机械毕业设计（论文）-高压静电灭虫器的研究与设计【全套图纸】

高压静电灭虫器的研究与设计高压静电灭虫器的研究与设计 摘 要 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 在现在工农业生产中，病虫害是科学研究中非常棘手的一项难题。传统的化学杀虫剂不仅杀虫 效果不佳，而且对环境卫生、食品安全、人类健康等都有很大的不利影响。所以，洁净、安全的物 理灭虫法的研究与设计就显得特别的必要，高压静电灭虫器的研究与设计就是在这种环境与条件下 产生的。 本毕业论文研究和分析了高压静电的产生方法，并根据实际选择合适方案。由此来选择所需的 电器元件和零件，设计灭虫器的主电路、控制电路、工作电路等。最后在设计基础上，将电器元件 组成的电路集成到一块电路板上，将控制开关、电源等布置到合适位置，把工作装置设计成有益于 人们应用的形式。 另外，在电学部分设计完成后，为灭虫器设计一个大小、重量、材料、形状合适的外壳，使其 既实用又安全。 论文的研究结论有： （1）利用 SG3525 控制逆变电路可将直流电流转化成震荡的交流电，再通过 MOSFET 提高震 荡频率。 （2）利用普通变压器将低压高频交流电升压为较高压交流电流，倍压电路又将其进一步升压， 并转化为高压直流静电，用于杀灭害虫。 （3）为了提高杀灭害虫的功效，和杀灭不同植物上的害虫，高压灭虫器的高压探头可设计成 不同形状的多电极的探头。 （4）高压灭虫器的外壳为塑料材料制作的喷雾器结构形状。 本毕业设计特点与创新： （1）从环境和健康的话题出发，提出创新的杀虫方法，符合当今社会的可持续发展原则； （2）应用了电力电子技术中的 PWM 技术、逆变技术、倍压升压原理和 SG3525、MOSFET、 高压包等集成电学芯片等。 （3）综合应用了机械、电工、电子、模具设计等多学科的专业知识。 关键词：灭虫；高压静电；逆变；升压 Research and Design of High Voltage Electrostatic Insect Killer ABSTRACT In the present industrial and agricultural production, pest and disease is a scientific research very difficult problem. Not only killing the traditional chemical pesticides ineff - ective, but also for environmental health, food security, human health has a significant adverse effects. So, clean, safe pest control method of the physical and design is parti- cularly necessary, pest control device of high voltage electrostatic and design is in this environment and under the conditions generated. In this thesis I researched the method of high voltage static electricity, select the appropriate program according to the actual. As to select the required electrical components and parts, designed for insect killers