高精度海底地热流探测设备的制作方法
【专利摘要】本发明是一种高精度海底地热流探测设备。包括有压力保护管、电子仪器舱、透明保护罩、绝热杆、发热元件、双色LED、光敏元件、充电感应线圈、若干热敏电阻，其中压力保护管装设在电子仪器舱的一侧，绝热杆装设在压力保护管内，若干热敏电阻安装在绝热杆上，发热元件安装在绝热杆的顶端，三轴加速度传感器装设在电子仪器舱内，双色LED、光敏元件、充电感应线圈装设在电子仪器舱的外侧，且双色LED、光敏元件、充电感应线圈的外侧装设有透明保护罩，发热元件、双色LED、光敏元件、充电感应线圈、三轴加速度传感器通过导线与安装在电子仪器舱内的控制装置连接。本发明通过双色LED指示设备的倾角变化，方便操控，提高数据采集的有效率。
【专利说明】高精度海底地热流探测设备
【技术领域】
[0001] 本发明是一种高精度海底地热流探测设备，属于高精密光栅尺快速测量装置及其 测量方法的创新技术。
【背景技术】
[0002] 海洋地质勘测中经常需要获取海底的高精度的海底温度、地温梯度和热导率等数 据，计算成为高精度大地热流数据，从而为研究海底冷泉、热液喷口等海底特殊地质体地温 场的精细信息提供技术支持。
[0003] 常规的海底热流探测设备(包括地温梯度探测设备和地热探针）是通过调查船和 船载绞车在深海海域开展海底热流探测活动的，这种方式的海底热流原位探测工作存在着 探测位置不便控制、无法精确定位等问题。随着海底探测技术的不断发展，水下机器人（R0V 和H0V)越来越多应用到深海海底的各种科考和海洋工程项目之中。用海底机器人进行海 底热流探测不但可以实现精确定位，又可以进行高密度采样，从而实现了解海底精细的、多 参量的地温场信息目的。因而，为水下机器人量身定做相应的探测工具也是水下机器人技 术发展中一项主要工作。由于本发明的探测设备处于深海海底的离线工作环境，一般使用 电池作为能源供给方式，在使用一段时间后需要打开仪器仓进行电池的充电或更换，随后 进行的相关水密处理，因在工作现场无法进行高压力的水密测试，极容易出现问题，导致设 备使用过程中的损坏。离线工作方式带来的另一个问题是数据必须在设备回收之后才能读 取分析，无法实时原位测量分析，如果采用线缆连接，设备的活动范围和使用方式受到极大 限制；因为使用环境处于大洋海底，海水的压力使得线缆的接口处理非常复杂和困难；进 行热导参数测量时，需要使用热脉冲冲击方式，离线方式难以控制热脉冲的产生时机，无法 实现海底地热流场热导参数的原位测量；使用设备时一般通过遥控机械手或水下机器人进 行操控，现有的设备没有相应的指示标志，很难判断设备是否处于垂直方向，同时数据中没 有倾角信息，无法对地热流的梯度数据进行修正，不能很好地满足科研工作的要求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种高精度海底地热流探测设备。本发明 提高了所获取数据的有效率和精度，且能提高测量工作的效率。
[0005] 本发明的技术方案是：本发明的高精度海底地热流探测设备，包括有压力保护管、 电子仪器舱、透明保护罩、绝热杆、发热元件、双色LED、光敏元件、充电感应线圈、若干热敏 电阻，其中压力保护管装设在电子仪器舱的一侧，绝热杆装设在压力保护管内，若干热敏电 阻安装在绝热杆上，发热元件安装在绝热杆的顶端，三轴加速度传感器装设在电子仪器舱 内，双色LED、光敏元件、充电感应线圈装设在电子仪器舱的外侧，且双色LED、光敏元件、充 电感应线圈的外侧装设有透明保护罩，发热元件、双色LED、光敏元件、充电感应线圈、三轴 加速度传感器通过导线与安装在电子仪器舱内的控制装置连接。
