嵌缆式水下监测装备.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910973536.4 (22)申请日 2019.10.14 (71)申请人 浙江大学 地址 310013 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 陈燕虎陈泽键杨灿军 (74)专利代理机构 杭州天勤知识产权代理有限 公司 33224 代理人 胡红娟 (51)Int.Cl. H02J 50/30(2016.01) H02J 50/80(2016.01) (54)发明名称 一种嵌缆式水下监测装备 (57)摘要 本发明公开了一种嵌缆式水下监测装备， 属 于水下环境监。

2、测设备技术领域， 包括： 密封腔体， 其内设有非接触式电能传输单元， 非接触式电能 传输单元的初级线圈嵌套在密封腔体外壁上； 次 级线圈支架， 可拆卸地固定在密封腔体外壁上， 其上设有与初级线圈对应的次级线圈以及用于 水下监测的近端传感器； 光电复合缆， 连接在密 封腔体的两端， 由传输电能的电线以及传输信号 的光纤组成， 进入密封腔体后分为光纤和电线。 通过光纤传能以及光纤通信的方式， 为远端传感 器提供能量并收集数据。 节点内部的非接触式电 能传输单元通过无线电能传输的方式， 给包夹在 腔体外壁的近端传感器供电， 这种供电方式解决 了水下更换传感器的难题。 权利要求书2页 说明书4页 附图。

3、2页 CN 110829625 A 2020.02.21 CN 110829625 A 1.一种嵌缆式水下监测装备， 其特征在于， 包括： 密封腔体， 其内设有非接触式电能传输单元， 非接触式电能传输单元的初级线圈嵌套 在所述密封腔体外壁上； 次级线圈支架， 可拆卸地固定在所述密封腔体外壁上， 其上设有与所述初级线圈对应 的次级线圈以及用于水下监测的近端传感器； 光电复合缆， 连接在所述密封腔体的两端， 由传输电能的电线以及传输信号的光纤组 成， 进入所述密封腔体后分为光纤和电线。 2.根据权利要求1所述的嵌缆式水下监测装备， 其特征在于， 所述的密封腔体内还设 有： 恒流转恒压电能转换单元，。

4、 用于转换电能形式； 通信中继单元， 用以进行通信信号中继； 接驳控制单元， 用以控制传感器通断和通信； 大功率激光器驱动单元， 用以给远端传感器供能， 所述远端传感器通过光纤水密缆连 接至所述密封腔体内。 3.根据权利要求2所述的嵌缆式水下监测装备， 其特征在于， 所述的通信中继单元选用 双光口、 多电口的光电交换机， 其两个光口分别连接输入、 输出光电复合缆中的光纤， 电口 用于连接接所述的驳控制单元； 所述的接驳控制单元使用多个DC/DC电压转换模块将电源电压转换为输出所需要的电 压大小， 使用继电器和MOS管进行输出电能的通断控制， 使用多个串口联网模块将以太网信 号转换为串口信号， 。

5、并通过串口联网模块的IO口对继电器和MOS管的通断进行联网控制； 所述的大功率激光器驱动单元包括可调恒流驱动电源， 大功率激光器和光纤收发器； 可调恒流驱动电源输出恒流电源， 驱动大功率激光器， 产生激光并耦合到传能光纤中， 传输 到所述的远端传感器， 远端传感器的光伏电池被激光照射后产生电能， 供传感器使用； 光纤 收发器用于发送和接收远端传感器的通信信号。 4.根据权利要求2所述的嵌缆式水下监测装备， 其特征在于， 所述的密封腔体设有直接 从所述接驳控制单元获取能量的内嵌传感器， 用于节点周围环境观测。 5.根据权利要求1所述的嵌缆式水下监测装备， 其特征在于， 所述的密封腔体为圆柱 形，。

6、 密封腔体的一端设有用于绕制所述初级线圈的初级线圈支架， 该端部设有端盖， 所述密 封腔体与所述端盖设有用于限制所述初级线圈支架轴向移动的轴肩。 6.根据权利要求5所述的嵌缆式水下监测装备， 其特征在于， 所述的次级线圈支架可拆 卸地固定在所述密封腔体的轴肩与所述端盖的轴肩之间。 7.根据权利要求6所述的嵌缆式水下监测装备， 其特征在于， 所述的次级线圈支架包括 通过铰链连接的两个半圆形的卡环， 两卡环之间设有将次级线圈支架夹紧在所述密封腔体 上的拉簧。 8.根据权利要求1所述的嵌缆式水下监测装备， 其特征在于， 所述的次级线圈支架上还 设有次级侧电腔， 所述次级侧电腔内设有对电磁感应产生的交。

