本发明专利技术公开了一种振动式采泥器的测控系统，属于振动测试、控制技术以及水下沉积物采集领域。该振动式采泥器测控系统由仪器入水深度测量单元、沉积物固有频率识别单元、振动器振动频率调节单元和上位机组成。仪器入水深度测量单元用于检测入水深度；沉积物固有频率识别单元用来测量不同沉积物的固有频率并据此调节振动器工作频率；振动器振动频率调节单元负责振动器的开启、关闭和调节；上位机包括入水深度显示模块、沉积物固有频率识别模块、振动器频率调节模块、采样信息记录模块、串口通信模块和其他模块。本发明专利技术的有益效果是沉积物采集过程可监测、沉积物的固有频率可测量、振动器的振动频率可调节。适用于以振动器为核心的振动式采泥器。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于振动测试、控制技术以及水下沉积物采集领域，涉及一种用于振动式采泥器的测控装置及测控方法。
技术介绍
水底沉积物是水体的重要构成部分，对水环境具有重要的影响。水底沉积物一般是经过多年沉淀累积而形成，受到沉积特性和污染来源不同的影响，在深度上水底沉积物的组分和浓度都不一致，它具有明显的层理结构特点，表现为分层现象。因此需要一套采集样本时能获取多层次沉积物样本的采样设备。当前较为常用的沉积物采样设备主要是抓斗采泥器和重力式采泥器。抓斗采泥器利用抓斗抓取表层沉积物，不满足多层次采样的需求。重力式采泥器使用重力作为采样动力源，利用采泥器本身的重力砸入沉积物中获得柱状样品，这种采样通常效果不佳，主要原因在于：一、采样管的贯入深度取决于采泥器重力，当获得较长沉积物样品时采泥器需要很大的配重，给采样过程带来困难，往往需要使用绞车等设备提升采样器；二、仪器砸入沉积物中容易对样品产生较大扰动，不满足原状采样的需求；三、采样时重力式采泥器容易倾斜，导致采集不到沉积物样品，采样成功率较低。在抓斗采泥器和重力式采泥器之后的研究中，以振动方式进行沉积物采样的振动式采泥器特点较为突出，它以振动器作为采样动力源，提高了采样效率。这种采集方式通过振动器的振动作用使得与采样管壁接触的沉积物产生“液化”现象，破坏采样管与沉积物之间的粘结力，减小沉积物对采样管的侧面阻力，从而使得采泥器更加顺利贯入沉积物。由共振原理知，当振动器的振动频率接近沉积物的固有频率时，振动系统将产生共振现象，而此时最利于振能的利用，沉积物液化效果也是最好，采样效率将极大提高。由于沉积物是逐年累积形成，一般来说，表层沉积物较为稀软，越往深处，沉积物逐渐变硬。因此，不同地点、不同层次沉积物的固有频率不尽相同。为了更大的利用振动作用和液化现象，选择与不同沉积物固有频率近似的振动频率进行采样能够极大提高采样效
率和采样成功率。丹麦KC-Denmark公司的振动式沉积物采样器在传统柱状采泥器的基础上配备了振动器，这种振动式采泥器比常规采泥器采样效率提高，它还有相应的调速器对振动器的振动频率进行调节，但是这种频率调节具有盲目性，具体的振动频率值也不明确，同时采样深度也不好把握。中国专利技术专利授权公告号101713709公开了一种液体振动取样器，利用海水作为振动器的能量源，这种取样器需要配备较大的气仓，而且该采样器的振动频率不可以调节。中国专利技术专利公布号CN104792574A公布了一种直线共振式冰下海底沉积物取样器，这种振动式采样器的共振指的是两个振动电机共振产生直线振动，并不是振动采样器与沉积物的共振，而且这种采样器的振动频率不可调节，这些都不能高效利用振动器采集沉积物样品。综上所述，现有的沉积物采样设备不能够高效采集沉积物样品且智能化程度不高，采样时的状态不能监测、不能根据不同沉积物层选择合适的振动频率，因此，需要研发振动式采泥器的测控系统，实现高效智能采集沉积物。本专利技术研究在国家自然科学基金委科学仪器基础研究专项项目(51327004)资助下完成。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种振动式采泥器的测控系统，该测控系统用于监测和控制振动式采泥器，适用于采集水库、河流、湖泊等地的沉积物；能够解决当前采泥器采样效率低、采样过程不可监测与控制等问题，具有沉积物固有频率在线测量、振动器振动频率调节、采样过程实时监测等功能。本专利技术的技术方案如下：一种振动式采泥器的测控系统，包括下位机和上位机，下位机与上位机通过串口通信设置模块4-5进行通信，实现信息传输和有效控制。所述的下位机包括仪器入水深度测量单元、沉积物固有频率识别单元和振动器振动频率调节单元。所述的仪器入水深度测量单元包括压力传感器、AD转换单元和数据采集
