波浪驱动式海洋要素垂直剖面持续测量搭载系统.docx

1、第26卷第3期海洋工程Vol.26No.32008年8月THEOCEANENGINEERINGAug.2008文章编号:1005-9865(2008)03-0089-05波浪驱动式海洋要素垂直剖面持续测量搭载系统陈永华很，李思忍2,龚德俊2,徐永平2,姜静波之(1.青岛科技大学，山东青岛266061;2.中国科学院海洋研究所，山东青岛266071)摘要:新型海洋要素观测平台能侈提升人类对海洋进行持续现场监测的能力。设计并实现了一种借助于波浪能虽进行驱动的海洋要素垂直剖面测贸搭载系统。对系统的总体构成与工作原理、各部件的设计制作过程、以及系统海试的情况作了论述c海试结果表明，系统设计初步达到了预

2、期的目的，实现无人值守情况下对海洋要素垂直剖面的持续长期观测。关键词:波浪驱动;海洋要素;垂直剖面测呈搭载平台;持续观测中图分类号:F715.4文献标识码：AAwave-drivenverticalprofilerforsustainedobservationsofoceanelementsCHENYong-huaL2,LISi-ren2,GONGDe-jun,XUYong-ping2,JIANGJing-bo2(1.QingdaoUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266061,China;2.InstituteofOceanology,Chine

3、seAcademyofSciences,Qingdao266071,China)Abstract：Designanddevelopmentofnewoceanplatfbnnsunderpinhuman*sabilitytomakesustainedinsituobservationoftheocean.Anau-lonomousverticallyprofilingmeasuringsystemthatdrawsitsenergyfromtheoceansurfacewavefieldhasbeendeveloped.Thekeypointsandworkprincipleofthesyst

4、emscheme,thedesignanddevelopmentofthecomponents,andmarineexperimentresultsaregiven.Experimentalresultsshowthatthesystemhasachievedexpectedaims,andthatitiseasyforthesystemtomakelong-termsustainedmeasurementoftheo-ceanelements.Keywords：wave-driven;oceanelements;verticalprofiler;sustainedoljservation海洋

5、要素现场观测对海洋学研究、海洋工程建设和海上国防安全等人类活动是必需的。由于海洋要素随时间和空间的变化比较缓慢，为了研究某一现象，往往需要对定点的垂直剖面或多点的水平剖面进行现场持续观测(可能长达数年)。而海洋观测依赖于观测平台和传感器，相对于纯技术性的传感器来说，持续观测会更多的依赖于所能提供的可靠性观测平台。以往进行海洋剖面参数的测量，多数由船载传感器或采用由潜标分层敷设传感器组来进行。这两类传统的测量方法,对于需求越来越大的海洋观测来说，通常认为是不够的，由船载仪器配合绞车往返多次完成测量，即使数天的连续观测，也会耗费大量人力和财力；采用传统潜标测量,则需要分层敷设多个传感器,不但大大增

6、加了设备成本，而且由于K期无人值守的观测，能源供给是一大难题。另一方面，海上无时不存在着波浪能，而且这个能量是巨大的,研究发现:波浪能的大小与波浪的周期成正比，与浪高的平方成正比。单位宽度上的波浪能量的计算公式pqh2t(1)式中：P为单位波前宽度上的波浪功率(kW/m)；r为波浪周期(s);H为波高(m)。假如波高3m,周期7s时，跨过1m海面的海浪所具有的波浪功率就有63kW/m。如果能够借助海上无时不在的巨大的波浪能，来收稿日期：2007-07-20基金项目：国家自然科学基金资助项目(40776061)；中科院重大仪器装备研制资助项目(135072607)作者简介:陈永华(1976-).

7、51.山东枣庄人.博士，主要从事海洋环境监测技术的研究。驱动搭载传感器的搭载平台沿锚泊缆上下循环运行，连续进行水体参数测量:，则是解决上述困难的一个较好方案。1海洋要素测量系统组成与工作原理基于对波浪能量的运用,设计了一种由波浪驱动的海洋要素垂直剖面测量系统。图1简明地给出了波浪驱动式海洋要素垂直剖面测量系统的组成情况。监测系统的上端是漂浮着的海面浮标，它的下端连着近200m长的锚泊注塑钢缆,锚泊注塑钢缆悬垂到近海底，其下端到海底之间又依次连有张紧锤、储链、重物锚块和大抓力锚，搭载平台的一侧固定着上导向机构、棘爪机构和下导向机构，锚泊注塑钢缆穿过这三个机构,就使搭载平台骑附在锚泊注塑钢缆上。系

