CN107733400B - 一种液态金属矩形脉冲信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属矩形脉冲信号发生器，包括，管道、导电溶液、液态金属、输出端子、驱动单元。管道形成一个封闭空间，用于储存导电溶液；液态金属处于导电溶液内；输出端子包括第一端子和第二端子，第一端子和第二端子均有一端插入管道内，另一端用于输出矩形脉冲信号；驱动单元用于控制液态金属在管道中运动。同时，利用自动时间开关和切换单元保证液态金属流动的持续性。本发明结构简单，元件少，减少了工作过程中的发热量，避免了波形失真。

Description

一种液态金属矩形脉冲信号发生器

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种液态金属矩形脉冲信号发生器。

背景技术

脉冲信号在电力电子技术领域中扮演着重要的角色，而矩形脉冲信号是最常见的脉冲信号，可以用来表示信息、也可以用来载波，如脉冲调制中的脉冲宽度调制(PulseWidth Modulation；简称PWM)、脉冲编码调制(Pulse Code Modulation；简称PCM)和开关控制等。矩形脉冲信号发生器能够产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲信号。

现有的矩形脉冲发生器由矩形波发生电路组成，工作元件包括电阻、电容、二极管、运放单元、开关等。其中，利用二极管的单向导电性引导电流流经不同的通路改变输出电压的占空比，通过调节RC震荡电路的频率调节矩形波的频率。基于矩形波发生电路实现的矩形脉冲发生器电子元件繁多，电路结构复杂，而且信号波发生电路工作过程中发热严重，长时间工作温度升高，造成信号波形失真。

发明内容

针对现有矩形脉冲信号发生器电子元件繁多、电路机构复杂、发热严重，信号波形易失真的缺陷，本发明提供了一种液态金属矩形脉冲信号发生器。

一种液态金属矩形脉冲信号发生器，包括，管道、导电溶液、液态金属、输出端子、驱动单元。管道形成封闭空间，用于储存导电溶液；液态金属处于导电溶液内；输出端子包括第一端子和第二端子，第一端子和第二端子均有一端插入管道内，另一端用于输出矩形脉冲信号；驱动单元用于控制液态金属在管道中运动。

其中，还包括控制装置。控制装置包括电源、自动时间开关，电源用于向驱动单元提供电流；自动时间开关与驱动单元电连接，用于控制驱动单元所在电路的通断。

其中，控制装置还包括切换单元，用于转换通过驱动单元的电流方向。

其中，驱动单元包括至少一个电极对，和/或至少一个电磁泵，电极对与导电溶液接触；电磁泵的内部流道构成所述管道的内部流道的一部分。

其中，组成所述电极对的电极为惰性电极。

其中，管道外表面上设有突出部，用于容置电极。

其中，液态金属为熔点低于室温的单质金属或合金。

其中，第一端子和第二端子的所述另一端均与一可变电源连接，用于向导线对提供电压以控制矩形脉冲信号的幅值。

其中，管道为环状管道或直管道。

其中，管道的材料为玻璃、塑料、环氧树脂、硅胶或陶瓷。

本发明通过利用液态金属良好的流动性和导电性，提供了一种液态金属矩形脉冲信号发生器，解决了元件多、电路复杂的问题，并且避免了因长时间工作而导致的温度升高、发热严重以及信号波形失真的缺陷。

