的重要手段。如何快速、方便和有效的对深海海底生物进行采集，以获得第一手的深海海底生物科学研究活体样品，全面了解特定海域的生物资源情况，采集不同深度海水中的生物样品，则是海洋资源领域争夺中面临的重大问题。目前我国在深海生物原位采集方面十分落后，其主要原因是没有有效的深海生物取样手段。目前我国仅有的深海生物取样手段是电视抓斗和rov，但这两种只能采集固着生活或运动能力弱的生物，并且不能保持深海的原位压力和温度，导致所采集的生物幼体从海底返回水面母船的过程中已经死去，这将对该海底区域生物的生存状况、海底环境等精确研究产生极大的影响。为此，亟待研制一种结构简单，操作方便、可靠的深海海底生物采集与原位保持系统。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种操作方便、可靠性高的吸入式深海海底生物采集与原位保持系统及其使用方法，该系统通过控制螺旋桨旋转，使得深海生物吸入至深海海底生物采集与原位保持系统内，采用压力补偿器进行被动保压，半导体制冷片进行主动制冷，从而能够使采集的样品保持其原位特性。

本发明采用的技术方案是：一种吸入式深海海底生物采集与原位保持系统，包括保压筒、压力补偿装置、倒须口机构、半导体制冷组件、电路筒和收集筒；保压筒的一端安装有密封机构i，另一端安装有密封机构ⅱ，密封机构i和密封机构ⅱ都设有能够与保压筒内腔连通的阀孔，密封机构i连接有导流罩或水泵，导流罩内设有螺旋桨，螺旋桨或水泵与电路筒内的控制器连接；导流罩的中心孔或水泵的泵腔与密封机构i的通孔连通；所述倒须口机构安装在保压筒内腔中；所述压力补偿装置通过高压管与保压筒连通；所述半导体制冷组件安装在保压筒外壁上，电路筒内设有电源和控制器，半导体制冷组件与控制器连接，电源与控制器连接；所述保压筒内壁上设有压力传感器和温度传感器；压力传感器和温度传感器分别与控制器连接；所述收集筒通过管道与密封机构ⅱ的阀孔连通。

上述的吸入式深海海底生物采集与原位保持系统中，所述的密封机构i包括翻板阀座、翻板阀盖、翻板轴、密封圈、扭簧、套筒及触发机构i；所述的翻板阀座上设有与保压筒内腔连通的阀孔，阀孔处设有铰耳，铰耳上固定安装有翻板轴，翻板阀盖通过翻板轴与铰耳铰接，翻板轴上套装有扭簧；扭簧的一端与翻板阀座连接，另一端与翻板阀盖连接；所述的套筒安装在翻板阀盖上，套筒与触发机构i配合对翻板阀盖限位，使翻板阀盖的初始位置直立在保压筒内腔中，翻板阀座与保压筒密封连接，翻板阀盖和翻板阀座通过密封圈密封。

上述的吸入式深海海底生物采集与原位保持系统中，所述的触发机构i安装在保压筒侧壁上，所述的触发机构包括触发杆i和触发绳i，所述的触发杆i的一端与触发绳i连接，触发杆i的另一端穿过保压筒侧壁上的触发杆安装孔插装在套筒内，触发杆i与触发杆安装孔之间设有密封圈。

上述的吸入式深海海底生物采集与原位保持系统中，所述的压力补偿装置安装在保压筒侧壁上，压力补偿装置包括耐压筒、活塞、补偿器端盖及充气阀；所述补偿器端盖密封安装在耐压筒顶部开口处，补偿器端盖上设有通孔，并通过高压管与保压筒内腔连接；活塞置于耐压筒内，耐压筒底部设有充气孔，充气孔连接充气管，充气管上设有充气阀。

上述的吸入式深海海底生物采集与原位保持系统中，所述的倒须口机构包括上小下大的锥形结构的倒须、丝杆、主动锥齿轮、从动锥齿轮和摇杆，所述的倒须与丝杆的一端连接，丝杆的另一端与从动锥齿轮连接，所述的摇杆沿着保压筒的径向设置在保压筒侧壁上，摇杆的内端设有与从动锥齿轮啮合的主动锥齿轮，摇杆的外端设有摇柄。

