高压静电吸发器的设计与研究正文

PAGEPAGE19论文题目：高压静电吸发器的研究与设计学生姓名：所在院系：机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名：完成时间：

摘要本文介绍了一种家庭实用的高压静电除尘器。文中首先简述了静电的危害以及目前静电在工农业中的应用，以及现在家庭用吸尘器的工作原理，然后提出如何利用静电吸附原理清理室内地面毛发的思路，最后叙述了几种常见高压静电发生器的工作原理，对几种常见电路进行了分析，并对所选用的电路进行了详细的分析。论文分析了尘粒在电场中的运动规律及吸附条件，给出了设计除尘装置的理论方程，还介绍了梳状电极。此装置既可用于普通居民家庭中地面毛发等灰尘的清理，又可用于理发店美发厅等易积聚毛发场合的地面毛发等灰尘的清理。关键词高压静电，静电吸附，直流高压电源，梳状电极，除尘装置TheResearchandDesignofHighvoltageelectrostaticcleanerAbstractThisarticledescribesafamilyofhighvoltageelectrostaticprecipitatorpractical.Firstofall,thearticleoutlinesthestaticandthecurrentelectrostatichazardsintheindustrialandagriculturalapplications,andnowhomeoftheworkingprincipleofavacuumcleaner,andthenproposehowtousetheprincipleofelectrostaticadsorptionindoorgroundclean-uptheideaofhair,andfinallydescribessomecommonhigh-voltageelectrostaticTheworkingprincipleofgeneratorforseveralcommoncircuitsareanalyzedandselectedtocarryoutadetailedcircuitanalysis.Paperanalyzedthedustparticlesinthefieldofsportslawandtheadsorptionconditions,giventhedesignofthetheoreticalequationofdustingdevice,butalsointroducedacomb-likeelectrodes.Thisdevicecanbeusedincommonhouseholddustofthegroundclean-uphair,etc.,canbeusedinthesalonbarberhaireasytoaccumulateoccasionssuchasthedustofthegroundclean-uphair.Keywords：High-voltageStaticElectricity,ElectrostaticAdsorption,High-voltageDCPowerSupply,Comb-likeElectrodes,DustRemovalDevice目录1绪论 11.1静电的危害 11.2静电的应用 11.3目前吸尘器的工作原理 21.4本设计简介 22高压静电发生器的设计与研制 32.1方案一 32.2方案二 42.3方案三 52.4方案四 62.5方案五 82.5.1电路分析 82.5.2电源电路 92.5.3电源的振荡电路 92.5.4放大及振荡电路 102.5.5高压升压及倍压整流电路 102.5.6恒流自动控制电路 112.5.7隔离和滤波电路 112.6最终方案 123电场中尘粒的分析 123.1除尘装置电学分析 133.2电场中尘埃的力学分析 134吸尘头装置的设计 154.1梳状电极 154.2吸尘头装置 165结束语 17致谢 17参考文献 181绪论静电这个词对大家来说都不陌生，我们对静电的危害早已闻之胆颤，目前对静电的应用也越来越广泛。但其应用依然停留在“高处”，至今尚未走入家庭。