CN208813459U - 一种新型海洋波浪观测浮标 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及海洋观测技术领域，具体涉及一种新型海洋波浪观测浮标。包括浮标、全向加速度传感器、通信模块、定位模块和波浪剖面流速仪，浮标投放漂浮在目标海域，全向加速度传感器和定位模块均安装在浮标内，全向加速度传感器检测浮标加速度矢量，波浪剖面流速仪检测海表波浪数据，通信模块与全向加速度传感器和波浪剖面流速仪连接，通信模块将浮标加速度矢量数据以及海表波浪数据发送到接收服务器，定位模块获取浮标的地理位置数据并将地理位置数据发送到接收服务器。本实用新型的有益效果是：投放后随波漂浮的过程中，监测自身加速度数据同时收集海浪数据，在目标海域投放若干侧次即可覆盖目标海域，完成对目标海域海浪数据的监测采集。

Description

一种新型海洋波浪观测浮标

技术领域

本实用新型涉及海洋观测技术领域，具体涉及一种新型海洋波浪观测浮标。

背景技术

波浪能是一种取之不尽的可再生能源，有效利用巨大的海洋波浪能资源是人类几百年来的梦想。21世纪是海洋的世纪，人类从大海中利用资源已成为必然趋势。海洋中有丰富的波浪能和水，波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和是势能，波浪能具有能量密度高，分布面广等优点。波浪的能量与波高的平方、波浪的运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能是海洋能源中能量最不稳定的一种能源。台风导致的巨浪，其功率密度可达每米迎波面数千kW，而波浪能丰富的欧洲北海地区，其年平均波浪功率也仅为20~40kW/m中国海岸大部分的年平均波浪功率密度为2~7kW/m。全世界波浪能的理论估算值也为109kW量级。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1.3X107kW。但由于不少海洋台站的观测地点处于内湾或风浪较小位置，故实际的沿海波浪功率要大于此值。其中浙江、福建、广东和台湾沿海为波能丰富的地区。但波浪能是可再生能源中最不稳定的能源，波浪不能定期生产，且具有能量强但速度慢和週期变化的特点。现有的有关波浪发电技术的不足在於，採能的效率低，被转换的二次能不稳定，以及对海域环境的适应性差。为了实现波浪能的合理利用，首先要了解波浪的数据特征和分布特征。因而需要研制一种能够监测一个海洋区域的波浪分布数据的海洋波浪观测装置。

中国专利CN206766283U，公开日2017年12月19日，一种新型立体观测海洋浮标系统，包括数据采集器、供电装置、数据通信装置、测量传感器、流速仪、水质仪、潮位仪和浊度探头，所述数据通信装置、所述测量传感器、所述流速仪、所述水质仪、所述潮位仪和所述浊度探头分别与所述数据采集器电连接，所述供电装置为其他各部分进行供电；其还包括浮标、沉石和三角架，所述浮标和所述三角架均通过钢缆与所述沉石连接，所述数据采集器、所述供电装置、所述数据通信装置和所述测量传感器均设置在所述浮标上，所述流速仪、所述水质仪、所述潮位仪和所述浊度探头均设置在所述三角架上。本实用新型结合了海洋浮标的实时观测优势，又新增加了海地湍流和河口动力沉积的研究测量，使我们能够在办公室里就能得到现场的气象、波浪、剖面流速、湍流和海底地形地貌的冲积变化。

但其只能采集部署点附近区域的海洋海浪数据，要完成对一个较大区域的海洋的海浪数据的观测需要部署过多的观测浮标，不适宜完成目标区域内海洋海浪浪高及分布的任务。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：目前缺乏有效地监测目标海洋区域内海浪数据的监测装置。提出了一种在目标海域投放后，在海面上随波漂浮的并同时记录运动轨迹及海浪数据的若干次投放回收即可完成目标海域海浪数据监测的新型海洋波浪观测浮标。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案为：一种新型海洋波浪观测浮标，包括浮标、全向加速度传感器、通信模块、定位模块和波浪剖面流速仪，所述浮标投放漂浮在目标海域，所述全向加速度传感器和定位模块均安装在浮标内，所述全向加速度传感器检测浮标加速度矢量，所述波浪剖面流速仪吊在所述浮标下方，所述波浪剖面流速仪检测海表波浪数据，所述通信模块与全向加速度传感器和波浪剖面流速仪连接，所述通信模块将浮标加速度矢量数据以及海表波浪数据发送到接收服务器，所述定位模块获取浮标的地理位置数据并将地理位置数据发送到接收服务器。所述波浪剖面流速仪为声学波浪剖面流速仪，市场上已有相关产品，能够在水面下2-20m位置通过发射并接受反射超声波绘制附近区域内海洋的海面，通过全向加速度传感器记录的数据，技术人员能够计算出每个时刻浮标的地理位置和高度，进而获得每个时刻波浪剖面流速仪的位置和高度，而后即可将波浪剖面流速仪收集到的数据，绘制成带有高度信息的海洋表面，完成海浪数据的监测。