附图说明

图1为为本发明电极驱动的环状管道结构液态金属矩形脉冲信号发生器示意图；

图2为本发明电极驱动的直管道结构液态金属矩形脉冲信号发生器示意图；

图3为本发明电磁泵驱动的环状管道结构液态金属矩形脉冲信号发生器示意图；

图4为本发明电磁泵驱动的直管道结构液态金属矩形脉冲信号发生器示意图；

图5为本发明双驱动液态金属矩形脉冲信号发生器示意图；

图中，1-管道；2-导电溶液；3-液态金属；4-驱动单元；41-电极对；41a、41b、41c-第一电极；41a＇、41b＇、41c＇-第二电极；42-电磁泵；42a、42b、42c-电磁泵；5-输出端子；6-电源；7-自动时间开关；7a、7b、7c-自动时间开关。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种液态金属矩形脉冲信号发生器，包括管道1、导电溶液2、液态金属3、输出端子5、驱动单元4。管道1形成封闭空间，用于储存导电溶液2；液态金属3处于导电溶液2内；输出端子5包括第一端子和第二端子，第一端子和第二端子均有一端插入管道内，另一端用于输出矩形脉冲信号。其中，驱动单元4用于控制液态金属在管道中运动。液态金属3受驱动单元4驱动在导电溶液3中流动，当液态金属3流经输出端子5的位置时，第一端子和第二端子的一端插进液态金属3，充分与液态金属3接触，避免与导电溶液2产生接触，防止输出信号紊乱；当液态金属3远离输出端子5后，第一端子和第二端子的一端与导电溶液接触2。在下面的实施例中，输出端子5选用导线对。

本发明提供的液态金属矩形脉冲信号发生器，利用了液态金属的流动性和导电性，简化了矩形脉冲信号发生器，避免了元件过多，电路复杂、容易发热的问题，保证了信号的稳定性。

本发明还包括控制装置，所述控制装置包括电源6、自动时间开关7，电源6用于向驱动单元4提供电流；自动时间开关7与驱动单元4电连接，用于控制驱动单元4所在电路的通断。其中，通断时间可根据实验数据，并综合考虑电源6电压大小以及导电溶液2和液态金属3的含量比进行预先设定，保证液态金属3能够持续流动。控制装置还包括切换单元，用于转换通过驱动单元4的电流方向。其中自动时间开关7通过控制电路的通断，保证液态金属3的持续流动。自动时间开关7和切换单元配合使用，双重保证液态金属3在管道1中能够持续流动。在以下实施例中，切换单元选用控制芯片，对通过驱动单元4的电流方向进行转换。

其中，所述驱动单元4包括至少一个电极对，和/或至少一个电磁泵。电极对41与导电溶液2接触，用于输送电流，在导电溶液2处形成电场，从而控制液态金属3的流动。电磁泵42的内部流道构成所述管道1的内部流道的一部分。液态金属3通过电磁泵42内部流道，在电源6提供的电流和电磁泵42提供的磁场的双重影响下，受安培力作用，进而发生流动。

其中，通过改变电源6提供电流的大小改变液态金属3的流速，进而得到不同频率的矩形脉冲信号波。即当电流变大时，液态金属3的流速变大，从而液态金属3在管道1循环一周所需时间变短以及与导线对5接触的时间也变短，因而矩形脉冲信号波的频率变大。其中，通过改变导电溶液2和液态金属3之间的含量比例得到不同占空比的矩形脉冲信号波，即当液态金属3相对导电溶液2的含量比增多，在一个周期里液态金属3与导线对5接触的时间变长，则高电平在矩形脉冲信号波的一个周期所占的比例增多，占空比增大。

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1

图1为本发明电极驱动的环状管道结构液态金属矩形脉冲信号发生器示意图。如图1所示，管道1为圆环管道，驱动单元为3个电极对，分别为41a和41a＇、41b和41b＇、41c和41c＇。每个电极对的第一电极和第二电极所在位置关于圆环管道的圆心中心对称。其中，6个电极均匀排列在圆环管道上，同时任意相邻两个电极与圆心连线的夹角均为60o。每个电极对4各对应一个电源或者多个电极对对应同一个电源，本发明对此不加以限制。并且每个电极对的第一电极和第二电极的排列形式可依次排列也可与其他电极对的第一电极和第二电极交叉排列，本发明对此不加以限制。

开始工作前，电极对41a和41a＇、41b和41b＇或41c和41c＇所在电路a、b或c为打开状态，其他两个电路为断开状态。对于本实施例，开始工作前，电路a打开，电路b、c为断开状态。同时，预先设定好每个电路的自动时间开关7控制相应电路的通断时间。其中，每个电路对应一个自动时间开关7或者多个电路对应一个自动时间开关7，本发明对此不加以限制。在本实施例中，电路a、b和c分别对应自动时间开关7a、7b和7c。