目前家庭用的吸尘器利用的是真空吸尘，若能利用静电吸附尘埃特别是毛发，这一方向将具有很好的应用前景。本设计主要介绍高压产生电路的原理和吸尘头装置的设计。1.1静电的危害在空气干燥的季节，当你开门时偶尔会有电击的感觉，这就是静电放电（ESD）。当你感觉电击时，你身上的静电电压已超过2000伏！当你看到放电火花时你身上的静电已高达5000伏！当你听到放电声音时，你身上的静电已高达8000伏！但是现代许多高速超大规模集成电路碰到仅几十伏或更低的静电就会遭到损坏。也就是说当你接触这些电路时，你既没有感觉到又没有看到更没有听到静电放电时，这块电路就已部分损伤或完全损坏，而你可能还在找其硬件或软件的原因。你可能还没有意识到是静电这个“幽灵”。在上个世纪中叶以前，静电现象就如同科技馆中的表演，只是一种有趣的物理现象，然而现在，静电已成为高科技现代化工业的恐怖主义者。国内外近年发生了多起因静电造成的重大人员死亡事故。在军工企业部门，静电放电使火箭（弹）产生意外爆炸；在石化工业中静电放电多次使汽油着火爆炸；在电子工业中损坏电子元器件，仅美国每年因静电对电子工业所造成的损失就达几百亿美元。静电危害的另一种形式是静电力的危害，静电力的吸尘作用会影响产品质量，在大规模集成电路生产中由于静电使芯片成品率大大降低。印刷过程中由于静电吸引力使纸张难以对齐，降低生产效率。另外静电放电还产生很强的电磁干扰，其频率非常宽，从低频至几千兆赫兹以上。这种强电磁场作用时间短但其强度远比手机辐射的电磁场强，会干扰一些设备的正常工作。1.2静电的应用静电有很多危害，静电是否也能利用呢？答案是肯定的，利用静电能给人类造福。静电已广泛应用于静电除尘和分选、静电喷涂、静电纺纱、静电植绒、静电复印、静电制版、静电火箭发动机、静电轴承、静电陀螺仪、静电透镜、静电育种、静电常温灭菌。静电除尘，具有效率高的优点，现在很多空气净化器就是利用静电能吸除空气中的很小的尘埃，使空气净化。在农业中，利用静电喷雾能大大提高效率和降低农药的使用，既经济又有利环境保护。静电还有很多应用，如静电处理的种子抗病能力强，病害发生减少，而且发芽率高，产量得到提高；静电放电产生的臭氧是强化剂，有很强的杀菌作用；经过静电处理的水，既能杀菌又不易起水垢。带有静电的驻极体膜还能治疗各种软组织损伤，它有活血化瘀、消炎消肿的作用。静电还可用于喷涂，用静电喷涂家用电器如洗衣机、电冰箱的外壳非常均匀。1.3目前吸尘器的工作原理目前吸尘器的工作原理主要是利用真空吸尘，吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成，一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的功率为400～1000W或更高，便携式吸尘器的功率一般为250W及其以下。吸尘器能除尘，主要在于它的“头部”装有一个电动抽风机。抽风机的转轴上有风叶轮，通电后，抽风机会以每秒500圈的转速产生极强的吸力和压力，在吸力和压力的作用下，空气高速排出，而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气，致使吸尘器内部产生瞬时真空，和外界大气压形成负压差，在此压差的作用下，吸入含灰尘的空气。灰尘等杂物依次通过地毯或地板刷、长接管、弯管、软管、软管接头进入滤尘袋，灰尘等杂物滞留在滤尘袋内，空气经过滤片净化后，由机体尾部排出。因气体经过电机时被加热，所以吸尘器尾部排出的气体是热的。吸尘器的吸尘桶内装有一个收集灰尘的盒子，尘垢便留在集尘盒里，盒子装满后，可取出用水刷洗清理。吸尘器配上不同的部件，可以完成不同的清洁工作，如配上地板刷可清洁地面，配上扁毛刷可清洁沙发面、床单、窗帘等，配上小吸嘴可清除小角落的尘埃和一些家庭器具内的尘垢。1.4本设计简介除尘是除去或减少空气中的灰尘或烟雾。在自然环境遭到破坏的今天，大气层中的灰尘越来越多，许多工业生产，科学实验日常生活常常需要除尘处理，高压静电除尘是应用得最广泛的一种，它有四个过程：电晕放电，尘粒荷电，带电尘粒从烟气中分离，整打清灰。本文介绍的是一种由低压直流电源供电的高压静电除尘装置，结构简单使用方便。