CN106788376A - 自激励振荡器、流体阀门、电路开关和光路开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自激励振荡器、流体阀门、电路开关和光路开关，该自激励振荡器包括承载腔，承载腔内填充有反应溶液、浸在反应溶液中的线性振子及驱动线性振子振动的驱动体，驱动体包括液态金属球和吸附在液态金属球表面的金属燃料；线性振子为金属体或表面涂覆有金属层的非金属体，并穿设在液态金属球中；金属燃料与反应溶液发生化学反应，改变液态金属球表面上的电双层分布，诱发线性振子运动。本发明采用驱动体与线性振子相耦合的方式实现线性振子的运动，因此不需要借助外力进行驱动。而且线性振子与液态金属球的摩擦力极低，减小了线性振子因反复运动产生的磨损，也避免了由于重复性运动导致自身结构出现老化的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种振荡器技术领域，尤其涉及一种自激励振荡器、流体阀门、电路开关和光路开关。
背景技术
目前，振荡器在很多应用场合都有重要价值，比如，调控流体的输运、传递与执行力量、切换电学信号、导通与关断光学信号、测量有关物理量等。
然而，迄今几乎所有的振荡器大多是由固体材料制成的，例如悬臂梁结构的振荡器，这类振荡器是通过改变悬臂梁内部的应力，使悬臂梁的震动频率和振幅发生变化。为使悬臂梁产生持续不断的振动，需要对其施加激励，例如压电激励、电磁激励、电容激励、热激励等，可见目前的振荡器必须借助外力的驱动才能运行。
还有，由于固体材料自身的限制，重复性的震荡会导致振子自身结构的老化，继而引起振荡器性能的下降或失效。还有一种振荡器是活塞类振荡器，这类振荡器在汽车内燃机、旋转机械和发电装置中较为常见。这类振荡器采用热机驱动的方式使活塞在腔体内反复运动，同样由于活塞振子的反复摩擦作用，造成振子的损伤或破坏，降低了振荡器的工作效率和灵活性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有技术需借助外力驱动振子振动及振子因反复会产生较大的磨损。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种自激励振荡器、流体阀门、电路开关和光路开关。
第一方面，该自激励振荡器包括：
承载腔，所述承载腔内填充有反应溶液，所述承载腔的反应溶液中设置有线性振子和驱动所述线性振子振动的驱动体，其中：
所述驱动体包括液态金属球和吸附在所述液态金属球表面的金属燃料；所述线性振子为金属体或表面涂覆有金属层的非金属体，并穿设在所述液态金属球中；
所述金属燃料与所述反应溶液发生化学反应，改变所述液态金属球表面的电双层分布，诱发所述线性振子往复运动。
可选的，该自激励振荡器还包括调节金属丝，所述调节金属丝用于通过与所述液态金属球的表面接触，改变所述线性振子的振荡频率和/或振荡幅度。
可选的，所述线性振子穿出所述承载腔的相对两侧壁，在所述相对两侧壁的外壁上设置有限制所述线性振子运动方向的滑动通道。
可选的，所述承载腔内还设置有限制所述液态金属球运动的凹槽。
可选的，所述线性振子表面涂覆有液态金属层。
可选的，所述液态金属球由镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金和水银中的至少一种组成。
可选的，所述金属燃料为铝、银、镁、钙或锌。
第二方面，该流体阀门包括所述自激励振荡器，所述自激励振荡器中所述滑动通道的轴向与流体管道的轴向垂直设置，通过所述线性振子沿所述滑动通道的往复运动控制所述流体管道的周期性开闭。
第三方面，该电路开关包括所述自激励振荡器，所述自激励振荡器中所述滑动通道的轴向与电流通路的轴向垂直设置，通过所述线性振子沿所述滑动通道的往复运动控制所述电流通路的周期性开闭。
第四方面，该光路开关包括所述自激励振荡器，所述自激励振荡器中所述滑动通道的轴向与光路通道的轴向垂直设置，通过所述线性振子沿所述滑动通道的往复运动控制所述光路通道的周期性开闭。
本发明提供的自激励振荡器、流体阀门、电路开关和光路开关中，采用驱动体与线性振子相耦合的方式，通过两者之间的相互作用，实现线性振子的运动，因此本发明不需要借助外力进行驱动。而且，本发明中线性振子与液态金属球的摩擦力极低，减小了线性振子因反复运动产生的磨损，降低了能耗，同时也避免了由于重复性运动导致自身结构出现老化的问题。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征信息和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了根据本发明自激励振荡器一实施例的结构示意图；
图2示出了根据本发明自激励振荡器另一实施例的结构示意图；
图3示出了根据本发明自激励振荡器又一实施例的结构示意图；
