CN111307120B - 一种传感器、海洋波谱的测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器、海洋波谱的测量系统及其测量方法，涉及能量转化技术领域，用于获得高精度的海洋波谱。在本发明实施例中，使用浮子作为传感器的推动装置，一方面可以利用自身的结构适应水平面内任意方向的海浪的参数的探测，从而将传感器使用范围从近岸推广至整个海洋；另一方面可以避免传感器与海水的直接接触，进而消除海水对相关海洋波谱扫描过程产生的严重影响，以及避免对传感器自身结构组成产生严重破坏。此外，通过摩擦纳米发电机，可以使得传感器具有良好的探测性能，对海洋波谱进行高精度地测量，为海洋领域的研究提供有利的参考数据；同时，该种传感器结果简单，从而可以降低传感器的制作成本和制作难度。

Description

一种传感器、海洋波谱的测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及能量转化技术领域，尤指一种传感器、海洋波谱的测量系统及其测量方法。

背景技术

作为地球表面最重要的组成部分，海洋在许多方面与人类的发展密切相关，例如：交通运输、渔业生产、天气变化等，所以对海洋具有更加深入了解将是我们合理开发和利用海洋的基础。在过去的几十年里，随着物联网工程的快速发展和大数据时代的迅速到来，大多数与海洋有关的科学研究都是通过大规模的海洋传感器来完成。海浪作为海洋中至关重要的运动形式，其与风、海底地形、星球引力等有着重要的联系，故而有关海浪的研究形成一个独立的学科—物理海洋学，其充分凸显的海浪研究的重要性。此外，海浪的研究主要聚焦在海洋波谱的研究，其相关研究在船舶设计、海洋工程、海洋地质、海洋气象和其他涉海领域都扮演着至关重要作用。

因此，如何获得高精度的海洋波谱，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种传感器、海洋波谱的测量系统及其测量方法，用以获得高精度的海洋波谱。

