基于液固界面摩擦纳米发电机的波浪传感器性能研究
发布时间：2021-03-28 18:26
海浪、海流和潮汐是海洋中的海水的重要运动形式。在海洋监测的所有要素中,波浪是最基本最重要也是最复杂的一种运动形式。它在海洋工程建设,航海安全及海洋灾害预警具有十分重要的地位。海洋结构物的水平圆柱结构广泛应用于海洋工程中,其中智慧海工平台的张力腿是典型的海洋结构物,也是平台的主要承载结构,是平台安全运行的核心部件之一。海洋波浪对于海工平台张力腿具有力的作用,影响着海工装备体的安全作业,因此准确的预测海工平台张力腿表面的波浪信息是安全性研究的重要课题。因此,及时获得精确的波浪监测信息,对发展海工装备、海洋环境监测来说意义重大。最近,基于摩擦起电效应和静电感应耦合作用的摩擦纳米发电机（TENG）能够用来将微小且无规则的机械运动转化成电信号,作为自供能传感器来探测振动、风速、位移、金属离子、湿度、温度、紫外光强等。这种新型的发电技术将为低频能量收集开辟了新的思路及潜在的应用价值,也为智能传感器开拓了研究方向。本文基于液-固接触起电原理,构建了一种新型自驱动波浪传感器（Wave Sensor,WS-TENG）。该波浪传感器由基体、高分子有机材料PTFE薄膜与金属电极构成。通过测量传感器与大地之间...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?（ａ）卖际海洋波浪图，（ｂ）波浪监测要素示意图??Ｆｉｇ．?１．２?（ａ）?Ａｃｔｕａｌ?ｏｃｅａｎ?ｗａｖｅ，?（ｂ）?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｗａｖｅ?ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ?ｅｌｅｍｅｎｔｓ??１．１．２波浪传感器研究现状??
、中国海洋大学和山东省科学院??海洋仪器仪表研究所等。另外，在船只左右两舷各安装一个加速度计和一个压力传感器??进行波浪测量的方法也属于重力式波浪观测的一种，可称为船载重力测波法、船舷测波??法或船载波浪测量法。船载重力测波法只需按要求对船只进行简单改装即可实现波浪观??测［１５］，可以随时测量大洋的波浪，但须在停船或是航速不超过２ｋｎ时使用。长波测量效??果较好，但是短波测量存在一定误差；而且需要在船上布置一些小孔进行波浪测量，这??对船只安全有较大影响［１１］。??ＭＭｉ??图１．３海洋波浪浮漂??Ｆｉｇ．?１．３?Ｏｃｅａｎ?ｗａｖｅ；?ｆｌｏａｔｉｎｇ??（５）激光式测波??激光测波是利用激光测距原理测量波高、波周期参数。该测波方法一般应用在岸基、??石油平台上。美国ＳｃｈｗａｒｔｚＥｌｅｃｔｒｏＯｐｔｉｃ公司研制了激光海浪测量装置，用于石油平台??上的海浪监测，国内也进行了船基激光法波浪测量仪器的研宄［１６］。激光测距技术成熟，??但受台风、风暴潮、海冰等灾害性天气影响较大，长期观测时海上的高温、高湿和高盐??环境对仪器光学传感器会造成影响。??（６）雷达式测波??４??