图4示出了根据本发明流体阀门一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提供了一种自激励振荡器，如图1所示，该振荡器包括：
承载腔1，所述承载腔内填充有反应溶液4，所述承载腔的反应溶液中设置有线性振子3和驱动所述线性振子振动的驱动体，其中：
所述驱动体包括液态金属球21和吸附在所述液态金属球表面的金属燃料22；所述线性振子为金属体或表面涂覆有金属层的非金属体，并穿设在所述液态金属球中；
所述金属燃料与所述反应溶液发生化学反应，改变所述液态金属球表面的电双层分布，诱发所述线性振子往复运动。
本发明自激励振荡器所基于的原理包括以下两点：
(1)吸附在所述液态金属球表面的金属燃料与反应溶液发生化学反应，会改变液态金属球表面电双层电荷分布的变化，进而诱发液态金属球的内部运动，之后驱动自身运动。此种自主型液态金属机器的动力机制来自两方面：一是发生在液态金属球、金属燃料及反应溶液间的Galvanic电池效应会形成内生电场，从而诱发液态金属球表面的高表面张力发生不对称响应，继而对易于变形的液态金属机器造成强大推力；与此同时，若上述反应为生成氢气的电化学反应，则上述电化学反应过程中产生的氢气也进一步提升了推力。正是这种双重作用产生了超常的液态金属运动行为。具体可以参见相关论文，例如《先进材料》(Advanced Materials)中第27卷第2648页至2655页中一篇名称为“仿生型自驱动液态金属软体动物(Self-Fueled Biomimetic LiquidMetal Mollusk)”、作者为刘静的论文。
(2)当上述的液态金属球中穿设有线性振子时，此时线性振子表面电双层会对发生在液态金属球、金属燃料及反应溶液间的Galvanic电池效应形成的电场乃至液态金属球的表面张力造成改变。经实验表明，由于电荷间的吸引力，线性振子会被液态金属球快速拽入内部并由另一侧推出，二者彼此之间的电荷再平衡作用对应发生动态改变，当线性振子穿出另一侧时，整个体系(液态金属球、金属燃料、线性振子)的表面电双层分布又发生变化，此时液态金属球表面电荷反而将跑出的线性振子再度朝相反方向拽入，由此实现循环往复的振荡行为。总的说来，由于金属燃料与反应溶液的化学反应，液态金属球表面上的电双层分布会发生动态变化，线性振子的动态穿梭周期性改变自身及液态金属的表面电荷和彼此间的作用力，进而诱发线性振子沿其轴向往复运动。
本发明提供的自激励振荡器中，采用驱动体与线性振子相耦合的方式，通过两者之间的相互作用，实现线性振子的运动，因此本发明提供的振荡器不需要借助外力进行驱动。而且，与现有振荡器中固体材料之间的反复运动相比，本发明中线性振子与液态金属球的摩擦力极低，减小了线性振子因反复运动产生的磨损，降低了能耗，同时也避免了由于重复性运动导致自身结构出现老化的问题，提高了振荡器的工作效率和灵活性。本发明采用液态金属与固态金属相结合的方式，大大扩展了传统振荡器的范畴，为人们提供了一种新的思考方向。
应当理解的是，线性振子为金属体或表面涂覆有金属层的非金属体，是为了当线性振子接触到液态金属球时，能够被液态金属球吸入，进而发生振荡。其中，金属体可以为不与反应溶液发生反应的铜、金、不锈钢等，例如直径为0.5mm、长度为6cm的不锈钢丝；非金属体可以为玻璃、石墨等。
在实际中，当需要启动振子运动时，可将金属燃料放于承载腔中，金属燃料吸附到液态金属球的表面，使其含能。在将线性振子接触或直接插入液态金属球，此时线性振子便会在含能液态金属球的作用下发生运动。
在具体实施时，如图2所示，本发明提供的自激励振荡器还可以包括调节金属丝5，所述调节金属丝5用于通过与所述液态金属球的表面接触，改变所述线性振子的振荡频率和/或振荡幅度，类似于电子器件中的三极管，在调控自振器方面十分灵活。当将调节金属丝接触到液态金属球表面时，影响到液态金属球表面电双层的分布，进而影响到线性振子运动的频率、幅度等。因此可通过这种方式改变线性振子的运动参数，得到所需的振荡输出。
不难理解的是，以上线性振子的运动为在自由空间内随意运动的自由振荡，没有固定的方向。因此如图3所示，可以将线性振子穿出所述承载腔的相对两侧壁，在所述相对两侧壁的外壁上设置有限制所述线性振子运动方向的滑动通道6。由于线性振子的两端插入了承载腔外侧的滑动通道内，有滑动通道的限制，线性振子的运动只能沿着滑动通道限制的方向上往复运动，这样得到了定向的自动振荡器。
不难理解的是，在线性振子的长度小于液态金属球时，线性振子可在液态金属球内自激振荡，由于液态金属也会被诱发出振荡行为，此时包裹有线性振子的液态金属球类似于生物细胞。
在具体实施时，承载腔形状可以为圆柱形、长方体、椭圆柱形状，其材质可以是玻璃、塑料、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、二氧化硅、聚四氟乙烯等不与反应溶液反应的材质，例如直径12cm的圆柱体玻璃器皿结构。其底部可以为平坦的，也可以设置一凹槽，该凹槽用于承载液态金属球，以对液态金属球的运动进行限制，减少线性振子不规律的振动。
