自供能水位监测装置和监测方法与流程

本发明涉及一种监测装置，特别涉及自供能水位监测装置和监测方法。

背景技术：

随着智能船舶的发展，船舶吃水监测对保证船舶稳定性、安全性，提高船舶能效以及防止船舶翻覆等水上交通事故具有重要意义。传统的通航船舶吃水量测量是依靠人工观察船舶吃水线标记的手段。随机性较大，存在观测误差，无法实时监测；对于旧船，吃水线受海水腐蚀、泥砂磨损、脱落、油垢污染等因素的影响，难以识别，极大影响了测量准确性。

因此，有必要发明一种可以实时准确监测，自供能，耐用性高的新型船舶吃水监测装置，满足船舶吃水测量的要求，达到调整航行姿态，减少航行能耗，保障航行安全的目的，实现船舶智能化。

技术实现要素：

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的自供能水位监测装置，直接将水位变化转化为电信号，进行分析处理，可以实时监测水位。

为了实现上述目的，本发明提供一种自供能水位监测装置，包括摩擦纳米发电机单元和信号分析单元，其中，所述摩擦纳米发电机单元包括，

容水容器、主电极和分布式电极，所述主电极设置于所述容水容器外壁上端，所述分布式电极包括多个子电极，多个所述子电极按照上下顺序设置于所述容水容器外壁下端；

所述信号分析单元连接于所述主电级与分布式电极之间；

水在所述容水容器波动时，由信号分析单元检测主电极与分布式电极之间的电位差，信号分析单元根据所述电位差得出水位变化。

优选的，所述分布式电极的每个子电极之间间隔相同，优选的，所述间隔范围为1mm～50mm。

优选的，所述分布式电极的每个电极宽度范围为1mm～50mm。

优选的，所述容水容器为管状体或柱状体。

优选的，还包括保护套管，所述保护套管布置于容水容器和主电极外端；

和/或，所述保护套管为管状体或柱状体。

优选的，所述主电极与分布式电极绕容水容器外表面一周设置。

优选的，所述容水容器的材料为聚四氟乙烯、尼龙、硅胶或聚酰亚胺。

优选的，所述保护套管的材料为聚四氟乙烯、尼龙、硅胶或聚酰亚胺。

优选的，所述主电极和分布式电极均呈长条状，并水平设置在所述容水容器外壁。

优选的，所述信号分析单元包括，电压信号检测元件、低通滤波器和信号分析设备。

优选的，还包括连接在所述分布式电极与主电极之间的电阻，所述信号分析单元连接在所述电阻两端；优选的，所述电阻的范围在100mω-1000mω。

相应的，本发明还提供一种自供能水位监测方法，采用上述任一项所述的自供能水位监测装置，其中，

分布式电极与主电极之间为开路，水位上升或者下降时，所述信号分析单元监测分布式电极与主电极之间电压信号为阶梯式上升或者下降，在水位经过分布式子电极和子电极之间的间隙时，电压增长速率不同，通过电压波形图，得到水位的位置。

优选的，所述信号分析单元对所述电压信号进行滤波处理，然后对时间求导获得dv/dt曲线，在水位波动时，水位每经过一个电极，会有一个波峰，每经过一个间隙，会有一个波谷，通过dv/dt曲线波形图，得到水位的位置。

本发明还提供一种自供能水位监测方法，采用上述一项所述的自供能水位监测装置，其中，

所述分布式电极与主电极之间接电阻，所述信号分析单元监测所述电阻两端的电压，在水位波动时，水位每经过一个电极或间隙，电压发生变化，通过电压信号的变化，得到水位的位置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过容水容器、主电极和分布式电极构成基于摩擦纳米发电机的自供能水位传感器，直接将水位变化转化为电信号，进行分析处理，可以实时监测水位。

