一種模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置及其方法。本發(fā)明的裝置由探測裝置和深海采礦混響環(huán)境模擬裝置組成。探測裝置由探頭勻速擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、探頭直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、探頭前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及探頭上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成；深海采礦混響環(huán)境模擬裝置由攪拌裝置及料斗組成。本發(fā)明的方法是通過探測裝置的探頭擺動(dòng)或者平移，在前后不同距離、上下不同高度對(duì)地表進(jìn)行采樣，然后將采集到的全部數(shù)據(jù)傳至工控機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及微地形重建，實(shí)現(xiàn)采礦混響環(huán)境下微地形探測到目的。
【專利說明】一種模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水下聲納探測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置及其方法，尤其是針對(duì)高精度、短距離超聲波微地形探測系統(tǒng)中的模擬海洋復(fù)雜工況的探測裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大洋底部蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，隨著科技的發(fā)展以及陸上資源的日益枯竭，人類正在以前所未有的速度向海洋資源開發(fā)進(jìn)軍，海洋礦產(chǎn)資源的開發(fā)已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，而礦產(chǎn)資源開發(fā)的第一步就是探測礦區(qū)的地形地貌，為礦產(chǎn)的最優(yōu)化開采提供重要的理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。
[0003]微地形探測主要應(yīng)用于深海礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中。進(jìn)行微地形探測的主要功能和目的是為深海采礦車或者是在該地面上作業(yè)的其他設(shè)備精確地探測出前方礦石預(yù)采區(qū)域地貌的原始高程數(shù)據(jù)，并且水下微地形探測裝置一般都安裝在采礦車或者其他設(shè)備的前端，離地面的高度低。當(dāng)前進(jìn)行水下微地形探測的方式主要有兩種，一種是機(jī)械接觸式的微地形探測方式，另一種是非接觸式的微地形探測方式。在機(jī)械接觸式探測方式中，由于探針始終與地表接觸易于被海水腐蝕，并且在復(fù)雜的工況下有探針易變形、探測精度不高等缺點(diǎn)，因而接觸式的探測難以廣泛應(yīng)用；非接觸式的微地形探測方式主要包括光電探測和超聲波探測兩種方式，而超聲波微地形探測系統(tǒng)在非接觸式的微地形探測中占有極其重要的地位。
[0004]目前，由于海底作業(yè)環(huán)境的特殊性、當(dāng)前技術(shù)的限制，國內(nèi)直接應(yīng)用于水下微地形探測系統(tǒng)的裝置還很少，各種探測方法都還有待于深入研究和論證。專利號(hào)為201110116752.0的專利公開了一種超聲波水下微地形探測試驗(yàn)裝置及其方法，該裝置能在模擬復(fù)雜海底顛簸工況的同時(shí)，對(duì)清澈水下微地形進(jìn)行探測。此方法沒有考慮實(shí)際采礦時(shí)的混響環(huán)境，然而實(shí)際情況是，當(dāng)采礦設(shè)備在水下進(jìn)行作業(yè)時(shí)，采集頭破碎礦石，必定會(huì)使附近水域變得渾濁；而且此方法沒有考慮探測頭前后不同距離、上下不同高度時(shí)的情況，在實(shí)際采礦混響環(huán)境下探頭的不同位置決定了探測區(qū)域的混響強(qiáng)弱，這也會(huì)對(duì)探測結(jié)果造成很大影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種能夠模擬深海采礦混響環(huán)境并利用超聲波探頭在前后不同距離、上下不同高度作勻速擺動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)對(duì)微地形進(jìn)行探測的裝置及其方法。
[0006]本發(fā)明提供的模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置，由探測裝置和深海采礦混響環(huán)境模擬裝置組成，其特征在于:所述的探測裝置安裝于小車前端，所述的深海采礦混響環(huán)境模擬裝置安裝于小車下方，小車安放于水池之上，使深海采礦混響環(huán)境模擬裝置浸于水中。