基于靜電吸附原理和超聲波加濕器原理對黑板擦和黑板的改造設(shè)計

蓋 鑫，李顯龍，楚博文，陳新田，李富偉，吳梅花

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院城市建設(shè)系，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

在大部分學(xué)校的教室中，采用的還是傳統(tǒng)的黑板以及黑板擦，而采用傳統(tǒng)黑板及黑板擦的缺點就是無法保證教室內(nèi)的空氣潔凈度，因為傳統(tǒng)黑板及黑板擦在沒有用濕抹布擦拭的情況下無法將粘在黑板及黑板擦上附著的粉筆灰處理干凈，從而影響老師以及學(xué)生的健康。

傳統(tǒng)黑板與黑板擦主要有以下缺點：黑板書寫后采用人工擦拭，花費時間多，效率低，且產(chǎn)生的粉塵對教室的污染危害極大，對教學(xué)工作帶來諸多不便[1]；黑板擦擦拭費時費力，灰塵飛揚并且容易沾灰，一般擦幾遍之后要敲擊震落所粘附的大部分粉筆灰才能正常使用[2]；滾動式黑板造價成本太高，符合滾動式黑板的原材料較為稀少[3]。基于此，本文通過靜電吸附原理以及超聲波加濕器原理，設(shè)計出了一種新型的黑板及黑板擦配套裝置，能夠很大程度上減少粉塵污染，并且省時省力，一定程度上減輕了人工成本。

1 設(shè)計方案及原理

1.1 黑板擦(太陽能光伏電池供電)

1.1.1 設(shè)計原理

靜電除塵是氣體除塵方法的一種。含塵氣體經(jīng)過高壓靜電場時被電分離，塵粒與負離子結(jié)合帶上負電后，趨向陽極表面放電而沉積，在冶金、化學(xué)等工業(yè)中用以凈化氣體或回收有用塵粒，利用靜電場使氣體電離從而使塵粒帶電吸附到電極上的收塵方法，在強電場中空氣分子被電離為正離子和電子，電子奔向正極過程中遇到塵粒，使塵粒帶負電吸附到正極被收集。

1.1.2 外部結(jié)構(gòu)介紹

本結(jié)構(gòu)設(shè)計外觀整體為橢球型。其中包括外殼、電極、絕緣層、氈毛等主要組成部分，如圖1～3所示。

圖1 靜電吸附黑板擦

1.1.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，1為鋰電池，可由外部輸入；2為生成高壓電的電路板；其余為固定裝置。

圖2 側(cè)面擦拭圖示

注：外殼使用絕緣減燥材料。

圖4 靜電除塵黑板擦內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在黑板擦的2個側(cè)面(較小面積)裝有電動排風(fēng)扇，使板擦內(nèi)部的壓強低于教室內(nèi)壓強，通過壓差，將帶有粉塵的空氣吸入板擦內(nèi)部。

粉塵先經(jīng)過玻璃纖維濾紙，之后進入靜電發(fā)生器進行電離，使氣體粒子帶有負電荷，在電場力的作用下運動，與空氣中的粉塵碰撞，使其帶上負電荷，向陽極移動。帶有負電荷的粉塵到達陽極時釋放電子，粉塵吸附在陽極上，再通過排風(fēng)口排出。

1.2 黑板清潔屏(太陽能光伏電池供電)

1.2.1 概述

超聲波加濕器屏主要由導(dǎo)軌、超聲波加濕器、擦拭3部分組成。工作過程：由按鍵驅(qū)動步進電機，使整個裝置自動向前移動；同時超聲波加濕器開始工作，對周圍空氣進行加濕；擦拭部分將水霧連同空氣粉塵擦拭干凈。整個裝置在導(dǎo)軌上滑動，向左向右兩個進程為整個過程，達到自動擦拭黑板的目的。

1.2.2 裝置部件及原理

導(dǎo)軌是整個裝置的運行部分，是使屏運動的關(guān)鍵。導(dǎo)軌上的桿連同步進電機，步進電機驅(qū)動力與運動達到控制屏運動和控制行程距離的作用。步進電機驅(qū)動器根據(jù)外來的控制脈沖和方向信號，通過其內(nèi)部的邏輯電路，控制步進電機的繞組以一定的時序正向或反向通電，使得電機正向和反向旋轉(zhuǎn)，或者鎖定。

