一种电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标与监测系统的制作方法

本发明属于海洋监测，具体涉及一种电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标及海域监测系统。

背景技术：

1、为了保障渔业发展和海洋安全，海事和气象等部门需要对海洋信息进行全面监测。监测浮标是一种重要的海洋监测方式，监测浮标是一种集成有各种水文监测仪器并配置供电装置的小型浮体。将监测浮标部署在海域中，可以自动收集相关的水文信息，浮标中的通信模块可以将监测数据自动发送到岸基的基站或终端处。

2、海洋监测浮标可以实现对大范围的海域的水文信息进行自动监测，但也存在一些缺陷。例如，目前大部分海洋监测浮标体积重量大，成本高，并且存在布放、续航以及通信困难等问题。检测浮标中检测仪器的功耗较高，自备的蓄电池的续航不足时，容易导致监测信号丢失；因而需要进行频繁的回收和充电等操作，难以实现全面的海洋信息监测。

技术实现思路

1、为了解决现有海洋监测浮标功耗高、续航时间短、需要频繁回收和维护等缺点，本发明提供一种电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标及对应的海域监测系统。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、一种电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标，其包括上壳体、下壳体、海洋监测模组、纠偏磁体和电耦合发电传感模块。

4、其中，上壳体内包括第一腔体；上壳体的底部的周向设有环形的浮板。下壳体与下壳体密封固定连接；下壳体内包括第二腔体。海洋监测模组位于第一腔体内，并用于实现水文信息采集、定位、电力存储以及数据的存储和无线传输。纠偏磁体嵌入式安装在上球壳中的浮板内，用于利用地磁场调整浮标的水平朝向。

5、电耦合发电传感模块位于第二腔体内，并包括定磁球、间隔球壳、球壳电极、随动磁球，以及多个线圈。定磁球位于由介电材料制备而成的间隔球壳内。间隔球壳固定连接在第二腔体的上部。球壳电极位于间隔球壳中下半球的表面。球壳电极包括内层电极和外层电极，内层电极和外层电极均为由四个弧形电极片构成的环形电极，二者同心布设。环形电极中各个弧形电极间具有间隙，且内层电极和外层电极中弧形电极片的间隙分布具有45°的相位差。各个弧形电极片通过独立的信号线与海洋监测模组电连接。随动磁球磁力吸附在间隔球壳下方；弧形电极片的间隙宽度小于随动磁球与间隔球壳的接触点直径。线圈嵌入在下壳体的壳壁内，各个线圈与海洋监测模组中的储能模块电连接。

6、作为本发明进一步的改进，电耦合发电传感模块用于检测海域表层水流的动力信息，并利用水流的动能发电。水流驱动浮标横向摆动，进而使得随动磁球沿间隔磁球表面滚动；随动磁球滚动时在球壳电极上产生用于分析水流方向、速度和加速度信息的摩擦电信号，并改变线圈的磁通量进而产生交变电流。

7、作为本发明进一步的改进，纠偏磁体采用正方体永磁体，各个纠偏磁体在环形的浮板内均匀分布且朝向相同。

8、作为本发明进一步的改进，海洋监测模组中包括控制器，储能模块、数据存储模块、定位模块和无线通讯模块。储能模块、数据存储模块、定位模块、无线通讯模块与控制器电连接。储能模块用于存储线圈中产生的电能。数据存储模块与球壳电极电连接，用于记录随动磁球运动所产生的摩擦电信号。定位模块用于确定浮标的地理位置信息。无线通讯模块用于在浮标与基站或卫星间实现通信。

9、作为本发明进一步的改进，球壳电极的旋转对称中心位于间隔球壳表面的最低点，内层电极中的间隔位于浮标回正后的正东、正西、正南、正北方向。外层电极中的间隔位于浮标回正后的东南、东北、西北、西南方向。控制器根据采集到的摩擦电信号查询预设的编码规则表，进而生成对应的水流运动方向。

10、作为本发明进一步的改进，定位模块采用北斗定位模块。

11、且/或

12、浮板采用轻质发泡材料制备而成。

13、作为本发明进一步的改进，纠偏磁体、定磁球和随动磁球均采用钕铁硼永磁体制备而成。

14、且/或

15、间隔球壳采用聚四氟乙烯球壳。

16、作为本发明进一步的改进，上壳体采用带底板的锥桶型。下壳体中第二腔体的上端呈圆柱形，下段呈半球形。间隔球壳和定磁球的组合体位于柱形腔和半球形腔的交界处，定磁球的球心位于下方半球形腔的球心处。

