一种水下沉积物自动采样装置的制作方法

1.本发明属于水质监测及取样装置技术领域，尤其涉及一种水下沉积物自动采样装置。


背景技术：

2.在环境监测、科学研究等过程中，采集河流、湖泊、水库、海洋等水体的沉积物均需要沉积物采样器，目前普遍使用的都是利用物理性能开展采样工作，对于采集沙质沉积物表层样品一般使用圆锥式采样器、钻头式采样器、悬锤式采样器等。采集卵石沉积物表层样品一般使用锹式采样器、蚌式采样器取样。柱状采样器主要适用于静水区沉积物分层采样，主要应用于湖库、河流库区、海洋沉积物的采样，可采集一定深度下的柱状样品。
3.上述采样器均由操作人员从母船上投放到水中，依靠自身重力沉入水底触碰沉积物重力闭合抓取沉积物，或者利用外力将采样管插入沉积物中，然后由操作人员拉回水面。
4.由于这些采样器不具备独立运动调节能力，在下沉过程中受水流的冲击影响较大，因此采样的位置随机，难以获得满意的样品，同时，由于多数采样设备时直接在水面进行投放，容易产生冲击，致使沉积物流散，导致采集的样品与实际的沉积物存在差异，难以保证样品的完整性及代表性。另一方面，在将样品从水底收回的过程中，由于水流冲击，或是操作不当，容易导致样品流失，影响样本的完整性和有效性。


技术实现要素：

5.为同时解决上述技术问题，本发明提供一种水下沉积物自动采样装置，可准确寻找合适的采样位置，防止沉积物样本在采集和回收过程中流散，保证样本的完整性、代表性及有效性。
6.为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：一种水下沉积物自动采样装置，其特征在于，包括：潜水器、升降机构、采样部件以及试样筒。
7.潜水器用于在水下行进。
8.升降机构设于潜水器，升降机构设有至少一根推拉杆。
9.采样部件设于升降机构，升降机构用于控制采样部件升降，采样部件包括外罩以及设于外罩内部的安装管，安装管上方设有滑动盖，滑动盖沿外罩的轴向移动设置，滑动盖中部为圆板，圆板的周边具有贯穿孔，滑动盖的顶面设有锁止机构，外罩内部的顶面对应锁止机构的上方设有脱挂机构。
10.试样筒从安装管底部向上穿设于安装管，试样筒包括密封盖，采样前密封盖可拆卸的设于滑动盖底部。
11.当推拉杆的下端与锁止机构连接后，控制滑动盖上下移动，以将密封盖压入试样筒内；当脱挂机构与锁止机构配合，使推拉杆与锁止机构分离。
12.进一步的，潜水器顶面的尾部设有一对水平推进器，潜水器顶面中部设有纵向推
进器，潜水器设有至少一处摄像装置，用于观察水中环境，以便于潜水器行进。
13.进一步的，升降机构包括延长杆以及齿轮轴，延长杆的一侧设有齿条，采样部件设于延长杆的底部，齿轮轴一端设有直齿轮另一端设有蜗轮，直齿轮与齿条啮合，蜗轮配合设有一蜗杆，蜗杆下端穿设于潜水器的顶面，蜗杆周侧与潜水器之间具有旋转密封结构。
14.进一步的，推拉杆的底部具有圆盘，圆盘的外径大于推拉杆的外径，锁止机构包括一对伸缩设置的挡板，伸缩方向垂直于推拉杆，挡板前端均具有向上的导向斜面，圆盘向下移动时，可推动挡板朝两侧移动，当圆盘处于挡板下方时，锁止机构与推拉杆相连。
15.进一步的，脱挂机构包括一对推板，推板分别对应设置于挡板上方，且推板位于圆盘外侧，推板可通过与导向斜面配合，推动挡板朝两侧移动。
16.进一步的，密封盖边沿处的厚度小于中部的厚度，上下重叠的两片密封盖位于边沿处的相邻面之间具有环形间隔，试样筒的上端内壁具有向内凸起的呈环形结构的凸缘，凸缘的内径大于密封盖的外径，凸缘截面的高度尺寸小于环形间隔的高度尺寸。
17.进一步的，滑动盖顶面与外罩的顶部之间设有第一弹簧，当密封盖与试样筒顶面接触时，第一弹簧呈自然状态。
18.进一步的，外罩下段为圆锥结构，锥底朝下，试样筒的顶部开口与圆锥结构的锥顶处于同一平面。