在设计由低压直流电供电的高压除尘装置之前，首先介绍了目前几种直流高压产生电路，根据直流电压转换的原理设计出高压静电发生器产生几十千伏的高压，然后分析电场分布的物理模型。带电尘粒在电场中的运动规律及吸附在极板上的条件，得出电极的几何形状和有关参数，从而设计出高压静电除尘装置。目前，静电技术在工农业生产中的日益广泛，如农业方面的静电喷雾、静电选种、静电促进植物生长和工业方面的静电除尘，静电喷漆、粉末静电喷涂等，然而至今还没有人把静电除尘用于家庭。本文设计了一种具有适合于家庭用的高压静电发生器，以及吸尘头装置。该装置目前在市场上还没有出现，有很好的应用领域和市场前景。2高压静电发生器的设计与研制目前产生高压电源的方法大致分为两种：一种是模拟方法，另一种是数字方法。前者的稳压电路、调节电路和显示电路均采用模拟电路控制，而后者则是通过数字电路进行自动控制。传统的高压电源一般通过调整十圈电位器和波段开关预置所需电压。电压值由电压表头指示，这种手工控制和指示方式有很多缺点：调整麻烦，不能很快获得所需电压，指针读数不精确，也不能在大负载和其他异常情况下自动监测和自身保护。另外，实验室中的仪器或设备，有些同学难免会乱动旋钮和开关，造成下次开机时因电压过高而损坏仪器。下面简要介绍目前几种比较常用的高压静电产生电路的工作原理。2.1方案一先介绍一个简单点的电路，下图是其电路原理图。图1电路原理图一该高压静电发生器以555为核心，配以升压变压器和高反压二极管及放电刷（针），555集成电路和R1，R2，C2组成无稳态多谐振荡器，振荡频率f=1.44/（R1+2R2）C2，图示参数约在20kHz左右，经升压变压器T1升压后，在T1的次级可得到20kHz的近10kV的高压，经D1整流后得到近7kV的电压，负载电流可达50uA。该电路原理简单，制作方便，是刚开始为了实验看本设计需要多高的电压能将毛发吸起而作的实验电路，但是结果因产生的直流高压过低，不能可靠的吸起毛发纤维等大点的尘埃，不适合作为本设计所选电路，但是为本设计的完成起了十分重要的作用。2.2方案二下面在介绍一个可产生100kV有升压电路和倍压电路组成的的直流高压产生电路，并简要分析该电路工作原理。图2电路原理图二该电路的振荡升压电路由电阻器Rl～R3、电容器Cl～C3、晶闸管VTl～VT3、二极管VDl～VD6和升压变压器Tl～T3组成。倍压整流电路由二极管VD7～VDl6和电容器C4～Cl3组成。接通电源开关S后，EL亮，C1～C3开始充电，在Tl-m的一次绕组中产生充电电流，二次绕组中产生感应高压。当Cl～C3充满电时，VTl～VT3受触发导通，Cl～C3通过Tl～T3的一次绕组对VTl～VT3放电，使VTl～VT3截止，然后Cl～C3又开始充电，使VTl～VT3间歇导通，以上充、放电振荡过程周而复始地进行，即可在Tl～T3的二次绕组上产生近万伏脉冲高压。此脉冲高压经l0倍压整流(VD7～VD9和C4、C8、C9为3倍压整流；VDlO～VDl2和C5、ClO、Cl1为3倍压整流；VDl3～VDl6和C6、C7、Cl2、C13为4倍压整流)后，产生1OOkV的直流高压。元器件选择：Rl～R3均选用1/2W金属膜电阻器。Cl～C3均选用耐压值为630V的CBB电容器；C4～C13均选用耐压值为lkV的高压瓷介电容器。CBB电容器是2层聚乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后捆绑而成；高压瓷介电容器由薄瓷片两面渡金属膜银而成。VDl～VD6均选用1N4007型硅整流二极管；VD7～VDl6均选用耐压值为2OkV的高压整流硅堆。VTl～VT3均选用3A、800V的晶闸管。Tl～T3使用14in黑白电视机的行输出变压器改制：一次绕组用φ0.41mm的高强度漆包线绕50匝，二次绕组使用原行输出变压器的高压包，安装时，二次绕组应与高压包拉开距离，可安装在高压包另一侧磁柱上。S选用5A、220V的双极开关。EL选用220V、2OOW的白炽灯泡。高压发生器工作后，在放电间隙(间隙可调)产生放电火花，这样既可限制输出电压过高，又可以指示高压的有无。整个电路安装完毕后，应用环氧树脂封装或浸在变压器油中，防止对空气放电。