作为优选，所述全向加速度传感器包括质量球、第一压力传感器对、第二压力传感器对、第三压力传感器对、内球壳、外球壳、支架、第一旋转轴、第二旋转轴、第三旋转轴和球状永磁铁，沿所述质量球周围布置有三对压力传感器，分别为第一压力传感器对、第二压力传感器对以及第三压力传感器对，所述第一压力传感器对、第二压力传感器对以及第三压力传感器对均由两个同轴心的棒状压力传感器构成，第一压力传感器对、第二压力传感器对以及第三压力传感器对的棒状压力传感器的轴心两两正交且均基本相交于所述质量球的质心，所述第一压力传感器对、第二压力传感器对以及第三压力传感器对的棒状压力传感器第二端均与所述内球壳固定连接，第一压力传感器对、第二压力传感器对以及第三压力传感器对的棒状压力传感器第一端均与所述质量球抵接，所述内球壳与外球壳通过所述第一旋转轴铰接，所述内球壳与外球壳之间有间隙，所述第一旋转轴一端穿出外球壳并与所述球状永磁铁固定连接，所述球状永磁铁球心基本位于第一旋转轴轴心线上，第一旋转轴轴心线以及第二压力传感器对的棒状压力传感器的轴心线均位于球状永磁铁南北极分界面上，所述外球壳与支架通过第二旋转轴铰接，所述支架通过第三旋转轴铰接安装在浮标上。球状永磁铁首先起到铅锤作用，通过第一旋转轴的径向力带动外球壳沿第二旋转轴或者第三旋转轴少量旋转，能够使球状永磁铁始终位于内球壳正下方，即使得第一压力传感器对的中轴线基本保持垂直；由于北斗覆盖的中国海域基本位于北半球，其区域内的地磁场基本沿南北方向，地磁场作用于球状永磁铁能够推动内球壳沿第一旋转轴旋转，使得球状永磁铁南北极沿地磁场方向，从而使得第三压力传感器对中轴线基本沿南北方向，第二压力传感器对中轴线基本沿东西方向。至此，第一压力传感器对、第二压力传感器对以及第三压力传感器对均有比较固定的指向，而后通过棒状压力传感器监测到的压力变化值，即可合成出质量球在南北方向上的、东西方向上的以及垂直方向上的受到的合力，质量球的质量为已知，即可计算出质量球在各个方向上的加速度，即可以获得浮标在各个方向上的加速度大小，将加速度大小与方向结合即可作出浮标在南北方向上的、东西方向上的以及垂直方向上的加速度矢量，将南北方向上的以及东西方向上的加速度矢量相加即可得到浮标在水平方向上的加速度矢量，将浮标在水平方向上的加速度矢量与垂直方向上的加速度矢量相加可以获得浮标的加速度矢量。将加速度矢量对时间积分可以获取速度矢量数据，将速度矢量对时间积分即可获得浮标的位移数据，与初始投放位置坐标结合，即可计算出任何时刻浮标的位置坐标。

作为优选，所述浮标俯视形状呈梭形，所述浮标各个侧视方向均呈两条边内凹的V形。减小海浪对浮标水平方向上的作用力，延长浮标在海域中的滞留时间，收集更多数据，减少部署次数。

作为优选，还包括存储器，所述存储器存储浮标加速度矢量数据以及海表波浪数据。将数据存储在存储器，收回时将数据导出，可避免因通信模块异常，导致数据丢失。

作为优选，所述浮标一侧固定有导向板，所述浮标沿导向板沿线宽度小于浮标沿导向板沿线法向的宽度。在海流作用下，导向板将使浮标宽度较小的方向朝向海浪来向，减小海浪对浮标水平方向上的作用力，延长浮标在海域中的滞留时间，收集更多数据，减少部署次数。

作为优选，还包括光伏发电板、直流充电模块和蓄电池，所述光伏发电板固定在浮标顶部，所述直流充电模块和蓄电池固定在浮标内，所述光伏发电板通过直流充电模块与蓄电池连接。

