剖析水位开关在全自动洗衣机中的应用

熊小兰　黄春如

(江西省樟树第三中学，江西　宜春　331200)

①　本文为中国教育学会物理教学专业委员会2013年—2016年全国物理教育科研重点立项课题“低成本物理实验研究及教具制作”的研究成果.

名师简介：黄春如(1962—　)，男，江西省中学物理学科带头人，中学物理高级教师，宜春市名师，江西省教育学会物理教学专业委员会理事，主要从事中学物理实验教学研究.



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剖析水位开关在全自动洗衣机中的应用

熊小兰黄春如

(江西省樟树第三中学，江西宜春331200)

①本文为中国教育学会物理教学专业委员会2013年—2016年全国物理教育科研重点立项课题“低成本物理实验研究及教具制作”的研究成果.

名师简介：黄春如(1962—)，男，江西省中学物理学科带头人，中学物理高级教师，宜春市名师，江西省教育学会物理教学专业委员会理事，主要从事中学物理实验教学研究.

摘要：现代家用电器的自动化程度越来越高，形形色色的传感器充当了自动化控制的媒介，给现代家用电器披上了神秘的面纱.本文以全自动洗衣机水位开关为切入点，介绍了其结构及水位自动控制原理，目的是想通过这一案例，引导学生认识自动控制的基础仍来源于我们所学知识，并非高深莫测.通过自制洗衣机模型，既能培养学生的动手动脑能力，又能较好地提升学生的科学素养.

关键词：洗衣机；水位开关；结构功能；受控原理

随着时代的进步、科技的发展和人们生活水平的提高，家用洗衣机从最初的洗甩分离的双桶式，逐渐发展成了集电磁自动控制、水位自动控制于一体的一桶式，通过自动控制系统实现注水、洗涤、排水、脱水等功能，通过各种功能的有机组合，实现了一键操作式洗衣功能.为践行“从生活走向物理，从物理走向生活”的课程理念，笔者选择全自动洗衣机中的水位自动控制系统进行剖析，重点分析水位开关的结构及自动控制工作原理，从一个侧面引导学生去认识现代家用电器中神秘的自动控制，其实并非高深莫测，它就来自于中学物理基础知识的应用.并用简易器材自制模型，剖析洗衣机是如何利用水位开关实现水位自动控制的，以帮助学生更好地了解气体压强的应用、传感器工作原理、自动控制等方面的知识.对洗衣机各模块功能的探究亦是学生课外综合实践活动的好选题，通过动手实践活动，既能加深学生对所学书本知识的理解，又能较好地探究和了解洗衣机的工作原理，促进学生科学素养的提升.

1洗衣机水位开关的功能简介

洗衣机洗涤时，洗涤和漂洗的水位高低各不相同，洗衣机是怎样识别指令并正常工作的？要解开这一疑惑，就得先从洗衣机上的水位开关说起.

图1为水位开关的实物图，图2为其原理示意图，水位开关主要为下、中、上三部分：下部为气室，通过塑料软管与洗衣机外桶相连；中部为压力调节杠杆，与气室的橡皮薄膜和开关的金属弹片相连，传递橡皮薄膜形变产生的作用力，推动金属片导致电路的通断；上部为弹片上的调节弹簧，凸轮作用于水位调整开关上部的调节弹簧上，水位高低设定时旋转旋钮，带动凸轮转动，使弹簧产生大小不同的形变量，弹簧产生的弹力与橡皮膜形变产生的弹力通过调节杆共同作用于开关的金属弹片上，使金属片通断的难易程度有所不同，实现水位的调节.压得松时，下部气室中的压强较小就能使金属片接通电路，实现低水位运转.压得紧时，下部气室中的压强更大才可使金属片接通，实现高水位运转.

