一种海底岩石表面沉积物多点取样装置的制作方法

1.本发明属于勘查地球化学技术领域，涉及一种海底岩石表面沉积物的取样装置，主要涉及基于遥控无人潜水器（rov）的多点位岩石表面沉积物取样工具。


背景技术：

2.海底热液系统是海洋不同元素重要的源或汇，热液元素的海洋循环过程对研究海洋一些关键生命元素的地球化学循环具有启示意义。海底表面沉积物的化学成分分布情况不仅可用于建立有效的地球化学特征指标，而且同时沉积物地球化学异常与矿床具有紧密联系，因此研究沉积物地球化学异常对示踪海底热液活动以及地球化学找矿具有重要的价值。然而，热液喷口周围某些区域多为破碎或蚀变的玄武岩，海底表层沉积物采样困难，若采用电视抓斗或多管等常规采样方式，不仅会破坏海底生物的底栖生态环境，违反国际海底管理局环境保护规定，而且还采集不到海底表层的新鲜沉积物。目前虽然有搭载潜水器作业的海底表层沉积物取样装置，但是大多是柱状沉积物采样，可能会破坏沉积物深层结构，且很难采集到复杂海底地形区域的或采样基底为岩石的表面沉积物。针对基于rov的热液微区热液元素分布的网格化调查，采集到岩石表面或复杂地形表层的沉积物对研究海底热液活动及其动力学沉积过程尤为重要。因此，研究环境适应性强的、高效可靠的海底岩石表面沉积物的精准采样装置，可以填补现有海底岩石表面沉积物取样技术的空白，为进一步深入挖掘海底热液区沉积物的元素地球化学异常分布，同时也为准确评估热液活动对海洋元素循环的潜在影响提供条件支持。


技术实现要素：

3.为了解决上述沉积物采样技术问题，本发明的目的在于提供一种海底岩石表面沉积物多点取样装置，实现海底热液区沉积物的元素地球化学异常网格化精准取样分析，操作步骤比较简易，对操作人员要求较低，且取样过程对环境扰动较小，取样效率较高。
4.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种海底岩石表面沉积物多点取样装置，包括吸泥罩、导管、上端抽滤对接腔连接杆、上端抽滤对接腔、上端油缸、上端抽滤对接腔密封橡胶、下端油缸、下端抽滤对接腔、下端抽滤对接腔连接杆、离心泵、伺服电机、上转盘、固定支架、双头螺柱、取样瓶、抽滤瓶、下转盘、rov连接底座、下端抽滤对接腔密封橡胶、透水网纹滤布、沉积物抽滤密封圈、支撑板、排水管；所述导管一端连接吸泥罩，另一端连接上端抽滤对接腔；所述取样瓶的上端安装在上转盘的凹槽位置，与上端抽滤对接腔连接，下端连接抽滤瓶的上端；所述抽滤瓶的下端安装在下转盘的凹槽位置，与下端抽滤对接腔连接；所述上端抽滤对接腔内设有上端抽滤对接腔密封橡胶，并通过上端抽滤对接腔连接杆和固定支架固定在上转盘上；所述上端油缸分别连接上端抽滤对接腔连接杆和上转盘；所述下端抽滤对接腔内设有下端抽滤对接腔密封橡胶，并通过下端抽滤对接腔连接杆和固定支架固定在下转盘；所述下端油缸分别连
接下端抽滤对接腔连接杆和下转盘；所述双头螺柱的两端分别连接上转盘和下转盘；所述伺服电机固定在固定支架的上端，同时连接上转盘；所述离心泵一端连接下端抽滤对接腔，一端安装有排水管；所述固定支架连接在rov连接底座上，并且rov连接底座固定在rov框架上。
5.所述所述吸泥罩的材料采用柔软的橡胶类材质，且边缘呈锯形裙边状。
6.所述导管由硬质连接管和软质可伸缩连接管组成，硬质连接管和软质可伸缩连接管之间通过螺纹拧转的方式连接。硬质连接管长度较短，方便取样时rov机械手控制夹持硬质连接管进行采样作业；软质可伸缩连接管长度可视rov悬停位置与采样位置之间距离机动调整。
