专利名称：助动放缆吊杆装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及水体测量技术领域，特别涉及一种助动放缆吊杆装置。
背景技术：
当前，随着科学技术日新月异的进步，人类对水体(包括海洋，江河湖泊)资源的 开发、利用和保护也突飞猛进的发展。要开发和利用水体资源必须先了解水体，对水体进行 水文测量就是了解水体的一种方式。例如，在物理海洋学中，随着不同深度的水层温度和含盐量的变化，声速也随之改 变，获得特定海域的上述水体参数可以用于声纳测速、测距等海洋测绘；又如，测量海水的 温度、盐度(含盐量)等水体参数可以用于海底暗流、大洋环流以及潮汐的研究。在环境海 洋学里，测量水体的化学成分含量，可以用于监测和防控蓝藻、赤潮等灾害。总之，获取水体中各种物理和化学参数比如温度、盐度、深度、溶解氧浓度、PH值、 浊度、营养盐含量、叶绿素含量、B0D、C0D、氮磷含量、C02含量等随着深度变化的垂直剖面图 是水体水文和环境测量的重要测量方法。温盐深垂直剖面测量为一种重要的水体测量技术，适用于海洋、江河湖面等水 体的测量。由于盐度可以通过测量海水的导电性(Conductivity)而获得，因此温度 (Temperature)、盐度随着深度(D印th)变化的垂直剖面图通常简称为CTD垂直剖面图。CTD垂直剖面图在军事和民用方面都具有很重要的意义。例如，温度、盐度会影响 海水的密度，进而导致声音在不同的温度和/或盐度的海水中的传播速度产生差异。通常 将声速异常的水层叫做密跃层，声音在密跃层中传播就像声音在管道中(又称作声道)传 播一样，能量损耗最小，在同样的声能情况下声音可以传播得更远；当声音穿透密跃层时， 就好像光线从空气传入玻璃两种不同介质的界面时会发生折射现象一样。海水这样的特性 在军事上已经被广泛应用，潜艇的声纳可以利用密跃层发现遥远处的目标，也可以利用声 道与遥远处的我方潜艇进行通讯，还可以利用密跃层对声波的折射和反射来躲避敌方的搜 索。而通过CTD垂直剖面图就能探测到海水中密跃层的分布情况，类似于为潜艇绘制了一 张海水地形图。又例如，通过海洋CTD垂直剖面图可以发现不同海区、不同深度的暖水团和冷水 团，这些都是探寻渔业资源的重要信息，也可以通过CTD垂直剖面图了解海底热量、湍流和 电荷等的输运情况，用于海洋气候学的研究。由于季节变化及二十四小时内日照的变化，CTD垂直剖面图随着时间和海域的不 同也相应变化的。但是在一定的海区，CTD垂直剖面图的变化具有一定的规律。为了摸清 CTD垂直剖面图的变化规律，测量工作者需要经常出海进行水文测量。以往的测量方法是 船舶在海上定点抛锚，停船状态下投放CTD测量仪进行垂直剖面测量。如果要进行某一海 区测量，先在航海图上设定若干个测量点，船舶航行到上述测量点时停船抛锚，向海底投放 CTD测量仪进行垂直剖面测量，下坠到海底特定深度并测量完毕后回收CTD测量仪，然后， 船舶继续航行到下一测量点进行下一次测量，最后由多个测量点的测量结果综合获得整个海区的CTD垂直剖面图。船舶不断的航航停停，测量一片海区往往要花费相当长的时间，测 量的工作量也相当大，例如，测量深度为3-4km，需要5-6小时，这种定点测量的方法既费时
又费工。为了提高测量效率，人们提出了一种走航式CTD测量方法，也就是在船舶行进过 程中重复抛投、回收探测坠体，进行连续的CTD垂直剖面测量，不需要停航抛投，而且全部 作业都是自动进行。以下结合图1说明上述测量方法的工作原理。如图1所示，装有CTD测量仪的坠 体1通过绞车2吊杆上的挂轮投放入水中，而绞车2固定于船舶3的甲板上。具体说来，绞 车2处于自由转动状态，拖拽缆4盘绕在绞车2的卷筒上，其末端与坠体1连接，绞车2可 以在坠体1的自重和水流阻力的拉力作用下将拖拽缆4释放，进而将坠体1沉放到水下预 定的深度。坠体1在下坠的过程中，装在其内部的CTD测量仪或其它的测量仪不断地进行实 时数据测量，这些数据通过连接在坠体1尾部的拖拽缆4传回到船上的检测仪(图中未示 出)，检测仪用于记录和储存坠体1每次下坠的测试结果。坠体1被投放到预定深度后，绞 车2开始回收拖拽缆4，从而将坠体1由水下回收；当坠体1回收到距离水面的设定深度时 即停止回收，绞车2再次开始自动释放拖拽缆4，坠体1再次被投向海底深处，船舶3沿方 向D航行，图1中曲线A示出了坠体1在水中的运动轨迹。