CN113834599B - 基于光频域反射测量技术的能量感知系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统及方法，涉及水位能量测量技术领域。包括：主体框架、至少四个测量单元、传输终端和供电装置，各个所述测量单元围合安装在所述主体框架上用于测量不同方向上的水位能量数据参数，所述测量单元包括水平周期测量模组、纵向波幅测量模组和纵向流速测量模组；所述传输终端用于传输所述测量单元采集的数据参数；所述供电装置为整体系统供电。本发明提供了一种基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统及方法，用于解决现有技术中由于水浪波动的方向具有随机性使得现有的装置不能多方位多地形地准确测量水位能且无法得到连续的综合性数据等问题。
Description
技术领域
本发明涉及水位能量测量技术领域，特别是涉及基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统及方法。
背景技术
水位能量是水体表面及水体内部所具有的动能和势能的总和，该能量总和与水体表面波动波幅的平方、波动的周期成正比。水位能量受限于不同环境、不同地区地理条件等的差异，其蕴藏能量的总量可观但其不具备统计规律及分布特性，以海洋环境条件下的水位能量为例，即海洋波浪能，利用中国沿海海洋观测台站资料估算得到，中国沿海理论波浪年平均功率约为1.3×107kw，且由于部分海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小的位置，故实际的沿海波浪功率大于上述估计值。以海洋环境条件下的水位能量测量为例，海洋内部洋流的涌动因海底地形及温度等因素的制导，使得海洋环境条件下的水位能量，即波浪能，存在纵向及横向的双重不均匀分布。故传统的海洋能量测量装置不能多地形准确测量且无法得到连续的综合性数据。
目前常规的水位能量监测装置以波浪能监测装置为主，该类型装置一般通过监测海浪在一个平面的推力来推算波浪的能量。由于海浪波动的方向具有随机性，现有的监测装置难以确保测量面正对迎浪面，导致部分海浪能量没有被转化为监测数据。目前依据水位能量，其中以依据海洋波浪能为主，设计乃至投产的各种形式的发电装置，由于缺少相关能量监测数据的支持而难以合理利用水位能量。沿海地区大力发展的填海建设区域的防浪设计需要更精确的海洋能量监测数据。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统及方法，用于解决现有技术中由于水浪波动的方向具有随机性使得现有的装置不能多方位多地形地准确测量水位能且无法得到连续的综合性数据等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统，可放置在水体中监测和收集其水位能量数据参数，包括：
主体框架；
至少四个测量单元，各个所述测量单元围合安装在所述主体框架上用于测量不同方向上的水位能量数据参数，所述测量单元包括水平周期测量模组、纵向波幅测量模组和纵向流速测量模组；
传输终端，所述传输终端用于传输所述测量单元采集的数据参数；
供电装置，所述供电装置为整体系统供电。
可选的，所述主体框架包括横向框架杆和纵向框架杆，所述横向框架杆和所述纵向框架杆组合构成立方体结构。
可选的，还包括锚固杆，所述锚固杆与所述主体框架的底部连接，所述锚固杆可锚入水体底部用于固定所述主体框架在水体中的位置。
可选的，所述水平周期测量模组包括受力板和低相干干涉测量模块，
所述低相干干涉测量模块固定在所述横向框架杆上，所述受力板和所述低相干干涉测量模块连接，所述低相干干涉测量模块位于所述横向框架杆和所述受力板之间。
可选的，所述低相干干涉测量模块包括第一固定件、第二固定件和滑动件，
所述第一固定件和所述第二固定件固定连接，所述第一固定件上设有滑动轨道，所述滑动件滑动安装在所述第一固定件上，所述滑动件和所述受力板的表面铰接，所述受力板通过水流对自身的冲击带动所述滑动件在所述滑动轨道上滑动，所述第二固定件和所述滑动件之间的距离随着所述滑动件的来回滑动而改变；
所述第二固定件和所述滑动件通过弹簧连接，所述弹簧上设有低相干干涉光纤传感器；
所述第二固定件和所述滑动件之间设有限位连杆结构，所述限位连杆结构的两端分别和所述滑动件和所述第二固定件连接，所述限位连杆结构用于限定所述滑动件的滑动行程。
可选的，所述纵向波幅测量模组包括测量浮球和网状固定结构，
所述网状固定结构设置在顶部所述横向框架杆和底部所述横向框架杆之间，所述测量浮球通过柔性光缆和所述网状固定结构连接，
所述柔性光缆中内嵌有OFDR光纤传感器。
