一种基于无人船的水体取样装置及其使用方法与流程

1.本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种基于无人船的水体取样装置及其使用方法。


背景技术：

2.在环境保护的水质监测以及水文测量的工作中，水样采集是一项重要的环节。它不是简单的进行水样收集，因为提供分析的水样要有代表性，才能准确反映水质参数的浓度和指标。而影响水样采集的因素有很多，如采样点、采样仪器、采样体积、采样方法乃至水样的保存等，任何一个因素的变化都可能导致分析结果的改变。所以如何使采集的水样真实准确地反映水质情况，是监测分析工作首先必须要解决的问题。目前，采样的方式有自动采样和人工采样，两种取样方式各有利弊，传统的人工采样一般往往会使用采样桶或采样瓶进行，具有成本低、比较简单的优点，但这样的方式存在着费时费力的弊端以及存在安全隐患；市面上的自动采样装置出现了基于无人机来完成采样工作的装置，具有自动化程度高、省时省力的优点，但是其存在如下弊端：首先，使用无人机取样，成本投入高，花费大，日常维保也不方便，一般规模的水样检测机构很难承担起其高昂费用；其次，水体采样无人机通过悬挂式采样瓶对水体进行采样，采样瓶开口朝上，由于采样瓶缺少自动封堵结构，水体中的一些垃圾可能会进入采样瓶；另外采样瓶在随着无人机移动时瓶内的水非常容易撒落，导致每次所取的样本体积不一样，无法实现定量取样的目的，使得采集的样本不具代表性；另外，现有的无人机还存在采样瓶不方便进行装卸的问题，影响工作效率。因此，如何设计一种经济实用、可实现自动封堵防止撒落、能够定量取样的采样装置是需要本领域技术人员去考虑的。


技术实现要素：

3.为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种基于无人船的水体取样装置及其使用方法。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
5.本发明提出了一种基于无人船的水体取样装置，包括无人船，所述无人船连接有驱动无人船移动的动力机构；所述无人船上安装有立柱，立柱顶部连接有横板，所述横板上安装有电缸，所述电缸的活塞杆底端连接有取样器；
6.所述取样器包括支撑板，所述支撑板的底部连接有呈倾斜设置的u型架；还包括由磁吸材质制作的保护筒；保护筒设置在u型架内部空腔中且所述保护筒通过销轴与所述u型架相铰接，销轴设置在采样管沿长度方向对称轴的上方；所述保护筒内部套设安装有采样管，所述保护筒一端螺纹连接有端盖；采样管的一端承压在端盖表面，另一端延伸至保护筒外，呈露头状设置；所述采样管的顶部可拆卸安装有密封塞，所述密封塞的顶部呈半球形设置；所述密封塞中心位置开设有贯通的中心孔；
7.所述u型架一侧连接有第一定位板，所述第一定位板底部连接有垫块；所述u型架
还连接有第二定位板，所述第二定位板上安装有磁体片，当保护筒被吸附在磁铁片表面时，保护筒呈竖直状；
8.还包括设置在u型架另一侧呈倾斜设置的挡板，所述挡板与所述支撑板相连；所述挡板一侧表面开设有滑槽，滑槽中滑动连接有滑块，所述滑块连接有封堵板，所述滑槽中连接有弹簧，所述弹簧另一端与所述滑块相连；所述挡板上还设有过水孔，所述过水孔设置在所述滑块下方；
9.当保护筒外壁顶撑在垫块表面时，保护筒呈倾斜状，密封塞的中心孔贴合在挡板表面且中心孔与所述过水孔相连通；此时，封堵板在弹簧弹力作用下压持在所述密封塞表面，使保护筒保持倾斜状态；
10.当保护筒旋转时，密封塞会在旋转过程中顶撑封堵板，封堵板相对挡板发生移动；当保护筒旋转至竖直状态时，保护筒被磁铁片吸附住，封堵板压持在中心孔处并实现对中心孔的封堵；
