一种以电解质溶液为介质的液体倾侧开关

来源:用户上传      作者:李旭 郑建乐 张骞月 马江涛 刘凯翔

　　摘 要：重力开关被广泛应用于生活各处，例如电风扇颠倒保护开关、台灯用开关、洗衣机振动传感开关等，但我们却很少了解。如今市面上的重力开关主要为水银开关与滚珠开关两种，其特点主要为价格低廉且质量好。虽然水银开关被广泛应用，但由于其自身的限制性因素，导致其在应用推广时存在不可避免的弊端因素，主要为水银开关材质为薄层玻璃管和水印，薄层玻璃管易损坏，水银液体容易泄漏，对环境及使用者造成危害;而滚珠开关则会出现闪断现象，无法保证电路成功接通率。而本文介绍的液体倾侧开关则具有水银开关和滚珠开关两者共同的优势，并且对环境零污染，可以替换这两种形式的开关，并且可以根据加液体积控制电路触发角度。
　　关键词：电解质溶液;倾侧开关;水银开关
　　一、液体倾侧开关原理
　　液体倾侧开关基于重力开关制作原理，开关为一根两头有固定电极的透明圆管，圆管内部装有一定体积电解质溶液，随着整个装置的倾斜，装置内液面高度随之变化，当装置倾侧到要求工作角度时，溶液接触到开关两端电极，使电路接通。同时由于氯化钾溶液表面张力较大大，可使装置持续工作。
　　制作中发现当装置倾斜之后，电解质溶液和塑料长时间浸润，电解质溶液会吸附在塑料管壁上，由于电解质溶液的表面张力作用，电解质溶液会长时间聚集在所吸附的塑料管壁上，这就造成了装置倒置之后，由于液体表面的张力与溶液的重力相等，甚至于大于电解质溶液的重力，会出现液体平衡在吸附处的情况。经过多次的实验探索与小组讨论，最后我们采取细杆破坏张力的的设想来解决该情况。使一根金属导线刺破液面，会破坏液体表面分子排列顺序与表面张力大小，使得电解质溶液分子间作用力改变，此时将装置倒置时，金属细杆就会给溶液一个向下的引力，破坏了之前液体张力与液体重力的平衡，使溶液的相对重力增加，溶液顺利下流，接通电路。这根金属丝导线使电解质溶液更易于流动，从而减小开关触发延迟时间，并且增强溶液导电性，因此可选择输出电压更小体积更小的锂电池来充当电路电源。
　　本装置是以全国航空航天模型锦标赛中模拟火箭运载与返回项目为起始用途而设计，效果是实验表明，本装置的质量与多数高校采用的单片机延时控制或姿态控制相比更輕，基于此，液体倾侧开关的优势就凸显出来了，这对于该项目的发展是一个大踏步的前进[1]。
　　二、液体倾侧开关制作工艺
　　本装置制作原料：亚克力管（碳素笔管）、铜箔胶带、铜导线、99.65%氯化钾粉末、电极（亚克力管堵头）。
　　电解质选择原则：经查阅文献与实验知，电解质溶液中游离离子浓度越大，溶液导电性越强。同时在选择电解质溶液时，还要保证电解质溶液无毒无害，对环境和人体不会产生损害。而在常见易溶盐中，氯化钾分子质量较小，溶解度较大，电离度大，并且成本低廉，是理想的电解质。配置质量浓度为4681%的氯化钾电解质溶液，为增强溶液导电性可在其中添加氯化钠、醋酸钠等易溶盐。
　　（一）制作电极
　　将堵头外围缠三圈铜箔胶带，胶带宽度比堵头宽一公分，并在上方留有一小孔方便使用注射器加液。
　　（二）破坏溶液表面分子排列及张力
　　在亚克力管中放置两根铜导线，两根铜导线从两侧堵头插入，上方铜导线距堵头约5mm，下方铜导线距上方堵头约1mm。我们使用的锂电池输出电压为4.2v，但电解质溶液电阻较大，经计算与实验得知，当两根导线相距2mm时，装置实验效果最佳。只有在电解质溶液将两根导线完全浸没时，电路才会接通，从而有效的避免了在运输过程中因上下颠簸导致溶液飞溅到两根导线处，误触开关。而开关触发灵敏度也可由两根导线距离，电池功率改变，本装置效果图如右图所示。
　　（三）组装开关
　　将电解质溶液按一定比例引入亚克力管内，将两侧用电极堵头封住使其不漏液，将裸露在外的铜箔用漆包线缠束。
　　（四）组装电路
　　我们以触发舵机转动为目标，将本装置串联到舵机与电源的正极一侧，形成一个闭合电路。当装置倾侧到工作角度，装置内电解质溶液液面高度发生变化，电解质溶液浸没两根导线，使电路接通，舵机转动。
　　三、产品优势分析
　　本装置是根据封装在亚克力外壳或金属外壳内的电解质溶液移动来实现开关通断的，因而本装置与其他形式机械开关相比，具有如下特点：（1）适用范围广，适应不同实验条件。由于本装置是密封的，内部的电解质溶液注入后和外界是隔绝的，因此它可以使用在水中或有蒸汽、灰尘及腐蚀性气体的环境中。（2）通断所需的外力比较小。电解质溶液能在常温条件下保持通电，它的表面张力和比重都较大，只要稍加外力使倾侧开关产生倾斜，电解质溶液便可流动，使开关实现通断。（3）录化钾溶液的对环境及人体无不良影响，符合环保理念。（4）液体倾侧开关允许通过的电流稳定，可以使接通电路稳定工作。（5）由于液体倾侧开关的通断由电解质溶液的重力决定，所以它可以长期可靠地工作。（6）电极的接点是液态接触，无任何噪声。（7）由于电解质可以流动，只要倾侧角度到设定值以上，电路就可以通或断，因而可以作为振动的敏感元件使用。（8）体积小，且工作时为密封式器件。（9）结构简单，价格低廉，质量高，适合初学者使用。
　　参考文献：
　　[1]郑建乐，张保泽，裴荣红，李冀幸，张骞月.适用于察打一体的固定翼飞机的矢量控制系统[J].科技风，2019（01）：135-136.
　　基金项目：大学生创新创业训练计划项目（项目编号：S201910086015）
　　作者简介：李旭（1998-），河北邯郸人，就读于河北农业大学理学院化学专业。
　　指导教师：焦昆，时翠平。
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