该电路产生的直流高压较高，电路原理也不是复杂，可用于粉末涂料生产及高压静电喷塑。但是电路关键元件Tl～T3用行输出变压器改制，而现实是行输出变压器已做成整体很难再加以改制，故也不适合该设计。2.3方案三再接着介绍一个采用交流220V电源供电，能产生近100kV的直流高压的高压静电发生器，其电路原理图如下图所示。图3电路原理图三该高压静电发生器电路由电源开关S、电源变压器T、整流二极管VD1～VD9、电容器C1～C9、电阻器R1～R4、电压表PV和电流表PA组成，如图所示。接通电源开关S，交流220V电压经电源变压器T升压及VD1～VD9和C1～C9组成9倍压整流电路，倍压整流后，产生100kV左右的直流高压，一路经R4限流后输出，另一路经R1～R3限流后，通过PV显示出输出电压值。

电路元器件安装完毕后，应使用环氧树脂进行封灌处理，以防止各元器件之间放电。元器件选择

：R1～R4均选用1W的高压电阻器。C1～C9均选用耐压值为30kV的高压瓷介电容器。

VD1～VD9选用耐压值为30kV的高压整流硅堆（也可用两只耐压为18～20KV的整流硅堆串联代替），例如2CGL30、2DGL30等型号。PA选用0～100A的电流表。

T选用成品升压变压器（二次电压为12kV左右）也可使用14in黑白电视机的分离式行输出变压器改制。S选用220V、触头电流容量大于5A的双极开关。该电路主要用于工业环境，可用于粉末涂料的生产及静电喷塑等场合，代替高压静电喷涂机的高压发生器电路。2.4方案四再来看一个用12V直流电源供电，用一片集成电路和十级电压倍增器电路构成的一种高压静电电源。本电路如下图所示，该电路以12V直流电源供电，可获得10000V直流电压的输出。直流/直流变换器把它的输出送入一个十级的高压倍增器而产生10000V的直流输出电压。IC（CD1458施密特六反相器）。门电路IC-1用作方波脉冲发生器，它产生很纯净的方波（脉冲式直流）输出。再把IC-1的输出送往IC-2至IC-6的输入端，这些反相器并联起来以驱动电流。图4电路原理图四并联的门电路输出脉冲送往VT1的基极，是VT1随着IC-1的震荡而开关工作。VT1的集电极与T1的初级线圈串联。T1的初级线圈的另一端接+12V的电源，并通过C1接地去耦合。加在VT1的脉冲信号引起开关作用，造成VT1（小铁氧体磁芯升压变压器）初级线圈中的电磁场起伏，在T1的次级线圈中诱导出极性相反的脉冲信号。把T1次级线圈的脉冲直流输出（在800V～1000V之间）加到十级电压倍增器电路，此电路含有VD1～VD10以及C2～C11，倍增器电路把电压提高到十倍，产生的输出电压可达10000V直流电压。通过二极管VD1～VD10和电容C2～C11的反复充放电，倍增器输出将是倍增器中所有电容的一连串相加的和。为了是电路能有效的工作，必须考虑方形波的频率以及加在倍增器的信号。R4，RP和C12的数值规定振荡器IC-1的输出频率（规定数值大约为15kHz）。电位器RP用来微调振荡器的输出频率。振荡器的频率越高，倍增器的容抗越低。发光二极管VD11作输出功率的指示器，而氖灯HL则指示T1次级线圈的输出。要获得倍增器最大的最好办法是把示波器连接倍增器的高压输出，通过高压探针，调节电位器RP而取得高电压的输出，如果没有合是的测试工具，可以把倍增器的输出导线与地线相隔1cm左右而造成火花，调节RP以获得最大的火花输出为佳。应当注意因倍增器的输出高压将引起强烈的电击，要注意即使把倍增器关闭之后，各电容仍然存储着电荷，如果没有充分放电触及这输出仍会有危险，把这输出短路接地可以清楚这些电荷。IC是CMOS器件，对静电很敏感。仅能承受15V直流电压超过了这个临界，IC就会损坏，二极管VD12用来防止输入电压极性相反。从电压倍增器的角度来看，二极管和电容必须能承受输入电压的两倍以上，所以，如果输入是1000V，所有的二极管和电容必须能承受至少2000V。由于这种额定电压的二极管很难找到和价钱昂贵，实际上VD1～VD10每个都是两个串联的1A/1000V整流二极管。安装时要注意以下五点：1：该装置可以安装在一块自制的电路板上，VT1必须装上合适的散热器，否则会迅速过热而损坏。