11.还包括安装在无人船上的控制器，控制器与动力机构以及电缸控制连接，控制器还通过无线通讯模块连接有远程控制终端。
12.更进一步地，所述密封塞还开设有排气孔。
13.更进一步地，所述过水孔中安装有滤网。
14.更进一步地，所述保护筒的筒壁上设置有多个漏水孔。
15.更进一步地，所述保护筒的顶部内部上设置有呈环形的垫圈，所述采样管从所述垫圈内部自由穿过。
16.更进一步地，所述无人船上设置有电源，所述电源与所述电缸及控制器、无线通讯模块电性连接，用于供电。
17.更进一步地，所述无人船前端设置有槽口，取样器通过槽口进入或进出水体。
18.更进一步地，所述挡板的顶部固定连接有连杆，所述连杆与所述支撑板固定相连。
19.上述的基于无人船的水体取样装置的使用方法，包括如下步骤:
20.s1:初始状态时，密封塞的中心孔贴合在挡板表面且中心孔与所述过水孔相连通；此时，封堵板在弹簧弹力作用下压持在密封塞表面，使保护筒保持倾斜状态；在控制器中预设电缸活塞杆的移动距离，设定为l；在取样时，将无人船放入水域中并控制前行到相应取样点，然后控制电缸活塞杆带动取样器下移l距离，使采样管进入到待取样的水体中；
21.s2:水体中的水经过水孔以及中心孔不断流入到采样管中；随着采样中的水体的不断增多，重力不断增大，由于销轴设置在采样管沿长度方向对称轴的上方，保护筒会克服封堵板的压持力，带动采样管绕着销轴转动，并旋转至竖直状态时，保护筒被吸附在磁铁片表面，完成定位；密封塞在旋转过程中，会对滑块及封堵板产生作用力，滑块以及封堵板与挡板之间产生相对位移，当保护筒旋转至竖直状态时，封堵板压持在中心孔处并实现对中心孔的封堵，完成对采集的水样的封堵，防止撒溅；
22.s3:控制电缸上移，电缸带动取样器从水中移出，电缸上移至初始位置；然后控制无人船返回，返回后，拧下端盖，将采样管从底部抽出，并换上新的采样管，拧上端盖，然后将保护筒旋转，使保护筒被吸附在垫块表面，使得保护筒呈倾斜状，然后重复上述步骤，完成多次采样工作。
23.更进一步地，步骤s1中的l需满足如下条件：设定过水孔的最高点为e点，最低点为
d点，当取样器下移距离l后，使得水体的水面位于d点和e点之间；步骤s2中，水体中的水经过水孔以及中心孔不断流入到采样管中，采样管中的空气经中心孔和/或排气孔排出。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.1.本发明结构简单、与无人机相比造价相对低廉，和人工采样方式基本一样，符合现有的标准水质采样流程，整个采样过程操作简单、高效智能，方便远程控制，维护方便，可满足大众的使用需求。
26.2.本发明中的取样器结构设计巧妙，通过设置保护筒，保护筒通过销轴与u型架铰接，且是偏心铰接，保护筒可转动；配合设置的垫块以及磁铁片，可实现采样管的定位；另外，通过设置挡板、封堵板，并且在挡板上开设有滑槽和滑块，封堵板通过滑块可相对挡板进行移动，并且滑块还连接有弹簧，当水样流入到采样管中，采样管及保护筒的重力不断增大，当到达临界状态时，保护筒会带动采样管进行旋转，这个过程无需人工控制，依靠增加的水样的重力可实现采样管的自旋转；当采样管旋转至竖直状态时，封堵板可压持在密封塞的中心孔处，实现对中心孔的封堵，可有效防止已采集到的水样从采集管中撒溅出来；另外，由于到达临界状态，采样管就会旋转，所以进入到采集管中的水样体积是一样的，实现了定量取样，并且定量取样完成后，配合封堵板的封堵，可最大化的保证最终采集到的水样体积一样，使得样本具有代表性，整个过程无需人工控制，纯机械机构，无需复杂的电气结构，成本低，经济实用。
27.3.设置的挡板可以起到定位、封堵的作用，在初始状态时，密封塞的中心孔贴合在挡板表面，又由于在过水孔中设置有滤网，使得水样经过水孔以及中心孔进入，由于中心孔孔径比较小再配合过滤网，可以防止一些大块垃圾进入到采样管中，起到一定的阻隔大块垃圾的作用。
