基于靜電吸附原理和超聲波加濕器原理對(duì)黑板擦和黑板的改造設(shè)計(jì)

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(diǎn)就是無(wú)法保證教室內(nèi)的空氣潔凈度，因?yàn)閭鹘y(tǒng)黑板及黑板擦在沒(méi)有用濕抹布擦拭的情況下無(wú)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(diǎn)：黑板書(shū)寫(xiě)后采用人工擦拭，花費(fèi)時(shí)間多，效率低，且產(chǎn)生的粉塵對(duì)教室的污染危害極大，對(duì)教學(xué)工作帶來(lái)諸多不便[1]；黑板擦擦拭費(fèi)時(shí)費(fèi)力，灰塵飛揚(yáng)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(dòng)式黑板造價(jià)成本太高，符合滾動(dòng)式黑板的原材料較為稀少[3]。基于此，本文通過(guò)靜電吸附原理以及超聲波加濕器原理，設(shè)計(jì)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(shí)省力，一定程度上減輕了人工成本。

1 設(shè)計(jì)方案及原理

1.1 黑板擦(太陽(yáng)能光伏電池供電)

1.1.1 設(shè)計(jì)原理

靜電除塵是氣體除塵方法的一種。含塵氣體經(jīng)過(guò)高壓靜電場(chǎng)時(shí)被電分離，塵粒與負(fù)離子結(jié)合帶上負(fù)電后，趨向陽(yáng)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(chǎng)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(qiáng)電場(chǎng)中空氣分子被電離為正離子和電子，電子奔向正極過(guò)程中遇到塵粒，使塵粒帶負(fù)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(jì)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(gè)側(cè)面(較小面積)裝有電動(dòng)排風(fēng)扇，使板擦內(nèi)部的壓強(qiáng)低于教室內(nèi)壓強(qiáng)，通過(guò)壓差，將帶有粉塵的空氣吸入板擦內(nèi)部。

粉塵先經(jīng)過(guò)玻璃纖維濾紙，之后進(jìn)入靜電發(fā)生器進(jìn)行電離，使氣體粒子帶有負(fù)電荷，在電場(chǎng)力的作用下運(yùn)動(dòng)，與空氣中的粉塵碰撞，使其帶上負(fù)電荷，向陽(yáng)極移動(dòng)。帶有負(fù)電荷的粉塵到達(dá)陽(yáng)極時(shí)釋放電子，粉塵吸附在陽(yáng)極上，再通過(guò)排風(fēng)口排出。

1.2 黑板清潔屏(太陽(yáng)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(guò)程：由按鍵驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使整個(gè)裝置自動(dòng)向前移動(dòng)；同時(shí)超聲波加濕器開(kāi)始工作，對(duì)周?chē)諝膺M(jìn)行加濕；擦拭部分將水霧連同空氣粉塵擦拭干凈。整個(gè)裝置在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，向左向右兩個(gè)進(jìn)程為整個(gè)過(guò)程，達(dá)到自動(dòng)擦拭黑板的目的。

1.2.2 裝置部件及原理

導(dǎo)軌是整個(gè)裝置的運(yùn)行部分，是使屏運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。導(dǎo)軌上的桿連同步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)達(dá)到控制屏運(yùn)動(dòng)和控制行程距離的作用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)外來(lái)的控制脈沖和方向信號(hào)，通過(guò)其內(nèi)部的邏輯電路，控制步進(jìn)電機(jī)的繞組以一定的時(shí)序正向或反向通電，使得電機(jī)正向和反向旋轉(zhuǎn)，或者鎖定。

需要確定黑板的長(zhǎng)度，使屏完全覆蓋整個(gè)黑板，得出行進(jìn)的準(zhǔn)確距離。轉(zhuǎn)動(dòng)距離可以確定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，再由公式θ=θs×A(電機(jī)處力軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，θs：步距數(shù)，A：脈沖數(shù))，將轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)化成脈沖數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖數(shù)來(lái)控制行進(jìn)距離。同樣，步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)讓裝置往回運(yùn)動(dòng)。這樣就實(shí)現(xiàn)了桿的自動(dòng)行程。

超聲波加濕器在屏的背部，裝有超聲波加濕器，對(duì)空氣加濕[4]。超聲波加濕器具有體積小，加濕強(qiáng)度大，耗電量小，控制性能好，霧粒小而均勻等優(yōu)點(diǎn)，在控制步進(jìn)電機(jī)工作后，驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)，將離子聯(lián)通粉塵吹向擦拭部分，達(dá)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(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)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(diǎn)：一是材料的選取。可以選取多孔海綿等吸附較好的材料，對(duì)粉塵及水霧擦拭效果理想，同時(shí)，不能選取太軟的材料，否則會(huì)在擦拭過(guò)程中形變，阻礙擦拭效果。二是控制壓力大小。對(duì)黑板正壓力的大小與擦拭狀況直接相關(guān)，初步擬定通過(guò)控制變量實(shí)驗(yàn)來(lái)找到最佳壓力。

1.3 黑板(太陽(yáng)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(gè)靜電發(fā)生器電路進(jìn)行靜電吸附[5]。每個(gè)電路的干路設(shè)置一個(gè)壓力開(kāi)關(guān)，若在5處進(jìn)行板書(shū)時(shí)，因?yàn)楫a(chǎn)生壓力，壓力開(kāi)關(guān)閉合，開(kāi)始進(jìn)行靜電吸附將粉塵吸附，停止板書(shū)后開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，粉塵由黑板頂部送來(lái)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(duì)人體無(wú)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(guò)程

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

3 與傳統(tǒng)黑板和黑板擦的比較

在設(shè)計(jì)出新型黑板和黑板擦模型后，本文做出實(shí)物，通過(guò)與5組傳統(tǒng)黑板擦和黑板的擦拭效果作對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該新型黑板與黑板擦的協(xié)同使用能夠在既省時(shí)又省力的情況下將粉塵污染降到更低。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目通過(guò)靜電除塵以及超聲波加濕器原理，進(jìn)行了黑板及黑板擦的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)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(lái)的智慧化教室建設(shè)中，具有廣泛推廣的意義。