7.所述取样瓶下端与抽滤瓶上端的中间放置支撑板和透水网纹滤布，从上到下的顺序依次为取样瓶下端盖、透水网纹滤布、支撑板、透水网纹滤布、抽滤瓶上端盖。
8.所述支撑板上设有大小不规则孔洞且外缘设有凹槽，支撑板两侧分别与取样瓶下端和抽滤瓶上端之间设有沉积物抽滤密封圈，三者通过螺丝固定压紧封装。
9.所述上端抽滤对接腔通过上端油缸控制其上下微调松开或压住上接口，联合上端抽滤对接腔密封橡胶实现取样瓶上端的连接密封。所述下端抽滤对接腔通过下端油缸控制其上下微调松开或压住下接口，联合下端抽滤对接腔密封橡胶实现取样瓶下端的连接密封。
10.所述上转盘与下转盘上分别设有与取样瓶和抽滤瓶所在位置和数量一一对应的孔洞，孔径大小较取样瓶上端口和抽滤瓶下端口的小。
11.所述伺服电机工作时离心泵停止工作，所述上端油缸控制上端抽滤对接腔向上微调移动松开上接口，同时下端油缸控制下端抽滤对接腔向下微调移动松开下接口；所述伺服电机带旋转编码器，可控制上转盘和下转盘转动到预设位置，同时实现取样瓶和抽滤瓶的更换。
12.所述离心泵工作时为取样作业提供动力，将泥水混合物抽吸到取样瓶，通过透水网纹滤布过滤收集表层沉积物，抽滤过的海水经抽滤瓶和离心泵，由排水管被带回海水环境中。此外，离心泵的电机驱动部分与rov的动力模块连接。
13.本发明的优点和积极效果为：1. 环境适应性强：本发明设计的海底岩石表面沉积物多点取样装置前端是一个柔软的橡胶材质的吸泥罩，适合在海底各种复杂地形地貌特征环境下的作业任务，尤其适用于海底地形陡峭或海底分布大量块状岩石区域。
14.2.结构可靠：本发明设计的海底岩石表面沉积物多点取样装置利用离心泵提供动力将泥水混合物抽吸到采样瓶，通过透水网纹滤布过滤收集表层沉积物。
15.3.成本低：本发明设计的海底岩石表面沉积物多点取样装置的零件方便加工，加工成本低；可采用螺栓、螺母等连接方式，以及密封圈密封方式，装配成本低。
16.4.低扰动：本发明设计的海底岩石表面沉积物多点取样装置的吸泥罩横截面积较小，仅影响吸泥罩覆盖区域，且该装置采用离心泵的功率设置到仅能够采集到表层沉积物即可。
17.5.零件易更换：本发明设计的海底岩石表面沉积物多点取样装置零件更换方便，不同结构之间互相独立，可独立更换损坏的零部件。
18.6.采样效率高：本发明设计的海底岩石表面沉积物多点取样装置采用专门带旋转编码器的伺服电机驱动采样瓶的更换，从而实现了取样器一次下海可多次、多点取样，大大节约了水下作业船时，提高了海底复杂地形环境下的表层沉积物取样作业的效率。
19.7.精准取样：本发明设计的取样装置拟搭载rov进行海底岩石表面沉积物采集，可利用rov定位装置以及机械手进行精准取样。
附图说明
20.图1为海底岩石表面沉积物多点取样装置结构示意图。
21.图2为海底岩石表面沉积物多点取样装置等轴侧示意图。
22.图3为海底岩石表面沉积物多点取样装置正视图。
23.图4为海底岩石表面沉积物多点取样装置俯视图。
24.图5为海底岩石表面沉积物多点取样装置剖面图。
25.图6为海底岩石表面沉积物多点取样装置左视图。
26.图7为海底岩石表面沉积物多点取样装置支撑板示意图。
27.其中：1为吸泥罩、2为导管（2.1为硬质连接管、2.2为软质可伸缩连接管）、3为上端抽滤对接腔连接杆、4为上端抽滤对接腔、5为上端油缸、6为上端抽滤对接腔密封橡胶、7为下端油缸、8为下端抽滤对接腔、9为下端抽滤对接腔连接杆、10为离心泵、11为伺服电机、12为上转盘、13为固定支架、14为双头螺柱、15为取样瓶、16为抽滤瓶、17为下转盘、18为rov连接底座、19为下端抽滤对接腔密封橡胶、20为透水网纹滤布、21为沉积物抽滤密封圈、22为支撑板、23为排水管。