28.4.保护筒筒壁上具有漏水孔，起到减重作用；保护筒的底部螺纹连接有端盖，采样管采用底部进出的方式，方便更换采样管，提高了工作效率。
29.5.密封塞顶部采用独特的半球形设置，其球形面有利于采样管在旋转时减少阻力，便于采样管转动；另外，在密封塞上还可单独设置排气孔，当水流从过水孔流入到采样管中时，排气孔可用来排空采样管中的气体，方便水体流入。
30.6.设置的封堵板、弹簧以及挡板可以起到两方面作用，在初始状态下，采样管及保护筒倾斜设置，垫块起到阻挡限位的作用，而封堵板以及弹簧能够提供压持力，使得保护筒外壁紧贴垫块，保持倾斜状态入水；当水样采集完成后，采样管会旋转，此时封堵板起到封堵中心孔防止撒溅的作用，该部分机构结构简单，相互配合使用，在不同的阶段可以起到不同的作用和目的，非常的巧妙和实用。
附图说明
31.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
32.图1是本发明结构示意图。
33.图2是无人船沿c
‑
c方向结构示意图。
34.图3是取样器结构示意图。
35.图4是沿b方向挡板与滑块配合结构示意图。
36.图5是沿a向u型架俯视图。
37.图6是保护筒、采样管以及密封塞配合剖视图。
38.图7是密封塞局部结构放大剖视图。
39.图8是过水孔以及中心孔局部结构放大图。
40.图9是取样器采样管竖直状态结构示意图。
41.附图标记说明:
42.1无人船；101槽口；2电源；3控制器；4立柱；5横板；6电缸；7支撑板；8连杆；9挡板；91滑槽；92过水孔；10滤网；11滑块；12封堵板；13u型架；14第一定位板；15垫块；16保护筒；161垫圈；17端盖；18采样管；19销轴；20第二定位板；21磁铁片；22密封塞；221中心孔；222排气孔；23弹簧。
具体实施方式
43.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
44.实施例一
45.如图1
‑
9所示，本实施例提出了一种基于无人船1的水体取样装置，包括无人船1，无人船1连接有驱动无人船1移动的动力机构，动力机构为马达及螺旋桨，动力机构为现有技术中常规结构，不做过多阐述；无人船1上安装有立柱4，立柱4顶部连接有横板5，横板5上安装有电缸6，电缸6的活塞杆底端连接有取样器，电缸6用于带动取样器进行升降。
46.上述的取样器包括支撑板7，支撑板7的顶部与电缸6的活塞杆相连，支撑板7的底部连接有呈倾斜设置的u型架13；还包括由磁吸材质制作的保护筒16；保护筒16设置在u型架13内部空腔中且保护筒16通过销轴19与u型架13相铰接，保护筒16通过销轴19可进行转动，销轴19设置在采样管18沿长度方向对称轴的上方，即为偏心设置，这样可保证采样管18在旋转后，管口朝上；保护筒16内部套设安装有采样管18，采样管18可拆卸插设于保护筒16内，方便更换，保护筒16可以起到一定的保护作用；保护筒16一端螺纹连接有端盖17；采样管18的一端承压在端盖17表面，另一端延伸至保护筒16外，呈露头状设置；当需要更换采样管18时，可拧下端盖17，采用由底部插入采样管18的方式。
47.采样管18的顶部可拆卸安装有密封塞22，密封塞22与采样管18相插接，密封塞22的顶部呈半球形设置；密封塞22中心位置开设有贯通的中心孔221。
48.u型架13一侧连接有第一定位板14，第一定位板14底部连接有垫块15，垫块15可呈弧形设置，便于与保护筒16表面相贴合；u型架13还连接有第二定位板20，第二定位板20上安装有磁铁片21，磁铁片21也可呈弧形设置，并与保护筒16表面相贴合，当保护筒16被吸附在磁铁片21表面时，保护筒16呈竖直状。
