CN111579052A - 一种船用振动监测预警装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性船用振动监测装置包括吸附固定层，所述吸附固定层的另一端与摩擦纳米发电机相连接，所述吸附固定层上还固定连接有预警电路；所述摩擦纳米发电机包括绝缘支撑体、金属电极和振动探片，所述金属电极固定连接在吸附固定层的外侧，所述金属电极和振动探片分别固定连接在绝缘支撑体的上部两侧，所述振动探片的上部被约束固定、下部自由振动并在运动过程中与金属电极完全接触；该监测装置安装在船舶运行设备上实时监测船舶的振动频率信号，所述摩擦纳米发电机采集振动频率信号将其转换成电压信号传输至预警电路内进行整流和低通滤波处理、将输出的电压信号与参考电压进行比较，如果输出电压大于参考电压则发出预警信号。
Description
技术领域
本发明涉及振动监测装置，特别涉及一种柔性的基于摩擦纳米发电机的船 用预警装置。
背景技术
随着当今社会经济的高速发展，人们生活水平的不断提高，人们的货运需 求也不断丰富，而海洋运输是国际物流中最主要的运输方式，人们也越来越重 视海洋运输工作。这项工作主要是由数量庞大的远洋船舶承担的，货物运输船 舶一般吨位较大，船舶自身价值以及所载货物价值都比较高，船舶的航程长、 运行时间久、工作环境恶劣、船舶很容易发生意外，造成生命财产损失。因此 为了尽量避免船舶发生意外，需要对船舶的运行状态进行实时准确的评估，及 时发出预警。评估船舶状态的重要参考信息是船舶在可靠运行时大量设备的运 行状况。船舶上的设备在运行时不可避免地产生振动，而设备正常工作时振动是规则的，如果设备发生异常，振动就会加剧并且不规则，因此可以通过对设 备振动信号的采集分析来判断设备运行状态，进而判断整个船舶的运行状态， 进行安全预警。现有的振动监测装置，通过安装大量的精密传感器，采集位移、 加速度等信号传送至电脑进行振动分析。而在船舶复杂的环境条件下，机舱里 的设备排列紧密难以安装，归属不同设备的装置均需单独配置电源，成本昂贵， 并且难以保证持续供能。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种柔性船用振动监测装置，包 括:吸附固定在船舶设备的表面的吸附固定层；
所述吸附固定层的另一端与摩擦纳米发电机相连接，所述吸附固定层上还 固定连接有预警电路；
所述摩擦纳米发电机包括绝缘支撑体、金属电极和振动探片，所述金属电 极固定连接在吸附固定层的外侧，所述金属电极和振动探片分别固定连接在绝 缘支撑体的上部两侧，所述振动探片的上部被约束固定、下部自由振动并在运 动过程中与金属电极完全接触；工作状态下：该监测装置安装在船舶运行设备 上实时监测船舶的振动频率信号，所述摩擦纳米发电机采集振动频率信号将其 转换成电压信号传输至预警电路内进行整流和低通滤波处理、将输出的电压信 号与参考电压进行比较，如果输出电压大于参考电压则发出预警信号。
所述振动探片包括封装体、碳纳米管和PDMS结构，所述碳纳米管印刷在 PDMS结构的外侧，所述PDMS结构由封装体封装设置。
所述预警电路包括由两个二极管构成的整流器、二阶有源低通滤波器和同 相比例器，所述整流器的输出端与二阶有源低通滤波器相连接，所述二阶有源 低通滤波器的输出端与同相比例器相连接。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种柔性船用振动监测装置，该 装置具有如下有益效果：
1、本发明解决了船舶故障只能故障后发现无法预警的缺点，现有的船舶设 备都是配备备用设备，设备故障后启用备用设备，中间转换时间耽误船舶正常 航行，一些重要设备故障则会使船舶立即失去控制，并且设备如果一旦故障停 止运行说明已经有不可挽回的损伤，而本发明可以预警设备故障，可以提前维 护设备解决问题从而避免故障发生；
2、本发明的结构特殊性使得装置的适用范围广，柔性装置安装便捷，装置 轻巧不影响设备运行，可以覆盖船舶上运行的全部设备，综合多个装置的预警， 可以系统分析船舶状况，安全可靠，这保证了本发明船舶监测预警的效果优越。
3、由于本发明采用摩擦纳米发电机技术，摩擦纳米发电机直接可以产生高 电压，相比其他信号非常容易收集；同时摩擦纳米发电机的使用保证装置可以 自供能，无需外接电路，无需改造现有船舶设备的电力系统，
4、由于本发明加强了对设备的监测，并且预警成功可以降低设备维修成本， 降低船员的工作风险，减少了维修时间，总体上改善了船舶的安全性，提高了 航运业的利润。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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是本发明的柔性船用振动监测预警装置整体结构示意图。
图2是本发明的摩擦纳米发电机工作原理图。
图3是本发明的PDMS表面处理微结构图。
图4是本发明的振动监测预警电路示意图。
图中：图中：1、预警电路，2、吸附固定层，3、绝缘支撑体，4、金属电 极，5、振动探片，6、封装体，7、碳纳米管，8、PDMS结构，9、摩擦纳米发电 机，10、整流器，11、第一电阻，12、第一电容，13、第二电阻，14、第三电 阻，15、第二电容，16、运算放大器，17、第四电阻，18、第五电阻，19、第 六电阻，20、MOSFET管，21、蜂鸣器。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