第一方面，本发明实施例提供了一种传感器，所述传感器用于测量海洋波谱，所述传感器包括摩擦纳米发电机和浮子；

所述摩擦纳米发电机包括第一摩擦结构和第二摩擦结构，所述第一摩擦结构的一端与所述浮子固定连接；

所述浮子用于：在海洋的作用下，推动所述第一摩擦结构与所述第二摩擦结构发生摩擦，使得所述摩擦纳米发电机产生用于表征海洋波谱的电信号。

可选地，所述第一摩擦结构包括第一摩擦层，所述第二摩擦结构包括第二摩擦层，所述第一摩擦层与所述第二摩擦层之间进行摩擦；

所述第一摩擦层与所述第二摩擦层采用不同的材料制作而成。

可选地，所述第一摩擦层采用金属材料制作而成，所述第二摩擦层采用介电材料制作而成；

所述第二摩擦结构还包括：第一导电层，所述第一导电层设置在所述第二摩擦层远离所述第一摩擦结构的一侧。

可选地，所述第一摩擦层采用介电材料制作而成，所述第二摩擦层采用金属材料制作而成；

所述第一摩擦结构还包括：第二导电层，所述第二导电层设置在所述第一摩擦层远离所述第二摩擦结构的一侧。

可选地，所述第一摩擦层与所述第二摩擦采用不同的介电材料制作而成；

所述第二摩擦结构还包括：第一导电层，所述第一导电层设置在所述第二摩擦层所述第一摩擦结构的一侧；

所述第一摩擦结构还包括：第二导电层，所述第二导电层设置在所述第一摩擦层远离所述第二摩擦结构的一侧。

可选地，所述第二摩擦结构包括：相对而置的第一部件和第二部件，所述第二摩擦层分别设置在所述第一部件面向所述第二部件的一侧，以及所述第二部件面向所述第一部件的一侧；

所述第一摩擦结构位于所述第一部件与所述第二部件之间，所述第一摩擦结构具有分别面向所述第一部件和所述第二部件的侧面，所述侧面设置有所述第一摩擦层；

所述第一部件与所述第二部件之间的距离等于所述第一摩擦结构在第一方向上的长度，所述第一方向为垂直于所述第一部件和所述第二部件表面的方向。

可选地，所述第二摩擦结构为具有空腔的套管，所述第二摩擦层设置在所述空腔内壁；

所述第一摩擦结构为滑动管，所述滑动管的外表面设置有第一摩擦层；

所述第二摩擦结构的内径等于所述第一摩擦结构的外径。

可选地，所述传感器还包括：直立保持结构，所述直立保持结构设置在所述套管远离所述滑动管的一侧，所述直立保持结构的一端与所述浮子固定连接；

所述直立保持结构用于：降低所述浮子在海洋的冲击下引起的所述滑动管在垂直于第二方向上发生的应变；

所述第二方向平行于所述摩擦纳米发电机与所述浮子的排列方向。

可选地，所述直立保持结构包括：相对而置的两组导轨，每组所述导轨中设置有多个滚轮；

每组所述导轨的一端均与所述浮子固定连接，两组所述导轨在所述浮子的推动下沿着所述第二方向上下移动，所述导轨的上下移动带动所述滚轮转动；

两组所述导轨之间的间距大于所述套管的外径。

可选地，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的面积大小均相同。

可选地，所述浮子为低密度的球形浮子。

可选地，所述球形浮子的直径为10厘米至5米。

第二方面，本发明实施例提供了一种海洋波谱的测量系统，包括：搭载平台、至少一个如本发明实施例提供的上述传感器、以及处理器；

所述传感器中的摩擦纳米发电机远离浮子的一端固定于搭载平台之上；

所述处理器与所述传感器电连接，所述处理器用于：在接收到所述传感器中的摩擦纳米发电机输出的电信号时，根据所述电信号确定海洋波谱。

第三方面，本发明实施例提供了一种海洋波谱的测量方法，采用如本发明实施例提供的上述海洋波谱的测量系统实现，所述测量方法包括：

针对处理器执行以下步骤：

接收传感器中的摩擦纳米发电机输出的电信号；

根据所述摩擦纳米发电机产生的电信号确定海洋波谱。

可选地，所述测量方法还包括：

根据确定出的海洋波谱，确定海浪的周期；

根据确定出的海洋波谱，按照以下公式计算海浪的高度、海浪的频率、海浪的波速、海浪的波长、以及海浪的波陡：

△Q＝σ×∏×L×H；

V＝k×σ×∏×L×H；

I＝1/2×σ×∏×L×a×t；

f＝1/T；

C＝α×l/△t；

λ＝C×T；

δ＝H/λ；

其中，△Q表示摩擦纳米发电机工作中的电荷转移量，V表示所述摩擦纳米发电机输出的电压，I表示所述摩擦纳米发电机输出的电流，k表示V与σ、L、H之间的比例系数，σ表示由介电材料制作的摩擦层的电荷密度，在所述第二摩擦结构为套管时，L表示所述套管的横截面的周长，在所述第二摩擦结构包括相对而置的第一部件和第二部件时，L表示所述第一部件和所述第二部件在沿着第三方向上的长度，所述第三方向为平行于所述第一部件表面且垂直于所述摩擦纳米发电机与所述浮子排列的方向，H表示海浪的高度；a表示所述浮子在沿着所述摩擦纳米发电机与所述浮子排列方向上的加速度，t表示时间变化参数，T表示海浪的周期，f表示海浪的周期，△t表示海浪对所述浮子的作用时间，C表示海浪的波速，α表示校正因子，l表示海浪对所述浮子在传播方向上的有效作用长度，λ表示海浪的波长，δ表示海浪的波陡，α大于0且不大于1。

可选地，在所述测量系统中包括多个传感器时，所述测量方法还包括：

按照如下公式计算海浪的传播方向：

cosθ＝C×△T/S；

其中，S表示相邻两个所述传感器之间的距离，△T表示相邻两个所述传感器对同一海浪测量的时间差，C表示海浪的波速，θ表示海浪的传播方向与相邻两个所述传感器之间连线的夹角。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的一种传感器、海洋波谱的测量系统及其测量方法，其中，使用浮子作为传感器的推动装置，一方面可以利用自身的结构适应水平面内任意方向的海浪的参数的探测，从而将传感器使用范围从近岸推广至整个海洋。另一方面可以避免传感器与海水的直接接触，进而消除海水对相关海洋波谱扫描过程产生的严重影响，以及避免对传感器自身结构组成产生严重破坏。

并且，在本发明实施例中，因为摩擦纳米发电机在浮子的带动下输出的电信号波谱为海洋波动的真实运动形式，所以可以直接利用该电信号波谱很好地表征相应的海洋波谱，与现有技术中的传感器相比，减少了数据处理的过程，从而提高海洋波谱的测量效率和准确性。

此外，通过摩擦纳米发电机，可以使得传感器具有良好的探测性能，对海洋波谱进行高精度地测量，为海洋领域的研究提供有利的参考数据。同时，该种传感器结果简单，从而可以降低传感器的制作成本和制作难度。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的第一种传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的第二种传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的传感器作为电源时的输出性能示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种摩擦纳米发电机的结构示意图；

图5为图1中的第一摩擦层和第二摩擦层在旋转90°之后的示意图；

图6为沿着图2中的A1-A2方向所示的剖视图；

图7为本发明实施例中提供的第三种传感器的结构示意图；

图8为本发明实施例中提供的一种测量系统的结构示意图；

图9为本发明实施例中提供的一种测量方法的流程图；

图10为传感器的工作原理的示意图；

图11为本发明实施例中提供的传感器在浪高探测时的探测结果示意图；

图12为本发明实施例中提供的传感器在理论中的探测性能的示意图；

图13为本发明实施例中提供的传感器在实际中的探测性能的示意图；

图14为理想传感器探测到的海洋波谱的示意图；

图15为本发明实施例中提供的利用两个传感器探测海浪传播方向的原理示意图。

其中，10-摩擦纳米发电机，20-浮子，11-第一摩擦结构，12-第二摩擦结构，11a-第一摩擦层，12b-第一导电层，12a-第二摩擦层，11b-第二导电层，B1-第一部件，B2-第二部件，30-直立保持结构，31-导轨，32-滚轮，M-本体结构，12c-第一部件，12d-第二部件，100-传感器，200-搭载平台，300-处理器，400-服务器。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例提供的一种传感器、海洋波谱的测量系统及其测量方法的具体实施方式进行详细地说明。需要说明的是，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。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。

发明人在研究中发现，为了进行海洋波谱的测量，目前主要有以下三种传感器，例如：海洋遥感传感器、海风传感器、可变电容传感器等。

其中，海洋遥感传感器是利用卫星和飞机在空中发射探测信号之后，通过获取相应的反射和散射的光学信号，然后在经过反复且复杂的数学反演和傅里叶变换获取相应的海洋波谱，因此该种传感器只适用于大范围海洋波谱的粗略研究，同时由于该种传感器在信号处理过程中的信号失真与使用成本高昂等因素，极大地限制了该种传感器的实用性。

海风传感器是利用海浪与海风之间简单的关系，来简单反推相应海洋波谱，该种传感器只适用于简单的海洋气象预报。

可变电容传感器虽然可以高精度探测出相应的海洋波谱，但是由于真实的海水具有复杂物质组成和变化以及高腐蚀性的特点，使得可变电容传感器在真实海洋环境中很难运行，缺少实用性。