上述的吸入式深海海底生物采集与原位保持系统中，所述的密封机构ⅱ所述的出口密封机构包括翻板阀座、翻板阀盖、密封圈、扭簧和翻板轴，所述的翻板阀座上设有与保压筒内腔连通的阀孔，阀孔处设有翻板轴，翻板阀盖通过翻板轴与翻板阀座铰接，翻板阀盖上与翻板阀座铰接处设有齿轮，齿轮与齿条啮合，所述保压筒的侧壁上安装有充气座，充气座上设有齿条孔，齿条外端置于齿条孔内，齿条与齿条孔之间设有密封圈；充气座的侧壁上设有充气接口，充气接口与齿条孔连通；所述的扭簧安装在翻板轴上，扭簧的两端分别与翻板阀座、翻板阀盖连接；翻板阀座通过密封圈与保压筒进行密封。

上述的吸入式深海海底生物采集与原位保持系统中，所述翻板阀盖上设有套筒ⅱ，保压筒上对应于翻板阀盖设有触发机构ⅱ，所述的触发机构包括触发杆ⅱ和触发绳ⅱ，所述的触发杆ⅱ的一端与触发绳ⅱ连接，触发杆ⅱ的另一端穿过保压筒侧壁上的触发杆安装孔插装在套筒ⅱ内，触发杆ⅱ与触发杆安装孔之间设有密封圈。

上述的吸入式深海海底生物采集与原位保持系统中，包括两组半导体制冷组件，半导体制冷组件截面为半圆环形；半导体制冷组件通过导热硅胶粘接在保压筒外壁上，两组半导体制冷组件构成一个截面为圆环形的结构；所述的半导体制冷组件包括多级半导体制冷片和电极座，所述的半导体制冷片冷端通过导热板与保压筒外壁连接，热端设有散热片；每组半导体制冷组件包括多级半导体制冷片，每级半导体制冷片分别连接一个电极座，各电极座之间通过电线进行串联，电线与电路筒内的电源连接。

上述的吸入式深海海底生物采集与原位保持系统中，半导体制冷片夹在导热板与散热片之间，半导体制冷片与导热板和散热片的接触面上涂有导热硅脂；所述的电极座与半导体制冷片组件通过电线连接，电极座与半导体制冷片组件之间通过o型密封圈密封。

上述的吸入式深海海底生物采集与原位保持系统中，所述的收集筒出口与密封机构ⅱ的阀孔连通的管道采用的是软管，收集筒入口是设有斜度的开口，收集筒上端面设有t形把手；收集筒内设有用于限制深海海底生物个体大小通过的过滤板，过滤板上的过滤孔直径小于管道的直径；所述的保压筒的内径和管道的内径相等。

一种利用上述的吸入式深海海底生物采集与原位保持系统的使用方法，具体操作步骤如下：

（1）在吸入式深海海底生物采集与原位保持系统下水之前，打开密封机构i的阀孔，密封机构ⅱ的阀孔，向压力补偿器的活塞下方的容腔充气0.3倍深海海底采集点水深压力的惰性气体，使得压力补偿器的活塞处于压力补偿器容腔顶部；半导体制冷组件安装在保压筒外壁上，连接好电路，接通电源，将吸入式深海海底生物采集与原位保持系统固定在潜水器采样篮上，食饵置于须网内，须网安装在潜水器采样篮上；

（2）利用潜水器下放吸入式深海海底生物采集与原位保持系统至指定海底表面；

（3）控制器控制螺旋桨或水泵工作，使用潜水器上的机械手抓取收集筒，使收集筒的入口对准观察到的深海海底生物，使得深海海底生物被吸入保压筒内；

（4）吸入式深海海底生物采集与原位保持系统取样完成后，通过机械手分别拉动触发机构i和触发机构ⅱ的触发绳i和触发绳ⅱ，关闭密封机构和密封机构ⅱ；

（5）利用潜水器回收吸入式深海海底生物采集与原位保持系统至海面，在吸入式深海海底生物采集与原位保持系统回收至海面过程中，由于外界海水压力的减小，压力传感器发出压力信号，控制器输入端接收来自压力传感器的实时压力信号，保压筒膨胀变形，压力补偿器的活塞下方的容腔内的惰性气体推动活塞向上腔移动，迫使活塞上方的容腔内的海水经高压管向保压筒内流动，从而补偿由于保压筒体膨胀变形而导致保压筒体内部的压力损失；