电源6向电极对41a和41a＇提供电流，液态金属3在管道1中向电极41a的方向流动，在流动过程中经过导线对5，与导线对5的一端充分接触，此时该电路回路的电流远大于导电溶液2与导线对5一端接触时的电路回路电流。电路回路为大电流时输出的是高电位信号，回路为小电流时输出低电位，此时信号发生器输出高电平信号。当经过一段时间后，自动时间开关7a根据预先设定好的通断时间断开电路a，此时液态金属3流动到电极41b＇所在的位置。同时，自动时间开关7b根据预先设定好的通断时间打开电路b，液态金属3在管道1中向电极41b的方向流动。随后，自动时间开关7b断开电路b，自动时间开关7c打开电路c，使得液态金属3在管道1中从41c＇所在的位置向电极41c的方向流动，直至电路c断开。电路c断开后，液态金属3已流动到电极41a＇所在的位置，即液态金属3回到初始位置，此时信号发生器已输出了一个完整周期的矩形脉冲信号。

随后重复以上步骤，依次打开或断开电路a、电路b、电路c，液体金属3在管道内以逆时针方向循环流动，保证了输出的矩形脉冲信号的连续性。液态金属3也可以以顺时针方向沿管道循环流动，本发明对此不加以限定液态金属3的循环流动的方向。

图2为本发明电极驱动的直管道结构液态金属矩形脉冲信号发生器示意图。如图2所示，工作前，电路a为打开状态，电路b为断开状态，同时预先设定好自动时间开关7a、7b控制相应电路a、b的通断时间。当电源6开始提供电流时，液态金属3在管道1中向右流动。在流动过程中，经过导线对5，输出高电平信号。当经过一段时间后，自动时间开关7a根据预先设定好的通断时间断开电路a，自动时间开关7b根据预先设定好的通断时间打开电路b，液态金属3在管道1中向左流动。当再次流动到导线对5处时，导线5再次输出高电平信号。依次打开或断开电路a和电路b，使得液态金属3在导管1中往复运动，保证了矩形信号波的连续性。液态金属3进行一个往复运动，等再次回到初始位置时，信号发生器已输出一个周期的矩形脉冲信号。其中，一个周期的矩形脉冲信号包含两个高电平信号。

其中，自动时间开关7和控制芯片配合使用，不仅控制电路的通断而且还控制电流的方向，对液态金属3的流动持续性进行了双重保障。例如，对于环状管道，电极对4的个数为2个，液态金属3的含量比例相对较大，此时液态金属的流动性受到限制。配合使用自动时间开关7和控制芯片,通过改变电流方向保证液态金属顺时针或逆时针循环流动。

其中，电极对4为惰性电极，防止电极4本身与导电溶液2发生反应，影响导电性能，避免波形失真现象的发生。

其中，管道外表面上设有突出部，用于容置电极。为避免导电溶液和液态金属的泄漏，突出部应密封好。例如，可用密封胶、结构胶进行密封。

其中，为了确保液态金属3在室温环境下沿导管1持续流动，液态金属3为熔点低于室温的单质金属或合金。例如，所述液态金属3为熔点11℃的镓铟锡合金。

其中，导线对5的第一导线和第二导线的所述另一端均与一个可变电源连接，用于向导线对5提供电压以控制矩形脉冲信号的幅值。

其中，管道1为环状管道或直管道。

其中，管道1的材料为玻璃、塑料、环氧树脂、硅胶或陶瓷。其中管道1的材料不能与导电溶液2发生反应，因此需要进行选择匹配。比如，导电溶液2若是NaOH，则应避免管道1的材料为硅胶。

实施例2

本实施例2中输出矩形脉冲信号的方式、控制驱动单元的方式以及结构与实施例1中的基本相同，相同之处不在此赘述，不同之处在于：驱动液态金属3的方式不同，本示例采用电磁泵42驱动液态金属3。

电源6向电磁泵42提供电流，电流形成的电场的方向与电磁泵42所提供的磁场方向垂直，此时产生安培力驱动带电的液态金属3流动。图3为本发明电磁泵驱动的环状管道结构液态金属矩形脉冲信号发生器示意图，如图3所示驱动单元为三个电磁泵42a、42b、42c。当液态金属3通过电磁泵42a时，受到安培力的作用使得液态金属在管道1内向电磁泵42b的方向流动。随后控制电磁泵42a的电路断开，电磁泵42b、42c交替处于通断状态，使得液态金属3能够在管道1中持续流动。

其中，通过电磁泵42b的电流方向应与通过电磁泵42c的电流方向相反，或者电磁泵42b的电磁方向与42c的电磁方向相反，从而保证液态金属3受到电磁泵42b向上的驱动作用，受到电磁泵42c向下的驱动作用。