并且，上述这些传感器都需要额外的电池为其提供能量，这一因素也很大程度地限制了这些传感器在茫茫海洋中的大规模应用。

此外，通过上述这些传感器得到的信号并不是海洋运动直接的信号波谱，而是需要对得到的信号进行复杂的信号处理来获得相应的海洋波谱，如此，不仅大大降低了测量效率，在处理和转换的过程中，可能因处理错误导致处理后的结果不准确，导致测量的准确性下降。

基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦纳米发电机，具有高效收集海浪能的能力，以及将海浪波动的机械信号高精度地转变为电信号的能力，目前出现了一种基于液固摩擦式的摩擦纳米发电机，用于监测海浪高度，然而基于液固摩擦式的摩擦纳米发电机，却面临着与可变电容式传感器相同的实用化的相关问题。

基于此，本发明实施例提供了一种传感器，该种传感器在测量海洋波谱时，具有测量精度高、多参数实时监测、任意方向海浪测量、以及抗干扰能力强等特点，同时又因结构简单，所以大大降低了传感器的制作难度、以及降低了制作成本。

具体地，本发明实施例提供的传感器，传感器用于测量海洋波谱，如图1和图2所示，传感器可以包括摩擦纳米发电机10和浮子20；

摩擦纳米发电机10包括第一摩擦结构11和第二摩擦结构12，第一摩擦结构11的一端与浮子20固定连接；

浮子20用于：在海洋的作用下，推动第一摩擦结构11与第二摩擦结构12之间发生摩擦，使得摩擦纳米发电机10产生用于表征海洋波谱的电信号。

在本发明实施例中，通过采用上述传感器，一方面可以利用自身的结构适应水平面内任意方向的海浪的参数的探测，从而将传感器使用范围从近岸推广至整个海洋。

另一方面可以避免摩擦纳米发电机10与海水的直接接触，进而消除海水对相关海洋波谱扫描过程产生的严重影响，以及避免对传感器自身结构组成产生严重破坏。

并且，在本发明实施例中，因摩擦纳米发电机10在浮子20的带动下输出的电信号波谱为海洋的运动波谱，所以可以直接利用该信号波谱直接且十分准确地表征海洋真实的运动波谱，与现有技术中的传感器相比，减少了数据处理的过程，从而提高海洋波谱的测量效率和准确性。

此外，通过摩擦纳米发电机10，可以使得传感器具有良好的探测性能，对海洋波谱进行高精度地测量，为海洋领域的研究提供有利的参考数据。同时，该种传感器结果简单，从而可以降低传感器的制作成本和制作难度。

除此之外，对于本发明实施例提供的上述传感器而言，还可以看作是一种发电机，即利用摩擦纳米发电机10，可以将海洋能转换为电能，为其他需要电源的设备供电，如图3所示，利用本发明实施例提供的上述传感器作为电源时，可以为电容器进行快速充电，展现出了优异的电源性能。其中，图3中的0.5ms^-2、1.0ms^-2、1.5ms^-2表示摩擦纳米发电机中的第一摩擦结构和第二摩擦结构之间发生滑动时的相对滑动加速度。

在具体实施时，在本发明实施例中，如图1和图2所示，第一摩擦结构11包括第一摩擦层11a，第二摩擦结构12包括第二摩擦层12a，第一摩擦层11a与第二摩擦层12a之间进行摩擦；

第一摩擦层11a与第二摩擦层12a采用不同的材料制作而成。

其中，在本发明实施例中，在设置第一摩擦层11a与第二摩擦层12a时，可以采用以下几种方式：

方式1：

可选地，第一摩擦层采用金属材料制作而成，第二摩擦层采用介电材料制作而成。也就是说，在摩擦的过程中，是金属材料与介电材料之间发生的摩擦。

因此，在本发明实施例中，第一摩擦层的厚度可以设置为大于第二摩擦层的厚度。如此，可以避免因第一摩擦层的厚度过薄耐磨性能差而导致摩擦纳米发电机10的工作时长较短的问题出现，以提高第一摩擦层和第二摩擦层之间的摩擦时长，从而提高摩擦纳米发电机10的工作时长，进而提高摩擦纳米发电机10的稳定性。

具体地，在本发明实施例中，在制作第二摩擦层时，所采用的介电材料可以为：全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)或聚酰亚胺(Kapton)等高分子薄膜材料，可以根据实际需要进行选择，在此并不限定。

具体地，为了便于输出电信号，在本发明实施例中，如图1所示，第二摩擦结构12还包括：第一导电层12b，第一导电层12b设置在第二摩擦层12a远离第一摩擦结构11的一侧。

可选地，第一导电层12b与第一摩擦层11a采用相同的金属材料制作而成。

其中，第一导电层12b与第一摩擦层11a采用相同的金属材料制作而成，可以降低摩擦纳米发电机10的制作难度，若第一摩擦结构11和第二摩擦结构12均包括一个本体结构M时，如图1所示，第一导电层12b和第二摩擦层12a可以依次制作在本体结构M之上，第一摩擦层11a制作在另一个本体结构M之上，所以可以通过同一制膜工艺在两个本体结构M上同时制作出第一摩擦层11a和第一导电层12b，或者在本体结构M上直接贴附金属箔片，从而简化摩擦纳米发电机10的制作工艺，进而降低制作难度。

具体地，在本发明实施例中，第一导电层12b和第一摩擦层11a可以采用金属铜、金属铝等金属材料制作而成，只要能够通过第一导电层12b和第一摩擦层11a将电信号导出即可，对于制作第一导电层12b和第一摩擦层11a时所采用的金属材料并不做具体限定。

当然，为了提高设计的灵活性，第一导电层12b与第一摩擦层11a还可以采用不同的金属材料制作而成，只要能够通过第一导电层12b和第一摩擦层11a将电信号导出即可，在此并不限定。