19.进一步的，推板上方设有第二弹簧。
20.进一步的，试样筒采用塑料制成。
21.本发明的有益效果在于：1、利用潜水器进行水下行进，可准确的找寻合适的采样位置，以获得更加合适的样本，使样本更具有代表性。
22.2、通过升降机构可稳定匀速的将采样部件移动至预定位置进行采样，减少对沉积物的冲击，并且潜水器的推进装置均设置在其顶面，可进一步减小对沉积物的冲击，以帮助获得更加真实的样本，保证样本的完整性及有效性。
23.3、试样筒在采集前保持密封的状态，防止水进入其中，而影响样本进入，当试样筒中有水的情况下，要么将水与沉积物样本一同收集，要么利用沉积物将水挤压出来，但是这两种情况都不利于获得完整的样本，因此本技术将试样筒在采集之前便利用密封盖进行密封。并且在样本采集之后，将密封盖压入试样筒中，将样本完全密封在试样筒内，防止在回收过程中样本散落。从而进一步保证样本的完整性。
附图说明
24.本文描述的附图只是为了说明所选实施例，而不是所有可能的实施方案，更不是意图限制本发明的范围。
25.图1示出了潜水器的后端视图。
26.图2示出了图1中a处的放大图。
27.图3示出了潜水器的前端视图。
28.图4示出了图3中b处的放大图。
29.图5示出了采样部件的结构示意图。
30.图6示出了锁止机构与脱挂机构的结构示意图。
31.图7示出了推拉杆插入采样部件时的剖视图。
32.图8示出了图7中c处的放大图。
33.图9示出了推拉杆与锁止机构连接时的结构示意图。
34.图10示出了示出了图9中d处的放大图。
35.图11示出了示出了图9中e处的放大图。
36.图12示出了推板与挡板接触时锁止机构与脱挂机构以及推拉杆的剖视图。
37.图13示出了推拉杆与锁止机构分离时的结构剖视图。
38.图14示出了图13中f处的放大图。
39.图中标记：潜水器-10、水平推进器-11、纵向推进器-12、摄像装置-13、升降机构-20、延长杆-21、齿条-211、齿轮轴-22、直齿轮-221、蜗轮-222、蜗杆-23、推拉杆-24、圆盘-241、采样部件-30、外罩-31、安装管-32、密封圈-321、滑动盖-33、圆板-331、贯穿孔-332、针杆-333、锁止机构-34、挡板-341、导向斜面-342、连接套-343、缺口-344、脱挂机构-35、推板-351、第一弹簧-36、第二弹簧-37、试样筒-40、凸缘-401、密封盖-41、环形间隔-411。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明，但本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
41.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
42.在本发明的描述中需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述。术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。
43.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.如图1至图14所示，一种水下沉积物自动采样装置，包括：潜水器10、升降机构20、采样部件30以及试样筒40。
45.具体的，潜水器10用于在水下行进，潜水器10设有至少一处摄像装置13，用于观察水中环境，以便于潜水器10行进。同时潜水器10设有gps定位装置，可将采样地点的坐标进行标记，以便作为后续采样的参考。同时，gps定位还用于寻找准确采样位置，譬如湖库或者库区，利用卫星遥感网格补点，将潜水器10移动到指定区域。
