一种动态监测海洋波高并同步实现摩擦发电的装置及方法与流程

本发明属于电子信息技术领域和新能源开发与利用技术领域，具体涉及一种动态监测海洋波高并同步实现摩擦发电的装置及方法。

背景技术

海浪是最为常见的海水波动现象，与海洋水文研究和波浪能开发利用有着紧密的联系。监测海浪的实时信息，如波高、波向和周期等，对于海岸保护和离岸海上活动也有着重要的意义。海浪的波高、周期是实际物理量信号，且数值不断变化。设计一种能够完成信号的采集，且能够将不断变化的实际物理量信号转化为电信号或时间信号，进而对信号做进一步处理的海浪实时监测仪器显得十分必要。

然而，一般的接触式测量仪器避免不了摩擦，这不仅会对测量结果产生一定的误差，还会造成能量的浪费。摩擦电是自然界中最常见的现象之一，无论是梳头、穿衣还是走路、开车都会遇到，但摩擦电又很难被收集和利用，往往被忽视。

因此，监测海浪实时信息时如何保证测量结果的准确性和能量的最大化利用，是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明针对海浪实时监测过程中由于摩擦引起的测量误差以及如何最大化利用能量的问题，提出一种动态监测海洋波高并同步实现摩擦发电的装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种动态监测海洋波高并同步实现摩擦发电的装置垂直于海平面放置，由浮子系统、底座系统和外壳构成。浮子系统包括一个浮球、四根连杆、一个内圆磁环、四根撑杆和一个外圆环。外圆环的上、下圆环面与海平面平行，外圆环的内、外侧面与海平面垂直，外圆环的圆环面沿周向均匀开有三个供滑杆穿过的通孔，通孔内壁敷设有聚酯纤维薄片层，聚酯纤维薄片层连接有导线；外圆环内侧面沿周向均匀连接有四根撑杆；内圆磁环与外圆环的圆心重合，且两者位于同一平面；内圆磁环外侧面与外圆环内侧面周向连接的四根撑杆的另一端相连；内圆磁环的圆环面沿周向开有四个供连杆穿过的通孔；内圆磁环内侧面敷设有n极磁性材料，外侧面敷设有s极磁性材料；浮球位于海面上，浮球下方连接四根垂直海平面布置的连杆，连杆的另一端插入内圆磁环的圆环表面通孔后使用焊接固定。

底座系统包括一个配重盘、三根滑杆、电能接收模块和海浪监测模块。配重盘上、下表面与海平面平行，配重盘上表面开有三个供滑杆插入固定的盲孔，相邻盲孔间的圆心角为120°；配重盘上表面的盲孔、滑杆与外圆环上的通孔三者在垂直轴线上重合；滑杆一端插入配重盘上表面上的盲孔，另一端穿过外圆环上的通孔，滑杆顶端与滑杆中部安装有限位块，两个限位块之间的滑杆外表面敷设有聚二甲基硅氧烷薄片层，聚二甲基硅氧烷薄片层连接有导线；外圆环可以在两个限位块之间上下滑动。电能接收模块包括一个电流检测器、一个蓄电器、信号传输线和导线；电流检测器和蓄电器安置在配重盘上表面；三根滑杆外表面上的聚二甲基硅氧烷薄片层与外圆环通孔表面的聚酯纤维薄片层相互摩擦产生的电流经导线依次流入电流检测器、蓄电器；电流检测器外接一条信号传输线，蓄电器接收到的电能一部分用于海浪监测模块发射脉冲电流，剩余的电能外输。海浪监测模块包括一个脉冲电流发射器、一个应力波检测器、一个应力波信号分析器、一个消波器以及波导管组成的激励回路；脉冲电流发射器安置在配重盘上表面中心位置；应力波检测器位于脉冲电流发射器的上方、滑杆中部限位块的下方；应力波信号分析器位于脉冲电流发射器旁，安置在配重盘上表面；应力波检测器与应力波信号分析器用导线连接，应力波信号分析器外接一条信号传输线；消波器、应力波检测器和脉冲电流发射器三者由一根平直波导管串接在一起，消波器位于滑杆顶端限位块上部；波导管在消波器上端发生90°的转向，到达滑杆轴线处时再发生向下的90°转向，而后进入滑杆内部回接至脉冲电流发射器，由此形成一个波导管组成的激励回路。

外壳由两个相同的中空塑料质半圆柱体组成，每个半圆柱体上表面开有两个供连杆穿过的通孔，且通孔内部安装有滑动轴承；半圆柱体的下部贴合于配重盘上表面，两个半圆柱体对接后通过螺栓连接固定。

