一种基于摩擦纳米发电机的水下电场通信装置及使用方法

本发明涉及水下电场通信领域，尤其涉及一种基于摩擦纳米发电机的水下电场通信装置及使用方法。

背景技术

水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环境污染，气候变化海底异常地震火山活动，探查海底目标，以及远距离图像传输。随着海洋勘探需求的增加，水下设备和技术的发展引起了人们的极大关注。水下无线通信对于海洋勘探至关重要。

现有几种基于不同物理场的水下通信方法，声场，光场和电磁场等。在这些方法中，由于声波不容易在水中吸收，因此水下声通信得到了广泛的应用，水下光通信可以实现大容量数据传输，与声波和光波相比，电磁波不受潮汐或人类活动引起的湍流，噪声和浑浊水等条件的影响，水下电场通信也具有高传输速率和低通信延迟。

然而，由于回声和混响，声场通信方法在复杂的水环境，例如密闭的空间，狭窄的管道，隧道和洞穴中具有局限性。光场通信方法容易受到水的影响吸收，散射，光束发散和环境光。电磁场通信方法所使用的高频电磁波会被水大量吸收，低频电磁波需要几千米长的天线。综上所述，有待发明一种不受复杂水环境影响的，通信内容不被水吸收的水下通信装置。

技术实现要素：

本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的水下电场通信装置及使用方法，解决了现有水下通信方式受复杂环境影响的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于摩擦纳米发电机的水下电场通信装置，摩擦纳米发电机、发射电极、水信道、接收电极和信号接收设备，所述摩擦纳米发电机一侧连接电源，另一侧设置有介电层，所述介电层由摩擦纳米发电机侧向外侧依次设置的背部电极、摩擦层和金属电极，所述背部电极接地，所述摩擦层与所述金属电极平行不接触放置，所述金属电极连接发射电极，所述发射电极置于水中，通过水信道与置于水中的接收电极相连，所述接收电极连接信号接收设备。

优选地，所述信号接收设备为静电感应装置。

优选地，所述摩擦层使用强电负性材料。

优选地，所述金属电极使用强电正性材料。

一种基于摩擦纳米发电机的水下电场通信装置使用方法，基于上述任意一项所述的装置实现，包括：

将外力作用于摩擦纳米发电机，使摩擦纳米发电机的金属电极与摩擦层做接触分离运动，从而使摩擦层表面产生负电荷，将背部电极接地或连接一导电物体作为感应电荷库；

将金属电极与介电材料平行放置，建立内建电场

使摩擦层与金属电极相对运动，感应电荷库中的电荷通过内建电场流向金属电极；

将金属电极与发射电极相连，金属电极中的电子流向发射电极；

发射电极表面电势变化，使水中形成交变电场；

水中的离子随交变电场的交变产生往复运动，撞击接收电极；

接收电极感应水中电场变化情况，其电势发生改变，转换成电信号传导至信号接收设备；

信号接收设备接收信号。

本发明的有益效果在于：

本发明通过设置摩擦纳米发电机装置，摩擦纳米发电机输出的交流电信号使水中产生交变的电场，产生的水下电场传播不受水的密度、温度、浑浊度、噪声、光照、湍流、水下障碍物等影响，解决了现有水下通信技术受复杂环境影响的问题；

本发明通过电势在水信道中的传导，无传播延迟，不易受外界环境因素影响，信号接收设备接收到的信号为摩擦纳米发电机感受外界机械激励产生的信号，解决了现有水下通信技术水下传输不稳定的问题。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置示意图。