[0007]本發(fā)明提供的模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置，其探測裝置由探頭勻速擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、探頭直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、探頭前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及探頭上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，所述探頭勻速擺動(dòng)機(jī)構(gòu)由探頭、探頭固定架、平行四邊形機(jī)構(gòu)及電機(jī)構(gòu)成，其特征是:探頭固定在探頭固定架上，探頭固定架固定在軸的一端，軸的另一端固定在平行四邊形機(jī)構(gòu)的一個(gè)短邊的中心處，平行四邊形機(jī)構(gòu)的另一個(gè)短邊中心處固定在軸的一端，軸通過聯(lián)軸器與電機(jī)傳動(dòng)聯(lián)接；所述探頭勻速擺動(dòng)機(jī)構(gòu)通過方管固定在滑桿上，滑桿和套筒構(gòu)成上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征是:滑桿上有若干個(gè)定位孔，孔中插有銷，銷的長度大于滑桿的邊長，銷的露出部分可卡在套筒的U型槽內(nèi)，通過重力作用可達(dá)到上下的方向的定位；所述上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過套筒與滑塊聯(lián)接，滑塊和滑槽構(gòu)成探頭前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征是:滑槽側(cè)邊開有通槽，螺栓穿過所述通槽與滑塊螺紋連接，可將滑塊固定在特定位置；所述探頭前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過滑槽固定在橫板上，橫板、滑軌、絲桿、電機(jī)構(gòu)成探頭直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征是:橫板通過直線軸承安裝在滑軌上，滑軌固定在小車上，絲桿通過軸承座安裝在小車上，電機(jī)與絲桿傳動(dòng)聯(lián)接，絲桿通過絲桿螺母與橫板聯(lián)接。
[0008]本發(fā)明提供的模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置，其深海采礦混響環(huán)境模擬裝置主要由潛水電機(jī)、螺旋槳及料斗構(gòu)成，其特征在于:若干個(gè)螺旋槳固定在軸上，軸兩端通過軸承座安裝在支撐板和支撐板上，潛水電機(jī)安裝在支撐板上，所述潛水電機(jī)與所述軸傳動(dòng)聯(lián)接，支撐板安裝在支架上，支架安裝在小車上；所述料斗固定在橫板上，料斗下端開有通槽，通槽中插有隔板。
[0009]本發(fā)明還提供了模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置的方法，其工作流程為:(I)、下料，有兩種下料方式，一種為將碎石按實(shí)際采礦時(shí)礦石破碎后顆粒大小的不同比例放于料斗中，在小車行進(jìn)時(shí)打開隔板，進(jìn)行下料，另一種為將碎石按實(shí)際采礦時(shí)礦石破碎后顆粒大小的不同比例平鋪在水池底部；(2)、小車放于水池上，攪拌裝置及探頭浸于水中，小車在電機(jī)的帶動(dòng)下模擬采礦車邊采礦石邊慢速行走，攪拌裝置同時(shí)開始工作；(3)、探測，有兩種探測形式，分別為探頭勻速擺動(dòng)和探頭直線運(yùn)動(dòng)，在這兩種運(yùn)動(dòng)形式下探頭又可以在前后不同距離和上下不同高度進(jìn)行采樣；(4)、最后將采集到的全部數(shù)據(jù)傳至工控機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及微地形重建。
[0010]所述試驗(yàn)中，可選擇兩種下料方式，一種是利用料斗進(jìn)行下料，另一種是事先在水池底部平鋪好泥沙礦石顆粒，兩種不同的下料方式又可以與不同的探測形式進(jìn)行組合，所述不同的探測形式為探頭勻速擺動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)，所述的兩種不同探測形式下又可以使探頭處于前后不同距離、上下不同高度來進(jìn)行試驗(yàn)，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，確定出探頭合理的探測形式及探頭在采礦車上的最佳安裝位置。
[0011]本發(fā)明的有益效果在于:由于真實(shí)采礦環(huán)境的特殊性與技術(shù)的局限性，當(dāng)前在實(shí)際工況下超聲信號(hào)的獲取較困難，因此需建立一套能正確模擬實(shí)際工況的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本發(fā)明的試驗(yàn)裝置可以很好的模擬深海采礦時(shí)的混響環(huán)境并對(duì)混響環(huán)境下的微地形進(jìn)行探測，用以解決實(shí)際采礦時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)，為礦產(chǎn)的最優(yōu)化開采提供重要的理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)；所述的試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)探頭的勻速擺動(dòng)的裝置更簡單，操作性更強(qiáng)；另外本試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)探頭在擺動(dòng)、平移兩種探測形式下，在前后不同距離、上下不同高度多種位置下進(jìn)行試驗(yàn)，確定出探頭合理的探測形式及探頭在采礦車上的最佳安裝位置，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、試驗(yàn)逼真的優(yōu)點(diǎn)，滿足科研人員的研究需要。【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明換能器勻速擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施做進(jìn)一步說明。