具体实施方式
28.下面结合附图和实施例对本发明进一步阐述。
29.如图1～7所示，本发明包括吸泥罩1、导管2、上端抽滤对接腔连接杆3、上端抽滤对接腔4、上端油缸5、上端抽滤对接腔密封橡胶6、下端油缸7、下端抽滤对接腔8、下端抽滤对接腔连接杆9、离心泵10、伺服电机11、上转盘12、固定支架13、双头螺柱14、取样瓶15、抽滤瓶16、下转盘17、rov连接底座18、下端抽滤对接腔密封橡胶19、透水网纹滤布20、沉积物抽滤密封圈21、支撑板22、排水管23；其中，导管2一端连接吸泥罩1，另一端连接上端抽滤对接腔4；取样瓶15的上端安装在上转盘12的凹槽位置，与上端抽滤对接腔4连接，下端连接抽滤瓶16的上端；抽滤瓶16的下端安装在下转盘17的凹槽位置，与下端抽滤对接腔8连接；上端抽滤对接腔4内设有上端抽滤对接腔密封橡胶6，并通过上端抽滤对接腔连接杆3和固定支架13固定在上转盘12上；上端油缸5分别连接上端抽滤对接腔连接杆3和上转盘12；下端抽滤对接腔8内设有下端抽滤对接腔密封橡胶19，并通过下端抽滤对接腔连接杆9和固定支架13固定在下转盘17；下端油缸7分别连接下端抽滤对接腔连接杆9和下转盘17；所述双头螺柱14的两端分别连接上转盘12和下转盘17；所述伺服电机11固定在固定支架13的上端，同时连接上转盘12；离心泵10一端连接下端抽滤对接腔8，一端安装有排水管23；固定支架13连接在rov连接底座18上，并且rov连接底座18固定在rov框架上。
30.本实施例中，吸泥罩的材料采用柔软的橡胶类材质，且边缘呈锯形裙边状。
31.本实施例中，导管2由硬质连接管2.1和软质可伸缩连接管2.2组成，硬质连接管
2.1和软质可伸缩连接管2.2之间通过螺纹拧转的方式连接。硬质连接管2.1长度较短，方便取样时rov机械手控制夹持硬质连接管2.1进行采样作业；软质可伸缩连接管2.2长度可视rov悬停位置与采样位置之间距离机动调整。
32.本实施例中，取样瓶15下端与抽滤瓶16上端的中间放置支撑板22和透水网纹滤布20，从上到下的顺序依次为取样瓶15下端盖、透水网纹滤布20、支撑板22、透水网纹滤布20、抽滤瓶16上端盖。
33.本实施例中，支撑板22上设有大小不规则孔洞且外缘设有凹槽，支撑板22两侧分别与取样瓶15下端盖和抽滤瓶16上端盖之间设有沉积物抽滤密封圈21，三者通过螺丝固定压紧封装。
34.本实施例中，上端抽滤对接腔4通过上端油缸5控制其上下微调松开或压住上接口，联合上端抽滤对接腔密封橡胶6实现取样瓶15上端的连接密封；下端抽滤对接腔8通过下端油缸7控制其上下微调松开或压住下接口，联合下端抽滤对接腔密封橡胶19实现取样瓶15下端的连接密封。
35.本实施例中，上转盘12与下转盘17上分别设有与取样瓶15和抽滤瓶16所在位置和数量一一对应的孔洞，孔径大小较取样瓶15上端口和抽滤瓶16下端口的小。
36.本实施例中，伺服电机11工作时离心泵10停止工作，所述上端油缸5控制上端抽滤对接腔4向上微调移动松开上接口，同时下端油缸7控制下端抽滤对接腔8向下微调移动松开下接口；所述伺服电机11带旋转编码器，可控制上转盘12和下转盘17转动到预设位置，同时实现取样瓶15和抽滤瓶16的更换。