49.还包括设置在u型架13另一侧呈倾斜设置的挡板9，挡板9与支撑板7相连，具体的，挡板9的顶部固定连接有连杆8，连杆8与支撑板7固定相连。挡板9与第一定位板14分别设置在u型架13的左右两侧。挡板9一侧表面开设有滑槽91，滑槽91可为燕尾槽，滑槽91中滑动连接有滑块11，滑块11连接有封堵板12，封堵板12呈水平设置，滑槽91中连接有弹簧23，弹簧23另一端与滑块11相连。
50.挡板9上还设有过水孔92，过水孔92设置在滑块11下方；过水孔92与中心孔221相适配。
51.当保护筒16外壁顶撑在垫块15表面时，保护筒16呈倾斜状，密封塞22的中心孔221贴合在挡板9表面且中心孔221与过水孔92相连通；此时，封堵板12在弹簧23弹力作用下压持在密封塞22表面，使保护筒16保持倾斜状态；
52.当保护筒16旋转时，密封塞22会在旋转过程中顶撑封堵板12，封堵板12相对挡板9发生移动；当保护筒16旋转至竖直状态时，保护筒16被磁铁片21吸附住，封堵板12压持在中心孔221处并实现对中心孔221的封堵。
53.整个装置还包括安装在无人船1上的控制器，控制器与动力机构以及电缸6控制连接，控制器还通过无线通讯模块连接有远程控制终端。
54.无线通讯模块为wifi、蓝牙、4g等无线网络通讯方式，远程控制终端可以为手机、ipad、遥控器等移动终端设备。
55.保护筒16的筒壁上设置有多个漏水孔，可减轻重量，保护筒16的底部螺纹连接有端盖17，采样管18采用底部进出的方式，方便更换采样管18，提高了工作效率。
56.为了防止采样管18在保护筒16内晃动，保护筒16的顶部内部上设置有呈环形的垫圈，采样管18从垫圈内部自由穿过，垫圈套箍在采样管18外壁上，起到一定的支撑保护作用。
57.无人船1上设置有电源，所述电源与所述电缸6及控制器、无线通讯模块电性连接，用于供电。
58.无人船1前端设置有槽口101，取样器通过槽口101进入或进出水体。
59.上述的基于无人船1的水体取样装置的使用方法，包括如下步骤:
60.s1:初始状态时，密封塞22的中心孔221贴合在挡板9表面且中心孔221与所述过水孔92相连通；此时，封堵板12在弹簧23弹力作用下压持在密封塞22表面，使保护筒16保持倾斜状态；在控制器中预设电缸6活塞杆的移动距离，设定为l；在取样时，将无人船1放入水域中并控制前行到相应取样点，然后控制电缸6活塞杆带动取样器下移l距离，使采样管18进入到待取样的水体中；下降的距离l可根据实际情况自行设定，只要满足水体能够从过水孔92以及中心孔221流入到采样管18中即可。
61.s2:水体中的水经过水孔92以及中心孔221不断流入到采样管18中；随着采样中的水体的不断增多，重力不断增大，由于销轴19设置在采样管18沿长度方向对称轴的上方，保护筒16会克服封堵板12的压持力，带动采样管18绕着销轴19转动，并旋转至竖直状态时，保护筒16被吸附在磁铁片21表面，完成定位；密封塞22在旋转过程中，会对滑块11及封堵板12产生作用力，滑块11以及封堵板12与挡板9之间产生相对位移，当保护筒16旋转至竖直状态时，封堵板12压持在中心孔221处并实现对中心孔221的封堵，完成对采集的水样的封堵，防止撒溅；
62.s3:控制电缸6上移，电缸6带动取样器从水中移出，电缸6上移至初始位置；然后控制无人船1返回，返回后，拧下端盖17，将采样管18从底部抽出，并换上新的采样管18，拧上端盖17，然后将保护筒16旋转，使保护筒16被吸附在垫块15表面，使得保护筒16呈倾斜状，然后重复上述步骤，完成多次采样工作。
