剖析水位開關在全自動洗衣機中的應用

熊小蘭　黃春如

(江西省樟樹第三中學，江西　宜春　331200)

①　本文為中國教育學會物理教學專業委員會2013年—2016年全國物理教育科研重點立項課題“低成本物理實驗研究及教具制作”的研究成果.

名師簡介：黃春如(1962—　)，男，江西省中學物理學科帶頭人，中學物理高級教師，宜春市名師，江西省教育學會物理教學專業委員會理事，主要從事中學物理實驗教學研究.

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·名師論壇·

剖析水位開關在全自動洗衣機中的應用

熊小蘭黃春如

(江西省樟樹第三中學，江西宜春331200)

①本文為中國教育學會物理教學專業委員會2013年—2016年全國物理教育科研重點立項課題“低成本物理實驗研究及教具制作”的研究成果.

名師簡介：黃春如(1962—)，男，江西省中學物理學科帶頭人，中學物理高級教師，宜春市名師，江西省教育學會物理教學專業委員會理事，主要從事中學物理實驗教學研究.

摘要：現代家用電器的自動化程度越來越高，形形色色的傳感器充當了自動化控制的媒介，給現代家用電器披上了神秘的面紗.本文以全自動洗衣機水位開關為切入點，介紹了其結構及水位自動控制原理，目的是想通過這一案例，引導學生認識自動控制的基礎仍來源于我們所學知識，并非高深莫測.通過自制洗衣機模型，既能培養學生的動手動腦能力，又能較好地提升學生的科學素養.

關鍵詞：洗衣機；水位開關；結構功能；受控原理

隨著時代的進步、科技的發展和人們生活水平的提高，家用洗衣機從最初的洗甩分離的雙桶式，逐漸發展成了集電磁自動控制、水位自動控制于一體的一桶式，通過自動控制系統實現注水、洗滌、排水、脫水等功能，通過各種功能的有機組合，實現了一鍵操作式洗衣功能.為踐行“從生活走向物理，從物理走向生活”的課程理念，筆者選擇全自動洗衣機中的水位自動控制系統進行剖析，重點分析水位開關的結構及自動控制工作原理，從一個側面引導學生去認識現代家用電器中神秘的自動控制，其實并非高深莫測，它就來自于中學物理基礎知識的應用.并用簡易器材自制模型，剖析洗衣機是如何利用水位開關實現水位自動控制的，以幫助學生更好地了解氣體壓強的應用、傳感器工作原理、自動控制等方面的知識.對洗衣機各模塊功能的探究亦是學生課外綜合實踐活動的好選題，通過動手實踐活動，既能加深學生對所學書本知識的理解，又能較好地探究和了解洗衣機的工作原理，促進學生科學素養的提升.

1洗衣機水位開關的功能簡介

洗衣機洗滌時，洗滌和漂洗的水位高低各不相同，洗衣機是怎樣識別指令并正常工作的？要解開這一疑惑，就得先從洗衣機上的水位開關說起.

圖1為水位開關的實物圖，圖2為其原理示意圖，水位開關主要為下、中、上三部分：下部為氣室，通過塑料軟管與洗衣機外桶相連；中部為壓力調節杠桿，與氣室的橡皮薄膜和開關的金屬彈片相連，傳遞橡皮薄膜形變產生的作用力，推動金屬片導致電路的通斷；上部為彈片上的調節彈簧，凸輪作用于水位調整開關上部的調節彈簧上，水位高低設定時旋轉旋鈕，帶動凸輪轉動，使彈簧產生大小不同的形變量，彈簧產生的彈力與橡皮膜形變產生的彈力通過調節桿共同作用于開關的金屬彈片上，使金屬片通斷的難易程度有所不同，實現水位的調節.壓得松時，下部氣室中的壓強較小就能使金屬片接通電路，實現低水位運轉.壓得緊時，下部氣室中的壓強更大才可使金屬片接通，實現高水位運轉.