作为优选，还包括连接杆，所述连接杆底端与波浪剖面流速仪固定连接，所述连接杆顶端铰接在浮标底部。

本实用新型的实质性效果是：投放后随波漂浮的过程中，监测自身加速度数据同时收集海浪数据，在目标海域投放若干侧次即可覆盖目标海域，完成对目标海域海浪数据的监测采集。

附图说明

图1为波浪观测浮标结构图。

图2为浮标内部结构图。

图3为浮标的第二个实施例示意图。

图4为全向加速度计结构图。

其中：1、浮标，2、光伏发电板，3、波浪剖面流速仪，4、通信模块，5、定位模块，6、蓄电池，7、存储器，8、全向加速度计，9、浮标的第二个实施例，10、导向板，11、第一旋转轴，12、第一压力传感器对，13、内球壳，14、第二压力传感器对，15、支架，16、第三压力传感器对，17、第三旋转轴，18、外球壳，19、质量球，20、第二旋转轴，21、球状永磁铁。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步具体说明。

如图1所示，为波浪观测浮标结构图，如图2所示，为浮标内部结构图，浮标1为内部中空且密封良好的壳体，波浪剖面流速仪3吊在浮标1下方，监测海面波浪数据，光伏发电板2安装在浮标1顶部，光伏发电板2通过直流充电模块为蓄电池6充电，通信模块4、定位模块5和存储器7安装在浮标内，波浪剖面流速仪3与通信模块4以及存储器7均建立数据传输连接。其中通信模块4不是必须的。波浪剖面流速仪3检测到的波浪数据存储在存储器7中。全向加速度计8固定安装在浮标1内部。

如图3所示，为浮标的第二个实施例示意图，浮标的第二个实施例9俯视形状呈梭形，浮标的第二个实施例9各个侧视方向均呈两条边内凹的V形，浮标的第二个实施例9一侧固定有导向板10，浮标的第二个实施例沿导向板沿线宽度小于沿导向板沿线法向的宽度。

如图4所示，为全向加速度计结构图，沿质量球19周围布置有三对压力传感器，分别为第一压力传感器对12、第二压力传感器对14以及第三压力传感器对16，第一压力传感器对12、第二压力传感器对14以及第三压力传感器对16均有两个同轴心的棒状压力传感器构成，第一压力传感器对12、第二压力传感器对14以及第三压力传感器对16的棒状压力传感器的轴心两两正交且均基本相交于质量球19的质心，第一压力传感器对12、第二压力传感器对14以及第三压力传感器对16的棒状压力传感器的外侧端均与内球壳13固定连接，第一压力传感器对12、第二压力传感器对14以及第三压力传感器对16的棒状压力传感器内侧端均与质量球19抵接，内球壳13与外球壳18通过第一旋转轴11铰接，内球壳13与外球壳18之间留有间隙，第一旋转轴11一端穿出外球壳18并与球状永磁铁21固定连接，球状永磁铁21球心基本位于第一旋转轴11轴心线上，第一旋转轴11轴心线以及第二压力传感器对14的棒状压力传感器的轴心线均位于球状永磁铁21南北极分界面上，外球壳18与支架15通过第二旋转轴20铰接，支架15通过第三旋转轴17铰接安装在浮标1上。球状永磁铁21首先起到铅锤作用，通过第一旋转轴11的径向力带动外球壳18沿第二旋转轴20或者第三旋转轴17少量旋转，能够使球状永磁铁21始终位于内球壳13正下方，即使得第一压力传感器对12的中轴线基本保持垂直；中国海域基本位于北半球，区域内的地磁场基本沿南北方向，地磁场作用于球状永磁铁21能够推动内球壳13沿第一旋转轴11旋转，使得球状永磁铁21南北极沿地磁场方向，从而使得第三压力传感器对16中轴线基本沿南北方向，第二压力传感器对14中轴线基本沿东西方向。至此，第一压力传感器对12、第二压力传感器对14以及第三压力传感器对16均有比较固定的指向，而后通过棒状压力传感器监测到的压力变化值，即可合成出质量球19在南北方向上的、东西方向上的以及垂直方向上的受到的合力，质量球19的质量为已知，即可计算出质量球19在各个方向上的加速度，即可以获得浮标1在各个方向上的加速度大小，将加速度大小与方向结合即可作出浮标1在南北方向上的、东西方向上的以及垂直方向上的加速度矢量，将南北方向上的以及东西方向上的加速度矢量相加即可得到浮标1在水平方向上的加速度矢量，将浮标1在水平方向上的加速度矢量与垂直方向上的加速度矢量相加可以获得浮标1的加速度矢量。