46.优选的，如图1、图3所示，潜水器10顶面的尾部设有一对水平推进器11，用于控制潜水器10前后移动及转向，潜水器10顶面中部设有纵向推进器12，用于控制潜水器10的上升或下降。
47.将水平推进器11以及纵向推进器12均设置在潜水器10的顶面，当潜水器10行进
时，可防止水平推进器11和纵向推进器12搅动底部沉积物，有利于观察水底环境。并且，更重要的原因是，通过此种结构设计，可减小对潜水器10下方水体及沉积物的冲击，有效防止沉积物流散，便于保护沉积物样品的完整性。
48.具体的，如图1、图3所示，升降机构20设于潜水器10，升降机构20设有至少一根推拉杆24。为提高使用时的稳定性，每组升降机构20均包括两根推拉杆24。推拉杆24保持固定安装。并且潜水器10的两侧均设有升降机构20，不仅可保持潜水器10平衡，同时还可增加采样的位置。
49.如图1至图4所示，作为本技术的一种优选实施例，升降机构20包括延长杆21以及齿轮轴22，延长杆21的一侧设有齿条211，采样部件30设于延长杆21的底部。齿轮轴22一端设有直齿轮221另一端设有蜗轮222，直齿轮221与齿条211啮合，蜗轮222配合设有一蜗杆23，蜗杆23下端穿设于潜水器10的顶面，蜗杆23周侧与潜水器10之间具有旋转密封结构。
50.本技术的采样装置经常需要在水下运行，因此密封性，是设计时必要的考虑因素，因此用于驱动采样部件30上下移动的动力总成需要放置在潜水器10内部，蜗杆23通过旋转的方式带动齿轮轴22从而通过延长杆21控制采样部件30上下移动，因为旋转式外壁密封结构相比于滑动式密封结构更加容易控制，在水下工作密封性能将会更好。
51.因为水中通常具有过多的悬浮物及杂质等，如采用滑动式密封结构，使推杆与延长杆同时以伸缩的方式移动，推杆在移动过程中容易在外壁附着杂质，推杆在伸缩滑动过程中容易使杂质进入密封处，长期使用将会降低密封效果，造成泄漏；同时推杆通常采用金属制成，在水中使用可能存在锈蚀，同样也会影响密封。
52.综上可知，采用旋转式密封结构，相比于采用推杆的滑动时密封结构，其密封性将更好更持久。
53.另一方面利用蜗杆蜗轮的传动结构，可增大传动比，使传动力矩进一步加大，以向采样部件30提供足够的下压力，便于采样部件30插入质地较硬的沉积物中，并且可防止延长杆21打滑，提高采样及回收时的稳定性。
54.具体的，如图1、图5所示，采样部件30，设于升降机构20的延长杆21底部。升降机构20通过延长杆21控制采样部件30升降高度，以便于进行采样。
55.更具体的，如图5至图14所示，采样部件30包括外罩31以及设于外罩31内部的安装管32。安装管32上方设有滑动盖33，滑动盖33沿外罩31的轴向移动设置，且滑动盖33的圆周位置保持固定，滑动盖33中部为圆板331，圆板331的周边具有贯穿孔332。滑动盖33的顶面设有锁止机构34，用于连接推拉杆24，外罩31内部的顶面对应锁止机构34的上方设有脱挂机构35，用于使推拉杆24与锁止机构34分离。锁止机构34与脱挂机构35均对应推拉杆24设有两组。
56.具体的，如图5、图7所示，试样筒40从安装管32底部向上穿设于安装管32。
57.更具体的，试样筒40与安装管32通过螺纹连接，试样筒40上段的外壁设有螺纹，安装管32内壁设有内螺纹，以防止压入密封盖41时，试样筒40上下移动，如图11所示，并且试样筒40外壁与安装管32的内壁之间设有密封圈321，避免水从缝隙处进入试样筒40。
58.试样筒40包括密封盖41，密封盖41可拆卸的设于滑动盖33底部，密封盖41的直径小于圆板331的直径，且二者同轴设置，以便于采样时，沉积物在上方圆板331的阻碍下能顺利进入试样筒40。