63.本发明中的取样器结构设计巧妙，通过设置保护筒16，保护筒16通过销轴19与u型
架13铰接，且是偏心铰接，保护筒16可转动；配合设置的垫块15以及磁铁片21，可实现采样管18的定位；另外，通过设置挡板9、封堵板12，并且在挡板9上开设有滑槽91和滑块11，封堵板12通过滑块11可相对挡板9进行移动，并且滑块11还连接有弹簧23，当水样流入到采样管18中，采样管18及保护筒16的重力不断增大，当到达临界状态时，保护筒16会带动采样管18进行旋转，这个过程无需人工控制，依靠增加的水样的重力可实现采样管18的自旋转；当采样管18旋转至竖直状态时，封堵板12可压持在密封塞22的中心孔221处，实现对中心孔221的封堵，可有效防止已采集到的水样从采集管中撒溅出来；另外，由于到达临界状态，采样管18就会旋转，所以进入到采集管中的水样体积是一样的，实现了定量取样，并且定量取样完成后，配合封堵板12的封堵，可最大化的保证最终采集到的水样体积一样，使得样本具有代表性，整个过程无需人工控制，纯机械机构，无需复杂的电气结构，成本低，经济实用。
64.实施例二
65.继续参考附图1
‑
9，在实施例一的基础上，密封塞22还开设有排气孔222，排气孔222用来排出采样管18中的气体，排气孔222包括竖向通道和斜向通道，其中当采样管18竖直时，斜向通道呈倾斜向上设置，排气孔222采用很细的孔径，可防止水样溅出，另外，斜向通道由于是倾斜向上的，即使有一点水样进入到排气孔222中，水样也会沿着斜向通道再流回到采样管18中，尽最大可能的防止采样到的水样溅出，保证采集到的的水样体积一致，实现定量取样。
66.步骤s1中的l需满足如下条件：设定过水孔92的最高点为e点，最低点为d点，当取样器下移距离l后，使得水体的水面位于d点和e点之间；步骤s2中，水体中的水经过水孔92以及中心孔221不断流入到采样管18中，采样管18中的空气经中心孔221和/或排气孔222排出。这样设置的好处是，方便气体的排出，以及水样的流入。
67.过水孔92中可安装有滤网10，可起到一定的过滤作用。
68.设置的挡板9可以起到定位、封堵的作用，在初始状态时，密封塞22的中心孔221贴合在挡板9表面，又由于在过水孔92中设置有滤网10，使得水样经过水孔92以及中心孔221进入，由于中心孔221孔径比较小再配合过滤网10，可以防止一些大块垃圾进入到采样管18中，起到一定的阻隔大块垃圾的作用。
69.可以看出，密封塞22顶部采用独特的半球形设置，其球形面有利于采样管18在旋转时减少阻力，便于采样管18转动；另外，在密封塞22上还可单独设置排气孔222，当水流从过水孔92流入到采样管18中时，排气孔222可用来排空采样管18中的气体，方便水体流入。
70.通过以上两个实施例可以看出，设置的封堵板12、弹簧23以及挡板9可以起到两方面作用，在初始状态下，采样管18及保护筒16倾斜设置，垫块15起到阻挡限位的作用，而封堵板12以及弹簧23能够提供压持力，使得保护筒16外壁紧贴垫块15，保持倾斜状态入水；当水样采集完成后，采样管18会旋转，此时封堵板12起到封堵中心孔221防止撒溅的作用，该部分机构结构简单，相互配合使用，在不同的阶段可以起到不同的作用和目的，非常的巧妙和实用。
71.所以说，本发明结构简单、与无人机相比造价相对低廉，和人工采样方式基本一样，符合现有的标准水质采样流程，整个采样过程操作简单、高效智能，方便远程控制，维护方便，可满足大众的使用需求。
72.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不
脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。