方式2：

可选地，第一摩擦层采用介电材料制作而成，第二摩擦层采用金属材料制作而成。也就是说，在摩擦的过程中，同样是金属材料与介电材料之间发生的摩擦。

因此，在本发明实施例中，第一摩擦层的厚度可以设置为小于第二摩擦层的厚度。如此，可以避免因第二摩擦层的厚度过薄耐磨性能差而导致摩擦纳米发电机10的工作时长较短的问题出现，以提高第一摩擦层和第二摩擦层之间的摩擦时长，从而提高摩擦纳米发电机10的工作时长，进而提高摩擦纳米发电机10的稳定性。

具体地，为了便于输出电信号，在本发明实施例中，如图4所示，第一摩擦结构11还包括：第二导电层11b，第二导电层11b设置在第一摩擦层11a远离第二摩擦结构12的一侧。

可选地，第二导电层11b与第二摩擦层12a采用相同的金属材料制作而成。

同样地，如同上述方式1，本方式2中第一导电层与第一摩擦层11a可以采用相同的金属材料制作而成，从而可以简化摩擦纳米发电机10的制作工艺，进而降低制作难度；同时，第一导电层与第一摩擦层11a可以采用不同的金属材料制作而成，以提高设计的灵活性。

其中，第二导电层11b、第二摩擦层12a、和第一摩擦层11a的制作材料的选择与上述方式1类似，具体可参见上述方式1中的描述，重复之处不再赘述。

方式3：

可选地，第一摩擦层与第二摩擦采用不同的介电材料制作而成。也就是说，在摩擦的过程中，是两种介电材料之间的摩擦。

因此，在本发明实施例中，第一摩擦层的厚度可以设置为等于第二摩擦层的厚度。

如此，不仅可以避免因介电材料与金属材料进行摩擦时金属磨损而影响摩擦纳米发电机10的使用寿命，从而提高摩擦纳米发电机10的稳定性，延长使用寿命，提高传感器的可靠性；还可以将第一摩擦层和第二摩擦层的制作难度，通过同一工艺或相同工艺制作第一摩擦层和第二摩擦层即可。

具体地，在本发明实施例中，在制作第一摩擦层和第二摩擦层时，所采用介电材料可以是全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)或聚酰亚胺(Kapton)等高分子薄膜材料中任意两种，只要保证第一摩擦层和第二摩擦层采用不同的介电材料制作，以保证第一摩擦层和第二摩擦层在往复的摩擦过程中产生电荷的流动从而产生电信号即可，对于制作第一摩擦层和第二摩擦层时所采用的介电材料并不做具体限定。

具体地，为了便于输出电信号，在本发明实施例中，未给出图示，第二摩擦结构12还包括：第一导电层，第一导电层设置在第二摩擦层远离在与第一摩擦结构11发生摩擦时的接触面的一侧；

第一摩擦结构11还包括：第二导电层，第二导电层设置在第一摩擦层远离在与第二摩擦结构12发生摩擦时的接触面的一侧。

可选地，第一导电层与第二导电层采用相同的金属材料制作而成。

同样地，如同上述方式1，本方式3中第一导电层与第二导电层采用相同的金属材料制作而成，从而可以简化摩擦纳米发电机10的制作工艺，进而降低制作难度；同时，第一导电层与第二导电层可以采用不同的金属材料制作而成，以提高设计的灵活性。

其中，第一导电层与第二导电层的制作材料的选择与上述方式1类似，具体可参见上述方式1中的描述，重复之处不再赘述。

说明一点，可选地，不管是上述方式一、方式二、还是方式三，第一摩擦层和第二摩擦层的面积大小可以设置为均相同。如此，可以有效利用摩擦面积，从而有效利用摩擦纳米发电机10的将机械能转化为电能的能力。

基于上述三种方式选择制作第一摩擦层和第二摩擦层的材料，不仅可以实现摩擦纳米发电机10在浮子20的上下推动下输出电信号，以便于确定出海洋波谱，同时还可以提高摩擦纳米发电机10的设计的灵活性，根据实际需要进行选择和设计，以适用于各种应用场景的需要。

在具体实施时，在本发明实施例中，对于摩擦纳米发电机10的结构设置，可以有以下几种：

第一种：依据于近海海浪沿垂直于海岸方向传播的特性，对摩擦纳米发电机10的结构进行设置。

如图4所示，第二摩擦结构12可以包括：相对而置的第一部件B1和第二部件B2，第二摩擦层12a分别设置在第一部件B1面向第二部件B2的一侧，以及第二部件B2面向第一部件B1的一侧；

第一摩擦结构11位于第一部件B1与第二部件B2之间，第一摩擦结构11具有分别面向第一部件B1和第二部件B2的侧面，侧面设置有第一摩擦层11a；

第一部件B1与第二部件B2之间的距离h0等于第一摩擦结构11在第一方向上的长度，第一方向为垂直于第一部件B1和第二部件B2表面的方向，第一方向可以为图4中的X方向。

也就是说，第一摩擦结构11会通过两个第一摩擦层11a与第二摩擦结构12中的第二摩擦层12a进行摩擦，所以图1和图4中所示的摩擦纳米发电机10可以看作是两个并联连接的摩擦纳米发电机，从而可以增加输出的电流，有利于降低在测量海洋波谱时的测量误差，进而有利于提高测量精确度。

因此，该种结构的摩擦纳米发电机10适用于近海的海洋波谱的测量，摩擦纳米发电机10基于摩擦起电和静电感应的原理，当浮子20随着海浪上下振动，进而推动摩擦纳米发电机10的第一摩擦结构11与第二摩擦结构12的往复摩擦并产生相应的电信号，因而可以通过摩擦纳米发电机10输出的电信号来获得高精度的海洋波谱。

