基于静电吸附原理和超声波加湿器原理对黑板擦和黑板的改造设计

盖 鑫，李显龙，楚博文，陈新田，李富伟，吴梅花

(新疆大学建筑工程学院城市建设系，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

在大部分学校的教室中，采用的还是传统的黑板以及黑板擦，而采用传统黑板及黑板擦的缺点就是无法保证教室内的空气洁净度，因为传统黑板及黑板擦在没有用湿抹布擦拭的情况下无法将粘在黑板及黑板擦上附着的粉笔灰处理干净，从而影响老师以及学生的健康。

传统黑板与黑板擦主要有以下缺点：黑板书写后采用人工擦拭，花费时间多，效率低，且产生的粉尘对教室的污染危害极大，对教学工作带来诸多不便[1]；黑板擦擦拭费时费力，灰尘飞扬并且容易沾灰，一般擦几遍之后要敲击震落所粘附的大部分粉笔灰才能正常使用[2]；滚动式黑板造价成本太高，符合滚动式黑板的原材料较为稀少[3]。基于此，本文通过静电吸附原理以及超声波加湿器原理，设计出了一种新型的黑板及黑板擦配套装置，能够很大程度上减少粉尘污染，并且省时省力，一定程度上减轻了人工成本。

1 设计方案及原理

1.1 黑板擦(太阳能光伏电池供电)

1.1.1 设计原理

静电除尘是气体除尘方法的一种。含尘气体经过高压静电场时被电分离，尘粒与负离子结合带上负电后，趋向阳极表面放电而沉积，在冶金、化学等工业中用以净化气体或回收有用尘粒，利用静电场使气体电离从而使尘粒带电吸附到电极上的收尘方法，在强电场中空气分子被电离为正离子和电子，电子奔向正极过程中遇到尘粒，使尘粒带负电吸附到正极被收集。

1.1.2 外部结构介绍

本结构设计外观整体为椭球型。其中包括外壳、电极、绝缘层、毡毛等主要组成部分，如图1～3所示。

图1 静电吸附黑板擦

1.1.3 内部结构

内部结构如图4所示，1为锂电池，可由外部输入；2为生成高压电的电路板；其余为固定装置。

图2 侧面擦拭图示

注：外壳使用绝缘减燥材料。

图4 静电除尘黑板擦内部结构

在黑板擦的2个侧面(较小面积)装有电动排风扇，使板擦内部的压强低于教室内压强，通过压差，将带有粉尘的空气吸入板擦内部。

粉尘先经过玻璃纤维滤纸，之后进入静电发生器进行电离，使气体粒子带有负电荷，在电场力的作用下运动，与空气中的粉尘碰撞，使其带上负电荷，向阳极移动。带有负电荷的粉尘到达阳极时释放电子，粉尘吸附在阳极上，再通过排风口排出。

1.2 黑板清洁屏(太阳能光伏电池供电)

1.2.1 概述

超声波加湿器屏主要由导轨、超声波加湿器、擦拭3部分组成。工作过程：由按键驱动步进电机，使整个装置自动向前移动；同时超声波加湿器开始工作，对周围空气进行加湿；擦拭部分将水雾连同空气粉尘擦拭干净。整个装置在导轨上滑动，向左向右两个进程为整个过程，达到自动擦拭黑板的目的。

1.2.2 装置部件及原理

导轨是整个装置的运行部分，是使屏运动的关键。导轨上的杆连同步进电机，步进电机驱动力与运动达到控制屏运动和控制行程距离的作用。步进电机驱动器根据外来的控制脉冲和方向信号，通过其内部的逻辑电路，控制步进电机的绕组以一定的时序正向或反向通电，使得电机正向和反向旋转，或者锁定。

需要确定黑板的长度，使屏完全覆盖整个黑板，得出行进的准确距离。转动距离可以确定电机转动角度，再由公式θ=θs×A(电机处力轴转动的角度，θs：步距数，A：脉冲数)，将转动角度转化成脉冲数。通过调节脉冲数来控制行进距离。同样，步进电机可以实现反转让装置往回运动。这样就实现了杆的自动行程。

超声波加湿器在屏的背部，装有超声波加湿器，对空气加湿[4]。超声波加湿器具有体积小，加湿强度大，耗电量小，控制性能好，雾粒小而均匀等优点，在控制步进电机工作后，驱动超声波加湿器电源，电源供电部分一般是双路输入，一路是给风扇供电，一路是给震荡板供电。这样一方面震荡板工作，产生悬浮的水离子，水离子对粉尘等微小粒子有吸附作用，可以降低空气粉尘浓度；另一方面风扇转动，将离子联通粉尘吹向擦拭部分，达到降低空气中颗粒浓度的目的。

擦拭部分由海绵装在屏内通过步进电机带动形成，使其在黑板上摩擦擦掉笔迹。擦拭部分的关键有两点：一是材料的选取。可以选取多孔海绵等吸附较好的材料，对粉尘及水雾擦拭效果理想，同时，不能选取太软的材料，否则会在擦拭过程中形变，阻碍擦拭效果。二是控制压力大小。对黑板正压力的大小与擦拭状况直接相关，初步拟定通过控制变量实验来找到最佳压力。

1.3 黑板(太阳能光伏电池供电)

黑板示意图如图5、图6所示。图6中将一张黑板平均分为6份，每一份后面都放置一个静电发生器电路进行静电吸附[5]。每个电路的干路设置一个压力开关，若在5处进行板书时，因为产生压力，压力开关闭合，开始进行静电吸附将粉尘吸附，停止板书后开关断开，粉尘由黑板顶部送来的风吹到黑板底部的收纳槽中。静电电压在1 000～2 000 V，就可以吸附，对人体无害。

图5 黑板示意图

图6 黑板示意图

黑板顶部利用排风扇送风，如图7所示。

图7 黑板顶部平面图

黑板底部粉尘收集槽，如图8所示。

图8 黑板底部粉尘收集槽

2 整体应用过程

老师在黑板上进行板书，由于压力传感器的作用下，粉笔对黑板上产生压力，黑板内压力开关闭合，静电吸附装置开启，将粉笔和黑板之间摩擦产生的粉尘吸附。当粉笔离开黑板，压力消失，粉尘由黑板顶部排风扇送来的风吹入黑板底部的粉尘收集槽中。若有写错的地方需要擦掉修改，使用改造后的板擦进行吸尘擦拭。关闭黑板内静电吸附总开关，打开黑板清洁屏开关，清洁屏依次对整个黑板进行粗擦、加湿、精擦的过程。

3 与传统黑板和黑板擦的比较

在设计出新型黑板和黑板擦模型后，本文做出实物，通过与5组传统黑板擦和黑板的擦拭效果作对比，5组结果都得出了表1的结论。

表1 与传统黑板与黑板擦的比较

通过实验证明，该新型黑板与黑板擦的协同使用能够在既省时又省力的情况下将粉尘污染降到更低。

4 结语

本项目通过静电除尘以及超声波加湿器原理，进行了黑板及黑板擦的设计，此设计相较于传统黑板与黑板擦，有效降低了室内的粉尘污染，并且更加高效、智能化，在未来的智慧化教室建设中，具有广泛推广的意义。