卡。所述的压力传感器安装在振动器上，随采泥器下放水中，用来检测仪器入水深度，AD转换单元将压力传感器输出的模拟信号转化为数字信号，通过数据采集卡采集数字信号，利用RS-485串口通信实时将该数字信号发送至上位机，上位机中显示仪器入水深度曲线，从而通过深度信息指导沉积物采样工作的开展。所述的沉积物固有频率识别单元包括振动器、压电式加速度传感器、信号调理单元和数据采集卡。所述的振动器用来输出频率能够调节的振动信号，用作沉积物固有频率识别单元的输入信号；所述的压电式加速度传感器固定在振动器上，用来测量振动式采泥器工作时系统的加速度信号；信号调理单元将压电式加速度传感器输出的加速度模拟电压信号转化为标准电压信号，通过数据采集卡对标准电压信号进行采集，利用RS-485串口通信将其以数字信号的形式发送至上位机；上位机由LabVIEW软件编写而成，通过处理数字信号，寻找振动采样系统的共振频率，从而测量出沉积物的固有频率。所述的振动器振动频率调节单元主要是通过调节振动器中电动机的转速，调节振动器的振动频率。振动器振动频率调节单元主要包括振动器、驱动单元、单片机控制板和串口通信单元。振动器由步进电动机带动振动块产生振动作用，作为沉积物采样器的动力源。步进电动机每转动一周，振动器振动一次，因此振动频率等于电机转动频率。单片机用于输出控制信号给驱动单元，步进电动机驱动单元接收控制信号并输出控制信号实现振动器的开启、关闭与频率调节。所述的振动器是控制对象，上位机与单片机控制板构成的下位机通过串口通信单元通信，上位机发送指令开启和关闭振动器。当需要对振动器振动频率进行调节时，上位机输入相应振动频率值作为设定值，转化为单片机控制板所需调节的参数值，通过串口通信单元发送到单片机控制板中，开启调节振动器的振动频率。所述的上位机由LabVIEW软件编写而成，主要包括仪器入水深度显示模块、沉积物固有频率识别模块、振动器振动频率调节模块、采样工作信息记录模块、串口通信设置模块和系统工作状态操作模块。所述的仪器入水深度显示模块用
来接收下位机传送过来的数字信号，转化为入水深度值并在上位机界面中实时显示出来，指导采样过程；所述的沉积物固有频率识别模块通过处理采集上来的振动采样系统的加速度数字信号，利用快速傅里叶变换方法(FFT)将时域信号转化为频域信号，接着将其转化为位移状态下的幅频曲线，寻找最大幅度，其对应的频率即为系统共振频率，也近似为沉积物的固有频率，上位机界面中显示测量的加速度曲线和经过信号处理测量出的沉积物固有频率值；所述的振动器振动频率调节模块通过上位机界面可以实现对振动器的开启、关闭和振动频率调节时的设定值输入，利用串口通信将信息发送到下位机的单片机中控制振动器的工作状态；所述的采样工作信息记录模块记录采样的时间、地点及其他采样信息；所述的串口通信设置模块用于配置各单元的串口信息，实现与下位机的有效通信；所述的系统工作状态操作模块用于各模块的开启与关闭以及保存采样时的各数据。上述振动式采泥器的测控系统的操作方法，具体为：通过仪器入水深度测量单元检测仪器入水深度，指导沉积物采样工作的开展。当需要调节振动器的工作频率时，利用沉积物固有频率识别单元中的压电式加速度传感器测量振动采样系统的加速度信号，在上位机中对接收到的加速度数字信号进行处理，首先利用快速傅里叶变换方法(FFT)将该加速度的时域信号转化为频域信号，接着将其转化为位移状态下的幅频曲本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种振动式采泥器的测控系统，其特征在于，包括下位机和上位机(4)，下位机与上位机(4)通过串口通信设置模块(4‑5)进行通信，实现信息传输和有效控制；所述的下位机包括仪器入水深度测量单元(1)、沉积物固有频率识别单元(2)和振动器振动频率调节单元(3)；所述的仪器入水深度测量单元(1)检测仪器入水深度，包括压力传感器(1‑3)、AD转换单元(1‑2)和数据采集卡(1‑1)；所述的压力传感器(1‑3)安装在振动器(3‑3)上，压力传感器(1‑3)输出的