波浪驅(qū)動式海洋要素垂直剖面持續(xù)測量搭載系統(tǒng).docx

1、第26卷第3期海洋工程Vol.26No.32008年8月THEOCEANENGINEERINGAug.2008文章編號:1005-9865(2008)03-0089-05波浪驅(qū)動式海洋要素垂直剖面持續(xù)測量搭載系統(tǒng)陳永華很，李思忍2,龔德俊2,徐永平2,姜靜波之(1.青島科技大學(xué)，山東青島266061;2.中國科學(xué)院海洋研究所，山東青島266071)摘要:新型海洋要素觀測平臺能侈提升人類對海洋進(jìn)行持續(xù)現(xiàn)場監(jiān)測的能力。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種借助于波浪能雖進(jìn)行驅(qū)動的海洋要素垂直剖面測貿(mào)搭載系統(tǒng)。對系統(tǒng)的總體構(gòu)成與工作原理、各部件的設(shè)計(jì)制作過程、以及系統(tǒng)海試的情況作了論述c海試結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)初步達(dá)到了預(yù)

2、期的目的，實(shí)現(xiàn)無人值守情況下對海洋要素垂直剖面的持續(xù)長期觀測。關(guān)鍵詞:波浪驅(qū)動;海洋要素;垂直剖面測呈搭載平臺;持續(xù)觀測中圖分類號:F715.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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、要素現(xiàn)場觀測對海洋學(xué)研究、海洋工程建設(shè)和海上國防安全等人類活動是必需的。由于海洋要素隨時(shí)間和空間的變化比較緩慢，為了研究某一現(xiàn)象，往往需要對定點(diǎn)的垂直剖面或多點(diǎn)的水平剖面進(jìn)行現(xiàn)場持續(xù)觀測(可能長達(dá)數(shù)年)。而海洋觀測依賴于觀測平臺和傳感器，相對于純技術(shù)性的傳感器來說，持續(xù)觀測會更多的依賴于所能提供的可靠性觀測平臺。以往進(jìn)行海洋剖面參數(shù)的測量，多數(shù)由船載傳感器或采用由潛標(biāo)分層敷設(shè)傳感器組來進(jìn)行。這兩類傳統(tǒng)的測量方法,對于需求越來越大的海洋觀測來說，通常認(rèn)為是不夠的，由船載儀器配合絞車往返多次完成測量，即使數(shù)天的連續(xù)觀測，也會耗費(fèi)大量人力和財(cái)力；采用傳統(tǒng)潛標(biāo)測量,則需要分層敷設(shè)多個傳感器,不但大大增

6、加了設(shè)備成本，而且由于K期無人值守的觀測，能源供給是一大難題。另一方面，海上無時(shí)不存在著波浪能，而且這個能量是巨大的,研究發(fā)現(xiàn):波浪能的大小與波浪的周期成正比，與浪高的平方成正比。單位寬度上的波浪能量的計(jì)算公式pqh2t(1)式中：P為單位波前寬度上的波浪功率(kW/m)；r為波浪周期(s);H為波高(m)。假如波高3m,周期7s時(shí)，跨過1m海面的海浪所具有的波浪功率就有63kW/m。如果能夠借助海上無時(shí)不在的巨大的波浪能，來收稿日期：2007-07-20基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40776061)；中科院重大儀器裝備研制資助項(xiàng)目(135072607)作者簡介:陳永華(1976-).

7、51.山東棗莊人.博士，主要從事海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的研究。驅(qū)動搭載傳感器的搭載平臺沿錨泊纜上下循環(huán)運(yùn)行，連續(xù)進(jìn)行水體參數(shù)測量:，則是解決上述困難的一個較好方案。1海洋要素測量系統(tǒng)組成與工作原理基于對波浪能量的運(yùn)用,設(shè)計(jì)了一種由波浪驅(qū)動的海洋要素垂直剖面測量系統(tǒng)。圖1簡明地給出了波浪驅(qū)動式海洋要素垂直剖面測量系統(tǒng)的組成情況。監(jiān)測系統(tǒng)的上端是漂浮著的海面浮標(biāo)，它的下端連著近200m長的錨泊注塑鋼纜,錨泊注塑鋼纜懸垂到近海底，其下端到海底之間又依次連有張緊錘、儲鏈、重物錨塊和大抓力錨，搭載平臺的一側(cè)固定著上導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、棘爪機(jī)構(gòu)和下導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，錨泊注塑鋼纜穿過這三個機(jī)構(gòu),就使搭載平臺騎附在錨泊注塑鋼纜上。系

