CN114858139A - 一种波浪参数测量装置及波浪测量方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于波浪观测技术领域，特别是涉及一种波浪参数测量装置及波浪测量方法。传统的波浪浮标测量精度较低，造价成本相对较高。本申请提供了一种波浪参数测量装置，包括空心浮球，所述空心浮球内设置有连接平台，所述连接平台上设置有相互连接的太阳能电池板和加速度传感器，所述加速度传感器以x,y,z三个方向设置于所述连接平台上，所述加速度传感器包括屏蔽外壳，所述屏蔽外壳内设置有摩擦发电组件，所述空心浮球内设置有配重块，所述配重块上设置有依次连接的储电模块、计算模块和通信模块，所述通信模块与所述储电模块连接，所述储电模块与所述太阳能电池板连接，所述加速度传感器与所述计算模块连接。
Description
技术领域
本申请属于波浪观测技术领域，特别是涉及一种波浪参数测量装置及波浪测量方法。
背景技术
波浪参数的测量大多是采用三轴加速度传感器实现，获取浮球的三维加速度数据后反演波浪参数。对竖直方向(z轴)上加速度进行二次积分可以得到水质点运动的竖直位移，通过获取一系列海洋波面序列可以反演波高、波周期和功率谱。对x和y轴方向的加速度进行二次积分可以获取水平方向上的位移，得出波浪方向。通过三个方向上的位移序列的交叉谱可以估计海浪的方向谱信息。
目前的三轴加速度传感器大多采用电阻式和电容式的工作原理，而电阻式加速度传感器非线性性较大，温漂零漂较大，不适用于长期观测；电容式加速度传感器存在输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰等缺点。同时用以上两种加速度传感器测量还存在电源供电后期维护困难，造价成本高，可靠性低的问题。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于传统的波浪浮标多采用电阻式、电容式传感器进行海上测波工作，但电阻式传感器不适合长期观测，电容式传感器受外界干扰大，测量精度较低，同时造价成本相对较高的问题，本申请提供了一种波浪参数测量装置及波浪测量方法。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种波浪参数测量装置，包括空心浮球，所述空心浮球内设置有连接平台，所述连接平台上设置有相互连接的太阳能电池板和加速度传感器，所述加速度传感器以x,y,z三个方向设置于所述连接平台上，所述加速度传感器包括屏蔽外壳，所述屏蔽外壳内设置有摩擦发电组件，所述空心浮球内设置有配重块，所述配重块上设置有依次连接的储电模块、计算模块和通信模块，所述通信模块与所述储电模块连接，所述储电模块与所述太阳能电池板连接，所述加速度传感器与所述计算模块连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述连接平台一侧设置有太阳能电池板，所述连接平台另一侧设置有若干加速度传感器，所述加速度传感器为3个，3个所述加速度传感器以x,y,z三个方向正交固定于连接平台中心。
本申请提供的另一种实施方式为：所述屏蔽外壳内依次设置有第一摩擦发电组件、绝缘隔板和第二摩擦发电组件。
本申请提供的另一种实施方式为：所述第一摩擦发电组件包括相互连接的第一基板和第一梁臂，所述第二摩擦发电组件包括相互连接的第二基板和第二梁臂。
本申请提供的另一种实施方式为：所述第一基板与所述第一梁臂通过第一负载连接，所述第二基板与所述第二梁臂通过第二负载连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述第一基板包括依次层叠的金属电极层和第一介电材料层，所述第一梁臂包括依次层叠的所述金属电极层和第二介电材料层，所述第二梁臂包括依次层叠的所述金属电极层和所述第二介电材料层，所述第二基板包括依次层叠的所述金属电极层和所述第一介电材料层，所述第一介电材料与所述第二介电材料电性相反。
本申请还提供一种采用所述的波浪参数测量装置进行波浪测量的方法，所述方法包括采集波浪变化信号，对所述信号进行处理获取三维加速度数据，对所述三维加速度数据积分获取三维位移数据，对所述三维位移数据进行短时傅里叶变化处理去除低频信号与波浪谱进行拟合获得波浪参数。
