一种波浪监测方法及装置

本发明涉及海浪传感器领域，尤其涉及一种波浪监测方法及装置。

背景技术：

1、准确而有效地观测海浪在诸多海洋应用方面均具有重要的作用，如海洋防灾减灾、海洋资源开发、海洋工程建设、天气预报、海洋能源利用以及海气相互作用的研究等。遥感和原位仪器观测是获取海浪剖面的两种主要方法。然而，遥感存在准确度较差和无法实时传感的问题。使用水下压力传感器和声波剖面仪进行的原位观测也存在缺陷，如声波对环境噪声敏感、水下压力传感器对浅水深度有要求，特别是，这些传感器在监测波浪时，总是需要外部的电源(如电池)进行供电，有限的供电能力严重制约着海洋观测的时间范围，且更换电池产生的成本较高，废弃的电池还会导致严重的海洋污染。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种波浪监测方法及装置，能够收集波浪的上下运动能量并产生不同的脉冲电输出，进而绘制波浪谱，实现无需外部电源即可进行波浪监测。

2、本发明所采用的第一技术方案是：一种波浪监测方法，包括以下步骤：

3、基于流固耦合模块将海浪引起的机械往复运动转换为旋转运动，并驱动摩擦发电模块输出脉冲电信号；

4、根据脉冲电信号构建波浪谱。

5、进一步，所述基于流固耦合模块将海浪引起的机械往复运动转换为旋转运动，并驱动摩擦发电模块输出脉冲电信号这一步骤，其具体包括：

6、所述流固耦合模块包括浮球、直齿条、主动齿轮、传动轴、单向超越离合器单元；

7、波浪运动引起浮球和直齿条的上下移动，进而驱动主动齿轮作旋转运动；

8、基于主动齿轮带动单向超越离合器单元运动，并驱动摩擦发电模块运动，输出脉冲电信号；

9、进一步，所述基于主动齿轮带动单向超越离合器单元运动，并驱动摩擦发电模块运动，输出脉冲电信号这一步骤，其具体包括：

10、所述单向超越离合器单元包括第一单向超越离合器和第二单向超越离合器；

11、所述第一单向超越离合器与第二单向超越离合器的超越方向相反；

12、所述第一单向超越离合器的从动轮外圈上设有第一制动单元，所述第二单向超越离合器的从动轮外圈上设有第二制动单元；

13、所述摩擦发电模块包括第一摩擦发电机、第二摩擦发电机；

14、所述第一摩擦发电机的输出端接有第一二极管，所述第二摩擦发电机的输出端接有第二二极管；

15、波浪上升时，主动齿轮为顺时针旋转运动，第一制动单元不启动，第二制动单元启动，第一单向超越离合器处于接合状态，第二单向超越离合器处于超越状态，驱动第一摩擦发电机工作，通过第一二极管整流，输出正向脉冲电流信号；

16、波浪下降时，主动齿轮为逆时针旋转运动，第一制动单元启动，第二制动单元不启动，第一单向超越离合器处于超越状态，第二单向超越离合器处于接合状态，驱动第二摩擦发电机工作，通过第二二极管整流，输出负向脉冲电流信号。

17、进一步，所述第一摩擦发电机和第二摩擦发电机均采用摩擦纳米发电机，其中：

18、所述摩擦纳米发电机由定子和动子两部分组成；

19、所述摩擦纳米发电机的动子上采用氟化乙烯丙薄膜作为负摩擦电材料，定子上采用尼龙作为正摩擦电材料，采用扇形互补的铜电极为感应电极；

20、所述摩擦纳米发电机采用柔性接触摩擦发电的方式工作。

21、进一步，摩擦纳米发电机工作的过程如下：

22、在初始状态下，氟化乙烯丙薄膜与尼龙发生滑动摩擦，负电荷在氟化乙烯丙薄膜表面聚集，正电荷在尼龙表面聚集；

23、第一阶段，氟化乙烯丙薄膜与第一互补电极中的ea1电极完全贴合；

24、随着氟化乙烯丙薄膜逐渐滑动，第一互补电极中的ea1电极的正电荷在静电感应的驱动下通过外电路逐渐转移到第一互补电极中的eb1电极；

25、第二阶段，氟化乙烯丙薄膜与第一互补电极中的eb1电极完全重合，所有回路中的正电荷被吸引到第一互补电极中的eb1电极上，第一互补电极中的ea1电极则感应出全部的负电荷，氟化乙烯丙薄膜的运动方向与电流同向；

26、当氟化乙烯丙薄膜离开第一互补电极中的eb1电极开始滑向第二互补电极中的ea2电极时，第一互补电极中的eb1电极上的正电荷开始流向第二互补电极中的ea2电极，直到第三阶段所有正电荷流入第二互补电极中的ea2电极，第一互补电极中的eb1电极携带的电荷变为负电荷，外电路流过的电流方向与第二阶段相反；

27、循环摩擦起电过程。

28、进一步，所述根据脉冲电信号构建波浪谱这一步骤，其具体包括：

29、对脉冲电信号进行降噪处理，得到降噪后的正负脉冲电流信号；

30、根据降噪后的信号统计单向脉冲电流的个数，并提取峰值所对应的时间点；

31、基于预构建的波高-脉冲电流数的线性关系，将正峰值点转换为波浪上升距离，负峰值点转换为波浪下降距离。

32、根据峰值点所对应的时间和运动距离绘制波浪运动谱。

33、本发明所采用的第二技术方案是：一种波浪监测装置，包括流固耦合模块、摩擦发电模块和信号接收模块，所述流固耦合模块、摩擦发电模块和信号接收模块依次连接，其中：

34、流固耦合模块，用于将海浪引起的机械往复运动转换为旋转运动，并驱动摩擦发电模块工作；

35、摩擦发电模块，响应于流固耦合模块的制动，输出脉冲电信号；

36、信号接收模块，用于接收脉冲电信号并根据脉冲电信号构建波浪谱。

37、进一步，所述流固耦合模块包括浮球、直齿条、主动齿轮、传动轴、第一单向超越离合器和第二单向超越离合器，所述摩擦发电模块包括第一摩擦纳米发电机和第二摩擦纳米发电机，其中：

38、浮球，与直齿条固定连接，用于将海浪引起的运动传输至直齿条；

39、直齿条，与主动齿轮匹配连接，用于将机械往复运动转换为旋转运动；

40、主动齿轮，与传动轴连接，用于通过传动轴带动第一单向超越离合器和第二单向超越离合器工作；

41、第一单向超越离合器，与第一摩擦纳米发电机连接，在接合状态下驱动第一摩擦纳米发电机工作；

42、第二单向超越离合器，与第二摩擦纳米发电机连接，在接合状态下驱动第二摩擦纳米发电机工作；

43、所述第一单向超越离合器的从动轮外圈上设有第一制动单元，所述第二单向超越离合器的从动轮外圈上设有第二制动单元；

44、所述第一摩擦纳米发电机的输出端接有第一二极管，所述第二摩擦纳米发电机的输出端接有第二二极管。

45、本发明方法及装置的有益效果是：本发明在机械上通过超越离合器区分波浪的上升和下降过程，进而驱动摩擦纳米发电机工作，再通过二极管的整流作用进行电学显示，最终根据摩擦纳米发电机的脉冲电输出获得海浪谱，实现了无需外部电源供电的海浪传感。本发明能够将波浪能转换为电能，并监测电能中携带的波浪运动信息，实现了能量收集和运动监测的一体化，可应用于自供能振动监测领域。