37.本实施例中，离心泵10工作时为取样作业提供动力，将泥水混合物抽吸到取样瓶15，通过透水网纹滤布20过滤收集表层沉积物，抽滤过的海水经抽滤瓶16和离心泵10，由排水管23被带回海水环境中。此外，离心泵10的电机驱动部分与rov的动力模块连接。
38.本发明的工作原理为：作业前需将纯净水充满取样瓶15和抽滤瓶16。实施海底取样作业时，利用机械手夹持硬质连接管2.1，将吸泥罩1移动到指定采样区域。当吸泥罩1准确放置并覆盖拟采集样品，打开离心泵10的控制开关，岩石表面沉积物与海水的混合物同时被抽吸到取样瓶15，通过透水网纹滤布20过滤收集表层沉积物，抽滤过的海水流经抽滤瓶16和离心泵10，由排水管23被带回海水环境中。
39.取样作业完毕，离心泵10停止工作，上端油缸5控制上端抽滤对接腔4向上微调松开上接口，同时下端油缸7控制下端抽滤对接腔8向下微调松开下接口；伺服电机11通过旋转编码器控制并利用花键轴与轴承配合，将上转盘12和下转盘17同时转动到特定位置；此时，上端油缸5控制上端抽滤对接腔4向下微调压紧上接口，同时下端油缸7控制下端抽滤对接腔8向上微调压紧下接口，实现取样瓶15和抽滤瓶16的密封。
40.第二次实施海底取样作业前，上端油缸5控制上端抽滤对接腔4向上微调松开上接口，同时下端油缸7控制下端抽滤对接腔8向下微调松开下接口；伺服电机11通过旋转编码器控制上转盘12和下转盘17转动到下一个取样瓶15和抽滤瓶16；上端油缸5控制上端抽滤对接腔4向下微调压紧上接口，同时下端油缸7控制下端抽滤对接腔8向上微调压紧下接口；重复操作海底取样作业和取样作业完毕流程，直至所需沉积物样品采集完毕，机械手夹持硬质连接管2.1放回采样筐。
41.本发明之一应用实例为：海底热液区开展rov现场调查作业时，拟采集海底热液喷口附近的大块岩石或颗粒状岩石碎块的表面沉积物样品。首先将海底岩石表面沉积物多点取样装置通过rov连接底座18固定搭载在rov上，其中离心泵10、上转盘12、下转盘17、取样瓶15、抽滤瓶16、都通过固定支架13安置在rov框架本体上，吸泥罩1和导管2放置在rov采样筐内。当rov整体没入海水时，吸泥罩1、硬质连接管2.1、软质可伸缩连接管2.2、上端抽滤对接腔4、下端抽滤对接腔8、离心泵10和排水管23都会充满海水，取样瓶15和抽滤瓶16内已提前充满纯净水。海底取样作业时，利用机械手夹持硬质连接管2.2将吸泥罩1移动并准确覆盖在大块岩石或颗粒状岩石碎块上方，打开离心泵10的控制开关，岩石表面沉积物与海水的混合物同时被抽吸到取样瓶15，通过透水网纹滤布20过滤收集表层沉积物，抽滤过的海水流经抽滤瓶16和离心泵10，由排水管23被带回海水环境中。取样作业完毕后，关闭离心泵10，上端油缸5控制上端抽滤对接腔4向上微调松开上接口，同时下端油缸7控制下端抽滤对接腔8向下微调松开下接口；伺服电机11控制上转盘12和下转盘17同时转动到指定位置；上端油缸5控制上端抽滤对接腔4向下微调压紧上接口，同时下端油缸7控制下端抽滤对接腔8向上微调压紧下接口，实现取样瓶15和抽滤瓶16的密封。第二次实施海底取样作业时，上端油缸5和下端油缸7控制打开上端抽滤对接腔4和下端抽滤对接腔8；伺服电机11控制上转盘12和下转盘17转动到下一个取样瓶15和抽滤瓶16；上端油缸5和下端油缸7控制闭合上端抽滤对接腔4和下端抽滤对接腔8；重复操作海底取样作业和取样作业完毕流程，直至所需沉积物样品采集完毕，机械手夹持硬质连接管2.1放回采样筐。
