CN114826020A - 一种离子电流式水下压电转换装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种离子电流式水下压电转换装置及方法。本发明装置，包括：两端开口的塑料软管，一对金属电极和信号传输线缆。塑料软管由绝缘的弹性材料制成，直接承受压力，在压力的作用下会发生弹性形变，引起塑料软管内表面积变化；同时，塑料软管内表面双电层面积改变，软管内部水中的离子会进入到新形成的双电层中，在该过程中形成离子电流，经电极和信号传输线缆将电流信号传递到电流检测装置，电流大小与塑料软管承受压力大小成正比。本发明基于固‑液界面双电层充放电产生离子电流实现压电转换，不需要额外提供供电，适应于水下使用。
Description
技术领域
本发明涉及压电技术领域，具体而言，尤其涉及一种离子电流式水下压电转换装置及方法。
背景技术
海洋是人类生命的起源，以其丰富的水体资源、矿产资源和生物资源支撑人类的可持续发展。随着科技不断发展，人们对海洋资源的探索逐渐转向深海，深海探测是现阶段人类实现可持续发展的战略途径和重要手段。然而，深海环境恶劣，特别是巨大的水压，远远超过了基于传统压阻式工作原理的压力传感器的检测范围，导致在深海进行动态压力测量难以实现。为加快开发利用深海资源的进程，研发一种适应于深海的动态压力传感器迫在眉睫。
压力传感器的工作原理主要有压阻式和压电式，压阻式传感器是基于压阻效应，利用具有压阻特性的材料，对压力进行测量，在实际应用中，有一定的工作量程，深海巨大的静压力已经远超压阻式传感器的测量量程，致使这些传感器无法对动态压力进行测量。而压电式压力传感器是基于压电转换原理实现动态压力测量的，传统的压电转换方式是利用某些电介质(压电晶体、压电陶瓷等)在受到某一方向的外力作用发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时，由于内部电荷极化，表面产生电荷实现压电转换。该方式在深海应用时，静压力同样会超过压电材料的感应范围，所以，一种可以在深海应用于压力传感的压电转换方法及装置是有意义的。
发明内容
根据上述现阶段压电转换技术在深海压力传感领域的不足，提供一种离子电流式水下压电转换装置及方法。本发明基于固-液界面双电层充放电产生离子电流实现压电转换，不需要额外提供供电，适应于水下使用。
本发明采用的技术手段如下：
一种离子电流式水下压电转换装置，包括：塑料软管、金属电极、信号传输线缆和电极支撑结构；其中：
塑料软管两端设有开放孔，保证软管内外水相通，金属电极的一端通过电极支撑结构布设于塑料软管两端的开放孔处，且金属电极不直接与塑料软管接触，与塑料软管内的水体接触，金属电极的另一端与信号传输线缆相连，信号传输线缆两端连接电流检测装置；
当塑料软管充满环境溶液时，在固-液界面会发生特异性离子吸附，从而形成双电层，储存一定量的电荷并具有一定的电势，即zeta电势；zeta电势大小与发生接触的固-液两相相关，固液相不发生变化时，双电层内电荷的数量与固-液界面的面积成正比；当塑料软管在外力的作用下发生形变时，固-液界面接触面积发生改变，溶液中的离子会定向移动，进入或流出固-液界面双电层，形成离子电流，而受压位置相对于两电极的位置差异会在两电极之间产生电势，从而在通道内形成电流，电流经电极通过传输线缆被传递，完成压电转换过程。
进一步地，所述塑料软管根据所测量压力的形式和大小进行选择，保证塑料软管在所测压力下的形变在弹性限度内；优选由聚烯烃热塑弹性体TPE材料制成，长度为5cm，内管径3mm，外径5mm。
进一步地，所述信号传输线缆包括无氧铜导线，所述信号传输线缆外层除使用绝缘材料进行保护外还需要无氧铜编织网和铝箔进行屏蔽。
进一步地，所述电极支撑结构为中心带孔的十字形结构，由聚烯烃热塑弹性体TPE材料制成，使用防水胶粘在所述塑料软管两端的开放孔处，中心孔插入带屏蔽的所述信号传输线缆，用于将所述金属电极固定在开放孔处。
本发明还提供了一种基于上述离子电流式水下压电转换装置的离子电流式水下压电转换方法，包括：
双电层形成：将塑料软管置于水体中，水体通过开放孔进入塑料软管内，与塑料软管内表面接触自发形成双电层；
稳定塑料软管：塑料软管内部被水充满后，能够平衡深水静压，不受外部压力的情况下，维持塑料软管的稳定；
实现压电转换：当塑料软管受到外力作用时，塑料软管在力的作用下发生弹性形变，形状发生变化形成受压状态下的塑料软管，固-液接触界面面积发生改变，为保持双电层稳定，溶液中的离子会定向移动，进入或流出固-液界面双电层，形成离子电流，受压位置相对于两金属电极位置的差异，导致塑料软管内两电极间产生电势，形成电流，经金属电极和信号传输线缆传递到电流检测装置，完成压电转换过程；电流的大小与固-液接触面积改变量相关，塑料软管所受压力越大，形变量越大，塑料软管内表积变化越大，产生的电流越大。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明是基于双电层原理实现压电转换，而非材料自身的压电特性，所以在材料选择上更加灵活，可根据不同的压力范围灵活选择材料，达到更好的压电转换效果。