main circuit, control circuit, the working circuit. Finally , based on the design, electrical components integrated circuit board, the control switch and power supply were arranged to the right location, the working device was designed to benefit people in the form of application. Thesis concluded that: (1)Using Inverter circuit controlled by SG3525,DC can be changed to Concussion current. Through the mosfet improve concussion frequency. (2)By using common low-voltage high-frequency ac transformer will boost for high-pressure ac current and voltage circuit, times its further boost, and translated into high-voltage dc static, and used to kill pests. (3)in order to improve the effect of kill pests, and kill pests on different plants, The probe of high pressure insect killer can be designed into a probe consist of many different shapes of electrodes. (4)high-pressure an extermination of the plastic materials for making the shell structure of the spray shape. The features and innovation of the graduation design: (1)From environmental and health topics, based on innovative insecticidal method, accord with the principles of sustainable development in todays society; (2)applied power electronic technology of PWM technology, inverter technology, and SG 3525 pressor principle and pressure, MOSFET, ignition coil etc integration electrical chips, etc. (3)comprehensive application of mechanical, electrical, electronic, mold design science professional knowledge. Key Words：kill pests；High voltage electrostatic；Inverter；boost I 目目 录录 第第 1 1 章章 前前 言言1 1.1 植物与园林植物-1 1.2 园林植物病虫害的危害与现状-1 1.3 植物病虫害防治-2 