在吸入式深海海底生物采集与原位保持系统回收至海面过程中，由于外界海水温度升高，温度传感器发出温度信号，控制器输入端接受来自温度传感器的实时温度信号，控制器输出端输出控制信号，控制半导体制冷片中的工作电流来控制制冷功率，半导体制冷片冷端通过导热板使保压筒内的温度一直保持与深海海底采集点相同的温度值，半导体制冷片热端通过散热片将热量转移到海水；

（6）将吸入式深海海底生物采集与原位保持系统中的深海海底生物转移，深海海底生物转移过程中，先将吸入式深海海底生物采集与原位保持系统与培养釜连接，通过加压泵连接充气接口，向保压筒内加压至大于深海海底采集点水深压力0.3mpa-0.7mpa，使密封机构ⅱ的阀孔打开，停止加压，使倒须口机构的倒须向上移动，驱赶保压筒中的深海海底生物向培养釜中移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明可实现对海深海底生物进行诱捕和保温保压培养，可有效的保证深海海底生物原位的生命特征；

（2）本发明通过螺旋桨旋转使深海海底生物吸入至深海海底生物采集与原位保持系统内，可实现对不同种类生物进行采集，采集效率高；

（3）本发明可以与培养釜对接，实现深海生物保温保压转移；

（4）本发明采用半导体制冷片主动保温，能够有效的保证深海海底生物的生存环境，从而保证其原位的生命特征；

（5）本发明结构简单、紧凑、操作简便、便于搭载在载人潜水器、无人潜水器上。

附图说明

图1为本发明的实施例1的采样过程中的结构示意图。

图2为本发明的制冷组件三维结构示意图。

图3为本发明的压力补偿器结构示意图。

图4为本发明的密封机构i开启状态结构示意图。

图5为本发明的密封机构i关闭状态结构示意图。

图6为本发明的出口密封机构和齿轮机构结构示意图。

图7为本发明的过滤板的结构示意图。

图8为本发明的实施例1采样后的结构示意图。

图9为本发明的电路结构框图。

图10为本发明的控制器电路图。

图11为本发明转移过程的状态图。

图12为本发明实施例2采样过程中的结构示意图。

图13为本发明实施例2的采样后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1-13所示，吸入式深海海底生物采集与原位保持系统，其特征在于：包括保压筒5、密封机构i2、压力补偿装置3、倒须口机构12、导流罩1、螺旋桨14、密封机构ⅱ11、齿轮机构9、半导体制冷组件13、电路筒8、温度传感器6、压力传感器10、收集筒16。保压筒5一端安装有密封机构i2，另一端安装有密封机构ⅱ11，密封机构i2和密封机构ⅱ11均设有一个与保压筒5内腔连通的阀孔。

所述的密封机构i2包括翻板阀座201、翻板阀盖202、翻板轴205、密封圈206、扭簧205和套筒203；所述的翻板阀座201上设有铰耳，铰耳上固定有翻板轴205，翻板阀盖202通过翻板轴205及铰耳与翻板阀座201铰接，翻板轴205上还设有扭簧205，扭簧205的两端分别与翻板阀座201、翻板阀盖202连接。所述的套筒203固定安装在翻板阀盖202上，可配合触发机构i20翻板阀盖202限位，使翻板阀盖202直立在保压筒5内的一侧，翻板阀座201通过螺栓与保压筒5密封连接，翻板阀盖202和翻板阀座201通过密封圈206密封。

所述的触发机构i20安装在保压筒5侧壁上，所述的触发机构i20包括触发杆i2001和触发绳i21，触发杆i2001的一端开有触发绳固定孔2002，触发绳固定孔2002与触发绳i21连接，触发杆i2001的另一端穿过保压筒5侧壁上的触发机构安装孔，插装在套筒203内，触发杆i2001与触发杆安装孔之间通过密封圈进行密封。