此时，若第一摩擦层采用金属材料制作而成，第二摩擦层采用介电材料制作而成时，可选地，在本发明实施例中，第一摩擦层的厚度可以设置为0.1毫米至0.5毫米，第二摩擦层的厚度可以设置为5微米至500微米。如此，有利于提高第一摩擦层和第二摩擦层之间的摩擦时长，从而有利于提高摩擦纳米发电机10的工作时长，提高摩擦纳米发电机10的稳定性；并且，还可以避免因摩擦层制作的较厚而提高制作难度和增加制作成本。

进一步地，在本发明实施例中，第一摩擦层的厚度可以设置为0.2毫米，第二摩擦层的厚度可以设置为50微米。

当然，在实际情况中，第一摩擦层和第二摩擦层的厚度可以根据实际需要而定，并不限于上述数值范围，只要能够提高摩擦纳米发电机10的稳定性，以及降低摩擦纳米发电机10的制作成本和制作难度即可。

并且，在本发明实施例中，第一摩擦层11a的长度可以理解为：第一摩擦层11a在沿着第二方向上的长度，其中第二方向指的是摩擦纳米发电机10与浮子20的排列方向，如图1中所示的Y方向，其中，为了便于说明，图5中的第一摩擦层11a和第二摩擦层12a为图1中的第一摩擦层11a和第二摩擦层12a旋转90°之后的示意图，图5中h1表示第一摩擦层11a的长度。同理，第二摩擦层12a的长度与第一摩擦层11a的长度的理解相同，均是在沿着第二方向(如Y方向)上的长度，用h1’表示。

其中，第一摩擦层11a和第二摩擦层12a的长度均可以设置为20厘米至5米，可选地，第一摩擦层11a和第二摩擦层12a的长度均可以设置为2米。

对于第一摩擦层11a和第二摩擦层12a的宽度而言，第一摩擦层11a的宽度可以理解为：第一摩擦层11a在垂直于第二方向且平行于第一摩擦层11a表面的方向(如图5中的Z方向)上的长度，如图5所示，宽度用h2表示；同理，第二摩擦层12a的宽度同样可以理解为第一摩擦层11a在垂直于第二方向且平行于第一摩擦层11a表面的方向上的长度，用h2’表示。

其中，第一摩擦层11a和第二摩擦层12a的宽度均可以设置为1厘米至20厘米，可选地，第一摩擦层11a和第二摩擦层12a的宽度均可以设置为3厘米。

当然，第一摩擦层11a和第二摩擦层12a的长度和宽度并不限于上述给出的范围，还可以根据实际需要进行设置，在此并不限定。

如此，可以使得第一摩擦层11a和第二摩擦层12a之间具有充分地滑动距离以产生摩擦，进而使得该摩擦纳米发电机10可以对海洋的波动进行有效地测量，从而避免因第一摩擦层11a和第二摩擦层12a之间的滑动距离较短而无法充分反映出海浪的波动，进而减少对海洋波谱的测量误差，提高测量精确度。

第二种：基于深远海的海浪具有随机传播方向的特性和圆管的结构特性，对摩擦纳米发电机10的结构进行设置。

如图2所示，第二摩擦结构12为具有空腔的套管，第二摩擦层设置在空腔内壁；

第一摩擦结构11为滑动管，滑动管的外表面设置有第一摩擦层；

第二摩擦结构12的内径等于第一摩擦结构11的外径。

也就是说，该种摩擦纳米发电机10可以看作是一个伸缩管状的结构，当浮子20随着海浪上下振动时，推动滑动管在套管的空腔内部上下自由滑动，从而实现第一摩擦层和第二摩擦层的往复摩擦而产生电信号，通过摩擦纳米发电机10输出的电信号来获得高精度的海洋波谱。

此时，可选地，第一摩擦层的长度可以理解为套管内的空腔在沿着第二方向上的长度，第二摩擦层的长度可以理解为滑动管的长度，并且在该种结构下，第一摩擦层和第二摩擦层的长度可以设置为20厘米至5米，可选地为3米。当然，第一摩擦层和第二摩擦层的长度并不限于上述范围，还可以设置的其他范围，只要能够保证该种传感器适用于深远海的海洋波谱的测量即可。

对于第一摩擦层和第二摩擦层的宽度而言，第一摩擦层的宽度可以理解为：第一摩擦层在垂直于第二方向上的横截面的周长，如图6所示；同理，第二摩擦层的宽度同样可以理解为第一摩擦层在垂直于第二方向上的横截面的周长。

其中，若第一摩擦层和第二摩擦层在垂直于第二方向上的横截面均为圆形时，如图6所示，那么此时依据周长计算公式：周长＝∏×直径，因∏为常数，所以横截面的周长设置范围可以理解为直径的设置范围，也就是说，第一摩擦层和第二摩擦层的宽度的设置范围，可以理解为直径的设置范围，例如直径可以设置为5毫米至20厘米。

可选地，在第一摩擦结构11为滑动管结构，第二摩擦结构12为具有空腔的套管，且第一摩擦层采用介电材料制作而成，第二摩擦层采用金属材料制作而成时，第二摩擦结构12可以为金属管，如铜管、铝管或钛管等，因第二摩擦结构12由金属管制作而成，所以其内壁表面无需再制作金属膜层即可具有第二摩擦层，如图6所示，标记为12的结构表示一个金属管，该金属管可以作为第二摩擦结构12，该金属管的内壁N1可以作为第二摩擦层。对于第一摩擦结构11而言，可以在金属管的外表面制作介电材料以形成第一摩擦层，如图6所示，标记为11b的结构表示一个金属管，该金属管的外表面N2可以看作是第一导电层，且该金属管的外表面设置有介电材料作为第一摩擦层。然后将制作有介电材料的金属管放置在另一个金属管内，即可得到伸缩管式的摩擦纳米发电机10。

如此，可以大大降低摩擦纳米发电机10的制作难度，利用现有的金属管结构，从而提高了传感器的制作难度和制作效率。

其中，两个金属管的壁厚可以设置为0.1毫米-5毫米，当然并不限于此，还可以是其他数值范围，只要能够保证可以进行有效摩擦，有利于提高摩擦的有效时间，从而有利于提高传感器的工作时长即可。