?基于液固界面摩擦纳米发电机的波浪传感器性能研究???Ｓｔｅｒｎ?ｌａｙｅｒ??義ｆ丨，??Ｉ?Ｄｉｓｔａｎｃｅ??Ｄｉｆｆｕｓｅ?ｌａｙｅｒ??图１．?６液固界面双电层示意图??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌｉｑｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ?ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｄｏｕｂｌｅ?ｌａｙｅｒ??如图１．７所示，为王中林院士提出的双电层形成的两步过程［３７］。在第一步中，当溶??液中的分子首先到达没有电荷的原始材料表面时（图１．７ａ），溶液中的原子／分子可能会??直接与固体上的原子相互作用，并在表面形成电子云的强重叠。首先发生电子转移，以??使固体表面上的“中性”原子带电，即形成离子（图１．７ｂ）。在液体流动或揣流的压力??下，与固体表面相邻的液体分子会通过破坏形成的“键”而被迫／从界面区域中推出，从??而留下一层固定在固体表面上的离子（图１．７ｃ）中，被切断的分子在液体中自由迁移离??子。必须指出的是，这种表面电荷的密度应与接触起电中的表面电荷密度相当。在第二??步中，如果液体中存在离子（例如Ｈ＋和Ｏｆｆ），则由于静电相互作用，溶液中松散分布??的负离子将被吸引向表面结合的离子迁移，从而形成双电层。根据以上的研究，得出的??结论是：形成ＥＤＬ的起源很可能是接起电的结果，这是因为在第一步的电子转移。??一旦形成ＥＤＬ，有关电位分布和表面化学的许多研究和模型都是契合的。??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]海流测量技术发展及应用[J]. 周庆伟,白杨,封哲,汪小勇,王延伟. 海洋测绘. 2018(03)
[2]小型推板式波浪水槽的性能测试分析[J]. 盘俊,吴静萍,姜曼松,郑晓伟,赵小仨. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2017(06)
[3]基于三种测波方法的实测数据对比分析[J]. 周庆伟,封哲,汪小勇,蔡晓晴,齐占辉,白杨. 海洋技术学报. 2017(03)
[4]海洋波浪观测技术综述[J]. 周庆伟,张松,武贺,汪小勇,杜敏,白杨,孟洁. 海洋测绘. 2016(02)
[5]日本海西南海域现场观测和卫星高度计获取的海面高度距平的比较研究[J]. 葛磊,徐永生,尹宝树. 海洋科学. 2016(02)
[6]船基激光法波浪测量仪器的研究[J]. 王军成,侯广利,刘岩,蒋慧略. 海洋技术. 2004(04)
[7]波浪传感器的现状与展望[J]. 刘文通. 海洋湖沼通报. 1986(01)
博士论文
[1]基于粘性流理论的水平圆柱上波浪力数值研究[D]. 毛鸿飞.大连理工大学 2018
硕士论文
[1]基于摩擦感应电的船舶吃水自驱动传感技术研究[D]. 马梓然.大连海事大学 2018
[2]系泊式新能源平台水动力分析[D]. 何江贤.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于感应原理的界面特性探测技术研究[D]. 赵凯.大连海事大学 2015
[4]波浪传感器数据采集及检测系统[D]. 屠长涛.中国海洋大学 2011
[5]船舶走航式波浪测量系统研究[D]. 元萍.中国海洋大学 2010
本文编号：3106034
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．２?（ａ）卖际海洋波浪图，（ｂ）波浪监测要素示意图??Ｆｉｇ．?１．２?（ａ）?Ａｃｔｕａｌ?ｏｃｅａｎ?ｗａｖｅ，?（ｂ）?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｗａｖｅ?ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ?ｅｌｅｍｅｎｔｓ??１．１．２波浪传感器研究现状??
、中国海洋大学和山东省科学院??海洋仪器仪表研究所等。另外，在船只左右两舷各安装一个加速度计和一个压力传感器??进行波浪测量的方法也属于重力式波浪观测的一种，可称为船载重力测波法、船舷测波??法或船载波浪测量法。船载重力测波法只需按要求对船只进行简单改装即可实现波浪观??测［１５］，可以随时测量大洋的波浪，但须在停船或是航速不超过２ｋｎ时使用。长波测量效??果较好，但是短波测量存在一定误差；而且需要在船上布置一些小孔进行波浪测量，这??对船只安全有较大影响［１１］。??ＭＭｉ??图１．３海洋波浪浮漂??Ｆｉｇ．?１．３?Ｏｃｅａｎ?ｗａｖｅ；?ｆｌｏａｔｉｎｇ??（５）激光式测波??激光测波是利用激光测距原理测量波高、波周期参数。该测波方法一般应用在岸基、??石油平台上。美国ＳｃｈｗａｒｔｚＥｌｅｃｔｒｏＯｐｔｉｃ公司研制了激光海浪测量装置，用于石油平台??上的海浪监测，国内也进行了船基激光法波浪测量仪器的研宄［１６］。激光测距技术成熟，??但受台风、风暴潮、海冰等灾害性天气影响较大，长期观测时海上的高温、高湿和高盐??环境对仪器光学传感器会造成影响。??（６）雷达式测波??４??
