一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统及方法与流程

1.本发明涉及水位能量测量技术领域，特别是涉及一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统及方法。


背景技术：

2.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因素的差异，其蕴藏能量的总量可观但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。海洋内部洋流的涌动因海底地形、温度等因素的制约，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适应多种地形进行准确测量，也无法得到连续的综合性数据。
3.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。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯传感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因水浪波动的方向具有随机性导致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。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统及方法。
6.一种基于石墨烯传感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水位能量数据参数，包括：
7.主体框架；
8.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，所述测量单元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、纵向波幅测量模组及纵向流速测量模组；
9.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；
10.供电装置，所述供电装置为整体系统供电。
11.上述的一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统，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。
12.上述的一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统，所述主体框架还包括锚固杆，所述锚固杆与所述主体框架的底部连接，所述锚固杆锚入水体底部，用于固定所述主体框架在水体中的位置。
13.上述的一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统，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，
14.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。
15.上述的一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统，所述低相干干涉测量模块包括第一固定件、第二固定件及滑动件，
16.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，所述滑动件与所述第一固定件滑动连接，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；
17.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；
18.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与所述滑动件、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。
19.上述的一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统，所述纵向波幅测量模组包括测量浮球和网状固定结构，
20.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，
21.所述柔性光缆中内嵌有石墨烯传感器。
22.上述的一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统，所述纵向流速测量模组包括双向交叉筒状结构和固定杆，
23.所述固定杆竖直设置在所述主体框架顶部的所述横向框架杆和所述主体框架底部的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，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，
24.所述双向交叉筒状结构的内部设有片状石墨烯传感器。
25.上述的一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统，所述供电装置为太阳能电池板。
26.上述的一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统，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。
27.一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测方法，包括：
28.水平周期测量模组中的受力板受到目标测量水体的水流冲击，所述受力板将冲击力传递给低相干干涉测量模块测得水位波动周期t和因水体波动冲击荷载产生的轴向应变ε
光纤
；
29.在柔性光缆的约束下的有限空间内，纵向波幅测量模组的测量浮球受到水的浮力时所在位置，未受到水的浮力时自由下垂，所述柔性光缆与某一采集点连接，所述纵向波幅测量模组通过所述柔性光缆的轴向拉应力变化了解相应采集点的波动变化情况并测得采集点的水位波幅a和波长l；
30.所述纵向流速测量模组的片状石墨烯传感器承受沿着水流方向的均布荷载，所述片状石墨烯传感器测得水流流速并通过多个采集点的数据采集反应水体流速在测量区域内的分布，最终所述纵向流速测量模组测得水流波速vg；
31.传输终端将所述水平周期测量模组与所述纵向流速测量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，所述云端分析平台将单位波面宽度的势能和动能相加计算得出水位能量。
32.水位动能是水粒子横向运动和纵向运动叠加的结果，
33.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；
34.水位平均能通量或波动周期能量：pw为：
35.水位波动周期t和波长l之间的联系为：
36.水位平均能通量或波动周期能量pw可表达为：
37.水体波动中的冲击载荷f为：f＝e
·
ε
光纤
。
38.如上所述，本发明的一种基于石墨烯传感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：
39.本发明中在一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统中设立了多个测量单元，测量单元测量水体中不同方向上的水位能量的数据参数，较为全面地收集、确定目标水位中的数据参数，每个测量单元中设置了水平周期测量模组、纵向波幅测量模组及纵向流速测量模组，通过石墨烯传感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，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
40.图1显示为本发明中基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统整体结构示意图；
41.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)；
42.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；
43.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；
44.图5显示为本发明中所述测量浮球的布置示意图；
45.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
46.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。
47.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。
