一种离子电流式水下压电转换装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种离子电流式水下压电转换装置及方法。本发明专利技术装置，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。本发明专利技术基于固

An ion current underwater piezoelectric conversion device and method

【技术实现步骤摘要】
一种离子电流式水下压电转换装置及方法


[0001]本专利技术涉及压电
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]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。本专利技术基于固
‑
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。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]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：
[0007]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；
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]本专利技术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：
[0013]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；
[0014]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；
[0015]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。
[0016]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0017]1、本专利技术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。
[0018]2、本专利技术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。
[0019]3、本专利技术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。
[0020]4、本专利技术原理简单且装置体积极小，重量轻，便于布设。
[0021]基于上述理由本专利技术可在压电技术等领域广泛推广。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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。
[0023]图1为本专利技术离子电流式水下压电转换装置示意图。
[0024]图2为本专利技术离子电流式水下压电转换方式原理示意图。
[0025]图3为本专利技术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。
[0026]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
[0027]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术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专利技术。
[0028]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，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，决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0029]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋永欣，李德宇，毛珑浦，张君彦，李梦琪，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：