7、流电进行整流滤波的整流滤 波电路； 所述次级线圈通过水密缆连接到所述次级侧电腔。 9.根据权利要求1所述的嵌缆式水下监测装备， 其特征在于， 所述的初级线圈和所述次 级线圈均通过灌胶的方式进行密封。 权利要求书 1/2 页 2 CN 110829625 A 2 10.根据权利要求1所述的嵌缆式水下监测装备， 其特征在于， 所述的非接触式电能传 输单元还包括逆变器及其驱动、 以及补偿电路， 用于将直流电转换为交流电， 驱动所述的初 级线圈。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110829625 A 3 一种嵌缆式水下监测装备 技术领域 0001 本发明涉及水下环境监测设备技术领域， 具体地说， 。

8、涉及一种嵌缆式水下监测装 备。 背景技术 0002 近年来， 随着我国经济的快速发展， 对于海洋和江河湖泊的开发利用程度及范围 在不断地扩大与加深， 在各种水域环境监测和资源调查中， 经常需要对各种水下环境进行 实时测量。 0003 对水下环境的监测通常采用的方法是获取水下环境监测数据， 利用水下光电复合 缆传输水下环境监测数据到大数据处理中心， 以完成对水下环境的监测。 水下监测设备是 为水下传感器提供电能以及通信通道的平台。 现有水下监测设备的组网方式包括树状结构 和串联形式。 0004 参见图1， 树状结构是以每一个监测平台作为一个节点， 并集成在体积较大的接驳 盒中。 电能以及信息在水。

9、下接驳盒进行处理， 再输出到下一级接驳盒处， 通过各级接驳盒的 级联， 形成水下监测网络。 水下传感器则连接各级接驳盒， 从中获取电能， 并进行信息交换。 0005 参见图2， 串联形式的水下监测系统组网方式则与树状网络不同， 该网络不使用接 驳盒， 而是将设备节点串联在海缆中， 传感器则内嵌在节点上， 简化了网络结构。 0006 树状网络结构复杂， 接驳盒体积庞大， 布放难度大， 成本高， 并且当级联网络的某 一级节点产生故障， 其下级节点均无法工作， 系统可靠性较差。 0007 串联网络结构简单， 布放方便， 由于采用恒流输电， 当某一设备节点产生短路故障 时， 也不会对其他节点造成影响，。

10、 可靠性较高。 但是串联网络的传感器一般都内嵌在设备节 点上， 只能对节点周围的环境进行监测， 监测范围较小， 若用电线将传感器引出到远端， 则 引线破损容易引发短路， 从而影响到整个监测系统。 另外， 水下传感器一旦安装并布放完 成， 如果由于传感器故障或者其他原因想要更换传感器， 则需要重新打捞， 在岸上操作， 而 打捞的成本较高， 所以一般情况传感器一旦安装便无法更换。 发明内容 0008 本发明的目的为提供一种嵌缆式水下监测装备， 可在水下完成传感器更换， 通过 多设备串联组网， 布放于水域中， 为水下传感器提供电能以及通信通道， 并使用光纤水密缆 连接设备节点与传感器， 解决了原有设。

11、备监测范围较小的问题。 0009 为了实现上述目的， 本发明提供的嵌缆式水下监测装备包括： 0010 密封腔体， 其内设有非接触式电能传输单元， 非接触式电能传输单元的初级线圈 嵌套在密封腔体外壁上； 0011 次级线圈支架， 可拆卸地固定在密封腔体外壁上， 其上设有与初级线圈对应的次 级线圈以及用于水下监测的近端传感器； 0012 光电复合缆， 连接在密封腔体的两端， 由传输电能的电线以及传输信号的光纤组 说明书 1/4 页 4 CN 110829625 A 4 成， 进入密封腔体后分为光纤和电线。 0013 上述技术方案中， 可通过光纤传能以及光纤通信的方式， 为远端传感器提供能量 并收集。

12、数据。 光纤传能的方式使得节点与外部实现了电隔离， 解决了引线破损后损坏节点 的问题。 除此之外， 节点内部的非接触式电能传输单元通过无线电能传输的方式， 给包夹在 腔体外壁的近端传感器供电， 这种供电方式解决了水下更换传感器的难题。 0014 作为优选， 密封腔体内还设有： 0015 恒流转恒压电能转换单元， 用于转换电能形式； 0016 通信中继单元， 用以进行通信信号中继； 0017 接驳控制单元， 用以控制传感器通断和通信； 0018 大功率激光器驱动单元， 用以给远端传感器供能， 远端传感器通过光纤水密缆连 接至密封腔体内。 在保证系统可靠性的同时， 扩展传感器接口， 能提供更加丰富。