在具体实施时，线性振子表面可涂覆有液态金属层。这样做的好处是，表面预先涂覆有液态金属层的线性振子更易于被液态金属球吸引，穿进液态金属球内。
在具体实施时，所述液态金属球可以由镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金和水银中的至少一种组成，例如液态金属球为直径为3cm的镓，再例如镓重量比重为75％、铟重量比重为25％的镓铟二元合金。实际上，液态金属在反应溶液中能够自动聚合为球状，并非专门制成球状。
在具体实施时，所述金属燃料可以为铝、银、镁、钙或锌，其形状可以是细丝、颗粒或箔装，例如尺寸为1mm见方的铝颗粒。当将金属燃料添加到反应溶液中距离液态金属球较近的位置时，金属燃料可以自动被液态金属球吸附至其表面上。
在具体实施时，反应溶液可以采用与金属燃料发生化学反应的碱性溶液、酸性溶液或盐溶液，例如浓度为2％的NaOH溶液。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种流体阀门，如图4所示，包括以上设置有滑动通道的自激励振荡器，所述自激励振荡器中所述滑动通道6的轴向与流体管道7的轴向垂直设置，通过所述线性振子沿所述滑动通道的往复运动控制所述流体管道的周期性开闭。
本发明提供的流体阀门中，通过线性振子的往复运动，控制流体管道的周期性开闭，实现流体的供应和调控。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种电路开关，包括以上设置有滑动通道的自激励振荡器，所述自激励振荡器中所述滑动通道的轴向与电流通路的轴向垂直设置，通过所述线性振子沿所述滑动通道的往复运动控制所述电流通路的周期性开闭。
本发明提供的电路开关中，通过线性振子的往复运动，控制电流通路的周期性开闭，使其连通或关断，实现电路的切换功能。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种光路开关，包括以上设置有滑动通道的自激励振荡器，所述自激励振荡器中所述滑动通道的轴向与光路通道的轴向垂直设置，通过所述线性振子沿所述滑动通道的往复运动控制所述光路通道的周期性开闭。
本发明提供的光路开关中，通过线性振子的往复振动，控制光路通道的开闭，实现对光信号的连通或阻断，这在网络通信中具有重要用途。
本发明提供的自激励振荡器应用范围非常广，可在电路、光路、流体切换等方面发挥重要作用。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种自激励振荡器，其特征在于，包括：
承载腔，所述承载腔内填充有反应溶液，所述承载腔的反应溶液中设置有线性振子和驱动所述线性振子振动的驱动体，其中：
所述驱动体包括液态金属球和吸附在所述液态金属球表面的金属燃料；所述线性振子为金属体或表面涂覆有金属层的非金属体，并穿设在所述液态金属球中；
所述金属燃料与所述反应溶液发生化学反应，改变所述液态金属球表面的电双层分布，诱发所述线性振子往复运动。
2.根据权利要求1所述的自激励振荡器，其特征在于，还包括调节金属丝，所述调节金属丝用于通过与所述液态金属球的表面接触，改变所述线性振子的振荡频率和/或振荡幅度。
3.根据权利要求1所述的自激励振荡器，其特征在于，所述线性振子穿出所述承载腔的相对两侧壁，在所述相对两侧壁的外壁上设置有限制所述线性振子运动方向的滑动通道。
4.根据权利要求1所述的自激励振荡器，其特征在于，所述承载腔内还设置有限制所述液态金属球运动的凹槽。
5.根据权利要求1所述的自激励振荡器，其特征在于，所述线性振子表面涂覆有液态金属层。
6.根据权利要求1-5任一所述的自激励振荡器，其特征在于，所述液态金属球由镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金和水银中的至少一种组成。
7.根据权利要求1-5任一所述的自激励振荡器，其特征在于，所述金属燃料为铝、银、镁、钙或锌。
8.一种流体阀门，其特征在于，包括权利要求3所述的自激励振荡器，所述自激励振荡器中所述滑动通道的轴向与流体管道的轴向垂直设置，通过所述线性振子沿所述滑动通道的往复运动控制所述流体管道的开闭。
9.一种电路开关，其特征在于，包括权利要求3所述的自激励振荡器，所述自激励振荡器中所述滑动通道的轴向与电流通路的轴向垂直设置，通过所述线性振子沿所述滑动通道的往复运动控制所述电流通路的开闭。
10.一种光路开关，其特征在于，包括权利要求3所述的自激励振荡器，所述自激励振荡器中所述滑动通道的轴向与光路通道的轴向垂直设置，通过所述线性振子沿所述滑动通道的往复运动控制所述光路通道的开闭。
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