CN115015575B - 一种可灵活移动的自主供能式水下流速监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可灵活移动的自主供能式水下流速监测装置。它包括主体舱模块、旋转翼模块和处理舱模块。主体舱模块上设置有用以推动装置移动的进水口、动力出水口和微型水泵、以及用于产生摩擦电信号的摩擦生电材料膜层。旋转翼模块设置有促进旋转摩擦的翅片和环状齿。处理舱模块包括动力层、储能层、信号层。该发明通过摩擦生电效应制造的膜壳材料快速采集水体流动产生的电信号，实现水下流速的监测；将监测流场的动能转化为维持自身运行所需的电能，实现自主供能；利用中央芯片控制动力出水口的排水时产生的反推作用，实现大范围自由移动监测的效果。该发明可有效解决传统水下监测设备监测范围和能源持续供给问题。
Description
技术领域
本发明属于水下监测技术领域，具体涉及一种可灵活移动的自主供能式水下流速监测装置。
背景技术
开展水下监测对于实际生产和工程实践具有重要意义，如跨海大桥的桥墩周围流域需要进行24小时全天候连续监测以确保桥墩的工程安全。然而，现有的水下监测装置和技术基本只能实现单点监测，监测范围小。当需要在目标流域中进行大范围监测时，往往需要在目标水域内布置数量足够多的监测仪器，但这也给监测结束后回收仪器带来巨大挑战。
此外，水下监测设备经常需要进行长期潜伏监测，而传统的水下监测设备基本使用电池供电，受体型和重量限制，只能携带小容量电池，因此其续航周期较短，当电池电量耗尽时，必须尽快回收该装置或为其更换电池，这给连续监测带来了巨大麻烦。因此，监测范围与能源是限制水下监测系统长期稳定运行的影响因素，该问题成为水下监测技术领域内亟待解决的关键技术问题。
摩擦生电效应是基于两种材料的接触摩擦，产生静电感应并对外输出电流的物理现象，其可将低频的摩擦运动转化为高频的电信号。利用此效应制造的摩擦生电膜壳材料可将微小的机械能转换为电能，在水体环境中直接获取能源对电子器件供电，同时借助电子芯片将获得的电信号反演出相应机械运动的特点。目前，摩擦生电效应已经应用于摩擦纳米发电机的研究和传感器等领域。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可灵活移动的自主供能式水下流速监测装置技术方案。
本发明包括主体舱模块、旋转翼模块和处理舱模块。
主体舱模块包括抗压外壳、用以推动装置移动的动力出水口、进水口、摩擦生电材料膜层、微型水泵、导电带和排水分支口；所述进水口设置于抗压外壳前端，微型水泵通过内部管路与进水口和排水分支口连接，动力出水口与排水分支口直接连接。
旋转翼模块包括促进旋转的翅片、不锈钢外壳、环状齿；所述翅片带动不锈钢外壳旋转，进而带动环状齿旋转；所述摩擦生电材料膜层与所述环状齿直接接触，当环状齿旋转时，摩擦生电材料膜层产生摩擦，进而产生电信号。
处理舱模块包括动力层、储能层、信号层；动力层中包含动力控制芯片，储能层中包含储能电池组，信号层中包含电信号分析芯片；所述电信号分析芯片通过所述导电带与摩擦生电材料膜层连接，采集并分析产生的电信号，进而反演出此电信号对应的水体流速。
本发明在进行水下流速监测时，可将监测流场的动能转化为维持自身运行所需的电能，实现自主供能。此外，利用自身的动力出水口快速排水时产生的反推作用，本发明还可进行自由移动，进而实现区域内多点移动监测的效果。与现有水下监测技术相比，本发明可实现大范围、长周期的水下监测。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明的三视图；
图3为本发明的主体舱和旋转翼示意图；
图4为本发明的剖视图；
图5为本发明的处理舱各层示意图；
图中：101-抗压外壳；102-翅片；103、104、105、106-动力出水口；107-进水口；108-摩擦生电材料膜层；109-不锈钢外壳；110-环状齿；201-微型水泵；202-处理舱；203-导电带；204-排水分支口；301-动力控制芯片；302、303-导线；304-储能电池组；305-电信号分析芯片；306-排线；307-信号发射装置；308-电能收集装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提出一种可移动的自主供能式水下流速监测装置，利用摩擦生电效应制造的膜壳材料快速采集水体流动产生的电信号，实现水下流速的监测；收集监测流场的动能为己用，实现自主供能；利用中央芯片控制动力出水口的排水推进，实现大范围移动监测的效果。
如图1、图2和图3所示，一种可灵活移动的自主供能式水下流速监测装置，包括主体舱模块、旋转翼模块和处理舱模块。主体舱模块包括抗压外壳101、用以推动装置移动的动力出水口103、104、105、106、进水口107、摩擦生电材料膜层108、微型水泵201、导电带203、排水分支口204。旋转翼模块包括促进旋转的翅片102、不锈钢外壳109、环状齿110。