8、統(tǒng)整體分為兩部分個是由海面浮標(biāo)、鏈接機(jī)構(gòu)、錨泊注塑鋼纜、張緊錘、釋放器、儲鏈、重物錨塊和大抓力錨組成的波浪能傳遞和引導(dǎo)系統(tǒng);另一個是搭載有測量傳感器、棘爪機(jī)構(gòu)、電源和控制系統(tǒng)等的搭載平臺。海底圖1波浪驅(qū)動系統(tǒng)組成與工作原理Fig.1'Hieformationandworkingprincipleoftheprofilero3錨泊注塑鋼纜4上導(dǎo)向機(jī)構(gòu)5搭載平臺6麻爪-7下導(dǎo)8張緊9儲鏈10重11大中12 平13 爪固定底板14固定半夾槽15可動半夾槽16恢復(fù)彈簧17鈴爪轉(zhuǎn)臂18韓爪轉(zhuǎn)軸19電機(jī)轉(zhuǎn)軸20凸輪，構(gòu)整套系統(tǒng)工作原理是:海面浮標(biāo)隨波浪起伏，帶動錨泊注塑鋼纜在海水中作上下方向小幅振

9、動。當(dāng)纜隨浪向下運(yùn)動時(shí)，棘爪機(jī)構(gòu)抓緊錨泊注塑鋼纜，隨纜下滑，而搭載平臺與傳動棘爪機(jī)構(gòu)是固定在一起的，所以搭載平臺也被錨泊注塑鋼纜帶著下行；當(dāng)纜向上運(yùn)動時(shí)，棘爪松開錨泊注塑鋼纜，由于慣性搭載平臺滯留原位，纜繩反復(fù)上下振動，就會不斷重復(fù)上面的過程，這樣，搭載平臺就被一步步帶動，沿著錨泊注塑鋼纜下滑。棘爪機(jī)構(gòu)間跋性抓緊和松脫錨泊注塑鋼纜（浪伏纜下時(shí)抓緊，浪起纜上時(shí)松脫）的原理為：棘爪機(jī)構(gòu)主要包括棘爪固定底板、固定半夾槽、可動半夾槽、恢復(fù)彈簧、棘爪轉(zhuǎn)臂和棘爪轉(zhuǎn)軸，棘爪整體固定到平臺架體上，固定半夾槽和可動半夾槽為兩個齒合“V”型夾槽,固定半夾槽安裝于棘爪固定底板上，可動半夾槽與棘爪轉(zhuǎn)臂的一端相連,棘爪

10、轉(zhuǎn)臂另一端可繞棘爪轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，這樣棘爪轉(zhuǎn)臂可帶著可動半夾槽轉(zhuǎn)動，使兩個夾槽齒合的間隙可以發(fā)生變化,錨泊注塑鋼纜穿過兩夾槽的齒合面，恢復(fù)彈簧的主體穿在棘爪轉(zhuǎn)軸，它的兩端分別卡在棘爪固定底板和棘爪轉(zhuǎn)臂上，其恢復(fù)力使可動半夾槽貼緊錨泊注塑鋼纜。當(dāng)錨泊注塑鋼纜向下運(yùn)動時(shí)，由于摩擦力，它就會帶動可動半夾槽逆時(shí)針轉(zhuǎn)動,這樣兩夾槽就會夾緊錨泊注塑鋼纜,棘爪機(jī)構(gòu)處于抓緊狀態(tài)，隨錨泊注塑鋼纜一起向下運(yùn)動；當(dāng)錨泊注塑鋼纜向上運(yùn)動時(shí)，依靠摩擦力，帶動可動半夾槽順時(shí)針轉(zhuǎn)動，兩夾槽松開錨泊注塑鋼纜,棘爪機(jī)構(gòu)處于松脫狀態(tài)。這樣，棘爪機(jī)構(gòu)通過間歇性抓緊和松脫運(yùn)動,借助波浪能將與其連在一起的搭載平臺向下驅(qū)動。當(dāng)搭載平臺下潛到海