13、的监测手 段， 增大了监测范围。 0019 作为优选， 通信中继单元选用双光口、 多电口的光电交换机， 其两个光口分别连接 输入、 输出光电复合缆中的光纤， 电口用于连接接所述的驳控制单元； 0020 接驳控制单元使用多个DC/DC电压转换模块将电源电压转换为输出所需要的电压 大小， 使用继电器和MOS管进行输出电能的通断控制， 使用多个串口联网模块将以太网信号 转换为串口信号， 并通过串口联网模块的IO口对继电器和MOS管的通断进行联网控制； 0021 大功率激光器驱动单元包括可调恒流驱动电源， 大功率激光器和光纤收发器； 可 调恒流驱动电源输出恒流电源， 驱动大功率激光器， 产生激光并耦合。

14、到传能光纤中， 传输到 所述的远端传感器， 远端传感器的光伏电池被激光照射后产生电能， 供传感器使用； 光纤收 发器用于发送和接收远端传感器的通信信号。 0022 为了进一步扩展传感器接口， 增大监测范围， 作为优选， 密封腔体设有直接从接驳 控制单元获取能量的内嵌传感器， 用于节点周围环境观测。 0023 作为优选， 密封腔体为圆柱形， 密封腔体的一端设有用于绕制初级线圈的初级线 圈支架， 该端部设有端盖， 密封腔体与端盖设有用于限制初级线圈支架轴向移动的轴肩。 0024 作为优选， 次级线圈支架可拆卸地固定在所述密封腔体的轴肩与所述端盖的轴肩 之间。 0025 密封腔体与端盖上的轴肩一方面。

15、可对初级线圈支架的轴向进行限制， 另一方面可 以对次级线圈支架的轴向移动进行限制， 使安装结构更加稳定。 0026 作为优选， 次级线圈支架包括通过铰链连接的两个半圆形的卡环， 两卡环之间设 有将次级线圈支架夹紧在密封腔体上的拉簧。 通过拉簧的拉力将两个卡环夹紧在密封腔体 外壁上。 0027 作为优选， 次级线圈支架上还设有次级侧电腔， 次级侧电腔内设有对电磁感应产 生的交流电进行整流滤波的整流滤波电路； 次级线圈通过水密缆连接到次级侧电腔。 0028 作为优选， 初级线圈和次级线圈均通过灌胶的方式进行密封。 0029 作为优选， 非接触式电能传输单元还包括逆变器及其驱动、 以及补偿电路， 用。

16、于将 直流电转换为交流电， 驱动初级线圈。 0030 与现有技术相比， 本发明的有益效果为： 0031 本发明的监测装备串联于一段光电复合缆中， 布放更加方便， 使用恒流输电， 可靠 说明书 2/4 页 5 CN 110829625 A 5 性更高。 使用光纤传能给远端传感器供能的方式， 提供电隔离的同时系统使得对单个节点 附近的观测范围更广。 使用非接触式电能传输给传感器供电的方式， 解决了传感器的水下 更换问题。 附图说明 0032 图1为本发明背景技术中树状结构的组网方式示意图； 0033 图2为本发明背景技术中串联形式的组网方式示意图； 0034 图3为本发明实施例中嵌缆式水下监测装备。

17、的机构示意图； 0035 图4为本发明实施例中初级线圈的安装示意图； 0036 图5为本发明实施例中次级线圈支架的结构示意图。 具体实施方式 0037 为使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 以下结合实施例及其附图对本发 明作进一步说明。 0038 实施例 0039 参见图3至图5， 本实施例的嵌缆式水下监测装备包括： 0040 密封腔体1， 其内设有非接触式电能传输单元5， 非接触式电能传输单元5的初级线 圈7嵌套在密封腔体1外壁上， 使用灌胶密封， 通过水密缆10连接到腔体内部； 0041 次级线圈支架， 可拆卸地固定在密封腔体1外壁上， 其上设有与初级线圈7对应的 次级线圈11以及。

18、用于水下监测的近端传感器12； 0042 和光电复合缆9， 连接在密封腔体1的两端， 由传输电能的电线以及传输信号的光 纤组成， 进入密封腔体1后分为光纤和电线。 0043 密封腔体1为圆柱形腔体， 腔体两端的锥形保护套103用以防止光电复合缆9接头 弯折。 密封腔体1内还设有： 0044 恒流转恒压电能转换单元(CC/CV单元)2， 用于转换电能形式； 0045 通信中继单元3， 用以进行通信信号中继； 0046 接驳控制单元4， 用以控制传感器通断和通信； 0047 大功率激光器驱动单元6， 用以给远端传感器供能， 远端传感器通过光纤水密缆连 接至密封腔体1内； 0048 内嵌传感器8， 。