2洗衣機洗滌時水位開關的受控原理

圖3為洗衣機水位開關受控原理示意圖，圖4為水位開關受控工作的流程圖.水位開關通過塑料管與洗衣機外桶相連接.洗滌過程中，當進水電磁閥向洗滌桶內注水時，桶內的水平面會不斷地升高，在它超過外桶底部的氣室入口時，氣室內的空氣就被封住了出口，隨著水位液面的不斷升高，桶底的壓力就越來越大，使導壓管和水位開關內部的空氣被壓縮，氣壓也隨著增大，水位開關內的橡皮薄膜被氣壓推動逐漸向上運動，通過壓力調節桿帶動水位開關內部金屬彈片的觸點導通，電源給洗滌電機供電，電機旋轉，實現洗滌功能.

洗衣機洗滌過程完成后，將水排出，隨著洗衣筒內水位的降低，水位控制開關壓力腔的氣壓也一同降低，洗衣筒內的水逐漸排出，橡皮薄膜在壓力調節桿的作用下逐漸復位，水位開關金屬片兩觸點斷開連接，被恢復成原來的常開狀態，進水電磁閥通電吸合，洗衣機又開始第二輪的進水、洗滌.

3自制洗衣機水位自動控制模型及洗滌演示

洗衣機由內桶、外桶、波輪、電機、給排水自動控制等部分組成.洗滌時首先根據衣物的多少，設置水位的高低，進水電磁裝置受控開啟，實現注水，當桶內水位達到水位開關設定的(高、中、低)某一水位時，停止注水，電機接受指令啟動帶動波輪旋轉，洗滌衣物.洗滌完成后，排水裝置受控排水，之后在離合裝置作用下，波輪和內桶一同隨電機高速旋轉，由于離心運動作用，達到水份與衣物分離的脫水目的.

圖5　簡易洗衣機模型

圖6　模擬洗衣機電路

如圖5為簡化洗衣機模型，圖6為簡易洗衣機電路.紙杯充當內桶，電腦散熱風扇充當波輪和電機，紙杯安裝在電機風扇上，電機轉動帶動紙杯旋轉，模擬洗滌情形.為便于演示，電機和內桶置于塑料臺板并平放于外桶上.外桶底部開孔與塑料管相連，塑料管的另一端與水位開關相連.往外桶中注水，外桶上的水位刻度線與水位開關的低水位、中水位、高水位相對應，當達到某一刻度線時，水位開關閉合使電機電路導通，電機旋轉完成洗滌功能.

簡易模型的主要元器件有：① 電源(兒童玩具小車中的充電電池，電壓4.8V)；② 洗滌電機(廢舊電腦散熱風扇，工作電壓5V)；③ 水位開關(洗衣機專用開關)；④ 洗滌內桶(用紙杯模擬，挫平底部，安裝在風扇電機上)；⑤ 用塑料桶模擬的洗滌外桶；⑥ 導壓管(與水位開關孔徑相當的塑料軟管)；⑦ 與水位開關對應的水位刻度線.

模擬洗滌演示步驟為：按圖5連接電路及裝置.導壓軟管與水位開關連接之后，在與外桶連接前，用嘴對著與外桶連接的軟管端吹氣，若水位開關導通，電機運轉，則說明裝置及電路各部分連接良好.可進行下面的實驗操作.

(1) 將水位開關調整為低水位.往外桶中加水，當水位升到一定位置時(標出低水位刻度線)，電路接通，洗滌電機通電工作，進行低水位洗滌；

(2) 將水位開關調整到對應的中水位，可發現洗滌電機停轉，繼續往外桶中加水，當水位升至一定高度時(標出中水位刻度線)，電路再次接通，洗滌電機工作，進行中水位洗滌；

(3) 再將水位開關調整到對應的高水位，可發現洗滌電機再次停轉，此時，再往外桶中加水，當水位升至接近滿桶時(標出高水位刻度線)，電路接通，洗滌電機工作，實現高水位洗滌.

為了增加演示效果，紙杯中還可加入紐扣電池與LED組成發光電路，通過小彈簧制作的離心開關，實現洗滌狀態下的發光指示.亦可加入音樂電路，使電機旋轉時的洗滌功能與聲光效果相對應.外桶亦可用大號可樂瓶制作，演示時用水少，水位高度更易調節.

參考文獻：

榮俊昌.全自動洗衣機原理與維修[M].北京：高等教育出版社，2004.