此时，为了保证制作有介电材料的金属管能够与另一个金属管的内壁进行摩擦，需要对两个金属管的直径进行设置，例如，作为第一摩擦结构11的金属管的外直径可以设置为4.95厘米，作为第二摩擦结构12的金属管的内直径可以设置为5厘米。当然，两个金属管的直径还可以设置为其他范围，可以根据实际需要进行设置，在此并不限定。

并且，对于第一摩擦层的制作厚度，即介电材料的制作厚度，在本发明实施例中，可以设置为5微米至500微米；可选地，介电材料的厚度可以设置为200微米。

说明一点，为了保证第一摩擦结构11和第二摩擦结构12可以进行有效地摩擦，作为第二摩擦结构12的金属管、以及作为第一摩擦结构11且外表面制作有介电材料的金属管之间，需要满足以下关系：

do＝Di+2h3；

其中，如图6所示，do表示作为第二摩擦结构12的金属管内直径，Di表示作为第一摩擦结构11的金属管的外直径，h3表示作为第一摩擦结构11的金属管外表面制作的介电材料的厚度。

如此，可以使得第一摩擦层和第二摩擦层之间具有充分地滑动距离以产生摩擦，进而使得该摩擦纳米发电机10可以对海洋的波动进行有效地测量，从而避免因第一摩擦层和第二摩擦层之间的滑动距离较短而无法充分反映出海浪的波动，进而减少对海洋波谱的测量误差，提高测量精确度。

第三种：基于用于测量海洋波谱的传感器在海洋波普探测过程中的稳定探测性能和长寿命要求，对摩擦纳米发电机10的结构进行设置。

该种结构的摩擦纳米发电机10与第二种摩擦纳米发电机10的结构基本类似，均是一个伸缩管状的结构，但区别在于，传感器还包括一个直立保持结构，以保护摩擦纳米发电机10。

具体地，如图7所示，传感器还可以包括：直立保持结构30，直立保持结构30设置在套管远离滑动管的一侧，直立保持结构30的一端与浮子20固定连接；

直立保持结构30用于：降低浮子20在海洋的冲击下引起的滑动管在垂直于第二方向上发生的应变；

第二方向平行于摩擦纳米发电机10与浮子20的排列方向，如图7中的Y方向。

也就是说，通过该直立保持结构30，可以避免摩擦纳米发电机10的伸缩管状的结构受到海洋在平行于水平面方向(图7中的X方向平行于水平面)冲击而变形，从而对摩擦纳米发电机10起到保护作用，提高传感器的可靠性。

可选地，在本发明实施例中，如图7所示，直立保持结构30包括：相对而置的两组导轨31，每组导轨31中设置有多个滚轮32；

每组导轨31的一端均与浮子20固定连接，两组导轨31在浮子20的推动下沿着第二方向上下移动，导轨31的上下移动带动滚轮32转动；

两组导轨31之间的间距h4大于套管的外径h5。

如此，利用滚轮32和导轨31，一方面可以保证摩擦纳米发电机10中的第一摩擦结构11在垂直于水平面的方向上进行自由的滑动，使得第一摩擦层和第二摩擦层进行往复地摩擦以产生电信号，从而实现对海洋波谱的测量。另一方面，导轨31可以避免摩擦纳米发电机10中的滑动管在受到海洋的冲击下发生变形，从而提高传感器的可靠性。

具体地，各滚轮32的直径可以设置为不同，以提高设计的灵活性，满足不同的需要。当然，各滚轮32的直径也可以设置为相同，以便于直立保持结构30的制作。

其中，滚轮32的直径可以设置为1毫米-5厘米，可选地设置为5毫米。当然，并不限于，还可以是根据需要设置的其他数值，只要能够通过滚轮32和导轨31实现直立保持结构30的功能即可。

具体地，导轨31在沿着第二方向(如图7中的Y方向)上的长度可以设置为20厘米至5米，可选地设置为3米。两组导轨31中的两条轨道之间的间距(如图7中的h6)可以设置为1厘米至30厘米，可选地设置为10厘米。当然，导轨31的尺寸并不限于上述范围，还可以是其他范围，只要能够保证两组导轨31之间的间距大于套管的外直径，且导轨31的长度能够足以支撑摩擦纳米发电机10的同时不会阻碍摩擦纳米发电机10的工作即可。

需要说明的是，在本发明实施例中，摩擦纳米发电机的结构并不限于上述描述的三种，还可以是其他可以与浮子结合实现海洋波谱测量的结构，此处只是举例说明而已，对于摩擦纳米发电机的结构并不做具体限定。

在具体实施时，在对浮子20进行设置时，在本发明实施例中，浮子20可以为低密度的球形浮子20，例如浮子20可以为由泡沫、气球等低密度球形物体，使得浮子20可以利用自身球形的结构适应水平面内任意方向的海浪的参数的探测，从而使将传感器的使用范围从近岸推广到整个海洋，大大拓宽了传感器的应用范围。

可选地，在本发明实施例中，浮子20的直径可以设置为10厘米至5米，优选地，浮子20的直径可以设置为0.5米。

当然，浮子20的形状、直径设置并不限于上述描述，还可以根据实际需要进行设置，只要能够通过该浮子20推动摩擦纳米发电机10中的第一摩擦结构11与第二摩擦结构12发生摩擦即可，在此并不限定。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种海洋波谱的测量系统，如图8所示，可以包括：搭载平台200、至少一个如本发明实施例提供的上述传感器100、以及处理器300；