需要確定黑板的長度，使屏完全覆蓋整個黑板，得出行進的準確距離。轉(zhuǎn)動距離可以確定電機轉(zhuǎn)動角度，再由公式θ=θs×A(電機處力軸轉(zhuǎn)動的角度，θs：步距數(shù)，A：脈沖數(shù))，將轉(zhuǎn)動角度轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)。通過調(diào)節(jié)脈沖數(shù)來控制行進距離。同樣，步進電機可以實現(xiàn)反轉(zhuǎn)讓裝置往回運動。這樣就實現(xiàn)了桿的自動行程。

超聲波加濕器在屏的背部，裝有超聲波加濕器，對空氣加濕[4]。超聲波加濕器具有體積小，加濕強度大，耗電量小，控制性能好，霧粒小而均勻等優(yōu)點，在控制步進電機工作后，驅(qū)動超聲波加濕器電源，電源供電部分一般是雙路輸入，一路是給風(fēng)扇供電，一路是給震蕩板供電。這樣一方面震蕩板工作，產(chǎn)生懸浮的水離子，水離子對粉塵等微小粒子有吸附作用，可以降低空氣粉塵濃度；另一方面風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，將離子聯(lián)通粉塵吹向擦拭部分，達到降低空氣中顆粒濃度的目的。

擦拭部分由海綿裝在屏內(nèi)通過步進電機帶動形成，使其在黑板上摩擦擦掉筆跡。擦拭部分的關(guān)鍵有兩點：一是材料的選取。可以選取多孔海綿等吸附較好的材料，對粉塵及水霧擦拭效果理想，同時，不能選取太軟的材料，否則會在擦拭過程中形變，阻礙擦拭效果。二是控制壓力大小。對黑板正壓力的大小與擦拭狀況直接相關(guān)，初步擬定通過控制變量實驗來找到最佳壓力。

1.3 黑板(太陽能光伏電池供電)

黑板示意圖如圖5、圖6所示。圖6中將一張黑板平均分為6份，每一份后面都放置一個靜電發(fā)生器電路進行靜電吸附[5]。每個電路的干路設(shè)置一個壓力開關(guān)，若在5處進行板書時，因為產(chǎn)生壓力，壓力開關(guān)閉合，開始進行靜電吸附將粉塵吸附，停止板書后開關(guān)斷開，粉塵由黑板頂部送來的風(fēng)吹到黑板底部的收納槽中。靜電電壓在1 000～2 000 V，就可以吸附，對人體無害。

圖5 黑板示意圖

圖6 黑板示意圖

黑板頂部利用排風(fēng)扇送風(fēng)，如圖7所示。

圖7 黑板頂部平面圖

黑板底部粉塵收集槽，如圖8所示。

圖8 黑板底部粉塵收集槽

2 整體應(yīng)用過程

老師在黑板上進行板書，由于壓力傳感器的作用下，粉筆對黑板上產(chǎn)生壓力，黑板內(nèi)壓力開關(guān)閉合，靜電吸附裝置開啟，將粉筆和黑板之間摩擦產(chǎn)生的粉塵吸附。當粉筆離開黑板，壓力消失，粉塵由黑板頂部排風(fēng)扇送來的風(fēng)吹入黑板底部的粉塵收集槽中。若有寫錯的地方需要擦掉修改，使用改造后的板擦進行吸塵擦拭。關(guān)閉黑板內(nèi)靜電吸附總開關(guān)，打開黑板清潔屏開關(guān)，清潔屏依次對整個黑板進行粗擦、加濕、精擦的過程。

3 與傳統(tǒng)黑板和黑板擦的比較

在設(shè)計出新型黑板和黑板擦模型后，本文做出實物，通過與5組傳統(tǒng)黑板擦和黑板的擦拭效果作對比，5組結(jié)果都得出了表1的結(jié)論。

表1 與傳統(tǒng)黑板與黑板擦的比較

通過實驗證明，該新型黑板與黑板擦的協(xié)同使用能夠在既省時又省力的情況下將粉塵污染降到更低。

4 結(jié)語

本項目通過靜電除塵以及超聲波加濕器原理，進行了黑板及黑板擦的設(shè)計，此設(shè)計相較于傳統(tǒng)黑板與黑板擦，有效降低了室內(nèi)的粉塵污染，并且更加高效、智能化，在未來的智慧化教室建設(shè)中，具有廣泛推廣的意義。