?基于液固界面摩擦纳米发电机的波浪传感器性能研究???Ｓｔｅｒｎ?ｌａｙｅｒ??義ｆ丨，??Ｉ?Ｄｉｓｔａｎｃｅ??Ｄｉｆｆｕｓｅ?ｌａｙｅｒ??图１．?６液固界面双电层示意图??Ｆｉｇ．?１．６?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌｉｑｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ?ｉｎｔｅｒｆａｃｅ?ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｄｏｕｂｌｅ?ｌａｙｅｒ??如图１．７所示，为王中林院士提出的双电层形成的两步过程［３７］。在第一步中，当溶??液中的分子首先到达没有电荷的原始材料表面时（图１．７ａ），溶液中的原子／分子可能会??直接与固体上的原子相互作用，并在表面形成电子云的强重叠。首先发生电子转移，以??使固体表面上的“中性”原子带电，即形成离子（图１．７ｂ）。在液体流动或揣流的压力??下，与固体表面相邻的液体分子会通过破坏形成的“键”而被迫／从界面区域中推出，从??而留下一层固定在固体表面上的离子（图１．７ｃ）中，被切断的分子在液体中自由迁移离??子。必须指出的是，这种表面电荷的密度应与接触起电中的表面电荷密度相当。在第二??步中，如果液体中存在离子（例如Ｈ＋和Ｏｆｆ），则由于静电相互作用，溶液中松散分布??的负离子将被吸引向表面结合的离子迁移，从而形成双电层。根据以上的研究，得出的??结论是：形成ＥＤＬ的起源很可能是接起电的结果，这是因为在第一步的电子转移。??一旦形成ＥＤＬ，有关电位分布和表面化学的许多研究和模型都是契合的。??９??
【参考文献】：
期刊论文
[1]海流测量技术发展及应用[J]. 周庆伟,白杨,封哲,汪小勇,王延伟. 海洋测绘. 2018(03)
[2]小型推板式波浪水槽的性能测试分析[J]. 盘俊,吴静萍,姜曼松,郑晓伟,赵小仨. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2017(06)
[3]基于三种测波方法的实测数据对比分析[J]. 周庆伟,封哲,汪小勇,蔡晓晴,齐占辉,白杨. 海洋技术学报. 2017(03)
[4]海洋波浪观测技术综述[J]. 周庆伟,张松,武贺,汪小勇,杜敏,白杨,孟洁. 海洋测绘. 2016(02)
[5]日本海西南海域现场观测和卫星高度计获取的海面高度距平的比较研究[J]. 葛磊,徐永生,尹宝树. 海洋科学. 2016(02)
[6]船基激光法波浪测量仪器的研究[J]. 王军成,侯广利,刘岩,蒋慧略. 海洋技术. 2004(04)
[7]波浪传感器的现状与展望[J]. 刘文通. 海洋湖沼通报. 1986(01)
博士论文
[1]基于粘性流理论的水平圆柱上波浪力数值研究[D]. 毛鸿飞.大连理工大学 2018
硕士论文
[1]基于摩擦感应电的船舶吃水自驱动传感技术研究[D]. 马梓然.大连海事大学 2018
[2]系泊式新能源平台水动力分析[D]. 何江贤.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于感应原理的界面特性探测技术研究[D]. 赵凯.大连海事大学 2015
[4]波浪传感器数据采集及检测系统[D]. 屠长涛.中国海洋大学 2011
[5]船舶走航式波浪测量系统研究[D]. 元萍.中国海洋大学 2010
本文编号：3106034
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