2：倍增器必须组装可以防止任何离子漏电。如果高压源末端是尖的，电荷密度就会集中到这点上，而造成离子漏电。所以在焊接倍增器时要使用足够的锡焊焊成平滑的球型焊点，这点非常重要。3：应该把倍增器焊接面绝缘，以防止任何金属物体接触。可以使用高压绝缘复合材料，也可以使用耐高压油灰。4：电路的输出要屏蔽的很好的导线，要和用于电视显像管阳极高压的屏蔽线一样。这样导线可以安全处理的电压在1.5万伏至2万伏之间，并有助于防止电荷漏电。5：在倍增器电路各级取分路，所以输出电压范围从1000V直流电压到10000V直流电压。例如VD2，VD6的阴极可得到20V和6000V的电压。该电路十分可靠，保护电路做的也相当不错，只是安装较为麻烦，还需要散热器，作为大型工程，厂矿企业十分不错，但是家庭使用显得不是很方便，而且产生的直流高压也不是足够高。2.5方案五该方案高压该高压发生器由电源、振荡、功率放大、高压升压与倍压整流、恒流自动控制等部分组成（如图5所示）。其工作原理为：电网220V±10%电源加入变压器输入端，次级两个绕组提供+12V直流稳压电源和+1.25V～+27V直流稳压电源。+12V直流电源作为振荡电路的工作电压，产生15kHz左右的脉冲方波信号。图5电路原理方框图+1.25～+27V直流稳压电源是功率转换的主要能源，高压静电是通过脉冲高压经倍压整流而获得，基脉冲信号由振荡电路产生，经功率放大电路放大后，在高频脉冲变压器的升压下，最终输出12kV左右的高压信号，经8倍压整流使输出电压可达80kV。恒流自动控制取样高压回路的静电工作电流，在恒流时，其负载加大不会引起工作电流的上升，这是因为静电电流上升引起+1.25～+27V稳压电源输出电压下跌，造成高压变压器输出的脉冲的幅值减小，使倍压整流电压降低，从而导致静电工作电流的下降而使工作电流恒定于某一数值。2.5.1电路分析下图6为直流高压产生装置的电路原理图，下面分别对各部分电路进行分析。在图6的高压产生电路的原理图中未给出各个元件具体参数，这是因为刚一开始设定的参数实验出来做成产品的时候很多都有改动了，具体参数是慢慢摸索出来的。于是索性只在分析各部分电路时才给出各个电子元器件的具体参数，有的特殊元件还做了介绍，比如高压瓷介电容器，高压硅整流堆，以及哪些电容需选用电解电容哪些需选择瓷质电容，它们的耐压值又是如何等等。图6直流高压电源电路原理图2.5.2电源电路电源变压器经过降压，在两个次级绕组上分别产生13V和23V的交流电，用于供给+12V和+1.25～+27V稳压源电路。（1）13V交流电经桥堆V2整流和由三端固定稳压器N2（LM7812）及C5、C6、C7组成的稳压电路稳压后，输出稳定电压+12V。电路中的C5为主滤波电容，4700μF，C6和C7用以消除可能产生的高频自激振荡。（2）23V交流电经桥堆V1整流和由三端可调稳压器N1及C1、C2、C3、C4、R1、R2、V3、V5组成的稳压电路稳压后，输出稳定可调电压+1.25～+27V。电路中的C1为主滤波电容，C2和C4用以消除高频自激振荡，V3和V5（可选用普通二极管）用于防止输入、输出端意外短路而损坏集成块。调节电位器R1可改变输出电压U，它与R1和R2的关系为。另外电路中的V4为一大功率三级管，用于扩展电源的输出电流。2.5.3电源的振荡电路振荡电路的原理图如图7所示，电路采NE555定时器接成的多谐振荡器来产生所需一定大小的方波信号。图中各元件的参数如下：R1：33K，R2：1.6K，C为4700PF。从图中可以看到：R1、R2、C是振荡电路的定时元件，调节它们可以得到不同的振荡频率；0.01μF电容的作用是防止干扰电压对电路的影响。电阻R3及R11选用1/2W金属膜电阻器，电阻R13选用1W高压电阻，可变电阻均选用连续可调的1M瓷质精密电阻。电容C1、C3和C4均选用耐压值50V的电解电容。图7振荡电路原理图2.5.4放大及振荡电路振荡电路由555集成定时器N3及外围元件R4、R5、R6、R7、C8、C9和V6组成，输出占空比和频率均可调的脉冲方波。其输出方波的频率由下式确定：（1）式中：R4-2代表集成电路N3的4脚和2脚之间外接电阻的阻值。而该脉冲方波的占空比则由比值R4-7/R7-2确定，R4-7和R7-2含义同R4-2。