42.海底岩石表面沉积物多点取样装置搭载rov采集海底热液喷口附近复杂地形区域的表层沉积物样品时，取样瓶15和抽滤瓶16内提前充满纯净水。海底取样作业时，利用机械手夹持硬质连接管2.2将吸泥罩1移动并准确覆盖在拟采集样品的上方，打开离心泵10的控制开关，岩石表面沉积物与海水的混合物同时被抽吸到取样瓶15，通过透水网纹滤布20过滤收集表层沉积物，抽滤过的海水流经抽滤瓶16和离心泵10，由排水管23被带回海水环境中。取样作业完毕后，关闭离心泵10，上端油缸5控制上端抽滤对接腔4向上微调松开上接口，同时下端油缸7控制下端抽滤对接腔8向下微调松开下接口；伺服电机11控制上转盘12和下转盘17同时转动到指定位置；上端油缸5控制上端抽滤对接腔4向下微调压紧上接口，同时下端油缸7控制下端抽滤对接腔8向上微调压紧下接口，实现取样瓶15和抽滤瓶16的密封。第二次实施海底取样作业时，上端油缸5和下端油缸7控制打开上端抽滤对接腔4和下端抽滤对接腔8；伺服电机11控制上转盘12和下转盘17转动到下一个取样瓶15和抽滤瓶16；上端油缸5和下端油缸7控制闭合上端抽滤对接腔4和下端抽滤对接腔8；重复操作海底取样作业和取样作业完毕流程，直至所需沉积物样品采集完毕，机械手夹持硬质连接管2.1放回采样筐。
43.上述描述中的实施方案仅涉及本发明的优选实施例，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

技术特征：
1.一种海底岩石表面沉积物多点取样装置，其特征在于：包括吸泥罩（1）、导管（2）、上端抽滤对接腔连接杆（3）、上端抽滤对接腔（4）、上端油缸（5）、上端抽滤对接腔密封橡胶（6）、下端油缸（7）、下端抽滤对接腔（8）、下端抽滤对接腔连接杆（9）、离心泵（10）、伺服电机（11）、上转盘（12）、固定支架（13）、双头螺柱（14）、取样瓶（15）、抽滤瓶（16）、下转盘（17）、rov连接底座（18）、下端抽滤对接腔密封橡胶（19）、透水网纹滤布（20）、沉积物抽滤密封圈（21）、支撑板（22）、排水管（23）；其中，所述导管（2）一端连接吸泥罩（1），另一端连接上端抽滤对接腔（4）；所述取样瓶（15）的上端安装在上转盘（12）的凹槽位置，与上端抽滤对接腔（4）连接，下端连接抽滤瓶（16）的上端；所述抽滤瓶（16）的下端安装在下转盘（17）的凹槽位置，与下端抽滤对接腔（8）连接；所述上端抽滤对接腔（4）内设有上端抽滤对接腔密封橡胶（6），并通过上端抽滤对接腔连接杆（3）和固定支架（13）固定在上转盘（12）上；所述上端油缸（5）分别连接上端抽滤对接腔连接杆（3）和上转盘（12）；所述下端抽滤对接腔（8）内设有下端抽滤对接腔密封橡胶（19），并通过下端抽滤对接腔连接杆（9）和固定支架（13）固定在下转盘（17）；所述下端油缸（7）分别连接下端抽滤对接腔连接杆（9）和下转盘（17）；所述双头螺柱（14）的两端分别连接上转盘（12）和下转盘（17）；所述伺服电机（11）固定在固定支架（13）的上端，同时连接上转盘（12）；所述离心泵（10）一端连接下端抽滤对接腔（8），一端安装有排水管（23）；所述固定支架（13）连接在rov连接底座（18）上，并且rov连接底座（18）固定在rov框架上。2.根据权利要求1所述的海底岩石表面沉积物多点取样装置，其特征在于：所述吸泥罩（1）的材料采用柔软的橡胶类材质，且边缘呈锯形裙边状。3.