上述的外壳与连杆接触部分、外壳下部与配重盘上表面贴合部分、外壳的对接部分和螺栓连接部分均采取密封防水措施。

本发明采用所述的动态监测海洋波高并同步实现摩擦发电的装置提供一种动态监测海洋波高并同步实现摩擦发电的方法。将整个装置置于海面上，海面无波动时，浮球位于海面之上，底座系统和外壳位于海面之下；当海浪发生时，浮球将跟随海浪上下同步运动，底座系统和外壳由于配重盘的作用，受到的重力与浮力大小相等方向相反，因而底座系统和外壳与浮子系统存在相对位移；浮球、连杆、内圆磁环、撑杆和外圆环属于刚性连接，浮球随海浪上下运动，外圆环和内圆磁环也随海浪同步运动。摩擦发电的方法：海面发生波动，外圆环相对于底座系统中的滑杆上下运动，外圆环上表面的通孔表面敷设的聚酯纤维薄片层与滑杆外表面敷设的聚二甲基硅氧烷薄片层发生相对运动，当摩擦发生时，聚酯纤维薄片层产生电子，聚二甲基硅氧烷薄片层接收电子，两种材料的表面分别带有极性相反的电荷，由此在两种材料之间产生电势差，驱动电子在外电路中往复流动，从而产生电流；产生的电流经由导线依次进入电流检测器和蓄电器，电流检测器外接一根信号外输线，用于分析实时电流状态，从电流的实时信息中反推出聚酯纤维薄片层与聚二甲基硅氧烷薄片层发生相对运动时产生的摩擦力大小，再将摩擦力大小换算成浮球的位移，用于补偿由于机械摩擦引起的海洋波高测量误差；蓄电器储存的电能一部分用于发射脉冲电流，一部分外输至其他设备。动态监测海洋波高的方法：内圆磁环与底座系统存在垂向的相对位移；内圆磁环表面产生了磁环永久磁场，方向由内圆磁环的内侧面指向外侧面；脉冲电流发射器发射脉冲电流，在波导管周围产生一个安培环形磁场，当安培环形磁场与磁环永久磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管内会产生一个应力波脉冲信号，这个应力波脉冲信号以固定的声速传播，并很快被应力波检测器所接收，由于应力波脉冲信号在波导管内的传输时间与应力波检测器之间的距离成正比，通过应力波信号分析器计算出起始脉冲与返回脉冲之间的时间间隔，即可精确地确定某一时刻浮球的高度，也就确定了某一时刻的海面起伏实时状态；再将时间间隔信号外输，就可以在海浪实时状态显示器上得到海面上下位移随时间的变化曲线，从而得到实时波高。

所述的一种动态监测海洋波高并同步实现摩擦发电的装置，有机结合了海浪监测和摩擦发电，二者相辅相成，具有以下优点：

1.将原本无效的、损失的、会引起测量误差的机械摩擦用于发电，提高了能量利用率；

2.通过电信号转换，间接地测量了摩擦大小，进而对浮球的位移进行补偿，提高了测量准确度；

3.海浪监测模块输出的时间间隔信号是一个真正的绝对值，而不是比例的或放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况，更无需定期重标。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图

图2为本发明底座系统结构示意图

图3为本发明内、外圆环结构示意图

图4为本发明动态监测海洋波高原理图

图5为本发明摩擦发电原理图

图6为本发明电流信号传输示意图

其中：1、浮球；2、连杆；3、内圆磁环；4、撑杆；5、外圆环；6、聚酯纤维薄片层；7、外壳；8、配重盘；9、滑杆；10、限位块；11、聚二甲基硅氧烷薄片层；12、电流检测器；13、蓄电器；14、脉冲电流发射器；15、波导管；16、应力波检测器；17、应力波信号分析器；18、消波器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。

如图1所示，一种动态监测海洋波高并同步实现摩擦发电的装置垂直于海平面放置，由浮子系统、底座系统和外壳7构成。浮子系统包括一个浮球1、四根连杆2、一个内圆磁环3、四根撑杆4和一个外圆环5。如图3所示，外圆环5的上、下圆环面与海平面平行，外圆环5的内、外侧面与海平面垂直，外圆环5的圆环面沿周向均匀开有三个供滑杆9穿过的通孔，通孔内壁敷设有聚酯纤维薄片层6，聚酯纤维薄片层6连接有导线；外圆环5内侧面沿周向均匀连接有四根撑杆4；内圆磁环3与外圆环5的圆心重合，且两者位于同一平面；内圆磁环3外侧面与外圆环5内侧面周向连接的四根撑杆4的另一端相连；内圆磁环3的圆环面沿周向开有四个供连杆2穿过的通孔；内圆磁环3内侧面敷设有n极磁性材料，外侧面敷设有s极磁性材料；浮球1位于海面上，浮球1下方连接四根垂直海平面布置的连杆2，连杆2的另一端插入内圆磁环3的圆环表面通孔后使用焊接固定。