图4为本发明电磁泵驱动的直管道结构液态金属矩形脉冲信号发生器示意图。如图4所示，驱动单元为电磁泵42a，其中两个电源6分别向电磁泵42a提供电流，自动时间开关7控制相应电路的通断。其中，两个电源6提供的电流方向相反，从而保证液态金属3的往返运动。同时也可以利用一个电源6和控制芯片与电磁泵42a电连接，由控制芯片改变电源6所提供的电流方向，使得液态金属3能够往返持续运动。

实施例3

本实施例3中输出矩形脉冲信号的方式、控制驱动单元的方式以及结构与实施例1和实施例2中的基本相同，相同之处不在此赘述，不同之处在于：电极对驱动方式和电磁泵驱动方式配合使用。

图5为本发明双驱动液态金属矩形脉冲信号发生器示意图。如图5所示，驱动单元为电极对41a和41a＇、41b和41b＇以及电磁泵42a、42b。在本实施例中，41a、41b为正电极，41a＇、41b＇为负电极。自动时间开关7预先设定好通断时间，保证液态金属能够持续流动。对于本实施例，工作前电极对41a和41a＇的电路为打开状态，液态金属3在管道1内向电极41a＇方向流动。随后该电路断开，控制电磁泵42a的电路打开，此时液态金属3已流动到电磁泵42a的位置。液态金属3受到电磁泵42a的驱动，继续逆时针流动。其中，控制电极对41b和41b的电路、控制电磁泵42a、42b的电路、控制电极对41a和41a＇的电路依次逐一打开，保证液态金属流动的持续性。其中电极对之间位置关系以及电极对与电磁泵的位置关系在此不加以限制。电极对41和电磁泵42的配合使用使液态金属3能够在管道中持续流动。尤其为获得大占空比的矩形脉冲信号时，需要增加液态金属3的含量。当电极对41不足以驱动液态金属3时，可以采用电磁泵42增加驱动力，保证了输出的矩形脉冲信号连续完整。

综上所述，本发明利用液态金属与导电溶液在电导率大小方面的差别，基于液态金属的双电层效应，提出一种液态金属矩形脉冲信号发生器。并利用自动时间开关和控制芯片保证液态金属流动的持续性。本发明结构简单，元件少，减少了工作过程中的发热量，避免了波形失真。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种液态金属矩形脉冲信号发生器，其特征在于，包括，管道、导电溶液、液态金属、输出端子、驱动单元、控制装置，

所述管道形成封闭空间，用于储存导电溶液；

所述液态金属处于导电溶液内；

所述输出端子包括第一端子和第二端子，第一端子和第二端子均有一端插入管道内，另一端用于输出矩形脉冲信号；

所述控制装置包括电源、自动时间开关，

所述电源用于向驱动单元提供电流；

所述自动时间开关分别与电源和驱动单元电连接，用于控制电源提供所述电流的通断；

所述驱动单元包括至少一个电极对，和/或至少一个电磁泵，

所述电极对与导电溶液接触；

所述电磁泵的内部流道构成所述管道的内部流道的一部分。

2.根据权利要求1所述的液态金属矩形脉冲信号发生器，其特征在于，所述控制装置还包括切换单元，用于转换通过驱动单元的电流方向。

3.根据权利要求2所述的液态金属矩形脉冲信号发生器，其特征在于，组成所述电极对的电极为惰性电极。

4.根据权利要求2所述的液态金属矩形脉冲信号发生器，其特征在于，所述管道外表面上设有突出部，用于容置电极。

5.根据权利要求1-4任一项所述的液态金属矩形脉冲信号发生器，其特征在于，所述液态金属为熔点低于室温的单质金属或合金。

6.根据权利要求1-4任一项所述的液态金属矩形脉冲信号发生器，其特征在于，所述第一端子和第二端子的所述另一端均与一可变电源连接，用于向导线对提供电压以控制矩形脉冲信号的幅值。

7.根据权利要求1-4任一项所述的液态金属矩形脉冲信号发生器，其特征在于，所述管道为环状管道或直管道。

8.根据权利要求1-4任一项所述的液态金属矩形脉冲信号发生器，其特征在于，所述管道的材料为玻璃、塑料、环氧树脂、硅胶或陶瓷。

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