一种波浪监测系统的制作方法

本实用新型涉及智能监测领域，尤其涉及一种能够实时显示波浪运动状态的波浪监测系统。

背景技术：

海浪、海流和潮汐是海洋中海水的重要运动形式。在海洋环境监测的所有要素中，波浪是最基本最重要也是最复杂的一种运动形式。它在海洋工程建设、航海安全及海洋灾害预警具有十分重要的地位。因此，及时获得精确的波浪监测信息，意义重大。目前关于波浪监测传感器的主要研究有水下波浪测量仪和重力式测波仪，水下波浪测量仪包括安装在固定平台上的压力仪以及水下浮体上的流速仪。重力式测波仪一般用于海面上，通过测量浮筒升沉高度、斜度或水平位移的一种测波仪器。这些仪器都是利用固有平台来跟踪波浪运动，具有结构复杂、体积庞大、测量分辨率低等缺点；目前的波浪监测方法无法监测海工装备体以及船体表面的波浪信息，所以研究波浪信息监测装置具有重大意义。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本实用新型要设计一种结构简单、测量分辨率高且能实时显示波浪运动状态的波浪监测系统及其工作方法。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种波浪监测系统，包括波浪监测装置、外置电路、数据采集装置和PC机。

所述波浪监测装置依次经过外置电路、数据采集装置连接到PC机。

所述波浪监测装置包括基体、电极、聚四氟乙烯膜和导线，所述电极贴于基体外表面，所述聚四氟乙烯膜贴于电极表面、完全覆盖电极并使电极密封。所述导线一端连接电极、另一端与外置电路连接。

所述电极为金属电极，所述电极呈长条形。

所述电极的材料包括金、银、铂、铝、镍、铜、钦或铬，或者为含有金、银、铂、铝、镍、铜、钦和铬的一种或多种的合金材料。

所述聚四氟乙烯膜具有超疏水性的微纳结构层，具有自清洁的功能。所述微纳结构层包括纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和或微米球状结构，或者由纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和或微米球状结构形成的阵列。

所述基体为壳管式结构，壳管式结构的底部密封、中间具有空气层。

所述波浪监测装置工作时垂直放置于液体中。

所述外置电路包括电阻，所述电阻一端通过导线与波浪监测装置连接、另一端接地或连接船体表面或连接海工装备表面。

进一步地，所述液体为淡水、去离子水、海水或NaCl水溶液。

进一步地，所述聚四氟乙烯膜的材料用聚全氟乙丙烯、四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚酞亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或苯胺甲醛树脂代替。

进一步的，所述基体用平板结构、圆柱结构或圆管结构代替。

进一步地，所述波浪监测装置有多个，多个波浪监测装置沿垂直中心线布置成环形监测阵列，用于监测同一位置多个方向的波浪。

进一步的，所述波浪监测装置有多个，多个波浪监测装置沿船体、海工装备体表面垂直布置，用于监测船体、海工装备体表面的波浪信息。

进一步的，所述数据采集装置用于测量外置电路中电阻两端的电压；所述数据采集装置采集的电压信息传送至PC机；所述PC机装有数据处理与显示程序，用于信号处理以及实时显示、存储波浪信息。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型的波浪监测装置仅包括电极、基体和聚四氟乙烯膜等，相比于传统水下波浪测量仪和重力式测波仪，具有结构简单、制备工艺简单等优点。

2、本实用新型的波浪监测装置的测量精度能够达到厘米级单位，相比于其他形式的波浪监测装置，具有精度高的优点。

3、本实用新型能够实时监测出某点处波浪的运动状态，包括波浪频率以及幅值。当水运动到波浪监测装置表面时，基于摩擦纳米发电机的固液接触带电原理，会在外置电路中产生电压信号输出，数据采集装置以及PC机可完成对输出信号的实时采集、处理、显示和储存，实现对波浪运动状态的实时监测。

4、本实用新型可以应用于海工装备、船体、岸基设施、波浪平台监测等领域，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是波浪监测系统结构示意图。

图2是基体是壳管式波浪监测装置结构示意图。

图3是基体是平板式波浪监测装置结构示意图。

图4是波浪监测装置测量波浪示意图。

图5是波浪监测系统工作原理示意图。

图6是波浪监测装置工作电子转移原理图。

图7是电压信号与波浪位移转化关系图。

图8是波浪监测系统电路简化图。

图9是波浪监测阵列系统示意图。

图10是波浪位移与电压信号线性关系图。

图11是波浪频率对于输出电压影响图。

图12是经过滤波处理的波浪信号对比图。

图中：1、基体，2、电极，3、聚四氟乙烯膜，4、导线，5、电阻，6、液体。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。