模拟信号经AD转换单元(1‑2)转化为数字信号，通过数据采集卡(1‑1)将数字信号发送到上位机(4)中，上位机(4)利用数值变化将数字信号转化为深度值；所述的沉积物固有频率识别单元(2)测量沉积物的固有频率，包括振动器(3‑3)、压电式加速度传感器(2‑2)、信号调理单元(2‑1)和数据采集卡(1‑1)；所述的振动器(3‑3)输出频率能够调节的振动信号，作为沉积物固有频率识别单元(2)的输入信号；所述的压电式加速度传感器(2‑2)固定在振动器(3‑3)上，测量振动采样系统的加速度信号；信号调理单元(2‑1)将压电式加速度传感器(2‑2)输出的加速度模拟电压信号转化为标准电压信号，数据采集卡(1‑1)采集标准电压信号，将其以数字信号的形式发送到上位机(4)，上位机(4)处理数字信号，得到沉积物的固有频率；所述的振动器振动频率调节单元(3)调节振动器(3‑3)的振动频率，包括振动器(3‑3)、驱动单元(3‑2)、单片机控制板(3‑1)和串口通信单元(3‑4)；所述的单片机控制板(3‑1)构成的下位机与上位机(4)通过串口通信单元(3‑4)通信，上位机(4)发送指令开启和关闭振动器(3‑3)，并调节振动器(3‑3)的振动频率；所述的上位机(4)包括仪器入水深度显示模块(4‑1)、沉积物固有频率识别模块(4‑2)、振动器振动频率调节模块(4‑3)、采样工作信息记录模块(4‑4)、串口通信设置模块(4‑5)和系统工作状态操作模块(4‑6)；所述的仪器入水深度显示模块(4‑1)实时显示仪器入水深度；所述的沉积物固有频率识别模块(4‑2)显示振动采样系统的加速度曲线和经过信号处理测量出的沉积物固有频率值；所述的振动器振动频率调节模块(4‑3)通过上位机界面实现振动器(3‑3)的开启、关闭和振动频率调节时的设定值输入；所述的采样工作信息记录模块(4‑4)记录采样的时间、地点及其他采样信息；所述的系统工作状态操作模块(4‑6)开启与关闭各模块，及保存采样时的各数据。...
【技术特征摘要】
1.一种振动式采泥器的测控系统，其特征在于，包括下位机和上位机(4)，下位机与上位机(4)通过串口通信设置模块(4-5)进行通信，实现信息传输和有效控制；所述的下位机包括仪器入水深度测量单元(1)、沉积物固有频率识别单元(2)和振动器振动频率调节单元(3)；所述的仪器入水深度测量单元(1)检测仪器入水深度，包括压力传感器(1-3)、AD转换单元(1-2)和数据采集卡(1-1)；所述的压力传感器(1-3)安装在振动器(3-3)上，压力传感器(1-3)输出的模拟信号经AD转换单元(1-2)转化为数字信号，通过数据采集卡(1-1)将数字信号发送到上位机(4)中，上位机(4)利用数值变化将数字信号转化为深度值；所述的沉积物固有频率识别单元(2)测量沉积物的固有频率，包括振动器(3-3)、压电式加速度传感器(2-2)、信号调理单元(2-1)和数据采集卡(1-1)；所述的振动器(3-3)输出频率能够调节的振动信号，作为沉积物固有频率识别单元(2)的输入信号；所述的压电式加速度传感器(2-2)固定在振动器(3-3)上，测量振动采样系统的加速度信号；信号调理单元(2-1)将压电式加速度传感器(2-2)输出的加速度模拟电压信号转化为标准电压信号，数据采集卡(1-1)采集标准电压信号，将其以数字信号的形式发送到上位机(4)，上位机(4)处理数字信号，得到沉积物的固有频率；所述的振动器振动频率调节单元(3)调节振动器(3-3)的振动频率，包括振动器(3-3)、驱动单元(3-2)、单片机控制板(3-1)和串口通信单元(3-4)；所述的单片机控制板(3-1)构成的下位机与上位机(4)通过串口通信单元(3-4)通信，上位机(4)发送指令开启和关闭振动器(3-3)，并调节振动器(3-3)的振动频率；所述的上位机(4)包括仪器入水深度显示模块(4-1)、沉积物固有频率识别模块(4-2)、振动器振动频率调节模块(4-3)、采样工作信息记录模块(4-4)、串口通信设置模块(4-5)...
【专利技术属性】
技术研发人员：许士国，蒋坤，高卫国，汪天祥，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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