从电路原理图可知，调节R5可改变输出脉冲的频率，而调节R6可改变输出脉冲的占空比，功率放大由功率三级管V9（BLF377）完成。由于555定时器的输出电流最大可达200mA，因而可直接驱动功率管V9。2.5.5高压升压及倍压整流电路图8倍压整流电路高压升压由高压升压变压器T1完成。一般升压后，高压输出能达12kV以上。倍压整流则由C13～C20及V11～V18组成的8倍压电路完成。倍压整流电路如图8所示，整流管选用耐压值2OkV的高压整流硅堆，电容选用耐压值为30kV的高压瓷介电容器。在原理图6中设高压变压器T1次级输出的电压幅值为U。当次级信号为上正下负时，则对C13充电至电压值U；当信号为上负下正时，则由C13上电压加U值一起对C14充电至2U。第2个周期开始时，以电压2U对C充电至电压值2U。以此类推，直到C16，C17、C18、C19和C20上都充满2U电压为止。这样从C20上输出的电压就是高压变压器次级输出电压的8倍，一般可大80kV以上。2.5.6恒流自动控制电路恒流自动控制电路由L1、R9、R10、V7和V8等元件组成。V7和V8可以用一个达林顿管2N6036代替。实际工作时，电流经电流表头、L1、R10回地。随着高压负载的加大，流过R10的电流亦增大，到一定值（可通过调节R10设定）时，三级管V7和V8导通，原流经R1的电流将部分地通过R3和V7回地，从而导致R1上的电压降减小，即集成块N1的3脚电位下降，其输出端2脚电压亦下降，使功放管V4（BLF377）输出电压下降，高压输出电压降低，静电电压下降，最终导致静电电流恒定在某一事先调整好的电流值上。该高压静电发生器可输出0～880kV连续可调电压，恒流控制范围可设定在50～100μA。2.5.7隔离和滤波电路图9光电隔离驱动电路原理图由于高压电源电路开关管与升压变压器工作于振荡状态，因此电路中会产生大量的高频高次谐波，为了防止这些有害的干扰影响振荡电路的工作，必须采用严格的隔离和滤波。隔离的方式效果较为明显的主要有两种，一种是变压器隔离；一种是光电隔离。前者的优点是可以作为开关管的前级推动变压器，使开关管获得足够的推动功率，从而可以减小开关管的损耗。电路采用电压比较器作为驱动电路，它能产生一组幅度相等、相位相反的脉冲信号，分别加到两个开关管基极，很好的满足电路的要求。这种方式具有电路简单、驱动功率大、输出波形好的特点，从而避免了采用体积较大而笨重且绕制繁琐的变压器驱动。光电隔离与驱动电路原理图如图9所示。2.6最终方案综上所述方案五电路十分可靠，设计合理，使用方便，尤其是它可有效地防止在使用过程中产生高压“打火”现象，从而使操作更加安全，同时对元器件具有更好的保护作用。相比于前面几个方案本电路较为适合选用。3电场中尘粒的分析静电除尘装置有圆筒式和平行板式两种,下面以圆筒式为例设计装置的相关参数。圆筒式除尘装置结构如图10所示。尘埃在静电场中的受力及运动轨迹如图11中所示。图10圆筒式除尘装置图11尘粒在圆筒中的运动轨迹3.1除尘装置电学分析中心电极为正极(圆柱形)其半径为Ra，圆筒壁为负极，内径为Rb。可以把它看成圆柱形电容器。电容大小为：（2）式中0为空气介电常数，L为圆柱筒高。将高压静电发生器的输出U0加在正负极上,圆筒中产生径向电场E。极板上电荷Q及单位长度电荷密度为：（3）（4）电场内距轴心r处的场强Er（Ra<r<Rb）。（5）Er的方向垂直于轴线呈辐射状，它是一个与r成反比的变化电场圆筒内r柱面的电势Ur与轴心电势UA之差值为：（6）3.2电场中尘埃的力学分析当带有灰尘的空气以轴向速度V1进入圆筒时，尘粒受到电场力重力和空气对它的粘滞阻力的作用。设尘粒所带电荷为q，电场强度为Er，则荷电尘粒所受的电场力Fc：（7）因尘粒半径很小（约1～10μm），尘粒其密度在（1～3）×103kg/m3，若尘粒近似球状，可知其所受的重力Mg约为10-5N数量级。球形尘粒在气体中所受的粘滞阻力FD与球的半径和速度v有关。（8）式中μ为气体的内摩擦系数，即气体的粘度。μ随温度的升高而增大。当t=0C，μ=1.8×10-5kg/m.s，取尘粒迁移的驱动速度为0.01～0.2m/s，可知FD大小约为3×10-12N，则FD＞＞Mg，Mg可以忽略。