如图2所示，底座系统包括一个配重盘8、三根滑杆9、电能接收模块和海浪监测模块。配重盘8上、下表面与海平面平行，配重盘8上表面开有三个供滑杆9插入固定的盲孔，相邻盲孔间的圆心角为120°；配重盘8上表面的盲孔、滑杆9与外圆环5上的通孔三者在垂直轴线上重合；滑杆9一端插入配重盘8上表面上的盲孔，另一端穿过外圆环5上的通孔，滑杆9顶端与滑杆9中部安装有限位块10，两个限位块10之间的滑杆9外表面敷设有聚二甲基硅氧烷薄片层11，聚二甲基硅氧烷薄片层11连接有导线；外圆环5可以在两个限位块10之间上下滑动。电能接收模块包括一个电流检测器12、一个蓄电器13、信号传输线和导线；电流检测器12和蓄电器13安置在配重盘8上表面；三根滑杆9外表面上的聚二甲基硅氧烷薄片层11与外圆环5通孔表面的聚酯纤维薄片层6相互摩擦产生的电流经导线依次流入电流检测器12、蓄电器13；电流检测器12外接一条信号传输线，蓄电器13接收到的电能一部分用于海浪监测模块发射脉冲电流，剩余的电能外输。海浪监测模块包括一个脉冲电流发射器14、一个应力波检测器16、一个应力波信号分析器17、一个消波器18以及波导管15组成的激励回路；脉冲电流发射器14安置在配重盘8上表面中心位置；应力波检测器16位于脉冲电流发射器14的上方、滑杆9中部限位块10的下方；应力波信号分析器17位于脉冲电流发射器14旁，安置在配重盘8上表面；应力波检测器16与应力波信号分析器17用导线连接，应力波信号分析器17外接一条信号传输线；消波器18、应力波检测器16和脉冲电流发射器14三者由一根平直波导管15串接在一起，消波器18位于滑杆9顶端限位块10上部；波导管15在消波器18上端发生90°的转向，到达滑杆9轴线处时再发生向下的90°转向，而后进入滑杆9内部回接至脉冲电流发射器14，由此形成一个波导管15组成的激励回路。

外壳7由两个相同的中空塑料质半圆柱体组成，每个半圆柱体上表面开有两个供连杆2穿过的通孔，且通孔内部安装有滑动轴承；半圆柱体的下部贴合于配重盘8上表面，两个半圆柱体对接后通过螺栓连接固定。

上述的外壳7与连杆2接触部分、外壳7下部与配重盘8上表面贴合部分、外壳7的对接部分和螺栓连接部分均采取密封防水措施。

本发明采用所述的动态监测海洋波高并同步实现摩擦发电的装置提供一种动态监测海洋波高并同步实现摩擦发电的方法。将整个装置置于海面上，海面无波动时，浮球1位于海面之上，底座系统和外壳7位于海面之下；当海浪发生时，浮球1将跟随海浪上下同步运动，底座系统和外壳7由于配重盘8的作用，受到的重力与浮力大小相等方向相反，因而底座系统和外壳7与浮子系统存在相对位移；浮球1、连杆2、内圆磁环3、撑杆4和外圆环5属于刚性连接，浮球1随海浪上下运动，外圆环5和内圆磁环3也随海浪同步运动。如图5所示，摩擦发电的方法：海面发生波动，外圆环5相对于底座系统中的滑杆9上下运动，外圆环5上表面的通孔表面敷设的聚酯纤维薄片层6与滑杆9外表面敷设的聚二甲基硅氧烷薄片层11发生相对运动，当摩擦发生时，聚酯纤维薄片层6产生电子，聚二甲基硅氧烷薄片层11接收电子，两种材料的表面分别带有极性相反的电荷，由此在两种材料之间产生电势差，驱动电子在外电路中往复流动，从而产生电流；如图6所示，产生的电流经由导线依次进入电流检测器12和蓄电器13，电流检测器12外接一根信号外输线，用于分析实时电流状态，从电流的实时信息中反推出聚酯纤维薄片层6与聚二甲基硅氧烷薄片层11发生相对运动时产生的摩擦力大小，再将摩擦力大小换算成浮球1的位移，用于补偿由于机械摩擦引起的海洋波高测量误差；蓄电器13储存的电能一部分用于发射脉冲电流，一部分外输至其他设备。如图4所示，动态监测海洋波高的方法：内圆磁环3与底座系统存在垂向的相对位移；内圆磁环3表面产生了磁环永久磁场，方向由内圆磁环3的内侧面指向外侧面；脉冲电流发射器14发射脉冲电流，在波导管15周围产生一个安培环形磁场，当安培环形磁场与磁环永久磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管15内会产生一个应力波脉冲信号，这个应力波脉冲信号以固定的声速传播，并很快被应力波检测器16所接收，由于应力波脉冲信号在波导管15内的传输时间与应力波检测器16之间的距离成正比，通过应力波信号分析器17计算出起始脉冲与返回脉冲之间的时间间隔，即可精确地确定某一时刻浮球1的高度，也就确定了某一时刻的海面起伏实时状态；再将时间间隔信号外输，就可以在海浪实时状态显示器上得到海面上下位移随时间的变化曲线，从而得到实时波高。

