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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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