如此周而复始进行投放和回收 作业，船舶始终在以一定的速度航行，于是节省了船舶停航、再启动的大量时间，提高了测 量效率，大大节省了在某一海区测量的作业时间，提高了费效比。而且，由于作业速度快，测 量点更密集，提高了水文测量精度，而且有可能捕捉到瞬间即逝的一些水文变化。在投放下坠的阶段，希望坠体尽可能作接近自由落体的运动，这样获得的数据就 越接近“垂直”剖面，然而问题在于，坠体下坠过程中由于释放电缆的绞车等的机械阻力，以 及电缆在水中下落速度与坠体下落速度不一致，另外，被动式释放电缆的速度取决于拖体 的重力和船舶航行速度造成拖体及拖曳缆的流体阻力大小，电缆的水平释放速度肯定小于 船舶航行速度，所以通常都会造成坠体的横向偏移，该横向偏移越大，所获得的数据就越远 离垂直剖面，从而影响了测量的准确性。
发明内容
本发明要解决的问题是坠体下坠过程中会产生的横向偏移，导致所获得的数据远 离垂直剖面，从而影响了测量的准确性。为解决上述问题，本发明提供一种助动放缆吊杆装置，包括吊杆，放缆滑轮，位于所述吊杆的末端，助力电机，附属连接于所述放缆滑轮，驱动放缆滑轮转动。优选的，所述的助动放缆吊杆装置还包括控制系统，所述助力电机的转速受该控 制系统的指令控制。优选的，所述的助动放缆吊杆装置还包括测力仪，设置于吊杆上电缆的放缆路径 旁，用于测量电缆的张力值。可选的，所述测力仪与控制系统连接，用于将张力值反馈给控制系统，所述控制系统根据所述张力值调整助力电机的转速。可选的，所述测力仪将张力值反馈给控制系统，用于将张力值反馈给控制系统，所 述控制系统根据张力值、船速和坠体速度来调整助力电机的转速。优选的，该吊杆装置的放缆速度基本等于船速和坠体下落速度的均方根值。所述测力仪为三滚轮张力仪，电缆依次穿过该三个滚轮后由放缆滑轮放出吊杆。优选的，所述的助动放缆吊杆装置还包括压紧部件，设置于吊杆上电缆的放缆路 径旁，与电缆相抵接。所述压紧部件包括压紧轮和与所述压紧轮连接的弹簧，所述弹簧用于调整压紧轮 对电缆的压力值。与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点所述的助动放缆吊杆装置，相对于传统结构，本发明在吊杆末端的放缆滑轮上安 装了助力电机。在投放坠体过程中，放缆滑轮在助力电机的驱动下，由跟随电缆旋转的从动 轮变为主动轮，于是可以根据测量船的航速大小来调整助力电机的转速，进而可以使放缆 速度与船速和坠体下落速度的均方根值基本一致，将电缆释放入海中，这样不仅可以一定 程度上抵消绞车的机械阻力，而且能够尽量避免电缆在水中下落速度与坠体下落速度不一 致的现象，减小坠体下落过程中受到的水平分力，从而减少坠体的横向位移，提高测量的准 确性。
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中 相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示 出本发明的主旨。图1为走航式CTD测量方法的工作原理示意图；图2为本发明实施例中助动放缆吊杆装置的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以 采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限 制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表 示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应 限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。传统的走航式CTD探测仪是利用坠体的自身重量和坠体相对于船舶航行方向的 水流阻力将电缆从处于自由转动状态的卷筒上拔出。卷筒等的转动惯量和摩擦阻力，及传 动效率等因素产生了使坠体向前运动的力。航速越高，这项阻力值也越大。因此探测坠体 在下坠过程中，通常会产生横向偏移的问题，航速越高，横向漂移量也越大，影响了测量的 准确性。
