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行持續(xù)現(xiàn)場監(jiān)測的能力。設(shè)計并實現(xiàn)了一種借助于波浪能雖進行驅(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)計初步達到了預(yù)

2、期的目的，實現(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，往往需要對定點的垂直剖面或多點的水平剖面進行現(xiàn)場持續(xù)觀測(可能長達數(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，也會耗費大量人力和財力；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，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不在的巨大的波浪能，來收稿日期：2007-07-20基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(40776061)；中科院重大儀器裝備研制資助項目(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)運行，連續(xù)進行水體參數(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用,設(shè)計了一種由波浪驅(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)向機構(gòu)、棘爪機構(gòu)和下導(dǎo)向機構(gòu)，錨泊注塑鋼纜穿過這三個機構(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)纜隨浪向下運動時，棘爪機構(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)纜向上運動時，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。棘爪機構(gòu)間跋性抓緊和松脫錨泊注塑鋼纜（浪伏纜下時抓緊，浪起纜上時松脫）的原理為：棘爪機構(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動時，由于摩擦力，它就會帶動可動半夾槽逆時針轉(zhuǎn)動,這樣兩夾槽就會夾緊錨泊注塑鋼纜,棘爪機構(gòu)處于抓緊狀態(tài)，隨錨泊注塑鋼纜一起向下運動；當(dāng)錨泊注塑鋼纜向上運動時，依靠摩擦力，帶動可動半夾槽順時針轉(zhuǎn)動，兩夾槽松開錨泊注塑鋼纜,棘爪機構(gòu)處于松脫狀態(tài)。這樣，棘爪機構(gòu)通過間歇性抓緊和松脫運動,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，由驅(qū)動電機帶動凸輪轉(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)動電機反轉(zhuǎn)一定的角度，帶動凸輪恢復(fù)原位，棘爪機構(gòu)處于工作狀態(tài)，又可以帶動搭載平臺步進下潛。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)運動，由其搭載的傳感器進行海洋要素的測量。2搭載系統(tǒng)各部件的設(shè)計與制作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行垂直剖面運動的載體，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)向機構(gòu)、棘爪機構(gòu)和下導(dǎo)向機構(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)動電機等，驅(qū)動電機轉(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間內(nèi)達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計算，即：八0.2/1.5m/so將這些參數(shù)值代進算得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)向機帕做爪機構(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=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構(gòu)等，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示,所設(shè)計海面浮標(biāo)的主尺度是:球形錨燈上加強筋（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,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，計算得海面浮標(biāo)的自搖周期T=2.2s,遠離常遇波的周期（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，在水中重量數(shù)十公斤（根據(jù)水深和海況進行調(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，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，直達海底。2.3控制系統(tǒng)驅(qū)動電機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)動電機帶動凸輪轉(zhuǎn)動一定的角度，凸輪推開棘爪機構(gòu)上的可動半夾槽，使棘爪機構(gòu)此時處于非工作狀態(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)動電機反轉(zhuǎn)一定的角度，帶動凸輪恢復(fù)原位，棘爪機構(gòu)又處于工作狀態(tài)，帶動搭載平臺再次步進下潛。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)運動，由其搭載的傳感器進行海洋要素的測

20、量，這樣可以由單一傳感器實現(xiàn)對海洋要素的連續(xù)垂直剖面測量。3海上試驗及結(jié)果儀器系統(tǒng)制作完成后，于2007年1月進行了海上性能測試。選擇某近海作為測試地點，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（試驗的后半段波高和流速變大）。試驗前，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數(shù)據(jù)隨時間變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出：在110min左右的時間內(nèi)，搭載平臺完成了10個深度為20m的循環(huán)運行，經(jīng)查看系

21、統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)文件，得到搭載平臺運行情況統(tǒng)計如表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累計采樣時間/min累計采樣時間/min索計采樣時間/min圖6測量要素隨時間變化曲線Fig.6ExperimentdatiunofCFD表1搭載平臺運行情況統(tǒng)計表Tab.1Statisticaltableofthecarryingplatform'srunningcondition次數(shù)12345678910下降用時11*36*83Z6&

22、#39;5尸6"1189'54"8"W4T5'35”上升用時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遠小于其上升速度，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，由傳感器采集數(shù)據(jù)，并進行存儲;2)搭載平臺升降過程所用時間與前面的設(shè)計有一定的誤差，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)計下潛的最大深度為200m,系統(tǒng)連續(xù)工作時間不小于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：1)搭載乎臺在水面下作上下循環(huán)運行，某類傳感器只需一個,就可實現(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行驅(qū)動下潛，無需人為供給動力能源.只是在運行方式的轉(zhuǎn)換時，動作一下驅(qū)動電機，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行;3)波浪能直接轉(zhuǎn)化，提高了轉(zhuǎn)化的效率，同時簡潔的波浪能轉(zhuǎn)化機構(gòu)，不但降低制造成本，而且保證了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性;4)本系統(tǒng)以一種