8、统整体分为两部分个是由海面浮标、链接机构、锚泊注塑钢缆、张紧锤、释放器、储链、重物锚块和大抓力锚组成的波浪能传递和引导系统;另一个是搭载有测量传感器、棘爪机构、电源和控制系统等的搭载平台。海底图1波浪驱动系统组成与工作原理Fig.1'Hieformationandworkingprincipleoftheprofilero3锚泊注塑钢缆4上导向机构5搭载平台6麻爪-7下导8张紧9储链10重11大中12 平13 爪固定底板14固定半夹槽15可动半夹槽16恢复弹簧17铃爪转臂18韩爪转轴19电机转轴20凸轮，构整套系统工作原理是:海面浮标随波浪起伏，带动锚泊注塑钢缆在海水中作上下方向小幅振

9、动。当缆随浪向下运动时，棘爪机构抓紧锚泊注塑钢缆，随缆下滑，而搭载平台与传动棘爪机构是固定在一起的，所以搭载平台也被锚泊注塑钢缆带着下行；当缆向上运动时，棘爪松开锚泊注塑钢缆，由于惯性搭载平台滞留原位，缆绳反复上下振动，就会不断重复上面的过程，这样，搭载平台就被一步步带动，沿着锚泊注塑钢缆下滑。棘爪机构间跋性抓紧和松脱锚泊注塑钢缆（浪伏缆下时抓紧，浪起缆上时松脱）的原理为：棘爪机构主要包括棘爪固定底板、固定半夹槽、可动半夹槽、恢复弹簧、棘爪转臂和棘爪转轴，棘爪整体固定到平台架体上，固定半夹槽和可动半夹槽为两个齿合“V”型夹槽,固定半夹槽安装于棘爪固定底板上，可动半夹槽与棘爪转臂的一端相连,棘爪

10、转臂另一端可绕棘爪转轴转动，这样棘爪转臂可带着可动半夹槽转动，使两个夹槽齿合的间隙可以发生变化,锚泊注塑钢缆穿过两夹槽的齿合面，恢复弹簧的主体穿在棘爪转轴，它的两端分别卡在棘爪固定底板和棘爪转臂上，其恢复力使可动半夹槽贴紧锚泊注塑钢缆。当锚泊注塑钢缆向下运动时，由于摩擦力，它就会带动可动半夹槽逆时针转动,这样两夹槽就会夹紧锚泊注塑钢缆,棘爪机构处于抓紧状态，随锚泊注塑钢缆一起向下运动；当锚泊注塑钢缆向上运动时，依靠摩擦力，带动可动半夹槽顺时针转动，两夹槽松开锚泊注塑钢缆,棘爪机构处于松脱状态。这样，棘爪机构通过间歇性抓紧和松脱运动,借助波浪能将与其连在一起的搭载平台向下驱动。当搭载平台下潜到海

11、底或预设的深度时，由驱动电机带动凸轮转动一定的角度，凸轮推开传动棘爪上的可动半夹槽,使棘爪机构彻底松开锚泊注塑钢缆，搭载平台在自身正浮力的作用下上浮到水面或事先设定的深度。而后驱动电机反转一定的角度，带动凸轮恢复原位，棘爪机构处于工作状态，又可以带动搭载平台步进下潜。如此反复，搭载平台就可以在水下一定深度范围内上下不停的循环运动，由其搭载的传感器进行海洋要素的测量。2搭载系统各部件的设计与制作2.1搭载平台搭载平台是搭载测量传感器并带动传感器进行垂直剖面运动的载体，如图2所示。以条形钛板焊成的矩形平台架体作为支撑架，左外侧从上到下依次固定着上导向机构、棘爪机构和下导向机构,右外侧固定着测量传感

12、器（如CTD）,内部中上侧是提供浮力的两个浮球，内部下侧固定着密封舱，密封舱内装有电源、控制系统电路和驱动电机等，驱动电机转轴伸出密封舱外后，其端部固定着凸轮，并且密封舱与传感器有信号电91陈永华，等:波浪驱动式海洋要素垂直剖面持续测址搭载系统缆相连。平台前后两侧罩有两片流线型导流保护壳。'魅个搭载平台所有部件空气中重大约43kg,两个直径分别为36cm和28cm的浮力浮球,直径为14cm、长为37cm的圆柱形密封舱，以及传感器、平台架体等排水所提供浮力大约45kg,这样，搭载平台水中正浮力为2kg左右。搭载平台下潜的过程中，其外表面近似为椭球状,由流体力学可知，所受阻力大小近似为:式