如图4和图5所示，处理舱模块202包括动力层、储能层、信号层。动力层中包含动力控制芯片301、导线，储能层中包含储能电池组304，信号层中包含电信号分析芯片305、排线306、信号发射装置307，电能收集装置308。
作为优化：翅片102的蔓叶形设计旨在促进不锈钢外壳109旋转，进而带动环状齿110旋转。
作为优化：摩擦生电材料膜层108与环状齿110直接接触，当环状齿110旋转时，摩擦生电材料膜层108产生摩擦，进而产生电信号。
作为优化：环状齿110的设计提高了摩擦生电材料膜层108的使用寿命的同时，充分增大了与摩擦生电材料膜层108的接触，加强电信号的传输。
作为优化：电信号分析芯片305通过导电带203与摩擦生电材料膜层108连接，采集并分析产生的电信号。
作为优化：动力控制芯片304通过导线303与微型水泵连接，并控制微型水泵303的进水速度与排水分支口的开闭，进而控制装置的运动。
作为优化：进水口107设置于抗压外壳101前端，微型水泵201通过内部管路与进水口107和排水分支口204连接，动力出水口与排水分支口204直接连接。
作为优化：动力出水口的不同出水组合方式，将使装置将产生不同的转向运动，进而促进装置的灵活移动监测。
本发明的工作过程：在监测水域中，水体的流动带动翅片旋转，进而使得环状齿旋转，最终导致环状齿与摩擦生电材料膜层产生旋转摩擦，摩擦生电材料膜层受摩擦激发起相应的电信号。且不同速度的来流将引发不同速度的旋转，进而产生不同频率的摩擦电信号。电信号分析芯片通过导电带采集此电信号后，其综合分析传入电信号的频率与幅值等信息进而反演出此电信号对应的水体流速。进一步地，通过人工神经网络进行滤波以排除监测流场外的干扰信号，并通过信号发射装置将该流速数据传输给水上信息基站。同时，该电信号将被电能收集装置及时捕获并传输至储能电池组，以供装置的正常运行。
当该点流速监测完毕时，动力控制芯片控制微型水泵启动，进水口打开，并通过微型水泵加压将水快速输送至排水分支口，随后从动力出水口中急速排出至周围流场中，受到相互作用，周围流场将反推该装置前进。此外，当需要进行转弯时，动力控制芯片将自主控制各排水分支口闸门的开闭，实现部分动力出水口排水，进而实行装置的变向移动，最终实现装置的灵活移动。
最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种可灵活移动的自主供能式水下流速监测装置，其特征在于：包括主体舱模块、旋转翼模块和处理舱模块；
主体舱模块包括抗压外壳（101）、用以推动装置移动的动力出水口（103、104、105、106）、进水口（107）、摩擦生电材料膜层（108）、微型水泵（201）、导电带（203）、排水分支口（204）；
所述进水口（107）设置于抗压外壳（101）前端，微型水泵（201）通过内部管路与进水口（107）和排水分支口（204）连接，动力出水口（103、104、105、106）与排水分支口（204）直接连接；
旋转翼模块包括促进旋转的翅片（102）、不锈钢外壳（109）、环状齿（110）；所述翅片（102）带动不锈钢外壳（109）旋转，进而带动环状齿（110）旋转；所述摩擦生电材料膜层（108）与所述环状齿（110）直接接触，当环状齿（110）旋转时，摩擦生电材料膜层（108）产生摩擦，进而产生电信号；
处理舱模块（202）包括动力层、储能层、信号层；动力层中包含动力控制芯片（301），储能层中包含储能电池组（304），信号层中包含电信号分析芯片（305）；
所述电信号分析芯片（305）通过所述导电带（203）与摩擦生电材料膜层（108）连接，采集并分析产生的电信号，进而反演出此电信号对应的水体流速。
2.如权利要求1所述的一种可灵活移动的自主供能式水下流速监测装置，其特征在于：所述翅片（102）为蔓叶形，旨在促进旋转。
3.如权利要求1所述的一种可灵活移动的自主供能式水下流速监测装置，其特征在于：所述动力控制芯片（301）通过导线（303）与微型水泵连接，并控制微型水泵（201）的进水速度与排水分支口的开闭，进而控制装置的运动。
4.如权利要求1所述的一种可灵活移动的自主供能式水下流速监测装置，其特征在于：动力出水口（103、104、105、106）的不同出水组合方式，使装置将产生不同的转向运动，促进装置灵活移动。
5.如权利要求1所述的一种可灵活移动的自主供能式水下流速监测装置，其特征在于：所述信号层还包括信号发射装置（307），通过该信号发射装置（307）将流速数据传输给水上信息基站。
6.如权利要求1所述的一种可灵活移动的自主供能式水下流速监测装置，其特征在于，所述信号层还包含电能收集装置（308），所述电信号将被电能收集装置及时捕获并传输至所述储能电池组（304），以供装置的正常运行。
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