目前还有另外一种走航式CTD垂直剖面测量方法，这种方法将拖拽缆预先缠绕成 一个有规则的线团，抛投装有CTD测量仪的坠体时，连同线团一起抛向海底，坠体在沉降过 程中，所述线团自动将拖拽缆放出，使坠体能下坠到预定的深度；测量完成后，设置于船舶 上的绞车将坠体收回。CTD测量仪回收到船甲板上后，通过蓝牙接口技术下载测量数据。此 时，需要将回收的拖拽缆利用专用设备重新绕制线团，或者预先准备好另外一个新的拖拽 缆线团以便进行下一次的抛投作业。这种方法的优点是测量深度与船速无关，由于拖拽缆 以线团的形式在水中释放，因此坠体下落的垂直度好，坠体向前漂移量极小。但是这种测量 方法并不是全自动的，必须要有人员操作投放、回收和绕制线团等处理，无法做到自动连续 测量。为解决水体垂直剖面调查时坠体下坠过程中会产生的横向偏移，导致所获得的数 据远离垂直剖面的问题，本发明提供一种助动放缆吊杆装置，以下结合附图详细说明一个 优选的实施例。图2为本发明实施例中助动放缆吊杆装置的结构示意图。如图1所示，所述助动 放缆吊杆装置包括吊杆11、放缆滑轮12和助力电机15，其中，所述吊杆11固定在船体的 甲板(图中未示出)上，吊杆11末端安装有导向滑轮12和放缆滑轮13，电缆14缠绕在绞 车10的卷筒上，经由导向滑轮12和放缆滑轮13与坠体(图中未示出)连接。放缆滑轮12固定在吊杆11的末端，助力电机15附属连接于所述放缆滑轮12，用 于驱动放缆滑轮13转动，该助力电机15可以直接控制放缆滑轮13的转速。所述助力电机 15例如为小功率驱动电机。相对于传统结构，本实施例在吊杆末端的放缆滑轮上安装了助力电机。在投放坠 体过程中，放缆滑轮在助力电机的驱动下，由跟随电缆旋转的从动轮变为主动轮，于是可以 根据测量船的航速大小来调整助力电机的转速，进而可以使放缆速度与船速和坠体下落速 度的均方根值基本一致，将电缆释放入海中，这样不仅可以一定程度上抵消绞车的机械阻 力，而且能够尽量避免电缆在水中下落速度与坠体下落速度不一致的现象，减小坠体下落 过程中受到的水平分力，从而减少坠体的横向位移，提高测量的准确性。优选的，助动放缆吊杆装置还包括控制系统(图中未示出)和测力仪16，所述助力 电机的转速受该控制系统的指令控制。测力仪16设置于吊杆11上电缆的放缆路径旁，位于导向滑轮12和放缆滑轮13 之间，用于测量电缆14的张力值。所述测力仪16例如为三滚轮张力仪，电缆14依次穿过 测力仪16的三个滚轮后由放缆滑轮13放出吊杆末端。测力仪16将测得的张力值反馈给所述控制系统，用于将张力值反馈给控制系统， 所述控制系统根据张力值、船速和坠体速度来调整助力电机15的转速。由于放缆速度与放 缆滑轮13的转速和电缆的张力值有关，而放缆滑轮的转速可以通过助力电机15的转速来 调整，因此，只要测得电缆的张力值、船速和坠体的下落速度，就可以通过控制助力电机15 的转速来获得与船速和坠体下落速度匹配的放缆速度，从而避免电缆在水中下落速度与坠 体下落速度不一致的现象，使得探测坠体的下坠过程更接近于自由落体运动，进而提高水 文垂直剖面图测量的准确性。优选的，放缆速度基本等于船速和坠体下落速度的均方根值，这一条件下，坠体下 落过程中受到的水平分力极小，下落轨迹更接近于自由落体的路径。
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此外，在本发明的其他实施例中，助动放缆吊杆装置还包括压紧部件17，该压紧部 件17设置于吊杆11上电缆的放缆路径旁，在放缆滑轮13与导向滑轮12之间靠近放缆滑 轮的位置，压紧部件17与电缆14相抵接，用于将电缆14压紧在放缆滑轮13上。具体的，所述压紧部件17包括压紧轮和与所述压紧轮连接的弹性部件，所述弹性 部件例如为弹簧，其用于调整压紧轮对电缆14的压力值。本实施例吊杆装置的工作原理为在绞车投放下坠体过程中，带助力电机的放缆 滑轮在控制系统的指令下，会根据测量船的航速(由GPS模块测量)、坠体下落速度、电缆张 力值来调整助力电机的转速，使放缆速度与船速和坠体下落速度的均方根值基本一致，将 电缆释放入水体中。为了防止电缆在放缆滑轮上打滑，在放缆滑轮的上方安装了压紧部件。压紧部件 在其弹性部件的作用下将电缆压紧在放缆滑轮上。放缆滑轮后方装有测力仪，电缆穿过测 力仪再进入放缆滑轮。在释放电缆和回收电缆过程中，测力仪均能测得电缆的张力值，并将 这一张力值反馈给控制系统。控制系统根据释放坠体过程中的实时张力值来判断如何调整 助力电机的转速；控制系统还根据回收过程中的张力值来判断如何调整绞车的工况。