48.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。
49.请参阅图1，本发明提供一种基于石墨烯传感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及供电装置2。各个测量单元围合安装在主体框架上测量不同方向上的水位能量数据参数。测量单元包括水平周期测量模组、纵向波幅测量模组及纵向流速测量模组。传输终端1用于传输测量单元采集的数据参数，测量单元通过信号缆线连接传输终端1实现数据传输。供电装置2为整体系统供电。
50.本实施例中测量单元的数量为四。本发明中，一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统中设立了多个测量单元，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，较为全面地收集确定目标水位中的数据参数，每个测量单元中设置了水平周期测量模组、纵向波幅测量模组及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t、水位波幅a、水位波长l以及水波流速vg等，通过石墨烯传感测量技术对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。
51.在本实施例中，请参阅图1，主体框架包括横向框架杆31和纵向框架杆32，横向框架杆31和纵向框架杆32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。横向框架杆31和纵向框架杆32组合构成立方体结构，测量单元安装在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。
52.在本实施例中，请参阅图1，主体框架还包括锚固杆33，锚固杆33与主体框架的底部连接，锚固杆33锚入水体于固定主体框架在水体中的位置。系统整体放入水体中时，为避免系统整体因为水浪和水流的冲击而随波漂流，系统位置不能保持稳定，导致测得的数据不准确的情况，通过锚固杆33插入水体底部固定系统整体，确保测量的过程中整个装置相对于的目标水体的地面相对静止，减少测量的相对误差，使得测得数据更加准确。
53.在本实施例中，请参阅图1-图4，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，受力板41和低相干干涉测量模块42的外壳均采用增材制造技术制造的碳纤维材料制成，以满足测量的强度结构要求，同时保护系统整体不受使用环境的侵蚀。
54.低相干干涉测量模块42固定在横向框架杆31上，受力板41和低相干干涉测量模块42连接，低相干干涉测量模块42位于横向框架杆31和受力板41之间。低相干干涉测量模块
42包括第一固定件421、第二固定件422及滑动件423，第一固定件421和第二固定件422固定连接，第一固定件421上设有滑动轨道4211，滑动件423与第一固定件421滑动连接，滑动件423和受力板41的表面的四角处铰接，二者的铰接结点427的球型部分和滑动件423刚性连接，铰接结点427与受力板41的连接部分为平截面的形状。受力板41通过水流对自身的冲击带动滑动件423在滑动轨道4211上滑动，第二固定件422和滑动件423之间的距离随着滑动件423的来回滑动而改变。低相干干涉模块应用在很小的节点处，而受力板41的面积较大，因此可通过受力板41受冲击可以获得更大范围的冲击作用。第二固定件422和滑动件423通过弹簧424连接，弹簧424上设有低相干干涉光纤传感器425，水流冲击受力板41，从而带动滑动件423滑动，使得弹簧424压缩或拉伸，低相干干涉光纤传感器425采集到数据参数。第二固定件422和滑动件423之间设有限位连杆结构426，限位连杆结构426的两端分别和滑动件423和第二固定件422连接，限位连杆结构426用于限定滑动件423的滑动行程。
55.在本实施例中，请参阅图1、图2和图5，纵向波幅测量模组包括测量浮球51和网状固定结构52，网状固定结构52采用增材制造技术制造制造的碳纤维材料制成。网状固定结构52设置在主体框架的顶部的横向框架杆31和主体框架底部的横向框架杆31之间。测量浮球51通过柔性光缆53和网状固定结构52连接，柔性光缆53中内嵌有石墨烯传感器。石墨烯传感器为高光敏度传感计，适用于各种使用场合的高精度测量且具有较大的动态测量范围。测量浮球51沉浸在测量水体中，在测量水体水位变化的同时，测量浮球51受到的浮力同样发生变化，受其影响，导致测量浮球51在一定的空间范围内自由移动，测量浮球51受到的浮力变化会使得与其连接的柔性光缆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，并通过在系统内设置多个采集点，形成多维向多点式采集，综合所有采集点的数据，立体综合地反应水平面波动情况。
56.在本实施例中，请参阅图1和图6，纵向流速测量模组包括双向交叉筒状结构61和固定杆62，双向交叉筒状结构61和固定杆62采用增材制造技术制造的碳纤维材料制成，固定杆62竖直设置在顶部横向框架杆31和底部横向框架杆31之间，双向交叉筒状结构61固定在固定杆62上且双向交叉筒状结构61沿固定杆62的杆长方向上均匀布置，双向交叉筒状结构61的内部设有片状石墨烯传感器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。
57.在本实施例中，供电装置2为太阳能电池板，太阳能电池板可充分利用水体开阔无遮挡的条件，将太阳能转化为电能为系统整体提供电能，无需外加供能设备，更加绿色节能。
58.在本实施例中，一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测系统还包括云端分析平台，传输终端1将测量单元采集的数据参数通过5g传输上传到云端分析平台进行计算分析。
59.在本实施例中，一种基于石墨烯传感测量技术的水位能量监测方法，包括：
60.水平周期测量模组中的受力板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和因水体波动冲击荷载产生的轴向应变ε
光纤
。
61.纵向波幅测量模组的测量浮球51设置在水体中，测量浮球51与柔性光缆53连接，受到水的浮力时，测量浮球51在柔性光缆53的约束下在有限空间位置内自由变化，未受到
水的浮力时，测量浮球51自由下垂。通过柔性光缆53轴向拉应力变化获得采集点的波动变化情况，从而令纵向波幅测量模组测得带目标测量水体的水位波幅a和波长l。
62.纵向流速测量模组的片状石墨烯传感器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，获得流速在测量区域内的分布状况，纵向流速测量模组从而测得水流波速vg。在一种实施例中，片状石墨烯传感器63内部的应变片受到水流冲刷发生形变，通过形变量得出单位水流的能量，即水流动能，通过标定的方法能够得出应变片单位水流的质量，从而得出水流的实际流速。具体的，通过上述测量得出的水位波动周期t与水流频率反应的速度为水流波动平面的流速，该流速为实际水流波速vg的分量，结合应变片的形变方向，可得出实际流速vg与波动平面流速的夹角，从而得出具体的水流涌动的流线图。
63.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。云端分析平台将单位波面宽度的势能和动能相加计算得出水位能量。
64.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。
65.水位平均能通量或波动周期能量pw为：
66.水位波动周期t和波长l之间的联系：
67.水位平均能通量或波动周期能量pw也可以表达为：
68.水体波动中的冲击载荷f为：f＝e
·
ε
光纤
。
69.优选的，主体框架上设置多组风速计，风速计均匀地设置在主体框架上的各个方向上，风速计将测量得到的风速数据参数经由传输终端1传输至云端分析平台中，通过云端分析平台将风荷载计入上述计算结果中，从而消除风荷载对冲击效果的影响。由于风荷载不会影响水位波动周期t与水位波幅a的测量，主要是会影响水流冲击力的反应，故只需要将其纳入冲击荷载计算即可。
70.综上，本发明提供一种基于石墨烯传感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，通过测量水体中不同方向上的水位能量数据参数，较为全面地收集、确定目标水位中的数据参数，每个测量单元中设置了水平周期测量模组、纵向波幅测量模组及纵向流速测量模组，通过石墨烯传感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，精确地计算出所需的目标水位的水位能量值。同时，本发明中监测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。
71.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。