如图1和图2所示的一种柔性船用振动监测装置，具体包括：预警电路1、 吸附固定层2、绝缘支撑体3、金属电极4、振动探片5。其中吸附固定层吸附 固定在船舶设备的表面，所述吸附固定层2的另一端与摩擦纳米发电机9相连 接，在吸附固定层2上还固定连接有预警电路1。所述摩擦纳米发电机9包括绝 缘支撑体3、金属电极4和振动探片5，所述振动探片5包括封装体6、碳纳米 管7、PDMS结构8。所述金属电极4在吸附固定层2外侧，所述绝缘支撑体3 安装在金属电极4外侧上部；所述PDMS结构8外侧印刷碳纳米管7；所述印 刷碳纳米管7的PDMS结构8由封装体6封装；所述PDMS结构8可以自由振 动，可以完全接触所述金属电极4。工作状态下：该监测装置安装在船舶运行设 备上实时监测船舶的振动频率信号，所述摩擦纳米发电机9采集振动频率信号 将其转换成电压信号传输至预警电路1内进行整流和低通滤波处理、将输出的 电压信号与参考电压进行比较，如果输出电压大于参考电压则发出预警信号。
进一步的，所述预警电路1包括由两个二极管构成的整流器10、二阶有源 低通滤波器和同相比例器，整流器10的输出端与二阶有源低通滤波器相连接， 所述二阶有源低通滤波器的输出端与同相比例器相连接。
进一步的，如图4所示，本发明将摩擦纳米发电机9输出的电压信号进行 整流后再低通滤波输出，输出电压信号可以与参考电压进行大小进行比较。电 路中2个二极管构成的整流器10对输入的交流电进行整流；电路中第一电阻11、 第三电阻14、第一电容12、第二电容15构成二阶有源低通滤波器，使高频段 迅速衰减，只允许低频段信号通过。第二电阻13、第四电阻17和运算放大器 16构成同相比例器。第五电阻18、第六电阻19对运算放大器16的输出电压进 行分压后送给MOSFET管20栅级，栅级电压大于参考电压设定值时，MOSFET管20导通，漏极有电流，蜂鸣器21发声，否则不发声。
进一步的，所述吸附固定层2的内侧粘附在船舶设备表面。
进一步的，本发明的工作原理如下：图3是摩擦纳米发电机的工作原理示 意图。摩擦纳米发电机9依赖于接触起电和静电感应效应。设备振动使得经过 表面微结构处理的PDMS结构8与金属电极4不断接触分离；根据摩擦电序列， 接触起电后金属电极4带正电荷，PDMS结构8带等量负电荷；当金属电极4 与PDMS结构8分离时，PDMS结构8的负电荷不能够被完全的平衡，PDMS 结构8上印刷的碳纳米管7静电感应出正电荷，碳纳米管7上的自由电子将通 过外部负载流出；随着PDMS结构8的进一步的分离，碳纳米管7静电感应出 的正电荷增加，更多的电子流动，直至PDMS结构8与碳纳米管7上电荷实现 静电平衡；当PDMS结构8返回接近金属电极4表面时，碳纳米管7上感应的 正电荷减少，自由电子流入，产生反向流动，随着不断地接触分离过程，摩擦 纳米发电机9实现交流电输出。
由于摩擦纳米发电机9所发出的电为交流电，利用整流器10进行整流，再由 第一电阻11、第三电阻14、第一电容12、第二电容15构成二阶有源低通滤波器 使高频段迅速衰减，低频段信号通过低通滤波输出，输出电压信号可以与参考 电压Vref进行大小比较。第五电阻18和第六电阻19对运算放大器16的输出电压进 行分压后送给MOSFET管20的栅级。根据设备正常运转时电压信号设置参考电压 Vref，当设备出现故障时振动频率加剧，输出电压增大，当栅级电压大于参考电 压设定值时，MOSFET管20导通，漏极有电流，蜂鸣器21发声，预警设备故障。
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。
Claims (3)
1.一种柔性船用振动监测装置，其特征在于包括：
吸附固定在船舶设备的表面的吸附固定层(2)；
所述吸附固定层(2)的另一端与摩擦纳米发电机(9)相连接，所述吸附固定层(2)上还固定连接有预警电路(1)；
所述摩擦纳米发电机(9)包括绝缘支撑体(3)、金属电极(4)和振动探片(5)，所述金属电极(4)固定连接在吸附固定层(2)的外侧，所述金属电极(4)和振动探片(5)分别固定连接在绝缘支撑体(3)的上部两侧，所述振动探片(5)的上部被约束固定、下部自由振动并在运动过程中与金属电极(4)完全接触；工作状态下：该监测装置安装在船舶运行设备上实时监测船舶的振动频率信号，所述摩擦纳米发电机(9)采集振动频率信号将其转换成电压信号传输至预警电路(1)内进行整流和低通滤波处理、将输出的电压信号与参考电压进行比较，如果输出电压大于参考电压则发出预警信号。
2.根据权利要求1所述的一种柔性船用振动监测装置，其特征还在于：所述振动探片(5)包括封装体(6)、碳纳米管(7)和PDMS结构(8)，所述碳纳米管(7)印刷在PDMS结构(8)的外侧，所述PDMS结构(8)由封装体(6)封装设置。
3.根据权利要求1所述的一种柔性船用振动监测装置，其特征还在于：所述预警电路(1)包括由两个二极管构成的整流器(10)、二阶有源低通滤波器和同相比例器，所述整流器(10)的输出端与二阶有源低通滤波器相连接，所述二阶有源低通滤波器的输出端与同相比例器相连接。
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