一種以電解質(zhì)溶液為介質(zhì)的液體傾側(cè)開關(guān)

李旭 鄭建樂 張騫月 馬江濤 劉凱翔

摘 要：重力開關(guān)被廣泛應(yīng)用于生活各處，例如電風(fēng)扇顛倒保護(hù)開關(guān)、臺(tái)燈用開關(guān)、洗衣機(jī)振動(dòng)傳感開關(guān)等，但我們卻很少了解。如今市面上的重力開關(guān)主要為水銀開關(guān)與滾珠開關(guān)兩種，其特點(diǎn)主要為價(jià)格低廉且質(zhì)量好。雖然水銀開關(guān)被廣泛應(yīng)用，但由于其自身的限制性因素，導(dǎo)致其在應(yīng)用推廣時(shí)存在不可避免的弊端因素，主要為水銀開關(guān)材質(zhì)為薄層玻璃管和水印，薄層玻璃管易損壞，水銀液體容易泄漏，對(duì)環(huán)境及使用者造成危害;而滾珠開關(guān)則會(huì)出現(xiàn)閃斷現(xiàn)象，無法保證電路成功接通率。而本文介紹的液體傾側(cè)開關(guān)則具有水銀開關(guān)和滾珠開關(guān)兩者共同的優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)環(huán)境零污染，可以替換這兩種形式的開關(guān)，并且可以根據(jù)加液體積控制電路觸發(fā)角度。

關(guān)鍵詞：電解質(zhì)溶液;傾側(cè)開關(guān);水銀開關(guān)

一、液體傾側(cè)開關(guān)原理

液體傾側(cè)開關(guān)基于重力開關(guān)制作原理，開關(guān)為一根兩頭有固定電極的透明圓管，圓管內(nèi)部裝有一定體積電解質(zhì)溶液，隨著整個(gè)裝置的傾斜，裝置內(nèi)液面高度隨之變化，當(dāng)裝置傾側(cè)到要求工作角度時(shí)，溶液接觸到開關(guān)兩端電極，使電路接通。同時(shí)由于氯化鉀溶液表面張力較大大，可使裝置持續(xù)工作。

制作中發(fā)現(xiàn)當(dāng)裝置傾斜之后，電解質(zhì)溶液和塑料長(zhǎng)時(shí)間浸潤(rùn)，電解質(zhì)溶液會(huì)吸附在塑料管壁上，由于電解質(zhì)溶液的表面張力作用，電解質(zhì)溶液會(huì)長(zhǎng)時(shí)間聚集在所吸附的塑料管壁上，這就造成了裝置倒置之后，由于液體表面的張力與溶液的重力相等，甚至于大于電解質(zhì)溶液的重力，會(huì)出現(xiàn)液體平衡在吸附處的情況。經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)探索與小組討論，最后我們采取細(xì)桿破壞張力的的設(shè)想來解決該情況。使一根金屬導(dǎo)線刺破液面，會(huì)破壞液體表面分子排列順序與表面張力大小，使得電解質(zhì)溶液分子間作用力改變，此時(shí)將裝置倒置時(shí)，金屬細(xì)桿就會(huì)給溶液一個(gè)向下的引力，破壞了之前液體張力與液體重力的平衡，使溶液的相對(duì)重力增加，溶液順利下流，接通電路。這根金屬絲導(dǎo)線使電解質(zhì)溶液更易于流動(dòng)，從而減小開關(guān)觸發(fā)延遲時(shí)間，并且增強(qiáng)溶液導(dǎo)電性，因此可選擇輸出電壓更小體積更小的鋰電池來充當(dāng)電路電源。

本裝置是以全國(guó)航空航天模型錦標(biāo)賽中模擬火箭運(yùn)載與返回項(xiàng)目為起始用途而設(shè)計(jì)，效果是實(shí)驗(yàn)表明，本裝置的質(zhì)量與多數(shù)高校采用的單片機(jī)延時(shí)控制或姿態(tài)控制相比更輕，基于此，液體傾側(cè)開關(guān)的優(yōu)勢(shì)就凸顯出來了，這對(duì)于該項(xiàng)目的發(fā)展是一個(gè)大踏步的前進(jìn)[1]。