如图1-5所示，一种波浪监测系统，包括波浪监测装置、外置电路、数据采集装置和PC机。

所述波浪监测装置依次经过外置电路、数据采集装置连接到PC机；

所述波浪监测装置包括基体1、电极2、聚四氟乙烯膜3和导线4，所述电极2贴于基体1外表面，所述聚四氟乙烯膜3贴于电极2表面、完全覆盖电极2 并使电极2密封。所述导线4一端连接电极2、另一端与外置电路连接。

所述电极2为金属电极，所述电极2呈长条形。

进一步地，所述电极2选自下列材料中的一种或者几种金、银、铂、铝、镍、铜、钦或铬，以及由上述金属形成的合金。

所述聚四氟乙烯膜3具有超疏水性的微纳结构层，具有自清洁的功能。所述微纳结构层包括纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和或微米球状结构，或者由前述结构形成的阵列。

所述基体1为壳管式结构，壳管式结构的底部密封、中间具有空气层。

所述波浪监测装置工作时垂直放置于液体6中。

所述外置电路包括电阻5，所述电阻5一端通过导线4与波浪监测装置连接、另一端接地或连接船体、海工装备表面。

进一步地，所述液体6为淡水、去离子水、海水或NaCl水溶液。

进一步地，所述聚四氟乙烯膜3的材料可以用聚全氟乙丙烯、四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚酞亚胺、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或苯胺甲醛树脂代替。

进一步的，所述基体1用平板结构、圆柱结构或圆管结构代替。

进一步地，所述电极2为铜电极、铝电极或者金电极。

进一步地，所述波浪监测装置有多个，多个波浪监测装置沿垂直中心线布置成环形监测阵列，用于监测同一位置多个方向的波浪。

进一步的，所述波浪监测装置有多个，多个波浪监测装置沿船体、海工装备体表面垂直布置，用于监测船体、海工装备体表面的波浪信息。

进一步的，所述数据采集装置用于测量外置电路中电阻5两端的电压；所述数据采集装置采集的电压信息传送至PC机；所述PC机装有数据处理与显示程序，用于信号处理以及实时显示、存储波浪信息。

本实用新型的工作方法，包括以下步骤：

A、初始使用时，对波浪高度和电压大小的线性关系进行标定；

B、工作时，通过数据采集装置测量外置电路中电阻5两端的电压；并将电压信息传送至PC机；波浪位移高度与其输出电压峰值呈线性关系，并且输出电压峰值与波浪运动频率无关；PC机根据实时电压值以及标定的线性关系计算出实时波浪高度值并显示和存储；电压峰谷值对应波浪的峰谷值，电压频率对应波浪频率，即显示出某点处波浪运动的幅值以及频率。

如图6所示为波浪监测装置工作电子转移原理图，当液体6未接触到波浪监测装置时，电极2所带的正电子与聚四氟乙烯膜3所带的负电子数目相同，保持电势平衡。当液位上升时，接触到聚四氟乙烯膜3，基于液体6与聚四氟乙烯膜3的固液接触带电原理，在液体6与聚四氟乙烯膜3接触的表面，会产生双电层，进而产生zeta电势。接触到聚四氟乙烯膜3表面的液体6带上相应数目的正电荷，使电极2侧减少相应数目的正电荷，正电荷通过电阻5接地发生转移，形成单方向电流。当液位升至最高时，由于液体6所带的正电荷完全中和聚四氟乙烯膜3所带的负电荷，导致电极2上的所有正电荷全部转移，此时测量的电压值最高，波浪峰值对应电压峰值信息。当液位下降时，由于液体6 含有的正电子数目在不断减少，导致电极2上会出现相同数目的正电子，导致外部电路中产生相反的电流方向，当液位降至最低时，电极2上的正电子达到最多状态，外部电路中电阻5两端电压在反方向上达到最大值。在上述过程中，由于聚四氟乙烯膜3是驻极体，其所带负电子总数保持不变。

如图7所示，为波浪监测系统电路简化图。数据采集装置测量外置电路中电阻两端的电压。

如图8所示，为电压信号与波浪位移转化关系图，原始电压信号经过滤波处理之后，根据其之前与波浪高度标定的的线性关系可以推出其波浪高度，电压信号的频率对应波浪信号的频率。

图9是波浪监测阵列系统示意图。多个波浪监测装置组成一个波浪监测阵列，用于某一点处多方向的波浪监测、多点处波浪监测等。

如图10所示，为波浪位移与电压信号线性关系图。波浪位移高度与其输出电压峰值呈线性关系。根据实时电压值以及标定的线性关系可以计算出实时波浪高度值。

如图11所示，为波浪频率对于输出电压影响图，其输出电压峰值与波浪运动频率无关。

如图12所示，为经过滤波处理的波浪信号对比图，经过滤波处理之后，其电压信号的带宽降低，其峰值大小不变。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。