可选的，所述纵向流速测量模组包括双向交叉筒状结构和固定杆，
所述固定杆竖直设置在顶部所述横向框架杆和底部所述横向框架杆之间，所述双向交叉筒状结构固定在所述固定杆上且所述双向交叉筒状结构沿所述固定杆的杆长方向上均匀布置，
所述双向交叉筒状结构的内部设有OFDR光纤的片状传感器。
可选的，所述供电装置为太阳能电池板。
可选的，还包括云端分析平台，所述传输终端将所述测量单元采集的数据参数上传到所述云端分析平台进行计算分析。
一种利用基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统的方法，包括：
水平周期测量模组中受力板受到目标测量水体的水流冲击并将冲击力传递给低相干干涉测量模块可测得水位波动周期T和水体波动冲击荷载产生的轴向应变ε光纤；纵向波幅测量模组的测量浮球受到水的浮力时在柔性光缆的约束下在有限空间内位置自由变化，未受到水的浮力时自由下垂，通过该柔性光缆轴向拉应力变化采集相应某一点的波动变化情况，纵向波幅测量模组可测得水位波幅A和波长L；纵向流速测量模组的OFDR光纤的片状传感器可承受水流方向的均布荷载，可以测得水流流速并通过多点数据采集反应流速在测量区域内的分布，纵向流速测量模组可测得水流波速Vg；
传输终端将各模组采集到的相关参数传输至云端分析平台进行分析计算，将单位波面宽度的势能和动能加在一起，就可以计算出水位能量，水位动能是水粒子横向运动和纵向运动叠加的结果，水位能量E的势能和动能总和可以表示为：
其中g为重力加速度，ρ为水的密度；水位平均能通量或波动周期能量Pw为：/>
而水位波动周期T和波长L之间的联系：/>
所以Pw也可以表达为：/>
水体波动中的冲击载荷F为：F＝E·ε光纤。
如上所述，本发明的基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统及方法，至少具有以下有益效果：
本发明中基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统中设立了多个测量单元，可测量水体中不同方向上的水位能量数据参数，可以较为全面地收集确定目标水位中的数据参数，同时每个测量单元中设置了水平周期测量模组、纵向波幅测量模组和纵向流速测量模组，通过光频域反射测量技术对于水位波动理论公式所需数据参数量进行直接测量，可以极高精度地反应水位能量的数值，同时可将采集的数据通过传输终端上传到云端分析平台进行分析计算，可精确准确地计算出所需的目标水位的水位能量值；同时，本发明中系统通过太阳能电池板提供电力运作，无需外加供能设备，更加绿色节能。
附图说明
图1显示为本发明中基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统整体结构示意图；
图2显示为本发明中所述测量单元的布置示意图(去掉所述双向交叉筒状结构)；
图3显示为本发明中所述低相干干涉测量模块的结构示意图；
图4显示为本发明中所述低相干干涉测量模块和所述受力板连接的示意图；
图5显示为本发明中所述测量浮球的布置示意图；
图6显示为本发明中双向交叉筒状结构的结构示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图6。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以下各个实施例仅是为了举例说明。各个实施例之间，可以进行组合，其不仅仅限于以下单个实施例展现的内容。
请参阅图1，本发明提供一种基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统，可放置在水体中监测和收集其水位能量数据参数，包括：主体框架、至少四个测量单元、传输终端1和供电装置2，各个所述测量单元围合安装在所述主体框架上用于测量不同方向上的水位能量数据参数，所述测量单元包括水平周期测量模组、纵向波幅测量模组和纵向流速测量模组；所述传输终端1用于传输所述测量单元采集的数据参数，所述检测单元均通过信号缆线连接所述传输终端1实现数据传输；所述供电装置2为整体系统供电。本例中所述测量单元的数量为四个，本发明中基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统中设立了多个测量单元，可以测量出目标水体中不同方向上的水位能量数据参数，可以较为全面地收集确定目标水位中的数据参数，同时每个测量单元中设置了水平周期测量模组、纵向波幅测量模组和纵向流速测量模组三种测量模组，分别用于检测采集目标水体内的水位波动周期、水位波幅、水位波长以及水波流速等，通过光频域反射测量技术对于水位波动理论公式所需数据参数量进行直接测量，可以极高精度地利用采集到的数据参数计算出水位能量的数值。