尘粒进入圆筒后，在电场力的作用下，沿轴向随气流作匀速运动的同时，必然沿径向产生偏转，如图10所示，中心电极为正，当不考虑电晕电流时，它周围产生的电晕的电势可看作UA，若尘粒电荷带电+q，在Fc的驱动下，会偏向筒壁，最终被吸附在圆筒内壁上。因此圆筒内壁就形成了收集器（集尘极）。由（9）式（10）式（11）式和（12）式可求出尘粒的运动状态。（9）式中，m为尘埃质量，解之得：（10）式中，T为速度变化的时间常数。由于m很小，所以T是很小的，以微粒为10μm的球形尘埃为例，当它的密度为1×103kg/m3时有：而尘粒到达集尘极的时间要比T大得多。所以，可以略去（10）式的指数项（即忽略粒子的加速过程）。认为尘粒已进入圆筒便达到了以稳定的趋进速度vr。（11）尘粒以vr趋向筒壁，到达的时间t2=Rb/vr。当进入圆筒的气流速度为v1时，穿越整个筒体的时间为t1=L/v1。只有当t2<=t1时，尘粒才能被吸附到集尘极上。当r=Rb时，电势差UA—Ur=UA—UB=Ue，Ue为高压电源输出电压。（12）当高压电源Ue满足（12）式，尘粒可被集尘极吸附，达到除尘的目的。此式为除尘装置设计的理论方程。圆柱筒的L、Rb选择主要依据被除尘粒的特点（尘粒半径、种类、环境及气流速度等）来确定。Ue还与v1、q有关，从理论上考虑Ue越高除尘效果越好，但由于受电源装置绝缘性能和空气击穿等安全条件的限制，Ue不宜太高，一般小于几十千伏。例如要设计的一个实际的圆筒式除尘器，取Rb=0.05m，L=0.4m，中心轴线电晕极半径Ra=0.01m。对1～10μm的尘粒，电荷q=10-17～10-16C，随着v1=0.5m/s的气流进入除尘圆筒。有式（12），尘粒被吸附所需要的高压电源Ue为：当除尘装置的几何尺寸和高压电源电压Ue确定后，除尘装置的捕集效率主要取决于尘粒所带电荷量q，增大q可以提高除尘装置的捕集效率。实验证明，在设计参数选择恰当时，此装置有很好的除尘效果。4吸尘头装置的设计本设计的高压电源部分已经选用方案五设计的高压发生器电路，该模块可以直接单独使用，就是它也可以独立使用在其他场合。下面详细研究吸发器头部装置。在做设计之前首先应做好理论分析，另外还要参考了目前已有的除尘头装置，特别是用于厂矿企业中的空气净化装置和现在家庭用的吸尘器装置头。4.1梳状电极由以上结论，对高压静电除尘，当所加Ue一定，q越大，尘粒沿轴向行程越短，即越易被集尘极吸附。临界电荷q0为：（13）即尘粒需荷一定数量的基本电荷才能被吸附。尘粒电荷的获得，一是由于空气中的正负离子，自由电子与尘粒相互碰撞得到电荷，这种电荷是扩散电荷，数量是很少的；二是让尘粒处在强电场中，在强电场的电极附近产生电晕而得到电荷，尘粒在电晕的作用下可获得大量电荷。为此，可将尘粒先经过梳状电极“充电”即将气流先通过梳状电极电场作用的“笼”使尘粒得到较多的电荷，再进入除尘器中，提高除尘效率。之所以卷成筒状还因为这样可以在地板上滚动很方便快捷的吸收地面上的不易被普通家庭用除尘器清理的毛发纤维等尘埃，为家庭的清洁和居民的健康做出应有的贡献。达到彻底清理毛发（包括现在很多家庭饲养的宠物脱落的毛发）的目的。图12梳状电极梳状电极由一组并列的，长短错开的尖端组成，尖端弯成一定角度，成一条尖端长链，卷成一圆筒状，形成如图12所示的梳状电极“笼”因为导体表面各处的电荷分布与导体的曲率半径有关，曲率半径愈小（即愈尖的地方）电荷密度愈大，尖端附近电场愈强。当在电极上通电，梳状电极两端产生较强的电场，使流过此处的空气分子电离，若电极为正，电离后的电子被电极吸附，而正电荷的尘粒随气流进入下一级，并达到尘粒电量+q增多的目的。例如尘粒半径r0=1μm,认作孤立导体的电容C=10-16F，当Us=10kV，得q=10-14～10-12C。这个数值远远超过除尘器对尘粒电荷q0的临界值。可以更好地保证除尘效果，提高捕集效率。对圆筒式除尘装置，由（4）式，（5）式联立解之得：为达到好的除尘效果Er=104～105V/m较为合适。4.2吸尘头装置图13吸发器头装置图为了能使吸尘头在地面滚动以吸起地板上的毛发，设计了如图13所示的吸发器头部装置。