流動(dòng)電勢用于角加速度傳感器的研究
1 流動(dòng)電勢[1~3 ]
任何固體與任何液體相互接觸時(shí),都會(huì )使固體表面呈現出帶電現象。究其原因主要有以下幾個(gè)方面: (1) 固體表面對離子的吸附;(2) 離子晶體的溶解;(3) 固體表面的電離;(4) 固體具有n 型(空穴型)或p 型(電子過(guò)剩型) 缺陷;(5) 兩相對電子的親合力不同。不管是由哪種原因引起的,當固體表面帶電以后,它必然要吸引等量的反極性電荷在其周?chē)?。這樣在緊靠帶電固體表面處就形成一層特殊的表面層———雙電層。雙電層的經(jīng)典理論有以下三種:德拜—尤格爾理論;古依—查普曼理論;斯特恩理論。其中斯特恩理論對實(shí)驗結果的解釋至今絕大部分仍然是正確的。斯特恩雙電層的理論模型如圖1 所示。從圖中可以看出,雙電層由一個(gè)稱(chēng)為斯特恩平面的平面(實(shí)際上是一個(gè)假想平面) 將它分成二部分:內層為斯特恩層,外層為擴散層,在擴散層中,反電荷離子富集。
2 示意結構
根據流動(dòng)電勢效應制作的液環(huán)式角加速度傳感器的示意結構如圖2 所示。其中,液體環(huán)由玻璃管吹拉而成;多孔塞用直徑10μm 左右的微球玻璃粉燒制;環(huán)狀電極用鉑金絲制作;液體環(huán)中的液體用高純度丙酮制備。
實(shí)驗結果證明,在液環(huán)中裝滿(mǎn)高純度丙酮溶液后,玻璃塞中微孔的內表面帶負電荷。這一實(shí)驗結果可由玻璃和丙酮對電子的親合力不同而得到解釋.當玻璃和丙酮相互接觸,兩相對電子的親合力不同,致使電子從介電常數大的一方流向介電常數小的一方。玻璃的介電常數為6 , 丙酮的介電常數是20。7 ,因而電子從丙酮流向玻璃, 使玻璃塞中微孔的內表面帶負電荷。這樣在靜電力的作用下,丙酮溶液中的負離子與玻璃塞中微孔內表面的負電荷相排斥, 而正離子則與內表面的負電荷吸引, 結果使得在接近微孔內表面的地方,丙酮溶液中的正離子富集。當受到一個(gè)外加角加速度作用時(shí),璃塞兩端中的丙酮溶液所承受的壓力為
3 討論
液環(huán)式角加速度傳感器的兩個(gè)關(guān)鍵部件是微孔玻璃塞和液環(huán)中的液體。微孔玻璃塞中的微孔孔隙分布要均勻。因為流動(dòng)電勢只與雙電層中的擴散層(可移動(dòng)部分) 的性質(zhì)有關(guān),流動(dòng)電荷只發(fā)生在靠近微孔壁的地方,孔徑過(guò)大會(huì )使ζ電勢減小, 流動(dòng)電勢也隨之減??;孔徑過(guò)小時(shí), 當外加一個(gè)角加速度時(shí),不能使液體順暢通過(guò),仍然會(huì )影響流動(dòng)電勢的產(chǎn)生。對于液環(huán)中的液體,要求有穩定的溫度特性及化學(xué)特性,在液環(huán)腔內不應發(fā)生任何化學(xué)反應。另外,溶液的溶沸點(diǎn)范圍要寬, 黏度要小,純度要高。實(shí)驗結果證明,只有將這兩個(gè)關(guān)鍵部件設計與處理好,才能制作出穩定性較好、精度較高的角加速度傳感器.
參考文獻:
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