[0006] 本发明针对深海水下机器人专用设备的一些工作特点，集成一个三轴加速度传感 器，通过在设备顶端安装的双色LED指示是否处于垂直状态，并在记录多通道温度数据的 同时，记录设备的倾角数据，以便在后续的数据处理分析中对地热流场梯度数据进行相关 的修正，从而提高了所获取数据的有效率和精度；该LED和相应的光敏元件共同构成数据 收发接口，解决数据的实时收发问题，实现对对海底温度、地温梯度和热导率等数据的实时 原位测量及分析，提高数据的有效率和测量工作的效率；在LED光学窗口下安装有无线充 电感应线圈，无需频繁打开仪器仓，免除了随之而来的设备的水密处理问题，改善了设备的 使用方便性和可靠性；热敏电阻等距地安装在一个比压力保护管内径稍小的实心绝热杆 上，实心杆上同时安装了发热丝，保证热敏电阻和发热丝均能贴近压力保护管的壁壳，从而 提高系统的热工参数的一致性和响应速度；设备内部使用24位A/D数据采样，以达到高精 度和快速的温度数据采样。本发明是一种能开展高精度海底地热流温度和热导参数原位测 量的探测设备，可以给海洋地质勘测提供更精确和更多的地热流信息，是一种方便实用的 高精度海底地热流探测设备。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1为本发明的结构示意图； 图2为本发明热敏电阻、发热元件的安装示意图； 图3为本发明绝热杆安装热敏电阻和发热元件的截面示意图； 图4为本发明控制装置的原理框图。
【具体实施方式】
[0008] 实施例： 本发明的结构示意图如图1所示，本发明的高精度海底地热流探测设备，包括有压力 保护管1、电子仪器舱2、透明保护罩3、绝热杆4、发热元件5、双色LED6、光敏元件7、充电感 应线圈8、若干热敏电阻9、10、11，其中压力保护管1装设在电子仪器舱2的一侧，绝热杆4 装设在压力保护管1内，若干热敏电阻9、10、11安装在绝热杆4上，发热元件5安装在绝热 杆4的顶端，三轴加速度传感器13装设在电子仪器舱2内，双色LED6、光敏元件7、充电感 应线圈8装设在电子仪器舱2的外侧，且双色LED6、光敏元件7、充电感应线圈8的外侧装 设有透明保护罩3,双色LED6、光敏元件7、充电感应线圈8处于透明保护罩3的保护之下发 热元件5、双色LED6、光敏元件7、充电感应线圈8、三轴加速度传感器13通过导线与安装在 电子仪器舱2内的控制装置连接。
[0009] 为便于安装，上述绝热杆4的一侧开有一条导线槽21，绝热杆4的另一侧开有若干 安装热敏电阻的凹坑22,导线槽21与凹坑22之间通过通孔23相通，若干热敏电阻9、10、 11分别安装在凹坑22上，若干热敏电阻9、10、11的引线穿过通孔23与安装在导线槽21上 的导线连接，即若干热敏电阻9、10、11通过导线与安装在电子仪器舱2内的控制装置连接。 [0010] 本实施例中，绝热杆4安装热敏电阻9、10、11和发热元件5的截面示意图如图3 所示，凹坑22比热敏电阻的尺寸稍大，热敏电阻9、10、11安装在凹坑22上，使热敏电阻呈 现部分埋入绝热杆4,热敏电阻的引线穿过通孔23与安装在导线槽21上的导线连接，即热 敏电阻通过导线与安装在电子仪器舱2内的控制装置连接。
[0011] 上述绝热杆4的直径小于压力保护钢管1的内径0. lmm-2mm，上述绝热杆4的直 径为压力保护钢管1的内径减去热敏电阻9的半径为最佳，以便热敏电阻能够贴近压力保 护钢管的内壁，同时方便装配好的绝热杆4安装到压力保护钢管1内部。
[0012] 本实施例中，上述发热元件5选用细长的弹簧状，以便贴近压力保护管1的内壁。 [0013] 本实施例中，上述若干热敏电阻9、10、11等距安装在绝热杆4上。压力保护管1 为钢管。
[0014] 本实施例中，上述电子仪器舱2内的控制装置包括有CPU、2 4位A / D转换器、 热脉冲驱动电路、三轴加速度传感器、LED驱动电路、热敏电阻、发热元件、光敏元件、、双色 LED、充电感应线圈，其中若干热敏电阻9、10、11分别通过多路模拟开关与2 4位A / D转 换器连接，2 4位A / D转换器与CPU连接，三轴加速度传感器与CPU连接，CPU的输出端 通过LED驱动电路与双色LED6连接，光敏元件7通过串行数据接口与CPU连接，CPU的输 出端通过热脉冲驱动电路与发热元件5连接，充电感应线圈8通过无线充电模块与电源模 块连接，电源模块与CPU连接。