2洗衣机洗涤时水位开关的受控原理

图3为洗衣机水位开关受控原理示意图，图4为水位开关受控工作的流程图.水位开关通过塑料管与洗衣机外桶相连接.洗涤过程中，当进水电磁阀向洗涤桶内注水时，桶内的水平面会不断地升高，在它超过外桶底部的气室入口时，气室内的空气就被封住了出口，随着水位液面的不断升高，桶底的压力就越来越大，使导压管和水位开关内部的空气被压缩，气压也随着增大，水位开关内的橡皮薄膜被气压推动逐渐向上运动，通过压力调节杆带动水位开关内部金属弹片的触点导通，电源给洗涤电机供电，电机旋转，实现洗涤功能.

洗衣机洗涤过程完成后，将水排出，随着洗衣筒内水位的降低，水位控制开关压力腔的气压也一同降低，洗衣筒内的水逐渐排出，橡皮薄膜在压力调节杆的作用下逐渐复位，水位开关金属片两触点断开连接，被恢复成原来的常开状态，进水电磁阀通电吸合，洗衣机又开始第二轮的进水、洗涤.

3自制洗衣机水位自动控制模型及洗涤演示

洗衣机由内桶、外桶、波轮、电机、给排水自动控制等部分组成.洗涤时首先根据衣物的多少，设置水位的高低，进水电磁装置受控开启，实现注水，当桶内水位达到水位开关设定的(高、中、低)某一水位时，停止注水，电机接受指令启动带动波轮旋转，洗涤衣物.洗涤完成后，排水装置受控排水，之后在离合装置作用下，波轮和内桶一同随电机高速旋转，由于离心运动作用，达到水份与衣物分离的脱水目的.

图5　简易洗衣机模型

图6　模拟洗衣机电路

如图5为简化洗衣机模型，图6为简易洗衣机电路.纸杯充当内桶，电脑散热风扇充当波轮和电机，纸杯安装在电机风扇上，电机转动带动纸杯旋转，模拟洗涤情形.为便于演示，电机和内桶置于塑料台板并平放于外桶上.外桶底部开孔与塑料管相连，塑料管的另一端与水位开关相连.往外桶中注水，外桶上的水位刻度线与水位开关的低水位、中水位、高水位相对应，当达到某一刻度线时，水位开关闭合使电机电路导通，电机旋转完成洗涤功能.

简易模型的主要元器件有：① 电源(儿童玩具小车中的充电电池，电压4.8V)；② 洗涤电机(废旧电脑散热风扇，工作电压5V)；③ 水位开关(洗衣机专用开关)；④ 洗涤内桶(用纸杯模拟，挫平底部，安装在风扇电机上)；⑤ 用塑料桶模拟的洗涤外桶；⑥ 导压管(与水位开关孔径相当的塑料软管)；⑦ 与水位开关对应的水位刻度线.

模拟洗涤演示步骤为：按图5连接电路及装置.导压软管与水位开关连接之后，在与外桶连接前，用嘴对着与外桶连接的软管端吹气，若水位开关导通，电机运转，则说明装置及电路各部分连接良好.可进行下面的实验操作.

(1) 将水位开关调整为低水位.往外桶中加水，当水位升到一定位置时(标出低水位刻度线)，电路接通，洗涤电机通电工作，进行低水位洗涤；

(2) 将水位开关调整到对应的中水位，可发现洗涤电机停转，继续往外桶中加水，当水位升至一定高度时(标出中水位刻度线)，电路再次接通，洗涤电机工作，进行中水位洗涤；

(3) 再将水位开关调整到对应的高水位，可发现洗涤电机再次停转，此时，再往外桶中加水，当水位升至接近满桶时(标出高水位刻度线)，电路接通，洗涤电机工作，实现高水位洗涤.

为了增加演示效果，纸杯中还可加入纽扣电池与LED组成发光电路，通过小弹簧制作的离心开关，实现洗涤状态下的发光指示.亦可加入音乐电路，使电机旋转时的洗涤功能与声光效果相对应.外桶亦可用大号可乐瓶制作，演示时用水少，水位高度更易调节.

参考文献：

荣俊昌.全自动洗衣机原理与维修[M].北京：高等教育出版社，2004.