11、底或預(yù)設(shè)的深度時(shí)，由驅(qū)動電機(jī)帶動凸輪轉(zhuǎn)動一定的角度，凸輪推開傳動棘爪上的可動半夾槽,使棘爪機(jī)構(gòu)徹底松開錨泊注塑鋼纜，搭載平臺在自身正浮力的作用下上浮到水面或事先設(shè)定的深度。而后驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)一定的角度，帶動凸輪恢復(fù)原位，棘爪機(jī)構(gòu)處于工作狀態(tài)，又可以帶動搭載平臺步進(jìn)下潛。如此反復(fù)，搭載平臺就可以在水下一定深度范圍內(nèi)上下不停的循環(huán)運(yùn)動，由其搭載的傳感器進(jìn)行海洋要素的測量。2搭載系統(tǒng)各部件的設(shè)計(jì)與制作2.1搭載平臺搭載平臺是搭載測量傳感器并帶動傳感器進(jìn)行垂直剖面運(yùn)動的載體，如圖2所示。以條形鈦板焊成的矩形平臺架體作為支撐架，左外側(cè)從上到下依次固定著上導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、棘爪機(jī)構(gòu)和下導(dǎo)向機(jī)構(gòu),右外側(cè)固定著測量傳感

12、器（如CTD）,內(nèi)部中上側(cè)是提供浮力的兩個浮球，內(nèi)部下側(cè)固定著密封艙，密封艙內(nèi)裝有電源、控制系統(tǒng)電路和驅(qū)動電機(jī)等，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)軸伸出密封艙外后，其端部固定著凸輪，并且密封艙與傳感器有信號電91陳永華，等:波浪驅(qū)動式海洋要素垂直剖面持續(xù)測址搭載系統(tǒng)纜相連。平臺前后兩側(cè)罩有兩片流線型導(dǎo)流保護(hù)殼。'魅個搭載平臺所有部件空氣中重大約43kg,兩個直徑分別為36cm和28cm的浮力浮球,直徑為14cm、長為37cm的圓柱形密封艙，以及傳感器、平臺架體等排水所提供浮力大約45kg,這樣，搭載平臺水中正浮力為2kg左右。搭載平臺下潛的過程中，其外表面近似為橢球狀,由流體力學(xué)可知，所受阻力大小近似為:式

13、中：G為阻力系數(shù);p為流體密度(海水密度)；5為特征面積(物體與流體垂直方向的最大橫截面積)技為重心速度(物體的速度)。根據(jù)搭載平臺的外形和外表面粗糙程度，結(jié)合其所受的水體雷諾數(shù)的情況，G取=1.0o由圖3算得搭載平臺橫截面積S=0.1742rr?；海水密度p=1000kg/n?；搭載平臺在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到和波面下降同樣的速度，按極限情況下,波周期7=3s,浪高=0.2m計(jì)算，即：八0.2/1.5m/so將這些參數(shù)值代進(jìn)算得P阻=1.55No在極限情況下，即波周期7=3s,浪高/7=0.2m,由式(1)得：1個波周期內(nèi)跨過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下導(dǎo)向機(jī)帕做爪機(jī)構(gòu)=密封艙一平臺架體一CTD傳感器一圖2搭載平臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成實(shí)物示意Fig.2Internalformationofthecarryingplatform圖3搭載平臺水平截面Fig.3CrosssectionofthecarryingplatibmiJ,直徑為0.9m的海面浮標(biāo)所能接受的最大波浪能為：360x0.9=324L按一個波浪周期3s內(nèi)搭載平臺下潛距離與波高相同，即下潛0.2m計(jì)算,單次下潛需要吸收的能量為E=E浮+E動+E阻(3)式中：為搭載平臺克服正浮力P正(P浮設(shè)計(jì)制作為2kgf)下潛所吸收的能愀E浮=F正兒下降

15、=2x9.8x0.2=3.92J(4)占動為搭載平臺自身動能增加所吸收能量E動=平臺護(hù)=yx43x(y|)2=0.38J(5)E阻為搭載平臺下降克服水體阻力吸收的能嵬E阻=P阻x人下降=1.55x0.2=0.31J(6)所以單次下潛吸收的總能量:為：£=4.6J<<324Jo因此，在正常情況下利用波浪可以有效的使搭載平臺步進(jìn)下潛到預(yù)定深度。搭載平臺依靠一定的正浮力P上浮、到達(dá)極限上浮速度，即收尾速度。后,通過式(2)可得：P=yCv2(7)本搭載平臺水下正浮力P的大小為2kgfo由式(7)可推得搭載平臺的收尾速度為:v=V1xx0H42m/s(8)2.2錨泊裝置"

