CN212206342U - 一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及海洋工程装备领域，更具体地，涉及一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器，包括外壳，外壳内相对的两侧安装有第一电极板和第二电极板；第一电极板与第二电极板之间设置有表面为介电薄膜的谐振板；谐振板通过第一弹性件与第一电极板连接，谐振板通过第二弹性件与第二电极板连接；谐振板通过压缩第一弹性件和第二弹性件在外壳内活动。利用谐振板和电极板的摩擦发电得出的电压值计算出所测立管的实际振幅，能够及时检测立管的振动；不需再搭载辅助电源，减少传感器的部件，降低传感器的体积和重量，避免了对立管的稳定性产生影响。

Description

一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器

技术领域

本实用新型涉及船体清洗设备领域，更具体地，涉及一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器。

背景技术

随着人类对能源需求的急剧增大，陆地资源的迅速消耗使人类开始将目光转向海洋资源的开发。目前海洋资源的开发主要是石油和天然气，而开采技术一般是通过钻井将石油和天然气从海底通过立管输送到平台进行加工和储存。

立管作为唯一的输送通道，在海洋资源的开发中起着重要的作用。由于海洋环境的复杂性，为了防止在开采过程中发生重大的泄露事故，立管在海洋中的应力变形和振动都需要进行实时的监测，因此在立管上安装一定数量的各类传感器进行立管的运动监测。而对于这些分布在管道上的传感器，均需要电力的支持才可以正常工作。电池使用一段时间便要进行更换，这大大增加了立管监测的成本。如果使用电缆进行供电无疑又使整个监测系统变得繁琐，并且增加了监测的不稳定性。

申请号为“CN201510381858.1”的专利文件公开了一种摆锤式海洋立管涡激振动自发电监测装置，通过在立管上安装一个自发电的监测装置，在立管发生振动的同时能够产生电力，并将电力供给传感器，使得传感器的电力能够自给自足。但是，当立管较长时间不发生振动，传感器在没有电力支持的情况下停止检测，而在立管再次发生振动的时候，装置重新发电，但重新启动的传感器没办法及时检测立管的振动，而且重新发电的初始电力也存在不足以启动传感器的风险。同时自发电监测装置既包含了发电的组件，也包含了用于检测的传感器，导致装置的体积较大，也容易对立管的稳定造成影响。

实用新型内容

本实用新型为克服上述现有技术中自发电监测装置供电不及时或传感器检测不及时的问题，提供一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器，将立管的振动转换为谐振的电信号，通过电信号直接算出立管的振幅和频率。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器，包括外壳，所述外壳内相对的两侧安装有第一电极板和第二电极板；所述第一电极板与所述第二电极板之间设置有表面为介电薄膜的谐振板；所述谐振板通过第一弹性件与所述第一电极板连接，所述谐振板通过第二弹性件与所述第二电极板连接；所述谐振板通过压缩所述第一弹性件或所述第二弹性件在所述外壳内活动。

将自供能传感器安装于海洋立管之上，外壳的轴心线与所述立管的轴心线垂直。第一电极板、第二电极板和谐振板连接外部检测电路。当立管无振动时，谐振板不会发生振动，谐振板与电极之间不会发生接触产生感应电荷；而当立管振动时，外壳会随着立管振动，谐振板由于惯性的原因会压缩第一弹性件或第二弹性件而在外壳内活动，而当振动幅度达到所设置幅度时，谐振板与电极板之间发生接触。在谐振板与电极板接触时，附于其上的介电薄膜与电极板上的电极就会有摩擦接触，由于两种不同材质具有不同的电极序，所以在两者的表面就会分别带上正电荷和负电荷。当两板分开时，左右两电极板之间产生感应电势差，发生电荷的转移，这时连接在两电极上的外电路中产生电流和电压，谐振板通过压缩弹性件和在弹性件的弹力作用下，在第一电极板和第二电极板之间运动，产生了不同流向的电流，使得外部检测电路检测出谐振电信号。

由于谐振原理，谐振板的振动幅度反应了立管的振动幅度，同时由于谐振板振动幅度的不同会产生不同的电信号，根据电信号的不同就可以计算出海洋立管的振幅情况。

优选的，所述第一电极板与所述第二电极板之间还设置有穿过所述谐振板的固定轴，所述固定轴的两端分别与所述第一电极板与所述第二电极板连接，所述谐振板沿着所述固定轴运动。谐振板沿着固定轴运动，避免谐振板在运动的时候上下晃动，影响谐振板与电极板之间的接触。

优选的，所述第一电极板、所述第二电极板、所述谐振板和所述固定轴的轴心均处于同一直线上。第一电极板、第二电极板和谐振板可以为圆形、多边形或者不规则形，为了避免棱角带来的运动阻碍，进一步优选为圆形。而固定轴连接了第一电极板、第二电极板和谐振板的轴心，使得谐振板的运动的时候，各处保持平衡，不容易产生摆动，且便于与第一电极板和第二电极板产生较大的接触面积，从而产生更大的电流。