1.3.1 化学防治-2 1.3.2 其他病虫害防治方法-4 1.4 本次毕业设计目的与研究内容-7 1.4.1 研究目的-7 1.4.2 研究内容-7 1.5 本研究设计的技术路线-7 第第 2 2 章章 高压静电灭虫器电路设计高压静电灭虫器电路设计8 2.1 高压静电灭虫器的方案选择-8 2.1.1 方案示例-8 2.1.2 方案分析与确定-8 2.2 高压静电灭虫器的电路设计计算 -11 2.2.1 高压灭虫器电路工作原理-11 2.2.2 DC/AC 逆变电路设计 -11 2.2.3 N 沟道功率 MOSFET 放大器 75NF75 -20 2.2.4 升压电路设计-22 2.2.5 高压探头的设计-24 2.2.6 模块结构-25 第第 3 3 章章 外壳结构设计外壳结构设计26 3.1 外壳材料选择-26 3.2 结构设计-26 3.2.1 背板结构设计-26 3.2.2 面板结构设计-29 3.2.3 输送电线装置结构设计-29 3.2.4 喷头结构设计-30 3.2.5 长杆结构设计-30 3.2.6 长杆与面板连接件结构设计 -31 3.2.7 长杆与探头连接件结构设计 -32 3.2.8 手柄结构设计 -32 3.2.8 装配图-33 第第 4 4 章章 结论与讨论结论与讨论34 4.1 结论-34 4.2 讨论-34 参考文献参考文献.35 附附 录录36 致致 谢谢44 前言 1 第第 1 1 章章 前前 言言 1.1 植物与园林植物植物与园林植物 植物是生命的主要形态之一，包含树木、花卉、农作物、花草等等。我们所熟悉 的植物多为靠光合作用从太阳光中得到能量而生存的绿色植物。 在农业生产中，农、林、牧、副、渔业都直接或间接地与植物有关。经济建设和 人民生活所需的粮、棉、油、麻、丝、茶、糖、菜、烟、果、药等，都取自于植物； 即使各种家畜、家禽、鱼类等的养殖，也需要植物作为饲料来源。在工业方面，无论 是食品、油脂、制糖、制药、建筑、纺织、造纸等工业，或是橡胶、油漆、酿造、化 妆品等工业，甚至冶金、煤炭、石油等工业都需要植物作为原料或利用到植物的产品。 随着国家经济的发展，人们生活水平的提高，园林花卉业发展迅速。园林植物指 种植于城镇公共绿地、专用绿地、游览区、庭院等地，以观赏其花、果、叶、根、枝 干，绿化、美化效果好，又具有一定经济价值的各种草本、木本和藤本植物。发展园 林花卉植物对于绿化环境、美化生活、发展经济都有重要的作用，在当今全面建设小 康社会，举国保护生态环境，全面呼唤绿色革命的新形势下，更有特殊意义。 1.2 园林植物病虫害的危害与现状园林植物病虫害的危害与现状 园林花卉在发育的整个过程中经常遭受到不良因素的侵袭，导致其外部形态、内 部组织或生理机能上发生异常变化，从而使花卉降低或完全丧失其社会、生态和经济 效益。这种异常变化统称为园林花卉病虫害。 我国园林植物病虫害，目前已知的有 4000 多种，含病毒 1000 多种，害虫 3000 多 种，其中危害严重、影响较大的达数百种，对园林植物造成很大的危害。主要表现有： 危害种子、幼苗，侵染、蚕食叶片，伤害花器、根部，污染环境，妨碍生态效益、社 会效益、经济效益等。 园林植物害虫一般有：食叶害虫、吸汁害虫、枝干害虫、地下害虫等。 食叶害虫主要危害特点是：吃光叶片，削弱树势，危害健康的植株，多数种类繁 殖能力强，产卵集中，易爆发成灾，并能主动迁移扩散，扩大危害的范围。 吸汁害虫以刺吸式口器吸取幼嫩组织的养分，导致枝叶枯萎。 枝干害虫生活隐蔽，害虫危害初期不易被发现，一旦出现明显被害征兆，则已失 去防治有利时机。枝干害虫蛀食韧皮部、木质部等，影响输导系统传递养分、水分， 导致树势衰弱或死亡，一旦受侵害后，植株很难恢复生机。 地下害虫常见的有地老虎、蛴螬、蟋蟀、蝼蛄、白蚁等。