实施例：

如图1所示，本装置以底座系统为基础完成安装；首先安装滑杆9中部限位块10；其次安装连杆2、内圆磁环3、撑杆4和外圆环5，滑杆9穿过外圆环5的圆环面上的通孔，内圆磁环3与外圆环5之间通过撑杆4连接，在外圆环5的外侧面使用螺栓固定，连杆2插入内圆磁环3的圆环面通孔使用焊接固定；第三步安装滑杆9顶端限位块10；第四步安装外壳7，连杆2穿过外壳7上表面通孔，外壳7下部与配重盘8上表面贴合，外壳7两部分对接后使用螺栓固定；第五步将浮球1与连杆2使用焊接固定；最后对外壳7与连杆2接触部分、外壳7下部与配重盘8上表面贴合部分、外壳7的对接部分和螺栓连接部分采取密封防水措施。

安装完毕后，将整个装置置于海面上，海面无波动时，浮球1位于海面之上，底座系统和外壳7位于海面之下；当海浪发生时，浮球1将跟随海浪上下同步运动，底座系统和外壳7由于配重盘8的作用，受到的重力与浮力大小相等方向相反，因而底座系统和外壳7与浮子系统存在相对位移；浮球1、连杆2、内圆磁环3、撑杆4和外圆环5属于刚性连接，浮球1随海浪上下运动，外圆环5和内圆磁环3也随海浪同步运动。摩擦发电的方法：海面发生波动，外圆环5相对于底座系统中的滑杆9上下运动，外圆环5上表面的通孔表面敷设的聚酯纤维薄片层6与滑杆9外表面敷设的聚二甲基硅氧烷薄片层11发生相对运动，当摩擦发生时，聚酯纤维薄片层6产生电子，聚二甲基硅氧烷薄片层11接收电子，两种材料的表面分别带有极性相反的电荷，由此在两种材料之间产生电势差，驱动电子在外电路中往复流动，从而产生电流；产生的电流经由导线依次进入电流检测器12和蓄电器13，电流检测器12外接一根信号外输线，用于分析实时电流状态，从电流的实时信息中反推出聚酯纤维薄片层6与聚二甲基硅氧烷薄片层11发生相对运动时产生的摩擦力大小，再将摩擦力大小换算成浮球1的位移，用于补偿由于机械摩擦引起的海洋波高测量误差；蓄电器13储存的电能一部分用于发射脉冲电流，一部分外输至其他设备。动态监测海洋波高的方法：内圆磁环3与底座系统存在垂向的相对位移；内圆磁环3表面产生了磁环永久磁场，方向由内圆磁环3的内侧面指向外侧面；脉冲电流发射器14发射脉冲电流，在波导管15周围产生一个安培环形磁场，当安培环形磁场与磁环永久磁场相交时，由于磁致伸缩的作用，波导管15内会产生一个应力波脉冲信号，这个应力波脉冲信号以固定的声速传播，并很快被应力波检测器16所接收，由于应力波脉冲信号在波导管15内的传输时间与应力波检测器16之间的距离成正比，通过应力波信号分析器17计算出起始脉冲与返回脉冲之间的时间间隔，即可精确地确定某一时刻浮球1的高度，也就确定了某一时刻的海面起伏实时状态；再将时间间隔信号外输，就可以在海浪实时状态显示器上得到海面上下位移随时间的变化曲线，从而得到实时波高。