本申请提供的另一种实施方式为：所述低频信号包括海流。
本申请提供的另一种实施方式为：所述波浪谱为Pierson-Moskowitz谱或者Johnswap谱。
本申请提供的另一种实施方式为：所述波浪参数包括波高、波周期、波向和波速。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的波浪参数测量装置及波浪测量方法的有益效果在于：
本申请提供的波浪参数测量装置，为一种基于摩擦纳米发电的波浪参数测量装置。
本申请提供的波浪参数测量装置，为一种基于摩擦纳米发电的自供电三轴加速度传感器装置，应用到波浪浮标中计算波浪的三维加速度，进而反演波浪的主要参数，同时凭借摩擦纳米发电的自供电功能，即用容易产生摩擦电荷并具有不同的摩擦电极的材料制成摩擦纳米发电组件，将外界的机械能转化为电能，实现自供电功能，满足波浪浮标在海表长期工作的需求，低功耗低成本，可靠性高。
本申请提供的波浪参数测量装置，基于摩擦纳米发电原理实现了自供电的三轴加速度传感器，进而反演波浪参数。与传统的波浪浮标测量方法相比，能实现自供电，同时机械结构简单，造价成本更低，可靠性更高。
附图说明
图1是本申请的波浪参数测量装置结构示意图；
图2是本申请的波浪参数测量装置局部第一结构示意图；
图3是本申请的波浪参数测量装置局部第二结构示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
参见图1～3，本申请提供一种波浪参数测量装置，包括空心浮球1，所述空心浮球1内设置有连接平台，所述连接平台一侧设置有太阳能电池板2，利用光电效应将太阳光转换为直流电，辅助浮标内部加速度传感器3供电，所述连接平台另一侧设置有若干加速度传感器3，所述加速度传感器3以x,y,z三个方向设置于所述连接平台上，所述加速度传感器3包括屏蔽外壳，所述屏蔽外壳内设置有摩擦发电组件，所述空心浮球1内设置有配重块4，所述配重块4上设置有依次连接的储电模块5、计算模块6和通信模块7，所述通信模块7与所述储电模块5连接，所述储电模块5与所述太阳能电池板2连接，所述加速度传感器3与所述通信模块7连接。加速度传感器3为基于摩擦纳米发电的自供电传感器，通过响应外界环境变化而产生电信号，电信号的强弱变化与波浪的振幅和周期存在对应关系，从而可以反演波浪的频谱信息，同时产生的电信号也可以为设备提供电能。
具体的，加速度传感器3封闭在一个可以随波浪自由漂移的空心浮球1内，空心浮球1分成上下半球和中间的连接平台，连接平台上表面布放圆形太阳能电池板2。加速度传感器3基于摩擦纳米发电原理制作，分别以(x,y,z)三个方向正交固定在平台下表面中心位置，固定在下表面是为了最大化太阳能电池板2受照面积，使之不受遮挡；将加速度传感器3固定在中心位置有助于浮标保持平衡。每个加速度传感器独立封装成屏蔽外壳，互相之间不受干扰，外壳内设有摩擦发电组件，实现三个方向波浪加速度的测量。下半球底部设计为实心配重块4，能够抵御在恶劣海洋环境下标体发生剧烈翻滚，配重块上表面放置储电模块5、计算模块6和通信模块7。其中储电模块5用来存储摩擦纳米发电和太阳能电池板2产生的电能；计算模块6用来处理三维加速度数据，获取波浪参数；通信模块7实现浮标和接收端的数据传输。
进一步地，所述屏蔽外壳内依次设置有第一摩擦发电组件、绝缘隔板8和第二摩擦发电组件。
进一步地，所述第一摩擦发电组件包括相互连接的第一基板9和第一梁臂10，所述第二摩擦发电组件包括相互连接的第二基板和第二梁臂。
进一步地，所述第一基板9与所述第一梁臂10通过第一负载连接，所述第二基板与所述第二梁臂通过第二负载连接。
进一步地，所述第一基板包括依次层叠的金属电极层11和第一介电材料层，所述第一梁臂包括依次层叠的所述金属电极层11和第二介电材料层，所述第二梁臂包括依次层叠的所述金属电极层11和所述第二介电材料层，所述第二基板包括依次层叠的所述金属电极层11和所述第一介电材料层，所述第一介电材料与所述第二介电材料电性相反。