16、;錨泊裝置采用單點(diǎn)繃緊式，如圖1所示。錨泊裝置的最上端是漂浮著的海面浮標(biāo),海面浮標(biāo)下端連著錨泊注塑鋼纜，鋼纜下端綴著一數(shù)10kg的張緊錘,其后到海底依次連接著儲鏈、重物錨塊和大張力錨。海面浮標(biāo)包括錨燈、不銹鋼球殼和鏈接機(jī)構(gòu)等，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示,所設(shè)計(jì)海面浮標(biāo)的主尺度是:球形錨燈上加強(qiáng)筋（礦一圖4海面浮標(biāo)結(jié)構(gòu)組成Fig.4Formationofthesurfacefloatt0IA*4AT=2Dir浮體，直徑0.9m,吃水0.450m,球殼壁厚3mm,空氣中總重量為75kg,這樣海面浮標(biāo)的自搖周期：式中M為海面浮標(biāo)質(zhì)量慣性距（轉(zhuǎn)動慣量），大小約為10kg-m2；A4為附加水質(zhì)量慣性距，按浮標(biāo)的

17、10%計(jì),取為1kgm2；為海面浮標(biāo)排水量,半徑為0.45m的海面浮標(biāo)工作時(shí)大約有一半體積浸入水中，其排水量約為190.8kg浦為浮標(biāo)穩(wěn)心至重心的距離，海面浮標(biāo)的半徑0.45m。將這些參數(shù)帶到公式，計(jì)算得海面浮標(biāo)的自搖周期T=2.2s,遠(yuǎn)離常遇波的周期（一般認(rèn)為48s）,不會致使浮標(biāo)發(fā)生劇烈的搖擺甚至傾覆。錨泊裝置中的錨泊注塑鋼纜是經(jīng)過特殊制作的注塑鋼纜，內(nèi)芯為們優(yōu)質(zhì)鋼絲繩，外面進(jìn)行注塑封裝處理后直徑為11mm。它的剛性和韌性要恰到好處，且具有一定的抗拉伸性能,同時(shí)又具有較高的防腐蝕能力，并且它浸入海水里的表面摩擦系數(shù)也需要考慮。裝置中的張緊錘綴于錨泊注塑鋼纜下部，起到繃直錨泊注塑鋼纜的作用，

18、它采用流線型設(shè)計(jì)，在水中重量數(shù)十公斤（根據(jù)水深和海況進(jìn)行調(diào)節(jié)），可以有效的使錨泊鋼纜處于可上下振動的懸直狀態(tài)。整個錨泊裝置除了具有錨定作用外，還具有能夠有效傳遞海表面波浪勢能的功能。其傳遞波浪能的原理是:海面浮球大約有一半體積露出水面，懸掛在注塑鋼纜下面的張緊錘離海底有數(shù)米的距離,25m左右長的儲鏈處于半懸狀態(tài)，這樣，錨泊注塑鋼纜在水中近似處于懸直狀態(tài)，當(dāng)波浪帶到動海面浮球起伏時(shí)，連于海面浮球下面的錨泊注塑鋼纜便上下作小幅振動，從而有效的將海面波浪能傳遞下去，直達(dá)海底。2.3控制系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)的動作情況受控于控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的組成情況如圖5所示。|電路電源|電g電源|圖5控制系統(tǒng)原理示意Fig

19、.5Working河ncipleframeofthecontrolsystem控制系統(tǒng)對此波浪驅(qū)動式觀測系統(tǒng)的控制原理為:在搭載平臺下潛的過程中，控制電路不斷的讀取深度信息，當(dāng)搭載平臺下潛到海底或預(yù)設(shè)的深度后，控制電路發(fā)出命令，讓驅(qū)動電機(jī)帶動凸輪轉(zhuǎn)動一定的角度，凸輪推開棘爪機(jī)構(gòu)上的可動半夾槽，使棘爪機(jī)構(gòu)此時(shí)處于非工作狀態(tài),搭載平臺則在自身正浮力的作用下上浮至水面或事先設(shè)定的深度。此后，控制電路再發(fā)送控制命令使驅(qū)動電機(jī)反轉(zhuǎn)一定的角度，帶動凸輪恢復(fù)原位，棘爪機(jī)構(gòu)又處于工作狀態(tài)，帶動搭載平臺再次步進(jìn)下潛。如此反復(fù)，搭載平臺就可以在水下一定深度范圍內(nèi)上下不停的循環(huán)運(yùn)動，由其搭載的傳感器進(jìn)行海洋要素的測