密封机构i2底部安装有导流罩1，导流罩1内设有螺旋桨14；螺旋桨14旋转，能形成泵送效果，将海底生物吸入保压筒5内。所述的压力补偿装置3固定安装在保压筒侧壁上。压力补偿装置3包括耐压筒303、活塞302、补偿器端盖304及充气阀301；所述补偿器端盖304密封安装在耐压筒303顶部开口处；补偿器端盖304上设有通孔，并通过高压管4与保压筒5连通。所述的活塞302置于耐压筒303内，耐压筒303底部设有充气孔，充气孔连接有高压管，高压管上设有充气阀301。

所述倒须口机构12安装在保压筒5内腔中；所述的倒须口机构12包括上小下大锥形结构的倒须1204、摇杆1202及丝杆1205；所述的倒须1204安装在丝杆1205的一端，丝杆1205的另一端安装有从动锥齿轮，摇杆1202一端安装有摇柄101，另一端伸入保压筒5内腔中安装有主动锥齿轮1203，主动锥齿轮1203与从动锥齿轮啮合，转动摇柄101，可以通过主动锥齿轮1203与从动锥齿轮的啮合，实现丝杆1205的转动，进而实现倒须1204沿着丝杆1205平移，将海底生物从导流罩1转移出来。

所述的密封机构ⅱ11包括翻板阀座1103、翻板阀盖1101、密封圈1102、扭簧1104、翻板轴1105和套筒1106，所述的翻板阀座1103上设有阀孔，阀孔处设有翻板轴1105，翻板阀盖1101通过翻板轴1105与翻板阀座1103铰接，翻板阀盖1101围绕翻板轴1105转动。翻板阀盖1101上与翻板阀座1103铰接处设有齿轮，齿轮与齿条903啮合，所述保压筒的侧壁上安装有充气座9，充气座9上设有齿条孔，齿条903外端置于齿条孔内，齿条与齿条孔之间设有密封圈902；充气座9的侧壁上设有充气接口901，充气接口901与齿条孔连通。所述的扭簧安装在翻板轴上，扭簧的两端分别与翻板阀座、翻板阀盖连接；翻板阀座1103通过密封圈1102与保压筒5进行密封。所述的套筒1106固定安装在翻板阀盖1101上，可通过触发机构ⅱ22对翻板阀盖1101限位。触发机构ⅱ22包括触发杆ⅱ和触发绳ⅱ，所述的触发杆ⅱ的一端与触发绳ⅱ连接，触发杆ⅱ的另一端穿过保压筒侧壁上的触发杆安装孔插装在套筒ⅱ内，使翻板阀盖1101预先直立在保压筒5的一侧，触发杆ⅱ与触发杆安装孔之间设有密封圈。

所述的半导体制冷组件13的数量为两组，半导体制冷组件的截面为半圆环形。两组半导体制冷组件13通过导热硅胶与保压筒外壁粘接，形成一个截面为圆环形的结构。每组半导体制冷组件包括三级半导体制冷片1307，半导体制冷片1307夹在导热板1306与散热片1305之间，半导体制冷片1307与导热板1306和散热片1305的接触面之间涂有导热硅脂。导热板采用高导热率材料制造，使热量均匀高效的传递。半导体制冷片1307的冷端通过导热板1306与保压筒5外壁连接，半导体制冷片1307的热端连接散热片1305，散热片1305与海水接触散热。每级半导体制冷片1307连接一个电极座1301，电极座1301与半导体制冷片1307通过电线1303和联接螺母1304连接，各电极座1301之间通过电线1303串联，电线1303通过水密缆7与电路筒8中的电源连接。

所述的电路筒8安装在保压筒5外壁上，电路筒8内设有电源和控制器，电源为所述半导体制冷组件13、控制器、温度传感器6、压力传感器10供电。所述压力传感器10、温度传感器6安装在保压筒5内壁上；压力传感器10、温度传感器6与控制器连接，所述的控制器与电源连接。所述的保压筒内壁设有温度传感器6、压力传感器10，分别用于采集保压筒5内实时温度信息和压力信息。

如图9-10所示，控制器的主控芯片的型号是stc89c51，图10中p1.0作为温度信号入口，与温度传感器6连接。p1.1作为压力信号入口，与压力传感器10连接。p2.3作为电流增大输出端，p2.4作为电流减少输出端。端口k1，k2，k3作为按键set、按键down、按键up的输入，可以手动控制脉冲发送频率，经单片机处理后转化为相应的脉冲信号来控制半导体制冷片1307的工作电流，进而控制制冷功率，达到保温效果。p1.0测得的实际温度信号与单片机给出的温度信号进行比较，通过pid控制调整半导体制冷片1307的工作电流。