本实用新型波浪观测浮标的使用方法为：1）将观测浮标投放在目标海域，并记录投放位置坐标；2）观测浮标将随波漂流，波浪剖面流速仪3检测附近海面的波浪数据存储在存储器7中，全向加速度计8检测浮标加速度矢量并存储在存储器7中；3）一段时间后通过定位模块5找到观测浮标并回收，定位模块5优选有能够主动报告位置的北斗定位模块，该技术已被公开，将存储器7内的波浪数据和加速度矢量取出，根据加速度矢量计算出观测浮标在任何时刻的位置，结合波浪数据即可绘制对应位置的波浪数据；4）再次在目标海域投放观测浮标，重复步骤1-3，直到收集到足够的海域波浪数据。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，并非对本实用新型作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (9)

1.一种新型海洋波浪观测浮标，其特征在于，

包括浮标、全向加速度传感器、通信模块、定位模块和波浪剖面流速仪，所述浮标投放漂浮在目标海域，所述全向加速度传感器和定位模块均安装在浮标内，所述全向加速度传感器检测浮标加速度矢量，所述波浪剖面流速仪检测海表波浪数据，所述通信模块与全向加速度传感器和波浪剖面流速仪连接，所述通信模块将浮标加速度矢量数据以及海表波浪数据发送到接收服务器，所述定位模块获取浮标的地理位置数据并将地理位置数据发送到接收服务器。

2.根据权利要求1所述的一种新型海洋波浪观测浮标，其特征在于，

所述全向加速度传感器包括质量球、第一压力传感器对、第二压力传感器对、第三压力传感器对、内球壳、外球壳、支架、第一旋转轴、第二旋转轴、第三旋转轴和球状永磁铁，沿所述质量球周围布置有三对压力传感器，分别为第一压力传感器对、第二压力传感器对以及第三压力传感器对，所述第一压力传感器对、第二压力传感器对以及第三压力传感器对均由两个同轴心的棒状压力传感器构成，第一压力传感器对、第二压力传感器对以及第三压力传感器对的棒状压力传感器的轴心两两正交且均基本相交于所述质量球的质心，所述第一压力传感器对、第二压力传感器对以及第三压力传感器对的棒状压力传感器第二端均与所述内球壳固定连接，第一压力传感器对、第二压力传感器对以及第三压力传感器对的棒状压力传感器第一端均与所述质量球抵接，所述内球壳与外球壳通过所述第一旋转轴铰接，所述内球壳与外球壳之间有间隙，所述第一旋转轴一端穿出外球壳并与所述球状永磁铁固定连接，所述球状永磁铁球心基本位于第一旋转轴轴心线上，第一旋转轴轴心线以及第二压力传感器对的棒状压力传感器的轴心线均位于球状永磁铁南北极分界面上，所述外球壳与支架通过第二旋转轴铰接，所述支架通过第三旋转轴铰接安装在浮标上。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型海洋波浪观测浮标，其特征在于，

所述浮标俯视形状呈梭形，所述浮标各个侧视方向均呈两条边内凹的V形。

4.根据权利要求1或2所述的一种新型海洋波浪观测浮标，其特征在于，

还包括存储器，所述存储器存储浮标加速度矢量数据以及海表波浪数据。

5.根据权利要求3所述的一种新型海洋波浪观测浮标，其特征在于，

所述浮标一侧固定有导向板，所述浮标沿导向板沿线宽度小于浮标沿导向板沿线法向的宽度。

6.根据权利要求1或2所述的一种新型海洋波浪观测浮标，其特征在于，

还包括光伏发电板、直流充电模块和蓄电池，所述光伏发电板固定在浮标顶部，所述直流充电模块和蓄电池固定在浮标内，所述光伏发电板通过直流充电模块与蓄电池连接。

7.根据权利要求3所述的一种新型海洋波浪观测浮标，其特征在于，

还包括光伏发电板、直流充电模块和蓄电池，所述光伏发电板固定在浮标顶部，所述直流充电模块和蓄电池固定在浮标内，所述光伏发电板通过直流充电模块与蓄电池连接。

8.根据权利要求1或2所述的一种新型海洋波浪观测浮标，其特征在于，

还包括连接杆，所述连接杆底端与波浪剖面流速仪固定连接，所述连接杆顶端铰接在浮标底部。

9.根据权利要求3所述的一种新型海洋波浪观测浮标，其特征在于，

还包括连接杆，所述连接杆底端与波浪剖面流速仪固定连接，所述连接杆顶端铰接在浮标底部。