本实施例中，请参阅图1，所述主体框架包括横向框架杆31和纵向框架杆32，所述横向框架杆31和所述纵向框架杆32可选用碳纤维材料，在保证装置的整体强度和稳定性足够的条件下可以不受使用环境的侵蚀，所述横向框架杆31和所述纵向框架杆32组合构成立方体结构，所述测量单元可安装在所述主体框架的四个侧面上，收集目标水体中四个方向上的水位能量数据参数。
本实施例中，请参阅图1，还包括锚固杆33，所述锚固杆33与所述主体框架的底部连接，所述锚固杆33可锚入水体底部用于固定所述主体框架在水体中的位置。整体装置放入水体中时，为避免装置整体因为水浪和水流的冲击而随波漂流位置不能保持确定，导致测得的数据不准确的情况，因此通过将所述锚固杆33插入水体底部，确保测量的过程中整个装置相对于的目标水体的地底面相对静止，可以减少测量的相对误差，使得测得数据更加准确。
本实施例中，请参阅图1-图4，所述水平周期测量模组包括受力板41和低相干干涉测量模块42，所述受力板41和所述低相干干涉测量模块42的外壳均可采用碳纤维材料通过增材制造技术制造而成，以满足测量的强度结构要求以及保护其不受使用环境的侵蚀，所述低相干干涉测量模块42固定在所述横向框架杆31上，所述受力板41和所述低相干干涉测量模块42连接，所述低相干干涉测量模块42位于所述横向框架杆31和所述受力板41之间。所述低相干干涉测量模块42包括第一固定件421、第二固定件422和滑动件423，所述第一固定件421和所述第二固定件422固定连接，所述第一固定件421上设有滑动轨道4211，所述滑动件423滑动安装在所述第一固定件421上，所述滑动件423和所述受力板41的表面的四个角的位置铰接，铰接结点427的球型部分和所述滑动件423刚性连接，铰接结点427与所述受力板41的连接部分为平截面的形状，所述受力板41通过水流对自身的冲击带动所述滑动件423在所述滑动轨道4211上滑动，所述第二固定件422和所述滑动件423之间的距离随着所述滑动件423的来回滑动而改变，所述低相干干涉模块应用在很小的节点处，而所述受力板41的面积较大，因此可通过所述受力板41受冲击可以获得更大范围的冲击作用；所述第二固定件422和所述滑动件423通过弹簧424连接，所述弹簧424上设有低相干干涉光纤传感器425，水流冲击所述受力板41带动所述滑动件423滑动压缩或拉伸弹簧424从而使得所述低相干干涉光纤传感器425能采集到数据；所述第二固定件422和所述滑动件423之间设有限位连杆结构426，所述限位连杆结构426的两端分别和所述滑动件423和所述第二固定件422连接，所述限位连杆结构426用于限定所述滑动件423的滑动行程。
本实施例中，请参阅图1、图2和图5，所述纵向波幅测量模组包括测量浮球51和网状固定结构52，所述网状固定结构52可采用碳纤维材料通过增材制造技术制造而成，所述网状固定结构52设置在顶部所述横向框架杆31和底部所述横向框架杆31之间，所述测量浮球51通过柔性光缆53和所述网状固定结构52连接，所述柔性光缆53中内嵌有OFDR光纤传感器，所述OFDR为光频域反射计，能应用于各种范围的高精度测量且具有较大的动态范围。所述测量浮球51在受到水位变化导致的浮力变化的影响时，在一定空间内具有自由度。该变化会使得所述柔性光缆53的受力情况发生显著变化，从而对水位波幅变化信息进行准确采集，并通过多维向多点式采集，立体综合地反应水平面波动情况。
本实施例中，请参阅图1和图6，所述纵向流速测量模组包括双向交叉筒状结构61和固定杆62，所述双向交叉筒状结构61和所述固定杆62可采用碳纤维材料通过增材制造技术制造而成，所述固定杆62竖直设置在顶部所述横向框架杆31和底部所述横向框架杆31之间，所述双向交叉筒状结构61固定在所述固定杆62上且所述双向交叉筒状结构61沿所述固定杆62的杆长方向上均匀布置，所述双向交叉筒状结构61的内部设有OFDR光纤的片状传感器63。通过测量不同流速水体的作用力从而反应流速情况，并通过系统内多维向多点式布置，立体综合地反应水体流速分布情况。
本实施例中，所述供电装置2为太阳能电池板。太能能电池板可充分利用水体开阔无遮挡的条件下利用太阳能转化为电能为装置整体提供电能，无需外加供能设备，更加绿色节能。
本实施例中，还包括云端分析平台，所述传输终端1将所述测量单元采集的数据参数可通过5G传输上传到所述云端分析平台进行计算分析。