二、液體傾側(cè)開關(guān)制作工藝

本裝置制作原料：亞克力管（碳素筆管）、銅箔膠帶、銅導(dǎo)線、99.65%氯化鉀粉末、電極（亞克力管堵頭）。

電解質(zhì)選擇原則：經(jīng)查閱文獻(xiàn)與實(shí)驗(yàn)知，電解質(zhì)溶液中游離離子濃度越大，溶液導(dǎo)電性越強(qiáng)。同時(shí)在選擇電解質(zhì)溶液時(shí)，還要保證電解質(zhì)溶液無毒無害，對(duì)環(huán)境和人體不會(huì)產(chǎn)生損害。而在常見易溶鹽中，氯化鉀分子質(zhì)量較小，溶解度較大，電離度大，并且成本低廉，是理想的電解質(zhì)。配置質(zhì)量濃度為4681%的氯化鉀電解質(zhì)溶液，為增強(qiáng)溶液導(dǎo)電性可在其中添加氯化鈉、醋酸鈉等易溶鹽。

（一）制作電極

將堵頭外圍纏三圈銅箔膠帶，膠帶寬度比堵頭寬一公分，并在上方留有一小孔方便使用注射器加液。

（二）破壞溶液表面分子排列及張力

在亞克力管中放置兩根銅導(dǎo)線，兩根銅導(dǎo)線從兩側(cè)堵頭插入，上方銅導(dǎo)線距堵頭約5mm，下方銅導(dǎo)線距上方堵頭約1mm。我們使用的鋰電池輸出電壓為4.2v，但電解質(zhì)溶液電阻較大，經(jīng)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)兩根導(dǎo)線相距2mm時(shí)，裝置實(shí)驗(yàn)效果最佳。只有在電解質(zhì)溶液將兩根導(dǎo)線完全浸沒時(shí)，電路才會(huì)接通，從而有效的避免了在運(yùn)輸過程中因上下顛簸導(dǎo)致溶液飛濺到兩根導(dǎo)線處，誤觸開關(guān)。而開關(guān)觸發(fā)靈敏度也可由兩根導(dǎo)線距離，電池功率改變，本裝置效果圖如右圖所示。

（三）組裝開關(guān)

將電解質(zhì)溶液按一定比例引入亞克力管內(nèi)，將兩側(cè)用電極堵頭封住使其不漏液，將裸露在外的銅箔用漆包線纏束。

（四）組裝電路

我們以觸發(fā)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)為目標(biāo)，將本裝置串聯(lián)到舵機(jī)與電源的正極一側(cè)，形成一個(gè)閉合電路。當(dāng)裝置傾側(cè)到工作角度，裝置內(nèi)電解質(zhì)溶液液面高度發(fā)生變化，電解質(zhì)溶液浸沒兩根導(dǎo)線，使電路接通，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

三、產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)分析

本裝置是根據(jù)封裝在亞克力外殼或金屬外殼內(nèi)的電解質(zhì)溶液移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)通斷的，因而本裝置與其他形式機(jī)械開關(guān)相比，具有如下特點(diǎn)：（1）適用范圍廣，適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)條件。由于本裝置是密封的，內(nèi)部的電解質(zhì)溶液注入后和外界是隔絕的，因此它可以使用在水中或有蒸汽、灰塵及腐蝕性氣體的環(huán)境中。（2）通斷所需的外力比較小。電解質(zhì)溶液能在常溫條件下保持通電，它的表面張力和比重都較大，只要稍加外力使傾側(cè)開關(guān)產(chǎn)生傾斜，電解質(zhì)溶液便可流動(dòng)，使開關(guān)實(shí)現(xiàn)通斷。（3）錄化鉀溶液的對(duì)環(huán)境及人體無不良影響，符合環(huán)保理念。（4）液體傾側(cè)開關(guān)允許通過的電流穩(wěn)定，可以使接通電路穩(wěn)定工作。（5）由于液體傾側(cè)開關(guān)的通斷由電解質(zhì)溶液的重力決定，所以它可以長(zhǎng)期可靠地工作。（6）電極的接點(diǎn)是液態(tài)接觸，無任何噪聲。（7）由于電解質(zhì)可以流動(dòng)，只要傾側(cè)角度到設(shè)定值以上，電路就可以通或斷，因而可以作為振動(dòng)的敏感元件使用。（8）體積小，且工作時(shí)為密封式器件。（9）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，質(zhì)量高，適合初學(xué)者使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭建樂，張保澤，裴榮紅，李冀幸，張騫月.適用于察打一體的固定翼飛機(jī)的矢量控制系統(tǒng)[J].科技風(fēng)，2019（01）：135-136.

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：S201910086015）

作者簡(jiǎn)介：李旭（1998-），河北邯鄲人，就讀于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院化學(xué)專業(yè)。

指導(dǎo)教師：焦昆，時(shí)翠平。