[0015]如圖1所示，本發(fā)明提供的模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置，由探測裝置和深海采礦混響環(huán)境模擬裝置組成，其特征在于:所述的探測裝置安裝于小車I前端，所述的深海采礦混響環(huán)境模擬裝置安裝于小車I下方，小車I安放于水池之上，使深海采礦混響環(huán)境模擬裝置浸于水中。
[0016]如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供的模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置，其探測裝置由探頭勻速擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、探頭直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、探頭前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及探頭上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，所述探頭勻速擺動(dòng)機(jī)構(gòu)由探頭7、探頭固定架35、平行四邊形機(jī)構(gòu)33及電機(jī)32構(gòu)成，其特征是:探頭7固定在探頭固定架35上，探頭固定架35固定在軸36的一端，軸36的另一端固定在平行四邊形機(jī)構(gòu)33的一個(gè)短邊的中心處，平行四邊形機(jī)構(gòu)33的另一個(gè)短邊中心處固定在軸29的一端，軸29通過聯(lián)軸器31與電機(jī)32傳動(dòng)聯(lián)接；所述探頭勻速擺動(dòng)機(jī)構(gòu)通過方管6固定在滑桿3上，滑桿3和套筒4構(gòu)成上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征是:滑桿3上有若干個(gè)定位孔，孔中插有銷27，銷27的長度大于滑桿3的邊長，銷27的露出部分可卡在套筒4的U型槽內(nèi)，通過重力作用可達(dá)到上下的方向的定位；所述上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過套筒4與滑塊34聯(lián)接，滑塊34和滑槽5構(gòu)成探頭前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征是:滑槽5側(cè)邊開有通槽，螺栓27穿過所述通槽與滑塊34螺紋連接，可將滑塊34固定在特定位置；所述探頭前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過滑槽5固定在橫板21上，橫板21、滑軌18、絲桿24、電機(jī)26構(gòu)成探頭直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征是:橫板21通過直線軸承39安裝在滑軌18上，滑軌18固定在小車I上，絲桿24通過軸承座安裝在小車I上，電機(jī)26與絲桿24傳動(dòng)聯(lián)接，絲桿24通過絲桿螺母與橫板21聯(lián)接。
[0017]深海采礦混響環(huán)境模擬裝置主要由潛水電機(jī)8、螺旋槳14及料斗22構(gòu)成，其特征在于:若干個(gè)螺旋槳14固定在軸13上，軸13兩端通過軸承座安裝在支撐板10和支撐板15上，潛水電機(jī)8安裝在支撐板10上，所述潛水電機(jī)8與所述軸13傳動(dòng)聯(lián)接，支撐板10和支撐板15安裝在支架2上，支架2安裝在小車I上；所述料斗22固定在橫板21上，料斗22下端開有通槽，通槽中插有隔板40。
[0018]利用超聲波對(duì)深海采礦混響環(huán)境下的微地形進(jìn)行探測的模擬裝置的方法的工作流程為:(I)、下料，有兩種下料方式，一種為將碎石按實(shí)際采礦時(shí)礦石破碎后顆粒大小的不同比例放于料斗22中，在小車I行進(jìn)時(shí)打開隔板40，進(jìn)行下料，另一種為將碎石按實(shí)際采礦時(shí)礦石破碎后顆粒大小的不同比例平鋪在水池底部；(2)、小車I放于水池上，攪拌裝置及探頭7浸于水中，小車I在電機(jī)19的帶動(dòng)下模擬采礦車邊采礦石邊慢速行走，攪拌裝置同時(shí)開始工作；(3)、探測，有兩種探測形式，分別為探頭勻速擺動(dòng)和探頭直線運(yùn)動(dòng)，在這兩種運(yùn)動(dòng)形式下探頭7又可以在前后不同距離和上下不同高度進(jìn)行采樣；(4)、最后將采集到的全部數(shù)據(jù)傳至工控機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及微地形重建。
[0019]在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可選擇兩種下料方式，一種是利用料斗22進(jìn)行下料，另一種是事先在水池底部平鋪好泥沙礦石顆粒，兩種不同的下料方式又可以與不同的探測形式進(jìn)行組合，所述不同的探測形式為探頭7勻速擺動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)，所述的兩種不同探測形式下又可以使探頭7處于前后不同距離、上下不同高度來進(jìn)行試驗(yàn)，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，確定出探頭合理的探測形式及探頭在采礦車上的最佳安裝位置。