优选的，所述第一电极板和所述第二电极板与所述外壳的内壁固定连接，避免第一电极板和第二电极板相对于外壳上下晃动，给测量带来误差；所述谐振板的内圈与所述固定轴的外表面贴合，避免谐振板在运动的时候上下摆动，影响测量的准确性。

优选的，第一弹性件和第二弹性件均可以沿着谐振板的圆周等距分布，也可以设置在谐振板的中心位置。更优先的，所述第一弹性件和第二弹性件均为弹簧，且弹簧套装于所述固定轴上；弹性件只需要设置在一个位置上就可以让谐振板顺畅的做往复运动，减少弹性件所占的面积，令谐振板有更多的面积与电极板接触。所述第一电极板和所述第二电极板均设置有安装槽，所述固定轴和所述弹簧均装入所述安装槽内。谐振板在压缩弹簧的时候，被压缩的弹簧都位于安装槽内，不会影响谐振板和电极板的接触摩擦。

优选的，所述第一电极板、所述第二电极板和所述谐振板均为塑料板，塑料板的材质比较轻，减少整个传感器的重量，减少对立管的负担；所述第一电极板和所述第二电极板靠近所述谐振板的一侧设置有电极薄膜；所述介电薄膜分别设置在所述谐振板靠近所述第一电极板的表面和靠近所述第二电极板的表面。电极薄膜和介电薄膜在铺设在塑料板上，就可以让谐振板在接触第一电极板或者第二电机板的时候，就会摩擦产生电荷，在分开的时候就可以产生电流。

优选的，所述电极薄膜材质为金属材质、绝缘材质或半导体材质中任意一种；所述介电薄膜与所述电极薄膜的材质不一致。电极薄膜和介电薄膜的材质不一样就可以让两者分别产生正负电荷，

优选的，所述电极薄膜的材质为铜膜，所述介电薄膜的材质为聚四氟乙烯。

优选的，所述电极薄膜和所述介电薄膜的表面分布有纳米或者次纳米量级的微结构。微结构更加容易发生摩擦和产生电荷，提高电极薄膜和介电薄膜的发电效率。

优选的，所述电极薄膜与所述介电薄膜的面积相等，在发生振动的时候，谐振板与电极板之间能够产生最大的发电量。

与现有技术相比，有益效果是：利用谐振板和电极板的摩擦发电得出的电压值计算出所测立管的实际振幅，能够及时检测立管的振动；不需再搭载辅助电源，减少传感器的部件，降低传感器的体积和重量，避免了对立管的稳定性产生影响。

附图说明

图1是本实用新型一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器的内部结构示意图；

图2是本实用新型一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器的发电原理图；

图3是本实用新型一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器另一实施例的内部结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

如图1-2所示为一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器的实施例，包括外壳1，外壳1内相对的两侧安装有第一电极板2和第二电极板3；第一电极板2与第二电极板3之间设置有表面为介电薄膜4的谐振板5；谐振板5通过第一弹性件6与第一电极板2连接，谐振板5通过第二弹性件7与第二电极板3连接；谐振板5通过压缩第一弹性件6和第二弹性件7在外壳1内活动。

具体的，第一电极板2与第二电极板3之间还设置有穿过谐振板5的固定轴8，第一电极板2、第二电极板3、谐振板5和固定轴8的轴心均处于同一直线上，固定轴8的两端分别与第一电极板2与第二电极板3连接，谐振板5沿着固定轴8运动。

谐振板5沿着固定轴8运动，各处保持平衡，不容易产生摆动，避免影响谐振板5与电极板之间的接触，且便于与第一电极板2和第二电极板3产生较大的接触面积，从而产生更大的电流。

在本实施例中，第一电极板2、第二电极板3和谐振板5均为圆形。减少谐振板的棱角结构，降低运动阻力。

为了避免壳体内部结构在检测振动的时候向其他方向运动，给测量带来较大的误差而影响准确性，第一电极板2和第二电极板3与外壳1的内壁固定连接，谐振板5的内圈与固定轴8的外表面贴合。

在本实施例中，第一弹性件6和第二弹性件7为弹簧，且两个弹簧均套装于固定轴8上；弹性件只需要设置在一个位置上就可以让谐振板5顺畅的做往复运动，减少弹性件所占的面积，令谐振板5有更多的面积与电极板接触。第一电极板2和第二电极板3均设置有安装槽9，固定轴8和弹簧均装入安装槽9内。谐振板5在压缩弹簧的时候，被压缩的弹簧都位于安装槽9内，不会影响谐振板5和电极板的接触摩擦。

本实用新型的工作原理或工作流程：将自供能传感器安装于海洋立管之上，外壳1的轴心线与立管的轴心线垂直。当立管无振动时，谐振板5不会发生振动，谐振板5与电极之间不会发生接触产生感应电荷；而当立管振动时，外壳会随着立管振动，谐振板由于惯性的原因会压缩第一弹性件或第二弹性件而在外壳内活动，当振动幅度达到所设置幅度时，谐振板5与电极板之间发生接触。如图2所示，谐振板5与第二电极板3接触时，所有的正电荷都将被吸引到第二电极板3；随后当带负电的谐振板5向第一电极板2方向运动，电流从第二电极板3经过外部负载电路向第一电极板2运动，产生一个瞬时电流；当谐振板5与第一电极板2接触时，所有的正电荷将出现在第一电极板2上；紧接着谐振板5的反向运动将会驱动电子反向运动，直到谐振板5回到初始位置，一个完整的谐振周期结束。