59.更具体的，如图11所示，滑动盖33底部垂直设有针杆333，针杆333穿过密封盖41，密封盖41为橡胶材料制作，通过此结构将密封盖41安装于滑动盖33，并且可在脱离针杆333时，密封盖41利用橡胶材料具有弹性以及恢复形变的特性，使其仍然具有密封性，以实现对试样筒40的密封。
60.使用时，当推拉杆24的下端与锁止机构34连接后，控制滑动盖33上下移动，以将密封盖41压入试样筒40内。当脱挂机构35与锁止机构34配合，使推拉杆24与锁止机构34分离。由于推拉杆24采用固定设置方式，因此整个过程均通过采样部件30的上下移动来实现。
61.采样前，下降密封盖41与试样筒40顶面接触，将试样筒40密封，防止水进入。贯穿孔332用于水流通，以减小采样部件30下降时，水向滑动盖33提供的向上的升力，避免密封盖41与试样筒40分离，进一步防止水进入试样筒40，同时外罩31的外壁开设有多处通孔，以便于水流通。
62.采样过程中，在沉积物向上的阻力作用下，滑动盖33与密封盖41一同上移，打开试样筒40，以方便沉积物进入试样筒40，采集结束之后，采样部件30上移，滑动盖33失去了沉积物的阻力，将向下移动，密封盖41与试样筒40顶面贴合，将样品密封，防止在收回过程中样品被水冲掉。
63.具体的，如图1、图6至图8所示，推拉杆24的底部具有圆盘241，推拉杆24与圆盘241均为圆柱结构，圆盘241的外径大于推拉杆24的外径。
64.锁止机构34包括一对伸缩设置的挡板341，伸缩方向垂直于推拉杆24，挡板341前端均具有向上的导向斜面342，圆盘241向下移动时，通过圆盘241下边沿与导向斜面342配合，可推动挡板341朝两侧移动，以便于推拉杆24下端插入挡板34的下方。当圆盘241处于挡板341下方时，挡板341向中部收拢，实现锁止机构34与推拉杆24相连，当采样部件30向下移动时，推拉杆24可通过锁止机构34带动滑动盖33相对外罩31向上移动。
65.作为本技术的一种优选实施方案，锁止机构34还包括管状结构的连接套343，连接套343底部安装于滑动盖33顶面，挡板341穿设于连接套343的侧壁，连接套343的内壁直径大于圆盘241的外径。
66.更具体的，如图5所示，脱挂机构35包括一对推板351，推板351分别对应设置于挡板341上方，且推板351位于圆盘241外侧。推板351设于同一圆环的底部，以保证两块推板351结构的稳定性，且圆环的圆周位置保持固定，推拉杆24向下穿过圆环。推板351可通过与导向斜面342配合，推动挡板341朝两侧移动，从而使推拉杆24与锁止机构34分离。连接套343顶面对应推板351穿设的位置开设有缺口344，以便于推板351穿过。连接套343与挡板341的外周侧套设有橡胶圈或是弹簧圈，利用橡胶圈或弹簧圈向挡板341提供向中部移动的压力。
67.优选的，如图11所示，密封盖41边沿处的厚度小于中部的厚度，上下重叠的两片密封盖41位于边沿处的相邻面之间具有环形间隔411，试样筒40的上端内壁具有向内凸起的呈环形结构的凸缘401，凸缘401的内径大于密封盖41的外径，凸缘401截面的高度尺寸小于环形间隔411的高度尺寸。
68.使用时，如图11所示，当滑动盖33向下移动，将底部的第一片密封盖41压入凸缘401下方，此时凸缘401将陷于环形间隔411内，使底部的第一片密封盖41与其上方的密封盖分离。当向上移动滑动盖33时，底部的第一片密封盖41将被凸缘401阻隔，使其从针杆333上
脱离。此处滑动盖33上移，其实是在锁止机构34与推拉杆24连接后，升降机构20驱动采样部件30下移，从而使滑动盖33呈相对于外罩31上移的状态。
69.利用凸缘401不仅方便密封盖41与滑动盖33分离，同时还可进一步保证试样筒40的密封性，防止样本流失，保证样本的完整性。