17、且/或，

18、半球型腔的半径等于间隔球壳的半径与随动磁球的直径之和。

19、作为本发明进一步的改进，下壳体采用包含外壳和内壳的分体结构；线圈通过线圈支架固定在内壳的外表面。

20、本发明还包括一种海域监测系统，其包括多个浮标以及一个海岸终端。浮标采用如前述的电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标。浮标布放在待监测的海域；浮标按照预设的周期上传采集到的水文信息和位置信息。海岸终端与各个浮标通过无线通信模块直接通信连接，或通过卫星间接通信连接。海岸终端获取目标海域内所有浮标采集到的水文信息和位置信息，并基于获取到的数据分析出目标海域的海况。

21、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

22、本发明将浮标壳体结构设计为不倒翁结构，并结合内部组件空间布局的优化设计降低浮标的重心，使得浮标在水中可以呈较为稳定的半潜状态。在静稳或较小风浪条件下保证浮标不发生翻滚，并且可以随着水体横向摆荡。

23、本发明的浮标中设置环形浮板用于，调整浮力并提升浮标的稳定性，浮板内安装的纠偏磁体则可以进一步保证浮标在摆动过程中总是可以朝向固定的方向，这为实现风浪方向检测提供了可靠的基准方向。

24、本发明浮标采用了一种全新设计的电耦合发电传感模块，其可以进行运动信息检测和发电，进而克服传统的基于陀螺仪等器件的运动检测方式能耗高，且容易受到磁场干扰的问题。同时，本发明的浮标方案可以在风浪运动检测的同时进行发电，进而保证充足的能量供应，克服传统浮标容易发生因电池耗尽而失联的弊端。

技术特征：

1.一种电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标，其特征在于，其包括：

2.如权利要求1所述的电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标，其特征在于：所述电耦合发电传感模块用于检测海域表层水流的动力信息，并利用水流的动能发电；水流驱动浮标横向摆动，进而使得随动磁球沿间隔磁球表面滚动；随动磁球滚动时在球壳电极上产生用于分析水流方向、速度和加速度信息的摩擦电信号，并改变线圈的磁通量进而产生交变电流。

3.如权利要求1所述的电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标，其特征在于：所述纠偏磁体采用正方体永磁体，各个纠偏磁体在环形的浮板内均匀分布且朝向相同。

4.如权利要求1所述的电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标，其特征在于：所述海洋监测模组中包括控制器，储能模块、数据存储模块、定位模块、无线通讯模块；储能模块、数据存储模块、定位模块、无线通讯模块与所述控制器电连接；所述储能模块用于存储线圈中产生的电能；所述数据存储模块与球壳电极电连接，用于记录随动磁球运动所产生的摩擦电信号；所述定位模块用于确定浮标的地理位置信息；所述无线通讯模块用于在浮标与基站或卫星间实现通信。

5.如权利要求4所述的电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标，其特征在于：所述球壳电极的旋转对称中心位于间隔球壳表面的最低点，内层电极中的间隔位于浮标回正后的正东、正西、正南、正北方向；外层电极中的间隔位于浮标回正后的东南、东北、西北、西南方向；所述控制器根据采集到的摩擦电信号的电平状态查询预设的编码规则表，进而生成对应的水流运动方向。

6.如权利要求1所述的电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标，其特征在于：所述定位模块采用北斗定位模块；

7.如权利要求1所述的电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标，其特征在于：所述纠偏磁体、定磁球和随动磁球均采用钕铁硼永磁体制备而成

8.如权利要求1所述的电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标，其特征在于：所述上壳体采用带底板的锥桶型；

9.如权利要求8所述的电磁-摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标，其特征在于：所述下壳体采用包含外壳和内壳的分体结构；所述线圈通过线圈支架固定在内壳的外表面。

10.一种海域监测系统，其特征在于，其包括

技术总结
本发明属于海洋监测技术领域，具体涉及一种电磁‑摩擦电耦合的自驱动海域监测浮标及海域监测系统。监测浮标，其包括上壳体、下壳体、海洋监测模组、纠偏磁体和电耦合发电传感模块。上壳体中设有环形的浮板。纠偏磁体嵌入式安装在上球壳中的浮板内，海洋监测模组位于上壳体内，用于实现水文信息采集、定位、电力存储以及数据的存储和无线传输。电耦合发电传感模块位于第二腔体内，并包括定磁球、间隔球壳、球壳电极、随动磁球，以及多个线圈。其可以在风浪驱动浮标摆动时利用摩擦发电效应进行无功耗的运动信息检测，并利用随动磁球滚动而实现电磁感应发电。本发明可以解决现有海洋监测浮标功耗高、续航时间短、需要频繁回收和维护的缺点。

技术研发人员：吴治峄,周瀚林
受保护的技术使用者：北京纳米能源与系统研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10