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申请/专利权人:大连海事大学
摘要:一种基于液态金属的摩擦电触须传感器,碳纤维材料触须感知测量环境,通过摆动压触发器继而触压四个扇形传感单元,靠记忆合金弹簧回复原位,当有外部载荷作用时,上部的硅胶与水凝胶发生弯曲向下运动,硅胶与底部的液态金属之间电势平衡被打破,电流从水凝胶电极片流向液态金属电极,在液态金属层与上部硅胶紧紧贴合后,电荷转移结束,当外部负载消失后,硅胶内部产生向外的弹性力驱使硅胶恢复成最初的形状,当硅胶与液态金属分离后,二者表面的电势平衡再次被打破,形成电势差,电流从液态金属流向上部的水凝胶电极,最终变为初始状态,在反复的外部负载作用下,传感单元可形成交流输出。本发明解决了水下环境的声光条件难达到探测预期的问题。
主权项:1.一种基于液态金属的摩擦电触须传感器LWTS,包括:传感器基座1、基座附加壳2、硅胶囊套3、触发器4、四个扇形传感单元5、碳纤维材料触须6、记忆合金弹簧7、环氧树脂灌封体8,其特征在于,所述的传感器基座1可以为传感器提供基础支撑,传感器基座1由支架11、圆环12、凸台13、线孔14、环槽15、法兰内环16、法兰孔17组成,法兰圆周均布12个法兰孔17,用于将传感器基座1固定在测量环境的地面,其圆环12内圆环周向均布的四个支架11端部焊接有四个扇形凹面,用于支撑、紧配合定位四个扇形传感单元5各自间隔90°分布,四个扇形传感单元5底部靠紧在传感器基座1底部上,凸台13外圆周均布四个圆形线孔14,便于将四个扇形传感单元5所连接的导线放置出去;基座附加壳2与法兰内环16孔紧配合连接;硅胶囊套3的底部插入传感圆环12外圆环与基座附加壳2之间的空隙中,由于空隙较大,在硅胶囊套3插入后还剩余有较大空隙,使用环氧树脂灌封体8封进剩余的空隙中;记忆合金弹簧7一端插入环槽15内,另一端卡进触发器4顶凹形端,保证四个扇形传感单元5与触发器4的脚部有3毫米距离;触发器4的脚部为平底型,并使用Dragonskin30型号硅胶灌封;触发器4顶凸形端开有圆孔,与碳纤维材料触须6一端形成紧配合;碳纤维材料触须6另一端穿过硅胶囊套3的顶部中心,由硅胶囊套3给记忆合金弹簧7、触发器4、碳纤维材料触须6提供弹性支撑;碳纤维材料触须6的初始位置位于传感器腔体的圆中心位置,其任何细微偏转都会驱动触发器4靠近并挤压对应方向的传感单元进而产生电信号;所述的四个扇形传感单元5的LWTS传感单元由扇形硅胶封顶盖51、水凝胶电极片52、扇形硅胶啮合153、液态金属54,空腔室55、扇形硅胶封底盖56、扇形硅胶啮合257组成,扇形硅胶封顶盖51与扇形硅胶封底盖56及侧封组成封闭空间,扇形硅胶啮合257有倒金字塔型的表面结构,可以增大与液态金属的接触面积,进而增强信号输出幅值,还可以使传感单元的信号输出与触发器4传导的挤压力之间表现出更优异的拟合关系;液态金属54与顶部的扇形硅胶啮合153之间留有充足的距离,可以提供良好的接触分离条件;扇形硅胶封底盖56、扇形硅胶啮合257形成空腔室55,当传感单元受到外力挤压时,内部压力改变,液态金属54可以通过扇形硅胶啮合257上的一对预留孔自由地在空腔室55和液态金属54腔两个腔室中流动,避免出现压力过大导致液态金属溢出的情况;水凝胶电极片52贴在单扇形硅胶啮合153上,并使用扇形硅胶顶封盖51进行密封;所述的四个扇形传感单元5的LWTS传感单元制作流程如图5所示,首先将Dragonskin10硅胶partA与partB按照1:1比例混合在一起,然后将混合在一起的液态硅胶放入啮合1与啮合2的模具中,在烘干箱中45℃的温度下热凝固30分钟以上,即可获得扇形硅胶啮合153与扇形硅胶啮合257,由于硅胶脱模较为困难,需要在模具里提前喷涂脱模剂;随后将扇形硅胶啮合153与扇形硅胶啮合257扣在一起,使用注射器通过扇形硅胶啮合257表面的预留孔向内部注射液态金属镓铟锡合金,熔点为6℃,注射完后使用扇形硅胶底封盖56进行密封,同时放入第一根导线,使其与液态金属保持良好接触;进一步地,将扇形的水凝胶电极片52贴入扇形硅胶啮合153上提前预留的空位中,并放入第二根导线,使其与水凝胶贴片保持良好接触;然后使用扇形硅胶顶封盖51进行密封,得到最终的传感单元;LWTS传感单元的发电原理如图6所示,图中除去标注的水凝胶和液态金属外,其他部分均为硅胶,在a所示状态时,硅胶与水凝胶表面带有相同数量的正负电荷,达到静电平衡;在b所示状态时,有外部载荷F作用,上部的硅胶与水凝胶发生形变弯曲向下运动,此时上部的硅胶与底部的液态金属之间电势平衡被打破,在电势差的驱动下电流从水凝胶电极片流向液态金属电极;在c所示状态时,在液态金属层与上部硅胶紧紧贴合后,电荷转移结束,此时液态金属与上部硅胶的接触界面电势达到平衡状态,在d所示状态时,外部负载消失后,硅胶内部产生向外的弹性力驱使硅胶恢复成最初的形状,当上部硅胶与液态金属分离后,二者表面的电势平衡再次被打破,形成电势差,在静电感应与电势差的作用下,电流从液态金属流向上部的水凝胶电极,最终变为初始状态a;至此,一次循环结束,在反复的外部负载作用下,传感单元可形成交流输出,通过测量输出电流变化从而实现多模态信息采集。
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百度查询: 大连海事大学 一种基于液态金属的摩擦电触须传感器
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