传感器100中的摩擦纳米发电机远离浮子的一端固定于搭载平台200之上；

处理器300与传感器100电连接，处理器300用于：在接收到传感器100中的摩擦纳米发电机输出的电信号时，根据电信号确定海洋波谱。

在本发明实施例中，通过将传感器100的一端固定于搭载平台200之上，可以使得传感器100的另一端的浮子在随着海浪的推动下推动摩擦纳米发电机中的第一摩擦结构和第二摩擦结构进行往复摩擦，在将摩擦纳米发电机产生的电信号发送至处理器300之后，使得处理器300可以根据该电信号确定海洋波谱，从而通过简单的结构即可实现对海洋波谱的测量，不仅降低了测量系统的制作成本和制作难度，还可以通过摩擦纳米发电机使得传感器100具有良好的探测性能，从而提高海洋波谱的测量精确度，为海洋领域的研究提供有利的参考数据。

在具体实施时，在本发明实施例中，处理器300可以设置在与搭载平台200电连接的服务器400中，如图8所示；当然，若搭载平台200中设置有服务器400时，处理器300可以设置在搭载平台200中的服务器400中，未给出图示。

在具体实施时，在本发明实施例中，在进行近岸海洋波谱的测量时，搭载平台200可以选择近岸的海洋监测点；或者，在进行深远海的海洋波谱测量时，搭载平台200可以选择工程化使用的海洋石油钻井平台；又或者，在进行长寿命的海洋波谱测量时，搭载平台200同样可以选择工程化使用的海洋石油钻井平台。

如此，利用现有的搭载平台200，再结合本发明实施例提供的上述传感器100，即可实现对海洋波谱的测量，大大降低了测量系统的搭建难度和搭建成本，同时大大提高了测量系统搭建的便捷性。

当然，对于搭载平台200的选择和设置，并不限于上述给出的近岸的海洋监测点和工程化使用的海洋石油钻井平台，只要能够结合本发明实施例提供的上述传感器100，以及实现对海洋波谱的测量即可，对于搭载平台200的选择和设置并不做具体限定。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种海洋波谱的测量方法，采用如本发明实施例提供的上述海洋波谱的测量系统实现，如图9所示，测量方法包括：

针对处理器执行以下步骤：

S901、接收传感器中的摩擦纳米发电机输出的电信号；

S902、根据摩擦纳米发电机产生的电信号确定海洋波谱。

如此，利用传感器中的摩擦纳米发电输出的电信号，处理器即可确定出海洋波谱，在降低海洋波谱测量难度的同时，提高了海洋波谱测量的准确性。

在实际情况中，根据海浪的基本运动特性，其在水平面范围内传播的速度可以认为是基本保持恒定的，因此只需要探测海浪在竖直方向上各种运动参数的变化即可以获得高精度的海洋波谱。

因此，在本发明实施例中，测量方法还包括：

根据确定出的海洋波谱，确定海浪的周期；

根据确定出的海洋波谱，按照以下公式计算海浪的高度、海浪的频率、海浪的波速、海浪的波长、以及海浪的波陡：

公式1：△Q＝σ×∏×L×H；

公式2：V＝k×σ×∏×L×H；

公式3：I＝1/2×σ×∏×L×a×t；

公式4：C＝α×l/△t；

公式5：f＝1/T；

公式6：λ＝C×T；

公式7：δ＝H/λ；

其中，△Q表示摩擦纳米发电机工作中的电荷转移量，V表示所述摩擦纳米发电机输出的电压，I表示所述摩擦纳米发电机输出的电流，k表示V与σ、L、H之间的比例系数，σ表示由介电材料制作的摩擦层的电荷密度，在所述第二摩擦结构为套管时，L表示所述套管的横截面的周长，在所述第二摩擦结构包括相对而置的第一部件和第二部件时，L表示所述第一部件和所述第二部件在沿着第三方向上的长度，所述第三方向为平行于所述第一部件表面且垂直于所述摩擦纳米发电机与所述浮子排列的方向，H表示海浪的高度；a表示浮子在沿着摩擦纳米发电机与浮子排列方向上的加速度，t表示时间变化参数，T表示海浪的周期，f表示海浪的周期，△t表示海浪对所述浮子的作用时间，C表示海浪的波速，α表示校正因子，M表示海浪对所述浮子在传播方向上的有效作用长度，λ表示海浪的波长，δ表示海浪的波陡，α大于0且不大于1。

当然，根据确定出的高精度的海洋波谱，不仅可以快速准确地获得海浪的高度、海浪的周期、海浪的波速、海浪的波长、以及海浪的波陡，还可以根据需要获得更多的海洋波动信息，为海洋的研究提供更多的技术参考。

具体地，如图10所示的传感器的工作原理图，当传感装置于海浪中时，首先，浮子处于一个波谷中，此时传感器处拉伸状态(5-i)；当一个海浪到达浮子的正下方时，浮子将随着海浪升起进而推动传感器中的第一摩擦结构和第二摩擦结构产生摩擦，进而产生电信号并使传感器处于收缩状态(5-ii)；然后，当海浪远离浮子时，浮子会下落进而传感器向拉伸状态转变(5-iii)，并最终进入随后另一个波谷中，进而不断重复上述的运动过程中。

根据摩擦纳米发电机的基本工作原理，可以得到如下公式：

公式1：ΔQ＝σ×ΔS＝σ×∏×L×H＝1/2×σ×π×L×a×t²；

在V＝k×ΔQ时，公式2的推到过程即为：V＝k×ΔQ＝k×σ×∏×L×H＝1/2×k×σ×∏×L×a×t²；同理，在I＝ΔQ/△t时，公式3的推到过程即为：I＝ΔQ/t＝1/2×σ×∏×L×a×t＝1/2×σ×∏×L×v；

