一種深層水質采樣裝置的設計

楊逸飛　徐永同　李旭晟

【摘? 要】目前市面上主要存在的水質采樣裝置容易受水流的影響，無法獲得特定深度的水樣，并且必須由人工攜帶并操作。這些缺點為深層水質采樣帶來了困難。為了克服這些不足，本文設計了一種穩定且實用性高的深層水質采樣裝置，以實現對水環境的立體采樣。該裝置能夠通過壓力傳感器獲得特定深度的水樣，同時，為了降低水流對線纜的影響，裝置采用對稱分布的螺旋槳推進器產生推力使水下運載裝置到達采樣位置。整個裝置由上位機、母船以及水下部分組成，形如水面無人艇與水下有纜機器人結合，通訊可靠，精度高，具有很強的實用性。

【關鍵詞】水質采樣;上位機;壓力傳感器;采樣瓶

1引言

眾所周知，我國人均淡水資源缺乏。隨著我國現代工業的發展，環境污染問題日益嚴重，本就稀缺的淡水資源更加緊張。為了更加有效得利用水資源，人們對水體進行采樣，分析不同深度水體的溫度、水質等信息。目前，水質采樣裝置主要有兩種：傳統機械采樣和電子自控采。然而，對深層水體進行采樣的設備仍然十分缺乏。因此，為了適應深水復雜多變的環境完成采樣任務，設計一種深層水質采樣裝置，開展其受力分析，并且展望了其應用前景。

2深層水質采樣裝置方案設計

2.1母船

圖1為母船的示意圖。母船以雙體船為基礎，進行改進，適合本裝置，母船具有很好的穩定性以及較大的儲存浮力，以應對水下裝置帶來的影響，一方面水下裝置受到水流作用，會隨之擺動，若母船穩定性不夠，容易產生側翻，故穩定性要求較高;另一方面，為了實現采樣設備正常工作，推進器會推動整個水下裝置具有向下運動的趨勢，同時還需要不斷調整采水設備的姿態，母船若儲備浮力不足，則會沉入水底。

2.2水下運載裝置

考慮到水質采樣的可比性與完整性，裝備四個水質采樣瓶，由電磁鐵控制，這樣一來，無論是大水量水質采樣，還是梯度深度水質采樣，均可滿足要求，并且四個采樣瓶對稱分布，增加了水下裝置的穩定性。

壓力傳感器是工程實踐中最常用的傳感器，可以通過測得水下壓強進而得到水下深。將數據反饋到上位機，方便觀察者進行觀察。

動力裝置為四個螺旋槳推進器，對稱分布在水下運載裝置的四周，推進器使其能夠向下運動，保持姿態，降低水流對線纜的作用。

此外，根據要求，可在水下運載裝置上加裝攝像頭，這樣，觀察者可以觀察到水下情況。

2.4相關技術參數

3應用前景

3.1定深

本裝置裝備有壓力傳感器，可以進行梯度深度采樣，獲得特定深度的水樣。

3.2水底勘察

本裝置的水下運載裝置可以裝備攝像頭，從而觀察到水底的地勢、水中生物等。

3.3水樣采集

本裝置最主要的應用便是采集水樣，進行水樣成分分析，以達到對水體相關參數的立體采樣。通過對結果的分析，達到對淡水資源的合理利用以及對污水的有效治理的目的。

并且本裝置具有以下優勢：

a.壓力傳感器與采樣裝置頂推進行結合。既解決了水下準確獲得深度的問題，又能夠避免采樣裝置被水流沖走造成難以深層下潛的問題，還可以提高線纜的使用率。

b.水面無人艇與水下有纜機器人的結合。兩者完美結合，能夠實現較遠距離水下作業，并且可以解決水下運載裝置與上位機的通信的問題。

c.拓展性強。使用開源硬件，可實現二次開發，豐富功能，如在水下運載裝置中添加攝像頭，如此操作者可通過上位機觀察到水下場景。

4結束語

水庫的水質問題關乎人們的健康，對水質進行監測的第一步就是獲得水。因此，水質采樣很重要。現有的采樣裝置存在許多缺點，為了完善這些缺點，本文設計了一種深層水質采樣裝置，可以感測水深進行梯度深度水質采樣、水底勘察等。由于其結構與設計上的優越性，可以廣泛用于水質采樣，對水域進行監測與管理。

參考文獻：

[1]余婭麗，王毅，鄒添丞，等.新型便攜式多深度水質采樣器設計[J].西北水電，2013，（02）：8-10

[2]顧凱.壓力傳感器的數據采集與分析系統[J].工業計量，2010，（04）：33-34.

[3]于晨磊.無線水質采樣器控制系統及水聲通信模塊研究[C].大連理工大學，2018.

基金項目：

國家級大學生創新創業訓練項目（201910217021）

作者簡介：

楊逸飛（1999-），女，漢，2017級本科生，船舶與海洋工程專業。

（作者單位：哈爾濱工程大學）