通过这种助力放缆方式，不仅可以克服自由转动状态的绞车卷筒和电缆传输过程 中的机械摩擦阻力，而且可以使得探测坠体下落时受到的水平分力减小，从而能够减小探 测坠体的横向位移，使探测坠体的下坠过程更接近于自由落体运动，进而提高水文垂直剖 面图测量的准确性。所述的助动放缆吊杆装置不限于CTD测量系统的坠体，还可在各种水体水文垂直 剖面调查行为中同时得到多种类型数据，例如物理水体学中CTD、溶解氧、PH、浊度等参数， 水体生物学中营养盐、叶绿素等参数，水体环境保护领域中生物耗氧量(BOD)、COD、氮磷含 量等参数，水体化学中氨氮、C02等含量参数，因此具有广阔的应用范围。本文中所述的水 体包括海洋、江河湖泊。以下结合附图详细说明所述悬吊装置的一个具体实施例。为突出本发明的特点， 附图中没有给出与本发明的发明点必然直接相关的部分，例如，绞车、船和探测坠体的内部 结构。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。需 要说明的是，本发明提供的探测坠体的助动放缆吊杆装置不仅限于上述实施例中的炮弹形 探测坠体，也可以用于其他类型的探测坠体。本发明提供的探测坠体的助动放缆吊杆装置，可在各种水体水文垂直剖面调查行 为中用于释放探测坠体而得到多种类型数据，例如物理水体海洋学中CTD、溶解氧、PH、浊度 等参数，水体生物学中营养盐、叶绿素等参数，水体环境保护领域中生物耗氧量(BOD)、C0D、 氮磷含量等参数，海洋水体化学中氨氮、C02等含量参数，因此具有广阔的应用范围。在物理 海洋学中，随着不同深度的水层温度和含盐量的变化，声速也随之改变，获得特定水域的上 述水体参数可以用于声纳测速、测距等海洋测绘；又如，测量海水的温度、盐度(含盐量)等 水体参数可以用于海底暗流、大洋环流以及潮汐的研究。在环境保护领域，测量水体的化学 成分含量，可以用于监测和防控江河湖泊的蓝藻、赤潮等灾害。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领 域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单 修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
一种助动放缆吊杆装置，其特征在于，包括吊杆，放缆滑轮，位于所述吊杆的末端，助力电机，附属连接于所述放缆滑轮，驱动放缆滑轮转动。
2.根据权利要求1所述的助动放缆吊杆装置，其特征在于，还包括控制系统，所述助力 电机的转速受该控制系统的指令控制。
3.根据权利要求1或2所述的助动放缆吊杆装置，其特征在于，还包括测力仪，设置于 吊杆上电缆的放缆路径旁，用于测量电缆的张力值。
4.根据权利要求3所述的助动放缆吊杆装置，其特征在于，所述测力仪与控制系统连 接，用于将张力值反馈给控制系统，所述控制系统根据所述张力值调整助力电机的转速。
5.根据权利要求3所述的助动放缆吊杆装置，其特征在于，所述测力仪用于将张力值 反馈给控制系统，所述控制系统根据张力值、船速和坠体速度来调整助力电机的转速。
6.根据权利要求1所述的助动放缆吊杆装置，其特征在于，该吊杆装置的放缆速度基 本等于船速和坠体下落速度的均方根值。
7.根据权利要求3所述的助动放缆吊杆装置，其特征在于，所述测力仪为三滚轮张力 仪，电缆依次穿过该三个滚轮后由放缆滑轮放出吊杆。
8.根据权利要求1所述的助动放缆吊杆装置，其特征在于，还包括压紧部件，设置于吊 杆上电缆的放缆路径旁，与电缆相抵接。
9.根据权利要求8所述的助动放缆吊杆装置，其特征在于，所述压紧部件包括压紧轮 和与所述压紧轮连接的弹簧，所述弹簧用于调整压紧轮对电缆的压力值。
全文摘要
本发明提供一种助动放缆吊杆装置，包括吊杆，放缆滑轮，位于所述吊杆的末端，助力电机，附属连接于所述放缆滑轮，驱动放缆滑轮转动。还包括控制系统，所述助力电机的转速受该控制系统的指令控制。通过这种助力放缆方式，可以克服自由转动状态的绞车卷筒和电缆传输过程中的机械摩擦阻力，使得探测坠体下落时受到的水平分力减小，从而能够减小探测坠体的横向位移，使探测坠体的下坠过程更接近于自由落体运动，进而提高水文垂直剖面图测量的准确性。
文档编号G01C13/00GK101893438SQ20101016504
公开日2010年11月24日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者卢楠, 蒋金良 申请人:上海劳雷仪器系统有限公司