2、本发明是基于双电层原理实现压电转换，双电层可自发形成在固-液界面，而不需要外部供电，可以在无源条件下实现压电转换。
3、本发明通过带有开防孔的塑料软管实现压电转换，开防孔使塑料软管内外均充满环境水体，可以有效的消除深水静压的影响，在深海同样适用。
4、本发明原理简单且装置体积极小，重量轻，便于布设。
基于上述理由本发明可在压电技术等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明离子电流式水下压电转换装置示意图。
图2为本发明离子电流式水下压电转换方式原理示意图。
图3为本发明离子电流式水下压电转换装置中塑料软管受压状态下的转换方式原理示意图。
图中：1、第一金属电极；2、水体；3、塑料软管；4、开放孔；5、信号传输线缆；6、电流检测装置；7、双电层；8、受压位置及方向；9、第二金属电极；10、电极支撑结构。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1、2所示，本发明提供了一种离子电流式水下压电转换装置，包括：塑料软管3、第一金属电极1、第二金属电极9、信号传输线缆5和电极支撑结构10；其中：
塑料软管3两端设有开放孔4，保证塑料软管3内外水相通，第一金属电极1和第二金属电极9的一端分别通过电极支撑结构10布设于塑料软管3两端的开放孔4处，且第一金属电极1和第二金属电极9不直接与塑料软管3接触，与塑料软管3内的水体2接触，第一金属电极1和第二金属电极9的另一端与信号传输线缆5相连，信号传输线缆5两端连接电流检测装置6；
当塑料软管3充满环境溶液时，在固-液界面会发生特异性离子吸附，从而形成双电层7，储存一定量的电荷并具有一定的电势，即zeta电势；zeta电势大小与发生接触的固-液两相相关，固液相不发生变化时，双电层7内电荷的数量与固-液界面的面积成正比；当塑料软管3在外力的作用下发生形变时，固-液界面接触面积发生改变，溶液中的离子会定向移动，进入或流出固-液界面双电层7，形成离子电流，而受压位置相对于第一金属电极1和第二金属电极9的位置差异会在第一金属电极1和第二金属电极9之间产生电势，从而在通道内形成电流，电流经电极通过信号传输线缆5被传递，完成压电转换过程。离子电流的大小与固-液面积改变量相关，面积变化越大，产生的离子电流越强。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述塑料软管3根据所测量压力的形式和大小进行选择，保证塑料软管3在所测压力下的形变在弹性限度内；优选由聚烯烃热塑弹性体TPE材料制成，长度为5cm，内管径3mm，外径5mm。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述第一金属电极1和第二金属电极9包括铂丝电极，直径为0.5mm，长度为5mm。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述信号传输线缆5包括无氧铜导线，所述信号传输线缆5外层除使用绝缘材料进行保护外还需要无氧铜编织网和铝箔进行屏蔽。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述电极支撑结构10为中心带孔的十字形结构，由聚烯烃热塑弹性体TPE材料制成，使用防水胶粘在所述塑料软管3两端的开放孔4处，中心孔插入带屏蔽的所述信号传输线缆5，用于将第一金属电极1和第二金属电极9固定在开放孔4处。
本发明还提供了一种基于上述离子电流式水下压电转换装置的离子电流式水下压电转换方法，包括：
双电层7形成：将塑料软管3置于水体2中，水体通过开放孔4进入塑料软管3内，与塑料软管3内表面接触自发形成双电层7；
稳定塑料软管：塑料软管3内部被水充满后，能够平衡深水静压，不受外部压力的情况下，维持塑料软管3的稳定；
实现压电转换：当塑料软管3受到外力8作用时，塑料软管3在力的作用下发生弹性形变，形状发生变化形成受压状态下的塑料软管3，固-液接触界面面积发生改变，为保持双电层7稳定，溶液中的离子会定向移动，进入或流出固-液界面双电层，形成离子电流，受压位置相对于第一金属电极1和第二金属电极9位置的差异，导致塑料软管3内两电极间产生电势，形成电流，经第一金属电极1和信号传输线缆5传递到电流检测装置6，完成压电转换过程；电流的大小与固-液接触面积改变量相关，塑料软管3所受压力越大，形变量越大，塑料软管3内表积变化越大，产生的电流越大。