本实施例中，一种利用基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统的方法，包括：水平周期测量模组中受力板41受到目标测量水体的水流冲击并将冲击力传递给低相干干涉测量模块42可测得水位波动周期T和水体波动冲击荷载产生的轴向应变ε光纤；纵向波幅测量模组的测量浮球51受到水的浮力时在柔性光缆53的约束下在有限空间内位置自由变化，未受到水的浮力时自由下垂，通过该柔性光缆53轴向拉应力变化采集相应某一点的波动变化情况，纵向波幅测量模组可测得水位波幅A和波长L；纵向流速测量模组的OFDR光纤的片状传感器63可承受水流方向的均布荷载，可以测得水流流速并通过多点数据采集反应流速在测量区域内的分布，纵向流速测量模组可测得水流波速Vg；
传输终端1将各模组采集到的相关参数传输至云端分析平台进行分析计算，将单位波面宽度的势能和动能加在一起，就可以计算出水位能量，水位动能是水粒子横向运动和纵向运动叠加的结果，水位能量E的势能和动能总和可以表示为：
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水体波动中的冲击载荷F为：F＝E·ε堵纤。
综上所述，本发明提供一种基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统及方法，本发明设立了多个测量单元，可测量水体中不同方向上的水位能量数据参数，可以较为全面地收集确定目标水位中的数据参数，同时每个测量单元中设置了水平周期测量模组、纵向波幅测量模组和纵向流速测量模组，通过光频域反射测量技术对于水位波动理论公式所需数据参数量进行直接测量，可以极高精度地反应水位能量的数值，同时可将采集的数据通过传输终端上传到云端分析平台进行分析计算，可精确准确地计算出所需的目标水位的水位能量值；同时，本发明中系统通过太阳能电池板提供电力运作，无需外加供能设备，更加绿色节能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (3)
1.一种基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统，可放置在水体中监测和收集其水位能量数据参数，其特征在于，包括：主体框架；
至少四个测量单元，各个所述测量单元围合安装在所述主体框架上用于测量不同方向上的水位能量数据参数，所述测量单元包括水平周期测量模组、纵向波幅测量模组和纵向流速测量模组；
传输终端，所述传输终端用于传输所述测量单元采集的数据参数；
供电装置，所述供电装置为整体系统供电；
所述主体框架包括横向框架杆和纵向框架杆，所述横向框架杆和所述纵向框架杆组合构成立方体结构；
还包括锚固杆，所述锚固杆与所述主体框架的底部连接，所述锚固杆可锚入水体底部用于固定所述主体框架在水体中的位置；
所述水平周期测量模组包括受力板和低相干干涉测量模块，
所述低相干干涉测量模块固定在所述横向框架杆上，所述受力板和所述低相干干涉测量模块连接，所述低相干干涉测量模块位于所述横向框架杆和所述受力板之间；
所述低相干干涉测量模块包括第一固定件、第二固定件和滑动件，所述第一固定件和所述第二固定件固定连接，所述第一固定件上设有滑动轨道，所述滑动件滑动安装在所述第一固定件上，所述滑动件和所述受力板的表面铰接，所述受力板通过水流对自身的冲击带动所述滑动件在所述滑动轨道上滑动，所述第二固定件和所述滑动件之间的距离随着所述滑动件的来回滑动而改变；
所述第二固定件和所述滑动件通过弹簧连接，所述弹簧上设有低相干干涉光纤传感器；
所述第二固定件和所述滑动件之间设有限位连杆结构，所述限位连杆结构的两端分别和所述滑动件和所述第二固定件连接，所述限位连杆结构用于限定所述滑动件的滑动行程；
所述纵向波幅测量模组包括测量浮球和网状固定结构，
所述网状固定结构设置在顶部所述横向框架杆和底部所述横向框架杆之间，所述测量浮球通过柔性光缆和所述网状固定结构连接，所述柔性光缆中内嵌有OFDR光纤传感器；
所述纵向流速测量模组包括双向交叉筒状结构和固定杆，
所述固定杆竖直设置在顶部所述横向框架杆和底部所述横向框架杆之间，所述双向交叉筒状结构固定在所述固定杆上且所述双向交叉筒状结构沿所述固定杆的杆长方向上均匀布置，所述双向交叉筒状结构的内部设有OFDR光纤的片状传感器。
2.根据权利要求1所述的基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统，其特征在于：所述供电装置为太阳能电池板。
3.根据权利要求1所述的基于光频域反射测量技术的水位能量监测系统，其特征在于：还包括云端分析平台，所述传输终端将所述测量单元采集的数据参数上传到所述云端分析平台进行计算分析。
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