在苗圃和一二年生的园 林植物中，常常危害幼苗、幼树根部或近地面部分，严重影响植株正常生长。 高压静电灭虫器的研究与设计 2 1.3 植物病虫害防治植物病虫害防治 植物病虫害的防治原则是：消灭病原物或抑制其发生与蔓延;提高植物的抗病能力; 控制或改造环境条件，使之有利于植物而不利于病原物，从而抑制病虫害的发生和发 展。通常采用的病虫害防治方法主要有：化学的、生物的、物理的方法等。 1.3.1 化学防治化学防治 化学方法防治即我们常使用的农药防治，农药防治具有见效快、效果好、操作方 便、适应性广及经济效益显著等特点。由于如上这些特点，农药防治植物病虫害的方 法得到了广泛的使用和发展，从而，大量的农药被大量而广泛的应用，我国每年农药 的使用量达 80 余万吨。农药必须用植保机械喷洒到植株或田间。在使用喷雾器喷洒农 药时非常危险，很容易皮肤接触到农药而发生农药中毒，所以，进行农药喷洒时一定 要做好防护： （1）喷洒时必须穿好防护衣裤，带口罩、手套等。与农药接触部位要立即用清水、 肥皂清洗干净。伤患、孕妇、儿童等不宜进行作业。 （2）不能逆风喷洒，小心中毒。 （3）喷枪不可对准农作物直接喷射，以免损伤作物。 （4）使用完毕，要将药液清理干净，并清洗喷雾器各部件，防治药品对零部件腐 蚀严重。 尽管做到以上各点，但是有时还会由于零件破损、开关漏水等原因，还会发生打 气困难、药液泄露等而危害人类。 农药进入自然界发生各种行为：渗透、滞留、扩散、遗失等移动行为；蓄积、富 集等吸收行为；代谢、消解等演变行为以及循环、轭合、结合、矿化合聚合等多种行 为。因农药使用不到带来许多不良的后果： （1） 引发人畜急性中毒或对植物引发药害； （2） 引起防治对象产生抗药性或形成病虫草害更加猖獗； （3） 破坏自然界的生态平衡； （4）环境或食品的农药残留使人体农药负荷增加，甚至造成慢性中毒或其他疾病。 1. 杀虫剂危害杀虫剂危害 杀虫剂种类很多，如：有机磷杀虫剂、氨基酸酯类杀虫剂、拟除虫菊酯类杀虫剂、 苯甲酰脲类杀虫剂等。 最初，杀虫剂的确给害虫带来毁灭性的打击，粮食产量有所提高。但时间长了， 害虫逐渐有了抗药力，于是农民便加大使用量。40 年来，尽管世界杀虫剂的用量增加 了 10 倍，但病虫害造成的农作物损失反而增加了一倍，仅病害就造成了 12的减产。 前言 3 在五十年代中期，埃及棉田引进了杀虫剂，刚开始，被称为“征服大自然的一个重大胜 利”。但到了 1961 年，棉花 收成却减少了 35。从 1950-1964 年，尼加拉瓜棉花种植 面积增加了 10 倍。植棉者听从美国国际开发总署技术人员的建议，每季除了使用化肥 以外，还施用杀虫剂 8 次之多，收成是增加了，但到了 1966 年，每季却要用杀虫剂 30 次，即使如此，棉花的产量依然从 1965 年的每英亩 308 公斤，降到 1968 年的 233 公斤。到了 1971 年，已有 15 种主要害虫对当时使用的杀虫剂产生了抗药性。越是有 效的杀虫剂，有效的时间也越短。有几种害虫，目前已到了无药可杀、刀枪不入的程 度。杀虫剂给人类健康带来的危害是巨大的。在美国，每年估计有 45000 例杀虫剂中 毒事件，200 人死亡。在中国，农药引起中毒的事故更为严重。1989 年据 29 个省统计， 中毒人数 9 万多人，死亡 16000 多人。 杀虫剂经各种反应行为生成多种农药中间体，如；氨基酸酯类杀虫剂可转换为异 氰酸甲酯和甲氨基甲酰氯等。异氰酸甲酯不稳定，遇水变成不对称的二甲基脲，遇碱 分解，有强烈的气味，有催泪作用，极易燃烧。甲氨基甲酰氯遇碱遇水分解，易引起 爆炸，高温不稳定，对眼、呼吸道有刺激作用。 杀虫剂或其中间体进入人的机体后，能与体液和组织发生生物化学作用，而扰乱 或破坏机体的正常生理功能，破坏机体的正常结构，引起暂时性或持久性病理状态， 甚至危及生命，而成“毒药”。