13、中：G为阻力系数;p为流体密度(海水密度)；5为特征面积(物体与流体垂直方向的最大横截面积)技为重心速度(物体的速度)。根据搭载平台的外形和外表面粗糙程度，结合其所受的水体雷诺数的情况，G取=1.0o由图3算得搭载平台横截面积S=0.1742rr?；海水密度p=1000kg/n?；搭载平台在较短的时间内达到和波面下降同样的速度，按极限情况下,波周期7=3s,浪高=0.2m计算，即：八0.2/1.5m/so将这些参数值代进算得P阻=1.55No在极限情况下，即波周期7=3s,浪高/7=0.2m,由式(1)得：1个波周期内跨过1m海面的海浪所具有的波浪能lF=PT=77/2r=3xO.22x3xl

14、OOO=36O浮力浮球1-H浮力浮球1-H浮力浮球2下导向机帕做爪机构=密封舱一平台架体一CTD传感器一图2搭载平台内部结构组成实物示意Fig.2Internalformationofthecarryingplatform图3搭载平台水平截面Fig.3CrosssectionofthecarryingplatibmiJ,直径为0.9m的海面浮标所能接受的最大波浪能为：360x0.9=324L按一个波浪周期3s内搭载平台下潜距离与波高相同，即下潜0.2m计算,单次下潜需要吸收的能量为E=E浮+E动+E阻(3)式中：为搭载平台克服正浮力P正(P浮设计制作为2kgf)下潜所吸收的能愀E浮=F正儿下降

15、=2x9.8x0.2=3.92J(4)占动为搭载平台自身动能增加所吸收能量E动=平台护=yx43x(y|)2=0.38J(5)E阻为搭载平台下降克服水体阻力吸收的能嵬E阻=P阻x人下降=1.55x0.2=0.31J(6)所以单次下潜吸收的总能量:为：£=4.6J<<324Jo因此，在正常情况下利用波浪可以有效的使搭载平台步进下潜到预定深度。搭载平台依靠一定的正浮力P上浮、到达极限上浮速度，即收尾速度。后,通过式(2)可得：P=yCv2(7)本搭载平台水下正浮力P的大小为2kgfo由式(7)可推得搭载平台的收尾速度为:v=V1xx0H42m/s(8)2.2锚泊装置"

16、;锚泊装置采用单点绷紧式，如图1所示。锚泊装置的最上端是漂浮着的海面浮标,海面浮标下端连着锚泊注塑钢缆，钢缆下端缀着一数10kg的张紧锤,其后到海底依次连接着储链、重物锚块和大张力锚。海面浮标包括锚灯、不锈钢球壳和链接机构等，具体结构如图4所示,所设计海面浮标的主尺度是:球形锚灯上加强筋（矿一图4海面浮标结构组成Fig.4Formationofthesurfacefloatt0IA*4AT=2Dir浮体，直径0.9m,吃水0.450m,球壳壁厚3mm,空气中总重量为75kg,这样海面浮标的自摇周期：式中M为海面浮标质量惯性距（转动惯量），大小约为10kg-m2；A4为附加水质量惯性距，按浮标的

17、10%计,取为1kgm2；为海面浮标排水量,半径为0.45m的海面浮标工作时大约有一半体积浸入水中，其排水量约为190.8kg浦为浮标稳心至重心的距离，海面浮标的半径0.45m。将这些参数带到公式，计算得海面浮标的自摇周期T=2.2s,远离常遇波的周期（一般认为48s）,不会致使浮标发生剧烈的摇摆甚至倾覆。锚泊装置中的锚泊注塑钢缆是经过特殊制作的注塑钢缆，内芯为们优质钢丝绳，外面进行注塑封装处理后直径为11mm。它的刚性和韧性要恰到好处，且具有一定的抗拉伸性能,同时又具有较高的防腐蚀能力，并且它浸入海水里的表面摩擦系数也需要考虑。装置中的张紧锤缀于锚泊注塑钢缆下部，起到绷直锚泊注塑钢缆的作用，

18、它采用流线型设计，在水中重量数十公斤（根据水深和海况进行调节），可以有效的使锚泊钢缆处于可上下振动的悬直状态。整个锚泊装置除了具有锚定作用外，还具有能够有效传递海表面波浪势能的功能。其传递波浪能的原理是:海面浮球大约有一半体积露出水面，悬挂在注塑钢缆下面的张紧锤离海底有数米的距离,25m左右长的储链处于半悬状态，这样，锚泊注塑钢缆在水中近似处于悬直状态，当波浪带到动海面浮球起伏时，连于海面浮球下面的锚泊注塑钢缆便上下作小幅振动，从而有效的将海面波浪能传递下去，直达海底。2.3控制系统驱动电机的动作情况受控于控制系统，控制系统的组成情况如图5所示。|电路电源|电g电源|图5控制系统原理示意Fig