20、量，這樣可以由單一傳感器實(shí)現(xiàn)對海洋要素的連續(xù)垂直剖面測量。3海上試驗(yàn)及結(jié)果儀器系統(tǒng)制作完成后，于2007年1月進(jìn)行了海上性能測試。選擇某近海作為測試地點(diǎn)，具體的位置為:北緯36。4二東經(jīng)120°成。經(jīng)現(xiàn)場測定，該處水深為40m,現(xiàn)場波高1530cm,流速11.5m/s（試驗(yàn)的后半段波高和流速變大）。試驗(yàn)前，在控制系統(tǒng)中，將水面深度預(yù)設(shè)為-2m,這樣就保證搭載平臺循環(huán)運(yùn)行的上限高度為水下2m處，采樣頻率設(shè)置為1秒/次。儀器系統(tǒng)所搭載的CTD傳感器測量的溫鹽深試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出：在110min左右的時(shí)間內(nèi)，搭載平臺完成了10個深度為20m的循環(huán)運(yùn)行，經(jīng)查看系

21、統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)文件，得到搭載平臺運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。第3期陳永華.等:波浪驅(qū)動式海洋要素垂直剖面持續(xù)測量搭載系統(tǒng)93_-一'i：lw京:滬洌/0*1L1312.,，】2_03060901200306090120°%306090120累計(jì)采樣時(shí)間/min累計(jì)采樣時(shí)間/min索計(jì)采樣時(shí)間/min圖6測量要素隨時(shí)間變化曲線Fig.6ExperimentdatiunofCFD表1搭載平臺運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表Tab.1Statisticaltableofthecarryingplatform'srunningcondition次數(shù)12345678910下降用時(shí)11*36*83Z6&

22、#39;5尸6"1189'54"8"W4T5'35”上升用時(shí)51”3V8T1.3”r3(rT5"T2T3'6"213”2,15"通過表1可以看出：1)搭載平臺下降速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上升速度，因此在上升的過程中很快就會完成剖面數(shù)據(jù)的測量和記錄，出于整個系統(tǒng)低功耗的考慮,選擇搭載平臺上升時(shí)，由傳感器采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲;2)搭載平臺升降過程所用時(shí)間與前面的設(shè)計(jì)有一定的誤差，這主要是由于測試現(xiàn)場浪高較小，面流速較大，海流的作用致使整個錨泊裝置發(fā)生了較大傾斜，對搭載平臺的運(yùn)動造成了較大影響;3)搭載平臺完成一個20m的下

23、降和上浮循環(huán)，用時(shí)在814min之間，據(jù)此可以推算此波浪驅(qū)動的剖面測量系統(tǒng)完成一個200m深度垂直升降所用時(shí)間在1h20min到21)20min之間，這樣的話，一天可以完成數(shù)個垂直剖面測量，完全可以滿足海洋學(xué)上的需求。4結(jié)語通過研究研制隨波性能好的海面浮標(biāo)和高效傳遞波浪能的錨泊裝置、易于架設(shè)各類傳感器的搭載平臺裝置、具有高可靠性的單向滑動棘爪凸輪機(jī)構(gòu)和高度集成的控制系統(tǒng)，形成了一種借助波浪能作為搭載平臺驅(qū)動力的海洋要素垂直剖面測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)可在浪高20cm的情況下被激活，設(shè)計(jì)下潛的最大深度為200m,系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間不小于90天，可以搭載海水溫度、鹽度、深度及海流監(jiān)測等傳感器。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)搭載乎臺在水面下作上下循環(huán)運(yùn)行，某類傳感器只需一個,就可實(shí)現(xiàn)海洋要素垂直剖面連續(xù)測量;2)搭載平臺依靠水面波浪能進(jìn)行驅(qū)動下潛，無需人為供給動力能源.只是在運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)換時(shí)，動作一下驅(qū)動電機(jī)，其消耗的電池能源是非常少的，這樣就可以保證整個系統(tǒng)在無人值守的情況下長期運(yùn)行;3)波浪能直接轉(zhuǎn)化，提高了轉(zhuǎn)化的效率，同時(shí)簡潔的波浪能轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)，不但降低制造成本，而且保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性;4)本系統(tǒng)以一種