具体的，传感器采用垂直接触-分离工作模式的摩擦纳米发电原理，结构与拍手器类似，独立封装的加速度传感器3内部结构对称，中间设置绝缘隔板8，两侧设置摩擦发点组件，由基板和粱臂组成，基板和粱臂接触面为两种不同介电材料，它们各自的背表面镀有金属电极层11。这两层介电薄膜即第一介电材料层和第二介电材料层相互接触，会在两个接触表面形成符号相反的电荷。当存在向左的加速度时，右侧的摩擦发电组件的粱臂由于外力作用与基板发生分离，如图2的结构所示，右侧的两个电极之间会形成感应电势差。当存在向右的加速度时，左侧的摩擦发电组件的粱臂由于外力作用与基板发生分离，如图3的结构所示，左侧的两个电极之间会形成感应电势差。将两个电极通过负载连接在一起，从而产生电流输出，当两个摩擦层闭合时，由摩擦电荷形成的电势差消失，两个电极保持电中性。
本申请还提供一种采用所述的波浪参数测量装置进行波浪测量的方法，所述方法包括采集波浪变化信号，对所述信号进行处理获取三维加速度数据，对所述三维加速度数据积分获取三维位移数据，对所述三维位移数据进行短时傅里叶变化处理去除低频信号与波浪谱进行拟合获得波浪参数。
具体的，加速度传感器3采集到随波浪变化的输出电信号进行计算，可以获取空心浮球1的三维加速度数据，进而反演波高、周期等关键波浪参数，如波高、波周期、波向、波速等信息。
反演具体包括：对三维加速度数据积分获得浮球的三维位移数据η。对η做短时傅里叶变化，去掉海流等低频信号的影响后，与波浪谱进行拟合。波浪谱可以选择Pierson-Moskowitz谱、Johnswap谱等，从而获得波高、周期等关键波浪参数，达到波浪测量的目的。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。
Claims (10)
1.一种波浪参数测量装置，其特征在于：包括空心浮球，所述空心浮球内设置有连接平台，所述连接平台上设置有相互连接的太阳能电池板和加速度传感器，所述加速度传感器以x,y,z三个方向设置于所述连接平台上，所述加速度传感器包括屏蔽外壳，所述屏蔽外壳内设置有摩擦发电组件，所述空心浮球内设置有配重块，所述配重块上设置有依次连接的储电模块、计算模块和通信模块，所述通信模块与所述储电模块连接，所述储电模块与所述太阳能电池板连接，所述加速度传感器与所述计算模块连接。
2.如权利要求1所述的波浪参数测量装置，其特征在于：所述连接平台一侧设置有太阳能电池板，所述连接平台另一侧设置有若干加速度传感器，所述加速度传感器为3个，3个所述加速度传感器以x,y,z三个方向正交固定于连接平台中心。
3.如权利要求2所述的波浪参数测量装置，其特征在于：所述屏蔽外壳内依次设置有第一摩擦发电组件、绝缘隔板和第二摩擦发电组件。
4.如权利要求3所述的波浪参数测量装置，其特征在于：所述第一摩擦发电组件包括相互连接的第一基板和第一梁臂，所述第二摩擦发电组件包括相互连接的第二基板和第二梁臂。
5.如权利要求4所述的波浪参数测量装置，其特征在于：所述第一基板与所述第一梁臂通过第一负载连接，所述第二基板与所述第二梁臂通过第二负载连接。
6.如权利要求4或者5所述的波浪参数测量装置，其特征在于：所述第一基板包括依次层叠的金属电极层和第一介电材料层，所述第一梁臂包括依次层叠的所述金属电极层和第二介电材料层，所述第二梁臂包括依次层叠的所述金属电极层和所述第二介电材料层，所述第二基板包括依次层叠的所述金属电极层和所述第一介电材料层，所述第一介电材料与所述第二介电材料电性相反。
7.一种采用权利要求1～6中任一项所述的波浪参数测量装置进行波浪测量的方法，其特征在于：所述方法包括采集波浪变化信号，对所述信号进行处理获取三维加速度数据，对所述三维加速度数据积分获取三维位移数据，对所述三维位移数据进行短时傅里叶变化处理去除低频信号与波浪谱进行拟合获得波浪参数。
8.如权利要求7所述的波浪测量方法，其特征在于：所述低频信号包括海流。
9.如权利要求7所述的波浪参数测量方法，其特征在于：所述波浪谱为Pierson-Moskowitz谱或者Johnswap谱。
10.如权利要求7所述的波浪参数测量方法，其特征在于：所述波浪参数包括波高、波周期、波向和波速。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220805 |