有机磷剂在人体体内通过抑制胆碱酯酶活性，使它失去 分解乙酰胆碱的功能，对神经产生过多刺激，诱发一系列神经系统症状。 儿童由于自身的各种特点，如：较低的体重、器官正常发育、较高的代谢率以及 独特的行为方式。他们对农药的敏感性更强，所以危害也更加严重。许多高毒农药会 造成致癌、致畸、致突变等危害，严重伤害儿童的神经系统发育、智力发育等。 2 农药的限用和禁用农药的限用和禁用 目前,无论是国内还是国外,一些化学农药对人类存在着“三致”(即致癌、致畸、致突 变)问题及对生态环境的污染问题,尤其是对地下水的污染,已经影响到人类的生存和健 康。因此,世界各国分别对一些高毒剧毒农药制定了禁用和限用政策。 全球禁止或限制使用的 12 种有毒化学品根据签署的一项联合国公约,12 种有毒化 学物将在世界各地被法律禁止或限制使用。这项公约将禁止、逐步停止或大幅度减少 一系列有害工业化学品和杀虫剂的使用,而这些化学物质已经在土壤和水中残存了几十 年。这 12 种有毒化学品包括 8 种杀虫剂(艾氏剂、氯丹、滴滴涕、狄氏剂、异狄氏剂、 七氯、灭蚊灵和毒杀芬)、2 种工业化合物(多氯化联苯和六氯苯)以及 2 种由燃烧和工业 加工带来的副产品。这些有毒化学物质不仅难于进行生物降解,而且流动性很强,能够通 过自然循环散布到世界各地。这些污染物能够沿食物链传播,在动物体内富含脂肪的组 织上积聚,并被怀疑会引起过敏、先天缺陷、癌症、免疫系统和生殖器官受损等。联合 国环境规划署发言人迈克尔.威廉斯表示:“这是一项具有历史意义的成就,它使我们有机 会清除人类制造的某些毒性最强的物质”。 高压静电灭虫器的研究与设计 4 国家经贸委和农业部制定出逐步封杀 5 种高毒剧毒农药的时间表 2004 年 1 月 1 日, 我国开始撤销甲胺磷、久效磷、甲基对硫磷、对硫磷、磷胺 5 种高毒农药生产、销售、 使用的有关证书;2007 年 1 月 1 日,我国将全面禁止这 5 种高毒剧毒农药的使用。按照既 定计划,国家经贸委将高毒剧毒农药产品的禁用时间分为三个阶段。 第一阶段为 2004 年 1 月 1 日2004 年 12 月 31 日。此阶段开始撤销 5 种高毒农药产品生产、销售、使 用的有关证书,并开始部分禁用,使 5 种高毒农药的使用比例下降 15%;第二阶段为 2005 年 1 月 1 日2006 年 12 月 31 日。此阶段严格禁止 5 种高毒农药原药生产企业外的其 它企业生产或加工此类产品,并将高毒农药的使用范围局限于棉花、小麦、玉米、水稻 4 种作物;第三阶段自 2007 年 1 月 1 日起,全面禁止上述 5 种高毒农药的使用。目前我国 5 种高毒农药的总产量约为 10 万/,占农药总量的 20%25%,其产值则占总产值的 15%左右,约为 3 个亿。这 3 亿元产值减少的损失主要由高毒农药原药生产企业来承担。 高毒农药品种禁用时间表的颁布,标志着我国农药产品结构调整计划全面启动。 农业部种植业司司长陈萌山在加强农药管理新闻发布会上宣读了 199 号农业部公 告：为从源头上解决农产品尤其是蔬菜、水果、茶叶的农药残留超标问题，农业部在 对甲胺磷等 5 种高毒有机磷农药加强登记管理的基础上，又停止受理一批高毒、剧毒 农药的登记申请，撤销一批高毒农药在一些作物上的登记。现公布国家明令禁止使用 的农药和不得在蔬菜、果树、茶叶、中草药材上使用的高毒农药品种清单。 国家明令禁止使用的农药： 六六六，滴滴涕，毒杀芬，二澳氯丙烷，杀虫脒，二澳乙烷，除草醚，艾氏剂， 狄氏剂，汞制剂，砷、铅类，敌枯双，氯乙酸胺，甘氟，毒鼠强，氟乙酸钠，毒鼠硅。 在蔬菜、果树、茶叶、中草药材上不得使用和限制使用的农药： 甲胺磷，甲基对硫磷，对硫磷，久效磷，磷胺，甲拌磷，甲基异柳磷，特丁硫 磷，甲基硫环磷，治螟磷，内吸磷，克百威，涕灭威，灭线磷，硫环磷，蝇毒磷，地 虫硫磷，氯唑磷，苯线磷 19 种高毒农药不得用于蔬菜、果树、茶叶、中草药材上。