用于无人船自适应深度调节的原位水质监测装置及方法与流程

本发明涉及水质监测，更具体地说，涉及用于无人船自适应深度调节的原位水质监测装置及方法。

背景技术：

1、传统的水质监测方法主要包括定点采样实验室分析和原位在线监测两种。对于原位监测，尤其是需要获取水体垂直剖面信息的场景，现有技术多采用将传感器固定于某一预设深度，或者通过缆绳手动收放传感器的方式。固定深度监测无法反映水体的垂直分层特性，例如温度、溶解氧、营养盐等参数在不同水深往往存在显著差异，固定点数据缺乏代表性。手动收放方式虽能实现分层监测，但操作繁琐、效率低下，受船体晃动、水流冲击影响大，定位精度差，且存在传感器碰撞底泥导致数据失真及设备损坏的风险。此外，在利用船体进行走航式监测时，传感器滤筒需要根据水深变化实时调整深度以保持在水体中的相对位置，避免触及底泥造成扰动，而现有技术缺乏有效的自动适应机制。虽然存在一些利用浮标或绞车进行深度调节的方案，但其结构复杂、成本高昂，或调节响应速度慢，难以满足船载移动平台对紧凑结构、快速响应和可靠性的要求。因此，迫切需要一种能够自动、精确、可靠地实现传感器滤筒深度自适应调节的原位水质监测装置。

技术实现思路

1、1.发明要解决的技术问题

2、针对现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供了用于无人船自适应深度调节的原位水质监测装置及方法，本发明通过将卷扬驱动结构与闭环控制系统相结合，并辅以防触底设计，在保证结构紧凑性的同时，实现了水质监测过程中传感器深度的自动化调节与稳定控制，能够有效提高多水层水质监测的效率与数据代表性。

3、2.技术方案

4、为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

5、本发明的用于无人船自适应深度调节的原位水质监测装置，包括安装平台、深度调节机构、传感器组件、控制系统、柔性连接件和防触底组件，所述的深度调节机构固定安装于安装平台上，用于驱动柔性连接件收放，以带动传感器组件在水体中作垂向升降运动；

6、所述的传感器组件通过柔性连接件与深度调节机构连接，用于原位采集不同水层的水质参数；

7、所述的控制系统分别与深度调节机构、传感器组件电连接，用于获取传感器组件的实时深度信息，并根据目标深度与实时深度的偏差对深度调节机构进行闭环控制，实现传感器组件的深度自适应调节与精准定位；

8、所述的防触底组件设置于传感器组件的下端，用于检测传感器组件与水体底部的距离，并将距离信号传输至控制系统，在距离低于设定阈值时触发保护控制，避免传感器组件接触并扰动水体底泥。

9、进一步地，所述的安装平台为船载式或浮标式结构，其内部或表面设置有设备安装空间，用于集成控制系统及深度调节机构的驱动部件；

10、所述的深度调节机构采用卷扬驱动方式，包括驱动电机与卷筒结构，通过电机带动卷筒旋转，实现柔性连接件的收放与传感器组件的升降。

11、进一步地，所述的柔性连接件为耐腐蚀钢缆或高分子绳索，且采用双侧对称布置连接于传感器组件的两端，用于提升传感器组件在水体中的垂向稳定性。

12、进一步地，所述的传感器组件包括滤筒以及设置于滤筒内部的水质传感器单元；所述的滤筒用于对内部水质传感器单元提供机械防护，并维持稳定的水体交换环境；所述的水质传感器单元包括温度传感器、溶解氧传感器、电导率传感器、ph 传感器及浊度传感器中的一种或多种。

13、进一步地，所述的控制系统包括深度检测单元与控制单元；所述的深度检测单元采用压力传感器、超声测距传感器或激光测距传感器中的一种或多种，用于获取传感器组件的实时深度信息；所述的控制单元基于目标深度与实时深度的偏差输出控制信号，对深度调节机构执行闭环调节；传感器组件与控制系统之间通过信号线连接，用于实现水质数据及设备状态信息的实时传输。