19、用于节点周围环境观测。 0049 通信中继单元3可选用双光口， 多电口的光电交换机， 其两个光口分别连接输入、 输出光电复合缆中的光纤， 电口用于连接接驳控制单元4。 0050 接驳控制单元4使用多个DC/DC电压转换模块将电源电压转换为输出所需要的电 压大小， 使用继电器和MOS管进行输出电能的通断控制， 使用多个串口联网模块将以太网信 号转换为串口信号， 并通过串口联网模块的IO口对继电器和MOS管的通断进行联网控制。 0051 大功率激光器驱动单元6包括可调恒流驱动电源， 大功率激光器和光纤收发器。 可 调恒流驱动电源输出恒流电源， 驱动大功率激光器， 激光器产生激光并耦合到传能光纤中，。

20、 传输到远端传感器， 远端传感器的光伏电池被激光照射后产生电能， 供传感器使用。 光纤收 发器用于发送和接收远端传感器的通信信号。 说明书 3/4 页 6 CN 110829625 A 6 0052 非接触式电能传输单元5包括逆变器及其驱动、 补偿电路， 逆变器及其驱动、 补偿 电路用于将直流电转换为交流电， 驱动初级线圈7。 通过电磁互感原理， 可以使贴于初级线 圈7外壁的次级线圈11产生电压， 从而对其进行非接触供电。 初级线圈7的安装方式如图4所 示， 线圈绕制在圆筒支架101上， 使用灌胶密封， 圆筒支架101一端顶住密封腔体外壁的轴 肩， 另一端由端盖102卡住。 端盖和密封腔体的最。

21、大外径均大于圆筒支架101的外径， 用以产 生轴肩， 可以限制配合于圆筒支架101上的次级线圈支架的轴向移动。 0053 次级线圈支架包括通过铰链13连接的两个半圆形的卡环14， 两卡环14之间设有将 次级线圈支架夹紧在密封腔体1上的拉簧15。 次级线圈11分别封装在两个卡环14内壁上， 同 样使用灌胶密封， 通过水密缆17连接到次级侧电腔16。 次级侧电腔16主要包括整流滤波电 路， 将电磁感应产生的交流电整流滤波， 输出传感器所需直流电压。 0054 使用非接触电能传输供能的近端传感器12没有通过水密缆连接监测设备节点， 水 下拆卸或者安装时， 无需考虑节点入水问题。 当近端传感器需要更换。

22、时， 可以使用水下机器 人进行水下传感器的更换操作， 将卡环14拉开即可， 在较浅的水域可以直接由蛙人进行传 感器更换操作。 该连接方式解决了水下监测系统传感器的更换难题。 0055 本实施例的工作过程如下： 0056 能量部分： 本实施例的监测系统用恒流输电， 而绝大部分的水下仪器都需要恒压 供电。 从光电复合缆流入的恒流电(CC)流入CC/CV单元， 输出恒压(CV)电源， 该电源用于给 通信中继单元3以及接驳控制单元4供能； 接驳控制单元4将电源转换为用电器所需要的电 压大小， 并整合为多路输出， 分别给非接触式电能传输单元5、 内嵌传感器8以及大功率激光 器驱动单元6供能； 非接触式电。

23、能传输单元5可以为外部非接触电能传输的用电器供能； 大 功率激光器驱动单元6用于为远端传感器供能； 而内嵌传感器8则直接从接驳控制单元4获 取能量， 对节点附近的水环境进行检测。 0057 通信部分： 本实施例的监测系统使用以太网通信， 光电复合缆9中的光纤连接通信 中继单元3， 通信中继单元3进行光电信号转换， 电信号连接到接驳控制单元4， 接驳控制单 元4再将以太网信号转化为传感器常用的串口信号， 并分别连接到非接触式电能传输单元 5， 内嵌传感器8以及大功率激光器驱动单元7上， 给各传感器提供了通信通路。 远端传感器 与大功率激光器驱动单元6通过光纤进行通信。 说明书 4/4 页 7 CN 110829625 A 7 图1 图2 图3 说明书附图 1/2 页 8 CN 110829625 A 8 图4 图5 说明书附图 2/2 页 9 CN 110829625 A 9 。