三 氯杀螨醉，氰戊菊酯不得用于茶树上。任何农药产品都不得超出农药登记批准的使用 范围。 1.3.21.3.2 其他病虫害防治方法其他病虫害防治方法 除喷洒杀虫剂来防治植物病虫害外，还可以利用光、声、电、微波、射线、激光 灯等物理技术诱杀。 （一）高温杀虫法。最适宜昆虫生长发育的环境温度为 2223，在此温度界限 内，昆虫发育繁殖的很快，温度高于或低于此界限时，昆虫的发育则受到阻滞，将延 缓它的发育期以致死亡。害虫的致死高温为 50以上，当害虫处在 50高温环境中， 经 8 小时；各发育阶段的害虫皆可杀死；当环境温度为 60时，经 56 小时即可杀死； 前言 5 当环境温度为 70时，则只需 30 分中即可杀死。高温环境使虫体壁上的护蜡层和蜡层 被破坏，使体内水分过份蒸发，新陈代谢急剧加快，虫体蛋白质凝固，而加速致死。 高温杀虫法在早期曾使用过阳光曝晒法和烘房烘烤法，这两种方法虽有一定的杀 虫效果，但对纸张、纺织品等档案藏品的材料贸地有不同程度的损坏，光氧化、热氧 化等化学变化，使纸张脆裂，强度下降，颜色减退。故曝晒和烘烤的方法应被淘汰， 而远红外辐照杀虫和微波辐照杀虫新技术正兴超推广。 （二）低温杀虫法 。根据害虫的生活习性，将其置于致死低温的环境中，害生由 于过度寒冷使体液出现冷麻痹，进而造成死亡。害虫生长繁殖需一定的温湿度条件， 当环境温度在 815时，害虫停止发育繁殖；温度在 48时，害虫进入冬眠，持续 时间长也可致死；温度在 -4以下，害虫细胞结构被破坏致死，温度下降至 -20时， 害虫的体液会结晶作用而致死。在-1040的温度内，害虫在较短的时间内即可致死。 低温冷冻杀虫具有杀灭效率高，操作简便、安全可靠、不污染环境等优点。 （三）绝氧杀虫法。空气是昆虫重要的生态因子，为消灭害虫，将空气中各种气 体的正常比例加以调节，使含氧气量减少至绝氧，使氮气或二氧化碳增加，从而使害 虫失去赖以维持生命的氧气，使害虫的正常活动受到抑制，直至窒息而死。此法具有 无毒、无害、杀虫效果好的优点。 （四）物理杀虫法。物理防治是用物理手段创作特殊的环境，使害虫的身体机能 破坏，恒之不育或死亡，达到防虫灭虫的目的。由于它具有杀虫高效、无残毒、不污 染环境、方法简便等优点，故在害虫防治技术方面有广阔的发展前景。 （五）环境安全型温室病虫害防治。环境安全型温室是现代蔬菜生产企业建设的 重点设施，它是利用物理植保技术为植物全生育期提供不打农药的植物保护。环境安 全型温室病虫害防治范围包括地下病虫害、地上病虫害防治和特效植保技术。 （六）静电喷雾灭虫法 国外静电灭虫的研究： 早在 1882 年，Rayleigh 就开始其开拓性的雾滴静电化研究。此后静电喷雾技 术经过不断研究改进和提高，被广泛用于手工业上，例如喷漆和印刷。首次利用静 电进行农药喷撒试验的是 20 世纪 40 年代法国的 Hampe 之后，美国一些大学如 佐治亚大学进行了正式的研究试验。他们的试验都证明，利用静电场散布农药药粉， 其对植物的附着率大大提高。到了20 世纪 60 年代后半期已转向静电产业的应用， 如发明了电子吸尘器、静电涂抹器等。这些成功的发明反过来又促进静电研究者进 行农药静电喷撤的深人研究。如美国、英国、加拿大等都先后对液体药静电喷雾进 行了深入的研究，并促使其产业化。 静电喷雾的研究首先集中在各类静电喷头上。如S E Law 研制的嵌入式静电 感应喷头，英国研制了转盘式静电喷头，日本研制了微型锥孔旋转喷头、弥雾喷头。 美国在 80 年代市场上已有静电喷粉机和温室用风送式静电喷雾机出售。