[0015] 本实施例中，上述电子仪器舱2内的控制装置还包括有FLASH存储器。上述电子 仪器舱2内的控制装置还包括有实时时钟。
[0016] 本实施例中，上述充电感应线圈8为无线充电感应线圈。
[0017] 本实施例中，上述多路模拟开关与2 4位A / D转换器之间还连接有差动电桥。 在CPU的控制下，以一定速率逐个读取热敏电阻、三轴加速度传感器和实时时钟等数据，存 入FLASH，并根据三轴加速度传感器的数据计算出设备的倾斜角度，通过双色LED6予以标 /_J、1 〇
[0018] 本实施例中，本发明作为mK级的高精度海底温度、地温梯度和热导率等地热参数 测量设备可广泛应用于深海海底地温场的多参量测量工作。
[0019] 本发明通过将热敏电阻和发热元件安装在一根比压力保护管内径稍小的实心绝 热杆上，解决了在细长狭小压力保护管中热敏电阻和发热元件的安装问题，能够保证各热 敏电阻等距地贴近压力保护管内壁，提高了各测量通道的热工参数的一致性和响应速度， 保证各测量通道的热敏感一致性和响应速度，从而获得了高精度的地热流场的温度数据； 同时保证了发热元件在探针的顶部贴近压力保护管内壁，减小了热脉冲的热阻损失，加快 了热导参数的测量速度。
[0020] 本发明通过使用内置三轴加速度传感器，在每次测量多通道温度数据时，读取相 关数据并实时计算出设备所处的倾角数据，及时通过顶端的双色LED显示，方便操控人员 进行判断，提高测量工作的有效率，该倾角数据也与多通道温度数据一起储存在大容量 FLASH存储器中，在后续的数据处理分析中用于对地热流场梯度数据进行垂直距离误差的 修正，提高地热流场梯度数据的精确度。
[0021] 本发明通过使用光敏元件进行数据的接收，使用双色LED进行数据发送，在每次 数据的测量工作完成后，即可通过水下机器人和遥控机械手的光学数据发送端口实时转 发，以便及时评判测量工作，判断是否有效测量，提高了工作的有效率。
[0022] 本发明通过使用内置的无线充电装置，无需打开仪器仓即可完成内置电池的充电 工作，该内置无线充电装置的感应线圈位于LED透明指示罩的下方，无需另外在设备上开 启电气接口，从而避免打开仪器仓带来的高压环境下的水密处理问题，简化设备的使用与 维护工作，提高设备的可靠性。
[0023] 本发明是一种高精度海底地热流探测设备。是一种为深海水下机器人量身定做的 海底温度、地温梯度和沉积物热导率数据的探测设备。本发明克服现有设备存在的探测位 置不便控制、采样速度慢以及需要打开仪器仓进行电池的充电或更换造成的水密处理难题 等问题，通过双色LED指示设备倾角变化，方便操控，提高数据采集的有效率；采用光学数 据接口进行数据收发，完成地热流和热导数据的实时原位测量。
[0024] 本发明的工作原理是：光敏元件7接收到安装在水下机器人或遥控机械手的光学 数据收发接口发送的数据后，通过串行数据接口整形处理，由CPU进行判读，根据命令类型 做相应处理；接收到热导参数测量命令后，CPU通过热脉冲驱动电路向发热元件5发送脉 冲电流，形成热脉冲，再按程序预定的延时间隔顺序读取各通道的热敏电阻数据，形成热导 参数的原位测量数据；接收到数据读取命令后，通过串行数据接口和LED驱动电路，用双色 LED6向安装在水下机器人或遥控机械手的光学数据收发接口发送数据，读出采集的数据， 通过数据处理软件获得相关的海底地热流场温度数据和热导数据。
[0025] 在电池电压不足时，充电感应线圈8获取的能量通过无线充电模块对电池进行充 电，不再需要打开电子设备舱进行电池的充电，简化设备的使用操作，提高设备的可靠性。