另外因高压静电除尘装置的电压很高，绝缘及防雷击的问题以及耐高温的问题需要另行设计解决。限于本人能力及设计时间有限没有做深入的研究设计。5结束语本文首先介绍了静电知识，指出其危害，说明目前人们如何利用静电来为人类服务，提出利用高压静电来清理室内毛发这一思路。随后通过几个实例比较介绍了高压静电发生器电路的原理并作了简要分析，接着分析了吸尘头装置的设计和制作，详细推导给出了理论方程和吸附条件，最后指出了整个吸尘装置的安装和使用注意事项。致谢四年的大学生活不知不觉中就要结束了，在这段难忘的生活中，有我许多美好的回忆。我的心中，除了不舍，还是不舍,我想有许多人是我要用一辈子去铭记的。]在这份大学的最后一页里，我要感谢的人很多，首先要感谢我的学校，感谢在这四年中交给我的做人道理，让我从一个懵懂得高中生变成一个成熟的青年。还要感谢我的论文指导老师田老师，在他的指导下我完成了论文，田老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。田老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，给以终生受益无穷之道。我从心里感谢他。还要感谢的是我们各课任课老师，他们从大一把我们迎进来，到现在把我们送走，在四年来一直照顾我们的学习和生活，所以在这里也一定要特别感谢他们。当然，还要感谢寝室的兄弟们在我完成论文的过程中给予我的帮助和鼓励，也是他们陪我度过这四年的生活最后要感谢的就是我的父母、朋友，对于他们我更是有千言万语，还是汇聚成一句话：感谢你们一直都伴随着我。现在即将挥别我的学校、老师、同学，还有我四年的大学生活，虽然依依不舍，但是对未来的路，我充满了信心。最后，感谢在大学期间认识我和我认识的所有人，有你们伴随，才有我大学生活的丰富多彩，绚丽多姿！参考文献张勇.PROTEL99SE电路设计技术入门与应用[M].北京：电子工业出版社，2007.童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M]，北京：高等教育出版社，2000;阎石.数字电子技术基础[M]，北京：高等教育出版社，1998;康敏,刘德营.高压静电发生器设计.农机化研究[J].2001.11（4）55-56程守洙.普通物理学[M].北京:高等教育出版社,2000.马文蔚.物理学原理在工程技术中的应用[M].北京:高等教育出版社.1995.刘后启,林宏.电除尘器[M].北京:中国建筑工业出版社,1987解广润.高压静电除尘[M].北京:水利电力出版社.1993.50-53库兹明科.孙琦译.晶体管直流电压变换器的设计[M].北京:人民邮电出版社梁显鉴.宽范围可调高压电源[J].电子技术,1997,（4）;176董玉振.微型数控高压电源的研究[J].高点压技术，1994，20（4）；23李爱文.现代逆变技术及应用[M].北京:科学技术出版社，2000沙占友.特种集成电源最新应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2000戴晓明,李振国.新型高压开关电源的研制[J].原子能科学技术,2000，34（2）：125-127PasicH,BaylessD,andAlamK,PrudichM.DevelopmentofaMembrane-BasedWetESP.PasicH,AlamK,andBaylessD,etal.FurtherDevelopmentoftheMembraneElectrostaticPrecipitatorPasicH,etal.US6,231,643.MEMBRANEELECTROSTATICPRECIPITATOR.PasicH,BaylessD,AlamK,etal.UsingMembraneWetESPforCaptureofFineParticulate.Gordeev,P.Getal.VZP-5/50High-VoltageChargingCon-verter［J］．Prib．Tekh．Eksp．1990,（2）．基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发HYPERLI