美国佐治 高压静电灭虫器的研究与设计 6 亚大学的 Law 博士及其学生们首次发明了气助静电喷雾系统 (Air-Assisted Electrostatic Spraying System,缩写为 AA-ESS)，其喷头流量在每分钟当 500 毫升 下产生 3050 毫微米直径的雾滴，而用电源低 (低于 l 千瓦)，耗电少(少于 2550 毫瓦)，而电荷质量比则达 -10mCkg。美欧等国的静电喷雾设备日趋完 善，Bertelli、Randell 公司生产的静电喷头使用 12V 直流电，能够产生 40kv 的 高压，可用于喷杆喷雾机和背负式机动喷雾喷粉机上，该喷头比普通喷头可减少药 液损失 65，大大降低农药对环境的污染。美国的Law 等人研究的气力式喷头 的感应式带电系统已经商品化，但只主要用于保护地作物。还有大量的有关液力式 喷头和旋转圆盘喷头的研究进展，但不幸的是还没有一个能真正商品化，用于干旱 作物。 国内静电灭虫研究： 我国静电喷雾技术的研究始于 20 世纪 70 年代末。上海首先成立了静电喷雾 实验协作组，上海明光仪表厂、江苏太仓静电设备厂、丹阳电子研究所及北京农业 大学等先后研制了手持 转盘式静电喷雾器；河北邯郸市机械研究所研究了电场击碎手 持式静电喷雾器；南京林业大学研制了高射程静电喷雾机。这些单位与使用部门配合， 在多种作物上进行了大量喷洒分布及防治效果实 验，但都没达到实用推广阶段。 江苏理工大学在建立室内静电喷雾实验系统和大量实验的前提下，研制了转盘 式手持微量静电喷雾器、车载式静电喷雾机和拖拉机牵引式风送静电喷雾机，并进 行了大面积田间应用实验，取得了良好的灭虫效果。江苏理工大学对静电场作用下 的液滴雾化展开了较为系统的研究，认为静电作用可以降低液体表面张力，减少雾 化阻力，同时同性电荷间的排斥作用产生与表面张力相反的附加内外压力差，从而 提高雾化程度。南京林业大学对静电喷雾灭蝗技术的研究，认为静电喷雾可降低农 药的表面张力，从而提高蝗虫受药概率，同时还增强农药雾滴在蝗虫及植株上的附 着力，延长农药对蝗虫的残效期。 郑家强（1990）建立了描述风动转笼式静电喷头雾滴尺寸的数学模型。罗惕 乾（1994）研究了电极充电过程，建立了环状电极充电电场的数学模型。余扬 （1995）对超低量静电喷雾机具的充电效果进行了研究，证明了感应式充电效果最佳， 并确认工作充电电压仅为 3.54.5kV 便可获得足够的充电效果。金晗辉（1999）对荷 电气液两相同轴圆射流进行了 LDV 研究，认为在静电喷雾两相流流场中，粘性阻 力是射流初始阶段气液相间作用最主要的因素，且输运相直接决定了喷雾的射程和范 围。闻建龙（2000）对荷电改善喷雾均匀性进行了实验研究，认为雾滴荷电在提高喷 雾均匀性、细化雾滴粒径等方面有明显效果。 液体的电导率对于静电喷雾的充电效果和雾化质量有较大影响。葛自良 （2000）得出结论：电导率极小的液体，在液滴形成过程中，电荷跟不上表面的移 动，电荷面密度达不到导致液滴 分裂的必要值，因而不会发生雾化现象。闻建龙 前言 7 （2003）认为：对水等电导率较好的液体，环状感应电极能取得较好的充电效果；而 对柴油等绝缘液体，必须施加高强度电场才能使其有效充电，因此只有采用针状、锥 状电极才能使其带上电荷。 由于农药安全和环境问题的凸现，近年来静电喷雾技术也日益受到重视，目前， 仅有一些草原灭蝗、林业防治病虫害等方面的试验性应用。可以预见，随着静电喷雾 技术的日益成熟，其应用也必将在农、林、牧业等方面广为普及。 1.4 本次毕业设计目的与研究内容本次毕业设计目的与研究内容 1.4.1 研究目的研究目的 本论文拟从植物病虫害防治入手，通过调查目前市场上的病虫防治现状，研究 各种方法的性能、优缺点等，选用科学、环保、高效的物理防治病虫害的新方法。 从静电杀虫法进行研究、分析、设计，最终设计出一套功能完备的“高压静电灭虫 器”。 