本发明还提供了一种基于上述离子电流式水下压电转换装置的使用过程，如下：
S1、将两端开放的塑料软管3置于水中，水体通过塑料软管3两端的开放孔4进入塑料软管3内，与塑料软管3内表面接触，自发形成双电层7；
S2、当塑料软管3被水充满后，塑料软管3内外压力平衡，塑料软管3结构保持稳定；
S3、当塑料软管3承受压力后，塑料软管3发生形变，塑料软管3内固-液接触界面面积发生改变，为保持双电层7稳定，溶液中的离子会定向移动，进入或流出固-液界面双电层，形成离子电流；
S4、塑料软管3两端的第一金属电极1和第二金属电极9被电极支撑结构10固定在塑料软管3两端的开放孔4处，保证第一金属电极1和第二金属电极9不与塑料软管3直接相连；
S5、受压位置相对于第一金属电极1和第二金属电极9位置的差异，导致塑料软管3内两电极间产生电势，形成电流，经第一金属电极1和信号传输线缆5传递到电流检测装置6，完成压电转换过程。
本发明的工作原理为:
当塑料软管3充满环境溶液时，在固-液界面会发生特异性离子吸附，从而形成双电层7，储存一定量的电荷并具有一定的电势。双电层7内电荷的数量与固-液界面的面积成正比。当塑料软管3在外力8的作用下发生形变时，固-液界面接触面积发生改变，溶液中的离子会定向移动，进入(或流出)固-液界面双电层，发生充放电，从而在通道内形成离子电流，受压位置相对两电极的位置差异使两电极之间产生电势，形成电流，完成压电转换过程。电流的大小与固-液面积改变量相关，面积变化越大，产生的电流越强。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (5)
1.一种离子电流式水下压电转换装置，其特征在于，包括：塑料软管、一对金属电极、信号传输线缆和电极支撑结构；其中：
塑料软管两端设有开放孔，保证塑料软管内外水相通，金属电极的一端通过电极支撑结构布设于塑料软管两端的开放孔处，且金属电极不直接与塑料软管接触，与塑料软管内的水体接触，金属电极的另一端与信号传输线缆相连，信号传输线缆两端连接电流检测装置；
当塑料软管充满环境溶液时，在固-液界面会发生特异性离子吸附，从而形成双电层，储存一定量的电荷并具有一定的电势，即zeta电势；zeta电势大小与发生接触的固-液两相相关，固液相不发生变化时，双电层内电荷的数量与固-液界面的面积成正比；当塑料软管在外力的作用下发生形变时，固-液界面接触面积发生改变，溶液中的离子会定向移动，进入或流出固-液界面双电层，形成离子电流，而受压位置相对于两电极的位置差异会在两电极之间产生电势，从而在通道内形成电流，电流经电极通过传输线缆被传递，完成压电转换过程。
2.根据权利要求1所述的离子电流式水下压电转换装置，其特征在于，所述塑料软管根据所测量压力的形式和大小进行选择，保证塑料软管在所测压力下的形变在弹性限度内；优选由聚烯烃热塑弹性体TPE材料制成，长度为5cm，内管径3mm，外径5mm。
3.根据权利要求1所述的离子电流式水下压电转换装置，其特征在于，所述信号传输线缆包括无氧铜导线，所述信号传输线缆外层除使用绝缘材料进行保护外还需要无氧铜编织网和铝箔进行屏蔽。
4.根据权利要求1所述的离子电流式水下压电转换装置，其特征在于，所述电极支撑结构为中心带孔的十字形结构，由聚烯烃热塑弹性体TPE材料制成，使用防水胶粘在所述塑料软管两端的开放口处，中心孔插入带屏蔽的所述信号传输线缆，用于将所述金属电极固定在开放口处。
5.一种基于上述权利要求1-4中任意一项权利要求所述离子电流式水下压电转换装置的离子电流式水下压电转换方法，其特征在于，包括：
双电层形成：将塑料软管置于水体中，水体通过开放孔进入塑料软管内，与塑料软管内表面接触自发形成双电层；
稳定塑料软管：塑料软管内部被水充满后，能够平衡深水静压，不受外部压力的情况下，维持塑料软管的稳定；
实现压电转换：当塑料软管受到外力作用时，塑料软管在力的作用下发生弹性形变，形状发生变化形成受压状态下的塑料软管，固-液接触界面面积发生改变，溶液中的离子会定向移动，进入或流出固-液界面双电层，形成离子电流，受压位置相对于两金属电极位置的差异，导致塑料软管内两电极间产生电势，形成电流，经金属电极和信号传输线缆传递到电流检测装置，完成压电转换过程；电流的大小与固-液接触面积改变量相关，塑料软管所受压力越大，形变量越大，塑料软管内表积变化越大，产生的电流越大。
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| CN115355188A (zh) * | 2022-10-19 | 2022-11-18 | 南通艺顺鹏电气有限公司 | 电流式水下压电转换器 |
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