根据权利要求1所述的海底岩石表面沉积物多点取样装置，其特征在于：所述导管（2）由硬质连接管（2.1）和软质可伸缩连接管（2.2）组成，硬质连接管（2.1）和软质可伸缩连接管（2.2）之间通过螺纹拧转的方式连接；硬质连接管（2.1）长度较短，方便取样时rov机械手控制夹持硬质连接管（2.1）进行采样作业；软质可伸缩连接管（2.2）长度可视rov悬停位置与采样位置之间距离机动调整。4.根据权利要求1所述的海底岩石表面沉积物多点取样装置，其特征在于：所述取样瓶（15）下端与抽滤瓶（16）上端的中间放置支撑板（22）和透水网纹滤布（20），从上到下的顺序依次为取样瓶（15）下端盖、透水网纹滤布（20）、支撑板（22）、透水网纹滤布（20）、抽滤瓶（16）上端盖。5.根据权利要求1所述的海底岩石表面沉积物多点取样装置，其特征在于：所述支撑板（22）上设有大小不规则孔洞且外缘设有凹槽，支撑板（22）两侧分别与取样瓶（15）下端盖和抽滤瓶（16）上端盖之间设有沉积物抽滤密封圈（21），三者通过螺丝固定压紧封装。6.根据权利要求1所述的海底岩石表面沉积物多点取样装置，其特征在于：所述上端抽滤对接腔（4）通过上端油缸（5）控制其上下微调移动松开或压住上接口，联合上端抽滤对接腔密封橡胶（6）实现取样瓶（15）上端的连接密封；所述下端抽滤对接腔（8）通过下端油缸（7）控制其上下微调移动松开或压住下接口，联合下端抽滤对接腔密封橡胶（19）实现取样瓶（15）下端的连接密封。7.根据权利要求1所述的海底岩石表面沉积物多点取样装置，其特征在于：所述上转盘（12）与下转盘（17）上分别设有与取样瓶（15）和抽滤瓶（16）所在位置和数量一一对应的孔洞，孔径大小较取样瓶（15）上端口和抽滤瓶（16）下端口的小。
8.根据权利要求1所述的海底岩石表面沉积物多点取样装置，其特征在于：所述伺服电机（11）工作时离心泵（10）停止工作，所述上端油缸（5）控制上端抽滤对接腔（4）向上微调移动松开上接口，同时下端油缸（7）控制下端抽滤对接腔（8）向下微调移动松开下接口；所述伺服电机（11）带旋转编码器，可控制上转盘（12）和下转盘（17）转动到预设位置，同时实现取样瓶（15）和抽滤瓶（16）的更换。9.根据权利要求1所述的海底岩石表面沉积物多点取样装置，其特征在于：所述离心泵（10）工作时为取样作业提供动力，将泥水混合物抽吸到取样瓶（15），通过透水网纹滤布（20）过滤收集表层沉积物，抽滤过的海水经抽滤瓶（16）和离心泵（10），由排水管（23）被带回海水环境中；此外，离心泵（10）的电机驱动部分与rov的动力模块连接。

技术总结
本发明公开了一种海底岩石表面沉积物多点取样装置，包括吸泥罩、导管、上端抽滤对接腔连接杆、上端抽滤对接腔、上端油缸、上端抽滤对接腔密封橡胶、下端油缸、下端抽滤对接腔、下端抽滤对接腔连接杆、离心泵、伺服电机、上转盘、固定支架、双头螺柱、取样瓶、抽滤瓶、下转盘、ROV连接底座、下端抽滤对接腔密封橡胶、透水网纹滤布、沉积物抽滤密封圈、支撑板、排水管。本发明装置采用离心泵抽吸的方法，通常搭载ROV可实现微区现场调查精准采样，配置了伺服电机驱动采样转盘实现取样瓶精准轮换采样。本发明一次作业可实现海底特殊环境下不同点位的沉积物多次采样，具有结构可靠、成本低、环境适应性强、零件易更换、精度高、效率高等优点。效率高等优点。效率高等优点。


技术研发人员：韩沉花 陈宁特 秦华伟 徐巍军 周建平 郑旻辉 付全有 武光海 高发荣 陈尚国
受保护的技术使用者：自然资源部第二海洋研究所
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/13