【權(quán)利要求】
1.一種模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置，由探測裝置和深海采礦混響環(huán)境模擬裝置組成，其特征在于:所述的探測裝置安裝于小車(I)前端，所述的深海采礦混響環(huán)境模擬裝置安裝于小車(I)下方，小車(I)安放于水池之上，使深海采礦混響環(huán)境模擬裝置浸于水中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置，其探測裝置由探頭勻速擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、探頭直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、探頭前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及探頭上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，所述探頭勻速擺動(dòng)機(jī)構(gòu)由探頭(7)、探頭固定架(35)、平行四邊形機(jī)構(gòu)(33)及電機(jī)(32)構(gòu)成，其特征是:探頭(7)固定在探頭固定架(35)上，探頭固定架(35)固定在軸(36)的一端，軸(36)的另一端固定在平行四邊形機(jī)構(gòu)(33)的一個(gè)短邊的中心處，平行四邊形機(jī)構(gòu)(33)的另一個(gè)短邊中心處固定在軸(29)的一端，軸(29)通過聯(lián)軸器(31)與電機(jī)(32)傳動(dòng)聯(lián)接；所述探頭勻速擺動(dòng)機(jī)構(gòu)通過方管出)固定在滑桿(3)上，滑桿(3)和套筒(4)構(gòu)成上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征是:滑桿(3)上有若干個(gè)定位孔，孔中插有銷(27)，銷(27)的長度大于滑桿(3)的邊長，銷(27)的露出部分可卡在套筒(4)的U型槽內(nèi)，通過重力作用可達(dá)到上下的方向的定位；所述上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過套筒(4)與滑塊(34)聯(lián)接，滑塊(34)和滑槽(5)構(gòu)成探頭前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征是:滑槽(5)側(cè)邊開有通槽，螺栓(27)穿過所述通槽與滑塊(34)螺紋連接，可將滑塊(34)固定在特定位置；所述探頭前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過滑槽(5)固定在橫板(21)上，橫板(21)、滑軌(18)、絲桿(24)、電機(jī)(26)構(gòu)成探頭直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征是:橫板(21)通過直線軸承(39)安裝在滑軌(18)上，滑軌(18)固定在小車(I)上，絲桿(24)通過軸承座安裝在小車(I)上，電機(jī)(26)與絲桿(24)傳動(dòng)聯(lián)接，絲桿(24)通過絲桿螺母與橫板(21)聯(lián)接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置，其深海采礦混響環(huán)境模擬裝置由潛水電機(jī)(8)、螺旋槳(14)及料斗(22)構(gòu)成，其特征在于:若干個(gè)螺旋槳(14)固定在軸(13)上，軸(13)兩端通過軸承座安裝在支撐板(10)和支撐板(15)上，潛水電機(jī)(8)安裝在支撐板(10)上，所述潛水電機(jī)(8)與所述軸(13)傳動(dòng)聯(lián)接，支撐板(10)和支撐板(15)安裝在支架⑵上，支架⑵安裝在小車⑴上；所述料斗(22)固定在橫板(21)上，料斗(22)下端開有通槽，通槽中插有隔板(40)。
4.采用權(quán)利要求1所述的模擬深海采礦混響環(huán)境超聲微地形探測裝置的方法，其特征在于:(I)、下料，有兩種下料方式，一種為將碎石按實(shí)際采礦時(shí)礦石破碎后顆粒大小的不同比例放于料斗(22)中，在小車(I)行進(jìn)時(shí)打開隔板(40)，進(jìn)行下料，另一種為將碎石按實(shí)際采礦時(shí)礦石破碎后顆粒大小的不同比例平鋪在水池底部；(2)、小車(I)放于水池上，攪拌裝置及探頭(7)浸于水中，小車(I)在電機(jī)(19)的帶動(dòng)下模擬采礦車邊采礦石邊慢速行走，攪拌裝置同時(shí)開始工作；(3)、探測，有兩種探測形式，分別為探頭勻速擺動(dòng)和探頭直線運(yùn)動(dòng)，在這兩種運(yùn)動(dòng)形式下探頭(7)又可以在前后不同距離和上下不同高度進(jìn)行采樣；(4)、最后將采集到的全部數(shù)據(jù)傳至工控機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及微地形重建。
【文檔編號(hào)】G01S7/52GK103869322SQ201410126287
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】趙海鳴, 李密, 郝奇, 姬雅倩 申請(qǐng)人:中南大學(xué)