2.所设计的摩擦纳米发电机单元，可根据船舶实际情况，灵活设计尺寸，增强电压、电流信号。

3.在任意波浪频率和水质环境下，对于水位信号都可以进行准确的信号传递，可以适应不同海况。

4.本发明结构简单，容水容器使用的高分子材料具有良好的疏水性，如果在摩擦纳米发电机外侧进行密封，可以减少海水腐蚀对装置的输出信号影响。

5.作为一种自供能水位监测装置，本发明利用传感器，自动感知获得水位信息，结合目前的自动控制技术，大数据处理和分析技术可直接应用于智能船，无人船。

基于上述理由本发明可在船舶领域广泛应用。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明发电原理图

图3为本发明信号分析图

图4是本发明dv/dt特征变化分析图

图5是本发明电阻电压特征变化分析图

附图标记说明

1主电级2容水容器

3待测水位4分布式电极

5保护套管

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图3所示，自供能水位监测装置的典型结构包括摩擦纳米发电机单元和信号分析单元，摩擦纳米发电机单元与信号分析单元相连。摩擦纳米发电机单元包括，容水容器2、保护套管5、主电极1和分布式电极4，其中，主电极1设置于容水容器2外壁上端，分布式电极4包括多个子电极，多个子电极按照上下顺序设置于容水容器2外壁下端；信号分析单元(图中未示出)包括，电压信号检测元件，低通滤波器和信号分析设备。

电压信号检测元件，低通滤波器，信号分析设备组成一个信号分析单元，用于监测装置信号检测与分析。电压信号检测元件用于检测监测装置输出的电压信号，低通滤波器用于滤除信号中的噪音，信号分析设备用于传感器信号求导等操作。

以容水容器2采用ptfe圆管、主电极和分布式电极均采用铜为例，本发明工作原理如下：在水位3进入ptfe圆管2之前，水位监测装置处于静电平衡状态。当水位3在进入ptfe圆管2后，水会与ptfe发生摩擦，产生摩擦电荷，由于水的电子吸附能力弱于ptfe，ptfe会带上负电荷，而铜电极上则会感应出正电荷，水相对于ptfe也会带上正电荷，由于ptfe是驻极体，所以负电荷会在ptfe表面保留。当水流经第一个子电极时，由于水带正电荷，破坏了静电平衡。非静电平衡在主电极1和分布电极4之间产生电位差，导致电子从分布电极向主电极转移，在外电路形成电流。同理，水位3经过第二个和第三个子电极时，分布式电极上感应的正电荷通过外电路流向主电极形成电流。

分布式电极的每个子电极之间间隔相同，优选的，所述间隔范围1mm～50mm；分布式电极的每个电极宽度的范围在1mm～50mm。

主电极1和分布式电极4均可以呈长条状，并水平设置在容水容器2外壁。容水容器2可以为管状体或柱状体，也可以为u型管等不规则的结构。以管容水容器2为管状体时，在径向尺寸范围为5mm～20mm。主电极1与分布式电极4绕管状容水容器外表面一周设置。

容水容器2的材料为聚四氟乙烯、尼龙、硅胶或聚酰亚胺等材料，优选采用疏水材料。

保护套管5是可选择结构，材料为聚四氟乙烯、尼龙、硅胶或聚酰亚胺等材料，优选采用疏水材料。

下面介绍采用本发明的自供能水位监测装置进行水位监测的过程。

实施例1，分布式电极与主电极之间为开路时，水位上升或者下降时，信号分析单元监测分布式电极与主电极之间电压信号为阶梯式上升，如图3所示。在水位经过子电极时，电压增长较快，水位经过子电极间隙时，电压增长较小。这是因为水位在经过子电极时，电极上能感应到较多的电荷，而经过间隙时，感应电荷很少。通过电压波形图，可以得到水位的位置。

进一步的，分布式电极与主电极之间位开路时，低通滤波器对开路电压信号进行滤波处理，然后对时间求导，得到dv/dt曲线，如图4所示。在水位上升时，水位每经过一个子电极，会有一个上升的正值波峰，每经过一个间隙，会有一个正值波谷；在水位下降时，水位每经过一个子电极，会有一个负值波谷，每经过一个间隙，会有一个负值波峰。因为在水位经过电极时，电压增长快，斜率较大；水位经过间隙时，电压增长较小，斜率较小。通过dv/dt曲线波形图，得到水位的位置。实施例2，分布式电极与主电极之间接100mω-1000mω电阻时，信号分析单元监测所述电阻两端的电压信号如图5所示，在水位上升时，电压每经过一个子电极，电压上升一定值，每经过一个间隙时，电压下降一定值；在水位下降时，电压每经过一个子电极，电压下降一定值，每经过一个间隙，电压上升一定值。通过电压信号变化可以直接得到水位的位置。因为在水位经过子电极时，电荷通过电阻，在主电极和分布式电极之间进行了转移，经过间隙时基本无电荷转移。

经过试验探究，电压大小与水位上升快慢基本无关，即电压与水位变化频率无关。而液体盐度增大，会使电压大小降低，不会影响其特征规律，即开路电压、电阻电压与dv/dt特征没有改变。同时可以通过降低电极宽度和电极间隙，可以提高水位监测分辨率。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。