深海热液采样器系统改进设计及性能实验研究

摘要

深海热液采样器作为深海热液探测和采样最直接的工具之一，在人们认识和研究热液过程中扮演着不可或缺的重要作用。通过它科学家可以获知热液口的相关物理量、化学量等参数，采集热液样品并最大程度地保持样品的原有状态，带到实验室中进行分析和处理，是科学家认识深海热液环境的一种重要手段。 本文研究的热液采样器是在实验室开发的第三代热液采样器的基础上进行改进设计和性能实验研究。综合应用了机械、电子、液压和密封等多方面知识，达到小型化、低成本化、低功耗和性能稳定的目的。 采样器的改进设计从机械结构和温度测量系统两部分着手。结构方面，对除采样阀以外的其它主要部件进行改进设计，包括：新型的采样阀触发机构、样品容腔及蓄能机构、电路腔等；温度测量系统的改进包括温度板的低功耗设计和相应的控制程序的编写，保证采集到正确的温度数据。 性能实验研究部分工作主要包括：研究采样阀的疲劳性能，估算出阀芯使用寿命及给出设计改进建议；验证采样腔、蓄能腔的内压性能；进行温度板与上位机的通信实验，最后校正AD通道，给出相关公式。 改进设计后的热液采样器各项性能指标经实验验证均达到要求。采样器主要是由化学性能稳定的TC4加工而成，在空气中重7.5kg，采样容积为60ml，预充氮气的压力为热液口压力的1/9，采集60ml的样品大致需要一分钟时间。最大工作深度可达7000m，采集瞬时温度高达400℃的热液。目前已经完成了经改进的热液采样器的设计制造，有一套已被拿到美国明尼苏达大学准备参加海试。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3深海热液采样器技术难点分析

1.4本文研究内容

1.5本章小结

第2章采样器改进设计原理研究

2.1引言

2.2液体静力学基础研究

2.2.1压力及其性质

2.2.2静止液体基本方程

2.2.3帕斯卡原理

2.3“O”形圈及格来圈密封原理研究

2.3.1“O”形圈密封原理研究

2.3.2格来圈密封原理研究

2.4材料疲劳断裂理论研究

2.4.1疲劳定义及疲劳失效特点

2.4.2 S-N曲线

2.4.3疲劳设计准则

2.4.4聚合物材料的疲劳断裂

2.5本章小结

第3章采样器结构改进设计

3.1引言

3.2采样阀触发机构设计

3.2.1材料的选取

3.2.2零部件结构设计

3.2.3机构的优点

3.3样品容腔及蓄能部分设计

3.3.1零部件关键尺寸设计计算

3.3.2强度校核

3.3.3密封部分设计

3.4电路腔及其端盖设计

3.4.1零部件关键尺寸设计计算

3.4.2强度校核

3.5固定架及T形把手设计

3.6本章小结

第4章采样器温度测量系统改进设计

4.1引言

4.2电路改进设计

4.2.1电路整体规划

4.2.2单片机、传感器及电源芯片选型

4.2.3信号调理电路设计

4.2.4与上位机通信电路设计

4.3下位机程序改进设计

4.3.1 MSP430开发调试环境简介

4.3.2初始化子程序设计

4.3.3串口中断服务程序设计

4.3.4 AD采集子程序设计

4.3.5深度低功耗子程序设计

4.3.6程序完整性说明

4.4本章小结

第5章采样器系统性能实验研究

5.1引言

5.2采样阀阀芯疲劳实验性能研究

5.2.1阀芯疲劳实验方案

5.2.2阀芯疲劳实验结果分析

5.3采样腔和蓄能腔内压实验

5.4温度板串口通信实验

5.5温度板AD通道校正实验

5.6本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

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