潘靖峰
(江蘇省新海高級中學,江蘇連云港 222000)
霾表作為一種可以方便檢測局部空氣污染程度(PM2.5和PM10等空氣污染顆粒物指數)的儀器,近年來獲得廣泛應用。但霾表體積較大是其突出缺點,以常見的漢王某款霾表為例,其體積為124 mm×80 mm×31 mm,而影響在其他便攜式電子產品上的集成應用。為此,嘗試利用新型壓電泵作為風扇對霾表進行創意瘦身設計,以減小霾表體積和拓展應用范圍。
目前對于PM2.5的檢測主要有3種方法,即β射線法,根據β射線通過顆粒物的能量衰減,計算出顆粒物的濃度;振蕩天平法,通過顆粒物導致濾膜震蕩頻率的變化,測試出顆粒物的濃度;光散射測試法,使用激光作為測量光源,激光經顆粒物散射后,對光學傳感器輸出的脈沖信號進行數字信號處理,從而計算出顆粒物的濃度。前2種方法較為專業與準確,但由于所需設備體積較大與成本高昂,并不適合民用。因此,目前大多數霾表的工作原理都為光散射法。
以基于光散射法檢測原理的某款常見霾表為例,參考圖1。該霾表主要由風扇、風道、電池、激光發射器和傳感器等結構組成。電池用于供電,激光發射器與光感應芯片用于檢測PM2.5的濃度,進風口、出風口、導流板及風扇用于驅動和引導空氣流入和流出。空氣在風扇作用下從進風口進入,在特殊設計的導流板的引導下,含有PM2.5顆粒的空氣氣流正好經過光感應芯片上方及激光發射器光路,根據光散射測試法,光感應芯片計算出空氣中的PM2.5。霾表中風扇和電池占了大約一半空間,這是瘦身設計的關鍵,由于集成應用時霾表可與其他電子設備共用電池,因此瘦身設計的核心是風扇小型化設計。風扇面積約為44.9 mm ×50.7 mm,厚度與霾表相等。

圖1 現有霾表結構
泵是輸送流體或使流體增壓的機械。泵有許多種類,本文所關注的微小型泵按能量轉換原理可以分為熱驅動泵、靜電驅動泵、形狀記憶合金驅動泵和壓電泵。其中,熱驅動泵的工作頻率較低、輸出能力較弱;靜電驅動泵對絕緣要求高、性能提高空間有限;形狀記憶合金驅動泵工作頻率較低、受環境影響大、輸出能力差;而壓電泵具有工作頻率高且范圍寬、受環境影響小、體積小等優點,綜上所述,故采用壓電泵進行霾表瘦身設計。
壓電泵是一種新型的流體驅動器,由日本學者樽崎哲二于1978年最先提出,廣泛應用于航空航天、機器人、汽車、醫療、生物基因工程、微型機械等領域。其原理為:壓電振子在壓電陶瓷的逆壓電效應下變形,導致泵腔的容積變化,從而起到傳輸流體的作用。
逆壓電效應指壓電陶瓷在外電場作用下,壓電陶瓷產生與電場強度成線性關系的機械形變。具體而言,由于壓電陶瓷內部晶粒帶有電極性,且極化后內部晶粒的整體電極性方向趨向一致,在外部電壓作用下內部晶粒被壓縮或被拉伸,宏觀上壓電陶瓷表現為與電場方向相關的伸縮或擴張,起到把電能轉換為機械能的作用。
壓電泵由外殼、彈簧、入口閥門堵頭、出口閥門堵頭、泵腔、密封圈、振動膜、壓電陶瓷、螺釘通氣孔及底蓋等組成。兩片壓電陶瓷分別粘貼在振動膜上下兩面,形成雙晶片結構壓電振子,提高振幅。振動膜通過螺釘固定在外殼內部平面上,振動膜與外殼平面之間有密封圈起到對泵腔的密封作用。外殼上表面有入口和出口,入口閥門堵頭和出口閥門堵頭通過彈簧連接在外殼上,分別起到控制空氣進出的作用。底蓋上有通氣孔,用于減小振動膜振動阻力。見圖2。在壓電泵工作時,壓電陶瓷根據逆壓電效應驅動振動膜發生振動,泵腔體積發生周期性變化。當振動膜下凹時,為壓電泵吸氣狀態,此時泵腔體積增大,壓強減小,空氣從入口吸入,在壓差作用下,出口閥門堵頭克服彈簧阻力封住出口,出口閥門堵頭打開。當振動膜上凸時,為壓電泵排氣狀態,此時泵腔體積減小,壓強增大,空氣從出口流出,在壓差作用下,入口閥門堵頭克服彈簧阻力封住入口,出口閥門堵頭關閉。雖然每個振動周期吸入和排出的空氣量很小,但是振動膜振動頻率很快,因此可以泵送足量空氣。
參考相關資料,國外微型壓電泵的體積可以達到14 mm×28 mm×3.5 mm,幾乎是原有霾表風扇體積的1/10,可以達到很好的瘦身設計效果。

圖2 壓電泵結構示意
壓電泵的流量可以用式(1)表示:

式中Q為流量,ξ為效率,ΔV為壓電振子最大變形體積,f為振動頻率。效率ξ主要與入口閥門堵頭和出口閥門堵頭的響應速度有關;最大變形體積ΔV主要與壓電陶瓷大小和彎曲剛度、振動膜大小和彎曲剛度、壓電陶瓷產生的彎矩有關,其中,壓電陶瓷產生的彎矩與壓電參數以及電壓大小相關;振動頻率f一般取壓電振子的諧振頻率,與壓電振子的厚度、面積等結構參數以及材料的彈性參數有關。
(1)現有霾表主要采用光散射法檢測空氣污染程度。
(2)現有霾表主要由風扇、風道、電池、激光發射器、傳感器等結構組成,瘦身設計的核心是風扇小型化設計。
(3)壓電泵利用壓電振子在壓電陶瓷的逆壓電效應下變形,導致泵腔的容積變化,從而起到傳輸流體的作用,可試用于替換霾表中傳統風扇。
(4)設計了一種壓電泵的結構,經過特殊設計的彈簧、入口閥門堵頭、出口閥門堵頭,結合壓電振子的高頻振動可達到泵送足量空氣的效果,并可取得很好的瘦身設計效果。
(5)壓電泵流量與效率、壓電振子最大變形體積、振動頻率相關,各參數又與幾何、材料、電壓等參數有關。
現有研究可對霾表小型化設計和更廣泛集成應用提供借鑒,但是尚沒有針對所設計的霾表壓電泵進行設計參數細化、流量定量計算以及與霾表其他結構的詳細集成設計,以后將進一步完善。
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