谐振板5在第一电极板2和第二电极板3之间运动，产生了不同流向的电流，使得外部检测电路检测出谐振电信号。由于谐振原理，谐振板5的振动幅度反应了立管的振动幅度，同时由于谐振板5振动幅度的不同会产生不同的电信号，根据电信号的不同就可以计算出海洋立管的振幅情况。

本实用新型的有益效果：利用谐振板5和电极板的摩擦发电得出的电压值计算出所测立管的实际振幅，能够及时检测立管的振动；不需再搭载辅助电源，减少传感器的部件，降低传感器的体积和重量，避免了对立管的稳定性产生影响。

实施例2

如图3所示为一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器另一实施例，本实施例在实施1的基础上，对第一电极板2、第二电极板3和谐振板5进一步的限定。

其中，第一电极板2、第二电极板3和谐振板5均为塑料板(具体可以为亚克力板)，塑料板的材质比较轻，减少整个传感器的重量，减少对立管的负担；第一电极板2和第二电极板3靠近谐振板5的一侧设置有电极薄膜10；介电薄膜4分别设置在谐振板5靠近第一电极板2的表面和靠近第二电极板3的表面。电极薄膜10和介电薄膜4在铺设在塑料板上，就可以让谐振板5在接触第一电极板2或者第二电机板的时候，就会摩擦产生电荷，在分开的时候就可以产生电流。

对电极薄膜10和介电薄膜4的材质进一步限定，电极薄膜10材质为金属材质、绝缘材质或半导体材质中任意一种，在本实施例中，电极薄膜10为铜膜；介电薄膜4与电极薄膜10的材质不一致，在本实施例中，介电薄膜4的材质为聚四氟乙烯。电极薄膜10和介电薄膜4的材质不一样就可以让两者分别产生正负电荷。

为了提高电极薄膜10和介电薄膜4的发电效率和发电量，电极薄膜10和介电薄膜4的表面分布有纳米或者次纳米量级的微结构，电极薄膜10与介电薄膜4的面积相等。

本实施例的其余特征与工作原理与实施例1一致。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器，包括外壳(1)，其特征在于，所述外壳(1)内相对的两侧安装有第一电极板(2)和第二电极板(3)；所述第一电极板(2)与所述第二电极板(3)之间设置有表面为介电薄膜(4)的谐振板(5)；所述谐振板(5)通过第一弹性件(6)与所述第一电极板(2)连接，所述谐振板(5)通过第二弹性件(7)与所述第二电极板(3)连接；所述谐振板(5)通过压缩所述第一弹性件(6)或所述第二弹性件(7)在所述外壳(1)内活动；所述第一电极板(2)与所述第二电极板(3)之间还设置有穿过所述谐振板(5)的固定轴(8)，所述固定轴(8)的两端分别与所述第一电极板(2)与所述第二电极板(3)连接，所述谐振板(5)沿着所述固定轴(8)运动。

2.根据权利要求1所述的一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器，其特征在于，所述第一电极板(2)、所述第二电极板(3)、所述谐振板(5)和所述固定轴(8)的轴心均处于同一直线上。

3.根据权利要求1所述的一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器，其特征在于，所述第一电极板(2)和所述第二电极板(3)与所述外壳(1)的内壁固定连接；所述谐振板(5)的内圈与所述固定轴(8)的外表面贴合。

4.根据权利要求1所述的一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器，其特征在于，所述第一弹性件(6)和第二弹性件(7)为弹簧，且所述第一弹性件(6)或所述第二弹性件(7)均套装于所述固定轴(8)上；所述第一电极板(2)和所述第二电极板(3)均设置有安装槽(9)，所述固定轴(8)和所述弹簧均装入所述安装槽(9)内。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器，其特征在于，所述第一电极板(2)、所述第二电极板(3)和所述谐振板(5)均为塑料板；所述第一电极板(2)和所述第二电极板(3)靠近所述谐振板(5)的一侧设置有电极薄膜(10)；所述介电薄膜(4)分别设置在所述谐振板(5)靠近所述第一电极板(2)的表面和靠近所述第二电极板(3)的表面。

6.根据权利要求5所述的一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器，其特征在于，所述电极薄膜(10)材质为金属材质、绝缘材质或半导体材质中任意一种；所述介电薄膜(4)与所述电极薄膜(10)的材质不一致。

7.根据权利要求6所述的一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器，其特征在于，所述电极薄膜(10)的材质为铜膜，所述介电薄膜(4)的材质为聚四氟乙烯。

8.根据权利要求6所述的一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器，其特征在于，所述电极薄膜(10)和所述介电薄膜(4)的表面分布有纳米或者次纳米量级的微结构。

9.根据权利要求5所述的一种用于监测海洋立管振动的摩擦发电传感器，其特征在于，所述电极薄膜(10)与所述介电薄膜(4)的面积相等。

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