基于壓電泵的霾表瘦身設計

潘靖峰

（江蘇省新海高級中學，江蘇連云港 222000）

0 引言

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。

1 霾表檢測PM2.5原理

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。

2 現有霾表的結構

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。

3 壓電泵結構設計

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

4 壓電泵流量影響因素分析

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。

5 結論

（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。

［1］姜峰.β射線法和振蕩天平法在監測中的應用［J］.環境保護與循環經濟,2005,25（5）:16－17.

［2］丁妙增,陳愛蓮,倪永勝.PM10、PM2.5幾種觀測方法探討［J］.浙江氣象,2014,35（4）:44－46.

［3］吳越.壓電泵動力學分析與優化設計［D］.長春：吉林大學,2013.

［4］張福學.現代壓電學（下冊）［M］.北京：科學出版社,2002:1－88.

［5］姜德龍,程光明,孫曉鋒,等.輸送流體雙腔并聯壓電泵性能分析與試驗研究［J］.西安交通大學學報,2010,44（3）:82－85.