19、.5Working河ncipleframeofthecontrolsystem控制系统对此波浪驱动式观测系统的控制原理为:在搭载平台下潜的过程中，控制电路不断的读取深度信息，当搭载平台下潜到海底或预设的深度后，控制电路发出命令，让驱动电机带动凸轮转动一定的角度，凸轮推开棘爪机构上的可动半夹槽，使棘爪机构此时处于非工作状态,搭载平台则在自身正浮力的作用下上浮至水面或事先设定的深度。此后，控制电路再发送控制命令使驱动电机反转一定的角度，带动凸轮恢复原位，棘爪机构又处于工作状态，带动搭载平台再次步进下潜。如此反复，搭载平台就可以在水下一定深度范围内上下不停的循环运动，由其搭载的传感器进行海洋要素的测

20、量，这样可以由单一传感器实现对海洋要素的连续垂直剖面测量。3海上试验及结果仪器系统制作完成后，于2007年1月进行了海上性能测试。选择某近海作为测试地点，具体的位置为:北纬36。4二东经120°成。经现场测定，该处水深为40m,现场波高1530cm,流速11.5m/s（试验的后半段波高和流速变大）。试验前，在控制系统中，将水面深度预设为-2m,这样就保证搭载平台循环运行的上限高度为水下2m处，采样频率设置为1秒/次。仪器系统所搭载的CTD传感器测量的温盐深试验数据随时间变化曲线如图6所示。从图6可以看出：在110min左右的时间内，搭载平台完成了10个深度为20m的循环运行，经查看系

21、统保存的数据文件，得到搭载平台运行情况统计如表1所示。第3期陈永华.等:波浪驱动式海洋要素垂直剖面持续测量搭载系统93_-一'i：lw京:沪洌/0*1L1312.,，】2_03060901200306090120°%306090120累计采样时间/min累计采样时间/min索计采样时间/min图6测量要素随时间变化曲线Fig.6ExperimentdatiunofCFD表1搭载平台运行情况统计表Tab.1Statisticaltableofthecarryingplatform'srunningcondition次数12345678910下降用时11*36*83Z6&

22、#39;5尸6"1189'54"8"W4T5'35”上升用时51”3V8T1.3”r3(rT5"T2T3'6"213”2,15"通过表1可以看出：1)搭载平台下降速度要远远小于其上升速度，因此在上升的过程中很快就会完成剖面数据的测量和记录，出于整个系统低功耗的考虑,选择搭载平台上升时，由传感器采集数据，并进行存储;2)搭载平台升降过程所用时间与前面的设计有一定的误差，这主要是由于测试现场浪高较小，面流速较大，海流的作用致使整个锚泊装置发生了较大倾斜，对搭载平台的运动造成了较大影响;3)搭载平台完成一个20m的下

23、降和上浮循环，用时在814min之间，据此可以推算此波浪驱动的剖面测量系统完成一个200m深度垂直升降所用时间在1h20min到21)20min之间，这样的话，一天可以完成数个垂直剖面测量，完全可以满足海洋学上的需求。4结语通过研究研制随波性能好的海面浮标和高效传递波浪能的锚泊装置、易于架设各类传感器的搭载平台装置、具有高可靠性的单向滑动棘爪凸轮机构和高度集成的控制系统，形成了一种借助波浪能作为搭载平台驱动力的海洋要素垂直剖面测量系统。该测量系统可在浪高20cm的情况下被激活，设计下潜的最大深度为200m,系统连续工作时间不小于90天，可以搭载海水温度、盐度、深度及海流监测等传感器。该系统具有以下优点：1)搭载乎台在水面下作上下循环运行，某类传感器只需一个,就可实现海洋要素垂直剖面连续测量;2)搭载平台依靠水面波浪能进行驱动下潜，无需人为供给动力能源.只是在运行方式的转换时，动作一下驱动电机，其消耗的电池能源是非常少的，这样就可以保证整个系统在无人值守的情况下长期运行;3)波浪能直接转化，提高了转化的效率，同时简洁的波浪能转化机构，不但降低制造成本，而且保证了系统运行的稳定性;4)本系统以一种