其中，摩擦纳米发电机工作过程中的转移电量为ΔQ，摩擦的面积为ΔS，传感器运行过程的浮子在第二方向上的加速度为a，速度为v，时间变化为t，且v＝a×t。

此时，公式1和2中，传感器的转移电量ΔQ和电压V与浪高H具有线性关系，因此可以利用这两个参数对海浪的高度进行直接测量，图11中示出了传感器在浪高探测中优异的线性关系(如r＝0.99997或r＝0.99995或r＝0.99982，其中r表示相关度，r的值越接近1，表示测量精确度越高)。

对于公式2，传感器产生的电流与摩擦纳米发电机的运动速度具有线性关系，所以可以利用电流直接对海浪在第二方向上的速度和动能变化进行直接表征。

为了确定通过本发明实施例提供的测量方法所测量到的海洋波谱的精确性，进行试验验证，具体地，根据公式1、2和3的理论分析和海浪的基本特性，使用竖直(也即前述提及的第二方向)的线性马达，设置一个加速度恒定的往复运动，以表征传感器的探测性能。理论和实际测量的信号输出结构分别如图12和图13所示，显然理论和实际测量的测试结果基本特征保持一致，进而证明了该海洋波谱的测量系统中的传感器具有优异的探测性能。

此外，假设海浪对浮子在传播方向上的有效作用长度l，海浪对浮子的作用时间为Δt，如图14所示的理想传感器探测的海洋波谱。对同一个传感器而言，根据基本物理规律、校正因子α、以及海浪特性参数的基本定义，可以很容易实现海浪周期T和频率f的测量，并且，可以根据公式4-6对海浪的波速C、波长λ、波陡δ进行直接探测。

说明一点，校正因子α取值范围为0～1，且传感器对应的校正因子α的数值是固定的。并且，校正因子α的获取，可以通过标准校准法来完成，即在确定传播速度C的模拟海浪中进行相关测试，然后通过公式4获取该传感器相应的校正因子α的具体数值。因此，此处并不对校正因子α的数值进行具体限定。

可选地，在本发明实施例中，在测量系统中包括多个传感器时，测量方法还可以包括：

按照如下公式计算海浪的传播方向：

cosθ＝C×△T/S；

其中，S表示相邻两个传感器之间的距离，△T表示相邻两个传感器对同一海浪测量的时间差，C表示海浪的波速，θ表示海浪的传播方向与相邻两个传感器之间连线的夹角。

也就是说，可以通过多个传感器的联合应用，获得更多的海浪特征参数，如图15所示，在海洋中设置2个本发明实施例提供的上述传感器，设这两个传感器之间的距离为S，海浪的传播方向与这两个传感器连线之间的夹角为θ，两个传感器对同一海浪探测的时间差为ΔT，因此，可以根据cosθ＝C×△T/S，可以获得θ具体的数值，进而获得海浪精准的传播方向。而利用一个大规模传感器阵列，可以完成对大范围海域水文气象特征的高精度探测，为海洋领域的研究提供更多更精确的技术参考。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种海洋波谱的测量方法，其特征在于，采用海洋波谱的测量系统实现，所述测量系统包括：搭载平台、至少一个传感器、以及处理器；所述传感器中的摩擦纳米发电机远离浮子的一端固定于搭载平台之上，所述处理器与所述传感器电连接；所述传感器包括摩擦纳米发电机和浮子；所述摩擦纳米发电机包括第一摩擦结构和第二摩擦结构，所述第一摩擦结构的一端与所述浮子固定连接；所述浮子用于：在海洋的作用下，推动所述第一摩擦结构与所述第二摩擦结构发生摩擦，使得所述摩擦纳米发电机产生用于表征海洋波谱的电信号；所述摩擦纳米发电机与所述海洋中的海水无直接接触；所述测量方法包括：

针对所述处理器执行以下步骤：

接收所述传感器中的所述摩擦纳米发电机输出的电信号；

根据所述摩擦纳米发电机产生的电信号确定海洋波谱；

在所述测量系统中包括多个传感器时，所述测量方法还包括：

按照如下公式计算海浪的传播方向：

cosθ＝C×△T/S；

其中，S表示相邻两个所述传感器之间的距离，△T表示相邻两个所述传感器对同一海浪测量的时间差，C表示海浪的波速，θ表示海浪的传播方向与相邻两个所述传感器之间连线的夹角。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括：

根据确定出的海洋波谱，确定海浪的周期；

根据确定出的海洋波谱，按照以下公式计算海浪的高度、海浪的频率、海浪的波速、海浪的波长、以及海浪的波陡：

△Q＝σ×∏×L×H；

V＝k×σ×∏×L×H；

I＝1/2×σ×∏×L×a×t；

f＝1/T；

C＝α×l/△t2；

λ＝C×T；

δ＝H/λ；

其中，△Q表示摩擦纳米发电机工作中的电荷转移量，V表示所述摩擦纳米发电机输出的电压，I表示所述摩擦纳米发电机输出的电流，k表示V与σ、L、H之间的比例系数，在所述第一摩擦结构包括第一摩擦层，所述第二摩擦结构包括第二摩擦层时，σ表示由介电材料制作的所述第一摩擦层和/或所述第二摩擦层的电荷密度，在所述第二摩擦结构为套管时，L表示所述套管的横截面的周长，在所述第二摩擦结构包括相对而置的第一部件和第二部件时，L表示所述第一部件和所述第二部件在沿着第三方向上的长度，所述第三方向为平行于所述第一部件表面且垂直于所述摩擦纳米发电机与所述浮子排列的方向，H表示海浪的高度；a表示所述浮子在沿着所述摩擦纳米发电机与所述浮子排列方向上的加速度，t表示时间变化参数，T表示海浪的周期，f表示海浪的周期，△t表示海浪对所述浮子的作用时间，C表示海浪的波速，α表示校正因子，l表示海浪对所述浮子在传播方向上的有效作用长度，λ表示海浪的波长，δ表示海浪的波陡，α大于0且不大于1。

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