[0026] 上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和 权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种高精度海底地热流探测设备，其特征在于包括有压力保护管（1)、电子仪器舱 (2)、透明保护罩（3)、绝热杆（4)、发热元件（5)、双色LED (6)、光敏元件（7)、充电感应线圈 (8)、若干热敏电阻（9、10、11)，其中压力保护管（1)装设在电子仪器舱（2)的一侧，绝热杆 (4)装设在压力保护管（1)内，若干热敏电阻（9、10、11)安装在绝热杆（4)上，发热元件（5) 安装在绝热杆（4)的顶端，三轴加速度传感器（13)装设在电子仪器舱（2)内，双色LED (6)、 光敏元件（7)、充电感应线圈（8)装设在电子仪器舱（2)的外侧，且双色LED (6)、光敏元件 (7) 、充电感应线圈（8)的外侧装设有透明保护罩（3)，且发热元件（5)、双色LED (6)、光敏 元件（7)、充电感应线圈（8)、三轴加速度传感器（13)通过导线与安装在电子仪器舱（2)内 的控制装置连接。
2. 根据权利要求1所述的高精度海底地热流探测设备，其特征在于上述绝热杆（4)的 一侧开有一条导线槽（21)，绝热杆（4)的另一侧开有若干安装热敏电阻的凹坑（22)，导线 槽（21)与凹坑（22)之间通过通孔（23)相通，若干热敏电阻（9、10、11)分别安装在凹坑（22) 上，若干热敏电阻（9、10、11)的引线穿过通孔（23)与安装在导线槽（21)上的导线连接，即 若干热敏电阻（9、10、11)通过导线与安装在电子仪器舱（2)内的控制装置连接。
3. 根据权利要求1所述的高精度海底地热流探测设备，其特征在于上述发热元件（5) 选用细长的弹簧状，以便贴近压力保护管的内壁。
4. 根据权利要求1所述的高精度海底地热流探测设备，其特征在于上述若干热敏电阻 (9、10、11)等距安装在绝热杆（4)上。
5. 根据权利要求1所述的高精度海底地热流探测设备，其特征在于上述压力保护管 (1) 为钢管。
6. 根据权利要求1至5任一项所述的高精度海底地热流探测设备，其特征在于上述 电子仪器舱（2)内的控制装置包括有CPU、2 4位A / D转换器、热脉冲驱动电路、三轴加 速度传感器、LED驱动电路、热敏电阻、发热元件、光敏元件、、双色LED、充电感应线圈，其中 若干热敏电阻（9、10、11)分别通过多路模拟开关与2 4位A / D转换器连接，2 4位A / D转换器与CPU连接，三轴加速度传感器与CPU连接，CPU的输出端通过LED驱动电路与双 色LED (6 )连接，光敏元件（7 )通过串行数据接口与CPU连接，CPU的输出端通过热脉冲驱 动电路与发热元件（5 )连接，充电感应线圈（8 )通过无线充电模块与电源模块连接，电源模 块与CPU连接。
7. 根据权利要求6所述的高精度海底地热流探测设备，其特征在于上述电子仪器舱 (2) 内的控制装置还包括有FLASH存储器。
8. 根据权利要求6所述的高精度海底地热流探测设备，其特征在于上述电子仪器舱 (2)内的控制装置还包括有实时时钟。
9. 根据权利要求6所述的高精度海底地热流探测设备，其特征在于上述充电感应线圈 (8) 为无线充电感应线圈。
10. 根据权利要求6所述的高精度海底地热流探测设备，其特征在于上述多路模拟开 关与2 4位A / D转换器之间还连接有差动电桥。
【文档编号】G01N25/20GK104062692SQ201410324216
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】徐行, 徐鸣亚, 彭登, 邢休东, 罗贤虎, 张志刚 申请人:广州海洋地质调查局, 广东工业大学