基于压电泵的霾表瘦身设计

2017-04-20潘靖峰

设备管理与维修 2017年11期

潘靖峰

（江苏省新海高级中学，江苏连云港 222000）

0 引言

霾表作为一种可以方便检测局部空气污染程度（PM2.5和PM10等空气污染颗粒物指数）的仪器，近年来获得广泛应用。但霾表体积较大是其突出缺点，以常见的汉王某款霾表为例，其体积为124 mm×80 mm×31 mm，而影响在其他便携式电子产品上的集成应用。为此，尝试利用新型压电泵作为风扇对霾表进行创意瘦身设计，以减小霾表体积和拓展应用范围。

1 霾表检测PM2.5原理

目前对于PM2.5的检测主要有3种方法，即β射线法，根据β射线通过颗粒物的能量衰减，计算出颗粒物的浓度；振荡天平法，通过颗粒物导致滤膜震荡频率的变化，测试出颗粒物的浓度；光散射测试法，使用激光作为测量光源，激光经颗粒物散射后，对光学传感器输出的脉冲信号进行数字信号处理，从而计算出颗粒物的浓度。前2种方法较为专业与准确，但由于所需设备体积较大与成本高昂，并不适合民用。因此，目前大多数霾表的工作原理都为光散射法。

2 现有霾表的结构

以基于光散射法检测原理的某款常见霾表为例，参考图1。该霾表主要由风扇、风道、电池、激光发射器和传感器等结构组成。电池用于供电，激光发射器与光感应芯片用于检测PM2.5的浓度，进风口、出风口、导流板及风扇用于驱动和引导空气流入和流出。空气在风扇作用下从进风口进入，在特殊设计的导流板的引导下，含有PM2.5颗粒的空气气流正好经过光感应芯片上方及激光发射器光路，根据光散射测试法，光感应芯片计算出空气中的PM2.5。霾表中风扇和电池占了大约一半空间，这是瘦身设计的关键，由于集成应用时霾表可与其他电子设备共用电池，因此瘦身设计的核心是风扇小型化设计。风扇面积约为44.9 mm ×50.7 mm，厚度与霾表相等。

3 压电泵结构设计

图1 现有霾表结构

泵是输送流体或使流体增压的机械。泵有许多种类，本文所关注的微小型泵按能量转换原理可以分为热驱动泵、静电驱动泵、形状记忆合金驱动泵和压电泵。其中，热驱动泵的工作频率较低、输出能力较弱；静电驱动泵对绝缘要求高、性能提高空间有限；形状记忆合金驱动泵工作频率较低、受环境影响大、输出能力差；而压电泵具有工作频率高且范围宽、受环境影响小、体积小等优点，综上所述，故采用压电泵进行霾表瘦身设计。

压电泵是一种新型的流体驱动器，由日本学者樽崎哲二于1978年最先提出，广泛应用于航空航天、机器人、汽车、医疗、生物基因工程、微型机械等领域。其原理为：压电振子在压电陶瓷的逆压电效应下变形，导致泵腔的容积变化，从而起到传输流体的作用。

逆压电效应指压电陶瓷在外电场作用下，压电陶瓷产生与电场强度成线性关系的机械形变。具体而言，由于压电陶瓷内部晶粒带有电极性，且极化后内部晶粒的整体电极性方向趋向一致，在外部电压作用下内部晶粒被压缩或被拉伸，宏观上压电陶瓷表现为与电场方向相关的伸缩或扩张，起到把电能转换为机械能的作用。

压电泵由外壳、弹簧、入口阀门堵头、出口阀门堵头、泵腔、密封圈、振动膜、压电陶瓷、螺钉通气孔及底盖等组成。两片压电陶瓷分别粘贴在振动膜上下两面，形成双晶片结构压电振子，提高振幅。振动膜通过螺钉固定在外壳内部平面上，振动膜与外壳平面之间有密封圈起到对泵腔的密封作用。外壳上表面有入口和出口，入口阀门堵头和出口阀门堵头通过弹簧连接在外壳上，分别起到控制空气进出的作用。底盖上有通气孔，用于减小振动膜振动阻力。见图2。在压电泵工作时，压电陶瓷根据逆压电效应驱动振动膜发生振动，泵腔体积发生周期性变化。当振动膜下凹时，为压电泵吸气状态，此时泵腔体积增大，压强减小，空气从入口吸入，在压差作用下，出口阀门堵头克服弹簧阻力封住出口，出口阀门堵头打开。当振动膜上凸时，为压电泵排气状态，此时泵腔体积减小，压强增大，空气从出口流出，在压差作用下，入口阀门堵头克服弹簧阻力封住入口，出口阀门堵头关闭。虽然每个振动周期吸入和排出的空气量很小，但是振动膜振动频率很快，因此可以泵送足量空气。

参考相关资料，国外微型压电泵的体积可以达到14 mm×28 mm×3.5 mm，几乎是原有霾表风扇体积的1/10，可以达到很好的瘦身设计效果。

图2 压电泵结构示意

4 压电泵流量影响因素分析

压电泵的流量可以用式（1）表示：

式中Q为流量，ξ为效率，ΔV为压电振子最大变形体积，f为振动频率。效率ξ主要与入口阀门堵头和出口阀门堵头的响应速度有关；最大变形体积ΔV主要与压电陶瓷大小和弯曲刚度、振动膜大小和弯曲刚度、压电陶瓷产生的弯矩有关，其中，压电陶瓷产生的弯矩与压电参数以及电压大小相关；振动频率f一般取压电振子的谐振频率，与压电振子的厚度、面积等结构参数以及材料的弹性参数有关。