图2是本发明实施例的摩擦纳米发电机输出的短路电流图。

图3是本发明实施例的接收电极在水下接收到的电流图。

图4是本发明实施例的将发射电极绝缘处理后，接收电极在水下接收到的电流图。

图5是本发明实施例的发射电极与接收电极相距1到3米时，接收电极在水下接收到的电流图。

图6是本发明实施例的水下接收到的电流峰值随接收电极尺寸的变化图。

图7是本发明实施例的水下接收到的电流随水的盐度的变化图。

图8是本发明实施例的在水管中接收到的电流随两电极距离的变化图。

图9是本发明实施例的在直管和弯管中接收到的电流对比图。

图10是本发明实施例的摩擦纳米发电机电流信号的数字化调制图。

图11是本发明实施例的水下传输文字的电流信号图。

附图标号说明：

1、摩擦纳米发电机；2、发射电极；3、水信道；4、接收电极；5、信号接收设备；6、背部电极；7、摩擦层；8、金属电极。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供一种技术方案：一种基于摩擦纳米发电机的水下电场通信装置及使用方法，装置结构如图1所示，包括摩擦纳米发电机、发射电极、水信道、接收电极和信号接收设备，摩擦纳米发电机由内向外依次设置有背部电极、摩擦层和金属电极。背部电极接地，为强电负性材料，表面带有负电荷，电极接地或连接一导电物体作为感应电荷库，背部电极可选择铝、铜、导电油墨等导电材料，背部电极接地或连接金属等电荷库，平衡介电材料与背部电极间的内建电场，提高金属电极端的电量输出。摩擦层与金属电极平行不接触放置，为强电负性材料，如氟化乙烯丙烯共聚物，聚四氟乙烯，聚酰亚胺，表面带有负电荷，电极接地或连接一导电物体作为感应电荷库，摩擦层可以采用FEP(全氟乙烯丙烯共聚物)、PTFE(聚四氟乙烯)、Kapton(聚酰亚胺薄膜)等材料，可通过电晕处理、离子喷涂、砂纸打磨等表面处理方式增加表面电荷。金属电极连接发射电极，金属电极为强电正性材料，如铝，铜，银，金。与介电材料平行放置，两材料间形成内建电场，金属材料可选用铝、铜、银等材料，金属材料的电正性与介电材料的电负性相差越大，形成的内建电场强度越大。发射电极置于水中，在水中形成交变的电场，通过水信道与置于水中的接收电极相连，随金属电极共同发生电势变化。接收电极连接信号接收设备，与发射电极相距一段距离，感应水中变化的电场。信号接收设备为静电感应装置检测水中的电场信号，接收到的电流信号与接收极尺寸有关，与水中离子浓度有关，与电极板角度、水中障碍物、水的浑浊度无关。将发射极用绝缘材料覆盖，仍可在水中形成电场，电场可以在水管中传播，水管的弯折，水的流动不影响电场的传播，电流信号可以被调制为数字信号在水下传播，进行文字与图片传输。在外部机械能的激励下，摩擦纳米发电机的介电材料与金属材料间发生相互运动，使内建电场发生变化，金属材料上的电势因此发生变化，由于发射极处置于水中并与金属材料相连，因此在水中产生随摩擦纳米发电机内建电场变化的交变电场，即空气中的机械运动信号被转换为水下电信号，处于水中的接收电极受到电场影响，表面电势发生变化，通过连接的静电测量设备进行测量。通过调制和解调电流信号，可以在水下有效传输信息。

图2和图3比较了摩擦纳米发电机原输出的短路电流信号和接收极在水中接收到的电信号。摩擦纳米发电机输出的短路电流峰值为14.9μA，接收极在水中接收到的电流峰值略微降低至14.5μA。图4为当发射电极通过Kapton胶带与水绝缘时，仍可测量到电流信号，证明摩擦纳米发电机通过发射极在水中形成电场，并非与水发生电子交换。

图5为在水池中接收到的电流信号，水池长3m，宽2m，高0.4m，当接收电极与发射电极的距离从1m增加到3m时，接收到的电流信号几乎相同。图6为水下接收到的电流信号与接收极尺寸的关系，通过使用较大面积的接收电极板可以提高接收电流的峰值。对于10cm×5cm的电极板，与细电线相比，电流信号的峰值增加18％。

图7为水下接收到的电流随水的盐度的变化。与纯水相比，在盐度为5g/L时水中电流信号的峰值增加了40％，表明水中的离子可以使电场增强。如果在水中添加更多的盐，电流信号将变得与水盐度无关。此外，摩擦纳米发电机产生的水下电场与水中障碍物和水的浑浊度无关。

图8为接收极在水管中接收到的峰值电流。在充满盐水的管道中，电流的峰值也随着发射电极和接收电极之间的距离而降低。对于100m的距离，电流峰值降低了66％。图9显示出在螺旋管中接收的电流信号与在直管中是相同的。在油水混合物中电场也可以正常传播，并且液体的流动不影响电场的传播。因此，基于摩擦纳米发电机的电场通信可以应用于复杂的管道中。

图10和图11为水下电流信号的调制和解调。将摩擦纳米发电机发出的电流信号调制为数字信号，可以通过电场通信在水中传输文本信息。摩擦纳米发电机发出的电流信号在调制器处理后变为间断信号，将长信号设置为“1”，而短信号设置为“0”。在水中传输后，已调制的数字信号被接收极与测量设备接收。可以通过标准编码将电流信号调制为文本。在水中传输后，接收到的信号可被准确地解调为原始文本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。