所述收集筒16通过管道15与密封机构ⅱ11连通，管道15采用的是软管。收集筒16入口是一个设有一定斜度的开口，收集筒16的上端面上设有t形把手17，用于潜水器夹持。所述的收集筒内设有用于限制深海海底生物个体大小的过滤板18，过滤板18上的过滤孔1801直径小于管道15的直径。所述的保压筒5内径和管道15的内径相等。所述的螺旋桨14安装在导流罩1内，通过水密缆7与电路筒8的控制器连接。导流罩1的作用是减少螺旋桨14后面的涡流损失及保护螺旋桨末端的水密性。

如图12、13所示，本发明还可以用水泵23代替螺旋桨14，导管24代替实施例1中的导流罩1，水泵通过导管与密封机构i2连通，水泵安装在保压筒外壁上，通过水密缆7与电路筒8的控制器连接。控制器控制水泵23工作，潜水器上的机械手抓取收集筒16上的t形把手17，使收集筒16的入口对准观察到的深海海底生物，通过水泵23的工作，使得深海海底生物被吸入保压筒5内。

本发明的吸入式深海海底生物采集与原位保持系统的使用方法，具体操作步骤如下：

（1）在吸入式深海海底生物采集与原位保持系统下水之前，打开密封机构i2，密封机构ⅱ11，通过充气阀301向压力补偿器3中活塞302下方的容腔充气0.3倍深海海底采集点水深压力的惰性气体，使得压力补偿器3中活塞302处于压力补偿器3容腔顶部；半导体制冷组件13安装在保压筒外壁上，连接好电路，接通电源，将吸入式深海海底生物采集与原位保持系统固定在潜水器采样篮上，食饵置于须网内，须网安装在潜水器采样篮上。

（2）利用潜水器下放吸入式深海海底生物采集与原位保持系统至指定海底表面，在下放过程中，在海水压力的作用下，压力补偿器3的活塞302将向下移动，直到活塞302下方的容腔和活塞302上方的容腔内的压力达到平衡。

（3）控制器控制螺旋桨14或水泵23工作，使用潜水器上的机械手抓取收集筒16上的t形把手17，使收集筒16的入口对准观察到的深海海底生物，使得深海海底生物被吸入保压筒5内。

（4）吸入式深海海底生物采集与原位保持系统完成深海海底生物采样后，通过机械手分别拉动触发机构20和触发机构22上的触发绳，关闭密封机构i2和密封机构ⅱ11。

（5）利用潜水器回收吸入式深海海底生物采集与原位保持系统回收至海面，在回收过程中，由于外界海水压力的减小，压力传感器10发出压力信号，控制器输入端接收来自压力传感器10的实时压力信号，压力补偿器3活塞302下方的容腔内的惰性气体推动活塞302向上腔移动，迫使活塞302上方的容腔内的海水经高压管4向保压筒5内流动，从而补偿由于保压筒5体膨胀变形而导致保压筒5体内部的压力损失。

在吸入式深海海底生物采集与原位保持系统回收至海面过程中，由于外界海水温度升高，温度传感器6发出温度信号，控制器输入端接收来自温度传感器6的实时温度信号，控制器输出端输出控制信号，控制半导体制冷片1307中的工作电流来控制制冷功率，半导体制冷片1307冷端通过导热板1306使保压筒内的温度一直保持与深海海底采集点相同的温度值，热端通过散热片1305将热量转移到海水。

（6）将吸入式深海海底生物采集与原位保持系统中的深海海底生物转移，在转移过程中，先将吸入式深海海底生物采集与原位保持系统与培养釜19连接，通过加压泵连接充气座9上的充气接口901，向保压筒5内加压至大于深海海底采集点水深压力0.3mpa-0.7mpa，从而带动齿轮机构9使密封机构ⅱ6打开，停止加压，此时保压筒5与培养釜19内的压力相同。转动倒须口机构12的摇柄1201，带动锥齿轮1203转动，使倒须1204向上移动，驱赶保压筒5中的生物向培养釜19中移动，完成深海海底生物的转移。