70.优选的，如图7所示，滑动盖33顶面与外罩31的顶部之间设有第一弹簧36，当密封盖41与试样筒40顶面接触时，第一弹簧36呈自然状态，以避免将密封盖41向试样筒40挤压过紧，而导致沉积物无法推开滑动盖33。同时也可避免水的冲击及波动使密封盖41与试样筒40分离，相当于利用第一弹簧36使滑动盖33向下的压力大于采样部件30下降时，水提供的向上的反作用力，防止滑动盖33向上移动时机过早，并且使滑动盖33向下的压力小于沉积物向滑动盖33提供的向上的挤压力，以便于在采样时滑动盖33上升，使密封盖41打开试样筒40的端口，使沉积物进入试样筒40内。
71.优选的，如图5、图7所示，外罩31下段为圆锥结构，锥底朝下，试样筒40的顶部开口与圆锥结构的锥顶处于同一平面。利用圆锥结构使圆锥底部范围内的沉积物样本被率先笼罩，利用圆锥结构形成对该部分沉积物的保护作用，防止沉积物分散，保证其完整性；同时将采样部件30继续下压的过程中，利用圆锥结构将内部的沉积物进一步挤压，增加压力，使滑动盖33上移，以打开密封盖41，使样本顺利进入试样筒40内。
72.优选的，如图6、图12以及图14所示，推板351上方设有第二弹簧37。用于向推板351提供压力，使脱挂机构35与锁止机构34配合时，推板351能全程与挡板341接触，使挡板341处于向两侧张开的状态，以方便推拉杆24分离，以及对推板351与挡板341接触时起到缓冲作用。
73.优选的，试样筒40采用塑料制成，具体的可以是聚四氟乙烯，以防止金属材质对样品的污染。
74.具体实施方式：采样时通过遥控装置将潜水器10行进至适当的位置潜水器10在入水时，首先将其沉入水中，然后利用纵向推进器12使其下潜或升起。通过升降机构20驱动采样部件30匀速下降，以避免产生冲击以及防止滑动盖33相对外罩31向上滑动，避免打开密封盖41。采样部件30在下降的过程中开始与沉积物缓慢接触，利用外罩31下段的圆锥结构将局部的沉积物罩住，防止其四散。采样部件30进一步下降，外罩31内的沉积物体积将逐渐增加，滑动盖33底部的水将从贯穿孔332向上排出，并经过外罩31侧壁的通孔排出。当外罩31内，滑动盖33底部的沉积物逐渐增多，压力逐渐增大，向上推动滑动盖33，使密封盖41打开，滑动盖33下方中部位置的沉积物在圆板331的阻挡下降被挤压进试样筒40中，从而完成采样。采样过程中，利用纵向推进器12向下的推力平衡沉积物的阻力，使采样部件30顺利下压。沉积物对滑动盖33提供的向上的推力将会与第一弹簧36达到一个相对平衡的状态，并且当向上收回采样部件30时，沉积物提供的向上压力逐渐减小，利用第一弹簧36的弹力，将会使滑动板33跟随沉积物的减少而逐渐下降，直至密封盖41再次将试样筒40顶部密封，以保证样本的完整性，防止其流失。
75.推拉杆24与锁止机构34的分离原理：在升降机构20的驱动下，采样部件30继续上升，如图7所示，将使推拉杆24插入采样部件30内，直至如图9、图10所示，利用推拉杆24顶住滑动盖33，使滑动盖33无法继续上升，而采样部件30的其余结构将继续上升至预定高度，此时如图11所示，最底层的密封盖41被压入试样筒40内，并处于凸缘401下方。然后向下移动
采样部件30，如图12所示，在推拉杆24与锁止机构34连接作用下，滑动盖33将无法跟随采样部件30的其余结构一同下移，脱钩机构35也会一同下降。采样部件30继续下移，如图12所示，脱钩机构35的推板351将相对移动至与导向斜面342接触状态，采样部件30连通脱钩机构35继续下移，使推板351将挡板341向两侧顶开，如图13、图14所示，当推板351完全将挡板341向两侧顶开之后，在第一弹簧36以及第二弹簧37的弹力作用下，滑动盖33将快速下移，从而实现与推拉杆24分离。
76.以上仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。