潘靖峰

（江蘇省新海高級中學(xué)，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(shù)）的儀器，近年來獲得廣泛應(yīng)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(chǎn)品上的集成應(yīng)用。為此，嘗試?yán)眯滦蛪弘姳米鳛轱L(fēng)扇對霾表進行創(chuàng)意瘦身設(shè)計，以減小霾表體積和拓展應(yīng)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(jù)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(dǎo)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(jīng)顆粒物散射后，對光學(xué)傳感器輸出的脈沖信號進行數(shù)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(yè)與準(zhǔn)確，但由于所需設(shè)備體積較大與成本高昂，并不適合民用。因此，目前大多數(shù)霾表的工作原理都為光散射法。

2 現(xiàn)有霾表的結(jié)構(gòu)

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(fēng)扇、風(fēng)道、電池、激光發(fā)射器和傳感器等結(jié)構(gòu)組成。電池用于供電，激光發(fā)射器與光感應(yīng)芯片用于檢測PM2.5的濃度，進風(fēng)口、出風(fēng)口、導(dǎo)流板及風(fēng)扇用于驅(qū)動和引導(dǎo)空氣流入和流出。空氣在風(fēng)扇作用下從進風(fēng)口進入，在特殊設(shè)計的導(dǎo)流板的引導(dǎo)下，含有PM2.5顆粒的空氣氣流正好經(jīng)過光感應(yīng)芯片上方及激光發(fā)射器光路，根據(jù)光散射測試法，光感應(yīng)芯片計算出空氣中的PM2.5。霾表中風(fēng)扇和電池占了大約一半空間，這是瘦身設(shè)計的關(guān)鍵，由于集成應(yīng)用時霾表可與其他電子設(shè)備共用電池，因此瘦身設(shè)計的核心是風(fēng)扇小型化設(shè)計。風(fēng)扇面積約為44.9 mm ×50.7 mm，厚度與霾表相等。

3 壓電泵結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 現(xiàn)有霾表結(jié)構(gòu)

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(guān)注的微小型泵按能量轉(zhuǎn)換原理可以分為熱驅(qū)動泵、靜電驅(qū)動泵、形狀記憶合金驅(qū)動泵和壓電泵。其中，熱驅(qū)動泵的工作頻率較低、輸出能力較弱；靜電驅(qū)動泵對絕緣要求高、性能提高空間有限；形狀記憶合金驅(qū)動泵工作頻率較低、受環(huán)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(huán)境影響小、體積小等優(yōu)點，綜上所述，故采用壓電泵進行霾表瘦身設(shè)計。

壓電泵是一種新型的流體驅(qū)動器，由日本學(xué)者樽崎哲二于1978年最先提出，廣泛應(yīng)用于航空航天、機器人、汽車、醫(yī)療、生物基因工程、微型機械等領(lǐng)域。其原理為：壓電振子在壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)下變形，導(dǎo)致泵腔的容積變化，從而起到傳輸流體的作用。

逆壓電效應(yīng)指壓電陶瓷在外電場作用下，壓電陶瓷產(chǎn)生與電場強度成線性關(guān)系的機械形變。具體而言，由于壓電陶瓷內(nèi)部晶粒帶有電極性，且極化后內(nèi)部晶粒的整體電極性方向趨向一致，在外部電壓作用下內(nèi)部晶粒被壓縮或被拉伸，宏觀上壓電陶瓷表現(xiàn)為與電場方向相關(guān)的伸縮或擴張，起到把電能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)壓電振子，提高振幅。振動膜通過螺釘固定在外殼內(nèi)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(jù)逆壓電效應(yīng)驅(qū)動振動膜發(fā)生振動，泵腔體積發(fā)生周期性變化。當(dāng)振動膜下凹時，為壓電泵吸氣狀態(tài)，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(dāng)振動膜上凸時，為壓電泵排氣狀態(tài)，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(guān)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(guān)資料，國外微型壓電泵的體積可以達(dá)到14 mm×28 mm×3.5 mm，幾乎是原有霾表風(fēng)扇體積的1/10，可以達(dá)到很好的瘦身設(shè)計效果。

圖2 壓電泵結(jié)構(gòu)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(yīng)速度有關(guān)；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(chǎn)生的彎矩有關(guān)，其中，壓電陶瓷產(chǎn)生的彎矩與壓電參數(shù)以及電壓大小相關(guān)；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(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料的彈性參數(shù)有關(guān)。

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)有霾表主要采用光散射法檢測空氣污染程度。

（2）現(xiàn)有霾表主要由風(fēng)扇、風(fēng)道、電池、激光發(fā)射器、傳感器等結(jié)構(gòu)組成，瘦身設(shè)計的核心是風(fēng)扇小型化設(shè)計。

（3）壓電泵利用壓電振子在壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)下變形，導(dǎo)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(tǒng)風(fēng)扇。

（4）設(shè)計了一種壓電泵的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過特殊設(shè)計的彈簧、入口閥門堵頭、出口閥門堵頭，結(jié)合壓電振子的高頻振動可達(dá)到泵送足量空氣的效果，并可取得很好的瘦身設(shè)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(guān)，各參數(shù)又與幾何、材料、電壓等參數(shù)有關(guān)。

現(xiàn)有研究可對霾表小型化設(shè)計和更廣泛集成應(yīng)用提供借鑒，但是尚沒有針對所設(shè)計的霾表壓電泵進行設(shè)計參數(shù)細(xì)化、流量定量計算以及與霾表其他結(jié)構(gòu)的詳細(xì)集成設(shè)計，以后將進一步完善。

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