14、进一步地，所述的防触底组件包括测距传感器及缓冲触底杆；所述的测距传感器用于检测传感器组件与水体底部之间的距离，所述的缓冲触底杆设置于测距传感器的下方，且端部带有弹性缓冲结构；当测距传感器检测到传感器组件与水体底部的距离低于设定阈值时，所述的控制系统控制深度调节机构停止下放，或反向收回柔性连接件。

15、进一步地，所述的深度调节机构还可采用丝杆驱动机构、滑轨驱动机构或浮力调节机构中的一种或多种，替代卷扬驱动方式；所述的控制系统的控制单元采用嵌入式控制器实现，所述的嵌入式控制器包括单片机、树莓派或工业控制器。

16、进一步地，所述的装置适用于走航式水质监测或定点长期监测，支持根据水体总深度变化实时调整传感器组件在水体中的相对位置；所述的装置能够通过预设目标深度，或基于实时水深自适应计算目标深度，实现传感器组件在水体表层、中层或底层的精准定位监测。

17、用于无人船自适应深度调节的原位水质监测装置的方法，包括以下步骤。

18、s1、将安装平台固定于无人船或固定监测平台上，完成深度调节机构、传感器组件、控制系统及防触底组件的电气连接与设备调试；

19、s2、通过控制系统输入预设目标深度，或基于监测水域的实时水深自适应计算目标深度；

20、s3、控制系统控制深度调节机构释放柔性连接件，带动传感器组件向水下放；下放过程中深度检测单元实时采集传感器组件的深度信息，控制系统根据目标深度与实时深度的偏差进行闭环调节，将传感器组件精准定位至目标水层；

21、s4、传感器组件对目标水层的水质参数进行原位采集，采集到的水质数据通过信号线实时传输至控制系统进行存储与处理；

22、s5、下放及监测过程中，防触底组件的测距传感器实时检测传感器组件与水体底部的距离，当距离低于设定阈值时，控制系统控制深度调节机构停止下放或反向收回柔性连接件，避免传感器组件接触并扰动底泥；若发生意外触底，缓冲触底杆通过端部弹性结构吸收冲击；

23、s6、监测任务完成后，控制系统控制深度调节机构收回柔性连接件，将传感器组件提升复位。

24、3.有益效果

25、采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

26、首先，在监测数据的准确性和代表性方面实现了重大提升。通过自动适应水深变化和精确分层定位能力，该装置能够可靠地获取表层、中层、底层等特定水层的水质参数，真实反映水体的垂直分布特征，避免了固定深度监测可能遗漏关键水质梯度信息的问题，为水环境研究、污染溯源、生态评估提供了更全面、更精确的数据支撑。

27、其次，该装置极大地提高了监测作业的自动化水平和效率。传统手动收放传感器的方式耗时费力，且受人为因素和环境干扰大。本发明实现了深度调节的自动化，减少了人工操作，尤其适合于长期、连续、无人值守的监测任务，以及走航式快速调查，大大提升了工作效率和监测频率。

28、第三，该装置有效避免了底泥扰动对监测结果的干扰。其内置的防触底机制（如通过深度传感器反馈控制或机械限位）能够确保传感器在接近底部时自动回避，防止搅动底泥，从而保证了底层水质参数测量的真实性，这对于研究沉积物-水界面交换、底层水体缺氧等科学问题至关重要。

29、第四，该装置的结构设计具有高度的可靠性和适应性。深度调节机构可调节传感器组件的高度，而限位设计则有效防止了因水流、船体运动导致的机构卡死等问题，提高了设备在复杂野外环境下的鲁棒性和使用寿命，降低了故障率和维护需求。

30、第五，该装置具有良好的通用性和可扩展性。其核心深度调节模块可以灵活适配多种水质传感器或采样滤筒，支持电动、浮力等多种驱动方案，可根据实际监测需求（如不同水深、不同传感器重量）进行配置，易于集成到各类船载平台或固定浮标上，应用范围广泛。综上所述，本发明通过创新的自适应深度调节机制和稳健的结构设计，解决了原位水质监测中的关键痛点，在数据质量、操作效率、设备可靠性及适用性方面均带来了实质性的改进。