1.4.2 研究内容研究内容 1 高压静电灭虫器功能研究高压静电灭虫器功能研究 （1）研究静电对害虫的伤害作用及是否会伤害到农作物的正常生长发育，通过 分析、实验、计算选定静电灭虫器电压、电流等要求。 （2）研究高压静电发生器的发电原理，分析其电场工作原理、电荷运动原理等。 （3）调查、研究市场对静电灭虫器的需求及发展，根据人们的要求，对灭虫器 的大小、重量、轮廓等进行设计。 2 高压静电灭虫器的设计高压静电灭虫器的设计 （1）设计静电发生器总体结构、零件结构，做出结构图、零件图。 （2）设计电路板、电路图，选择合适的电器元件，组装、配合成完整的静电发 生器工作电路板，并使其外观、安全等性能达到最优。 （3）利用 Pro/E、CATIA 等软件对灭虫器外形三维模型进行设计、零件进行 组装，分析其工作过程。 1.5 本研究设计的技术路线本研究设计的技术路线 （1）对目前农作物放虫情况进行调研，对现有农作物放虫的市场需求及现有 产品进行调查分析，分析此研究的市场前景，知道本设计基本方案； （2）分析所设计的高压静电灭虫器的工作原理； （3）进行高压静电灭虫器的结构设计和工作能力的设计计算； （4）进行电路安全设计和外观设计； 高压静电灭虫器的研究与设计 8 （5）进行高压静电灭虫器非电路部分结构的零件的二维工程图绘制； （6）关键零、部件进行三维模型设计与分析 。 前言 9 第第 2 章章 高压静电灭虫器电路设计高压静电灭虫器电路设计 2.1 高压静电灭虫器的方案选择高压静电灭虫器的方案选择 2.1.1 方案示例方案示例 方案一：静电、喷雾装置 静电喷雾技术是应用高压静电在喷头与喷雾目标间建立一静电场，而农药液体流 经喷头雾化后，通过不同的充电方式被充上电荷，形成群体电荷雾滴，然后再静电场 力和其他外力的联合作用下，雾滴做定向运动而被吸附在目标的各个部位，达到沉积 效率高、雾滴漂移散失少、改善生态环境等良好的性能。 方案二：中、低压静电灭虫 此种静电灭虫器通过对提供的电压适当的升压，当害虫接触升压后的高压电网或 灯丝时，强电流通过其身体，身体组织瞬间产生高温，使导电部分组织坏死，将害虫 杀死或致残，致残的害虫在短时间内失去生存能力随之死亡，从而达到灭杀害虫的目 的。 方案三：高压静电灭虫器 此种静电灭虫器将电压升压到几千甚至几万伏的高压，高压电路经高压探头在一 定范围内形成强电场，瞬间击穿空气放电，处于强电场中的害虫由于其身体的导电性， 在强电流通过其身体时，身体组织瞬间产生高温，使导电部分组织坏死，将害虫杀死 或致残，致残的害虫在短时间内失去生存能力随之死亡，从而达到灭杀害虫的目的。 2.1.2 方案分析与确定方案分析与确定 1 方案一分析方案一分析 方案一的实质还是传统的药物灭虫方法，只是在原来的灭虫方法上增加了静电作 用，从而提高了原来的灭虫效果。静电场作用下的液体雾化机理为：静电作用可以降 低液体表面张力，减少雾化阻力，同时，同性电荷间的排斥作用产生与表面张力相反 的附加内外压力差，从而提高雾化程度。 两个电荷之间的作用力叫库仑力，用公式表示为：（F 是库仑力，q 是电 qEF 荷、E 是该点的电场强度）。就是说带电粒子受电场方向的力作用，如果带电电荷 q 的粒子处于自由运动状态，它就会沿着电场方向即电力线方向运动。这样如果将喷头 施加负电场，那么电力线即从喷嘴出发到靶标物结束，由于电力线具有穿透性，故它 可以穿入靶标物的内部，如植株枝干的内部。如果喷头施加的负电场足够强大，那么 从喷嘴喷出的雾滴所带静电为负电荷，电荷很小，吸引力也很小、而植物表面的静电 为正电荷，这些正电荷(吸引力很强，是地球引力的 40 倍)把雾滴强拉到植物表面，附 着于植物叶正面和背面。这就是利用静电场的力实现雾滴在植物冠的内部附着，从而 高压静电灭虫器的研究与设计 10 成倍地增加了药液或药粉对植物叶面(无论冠内或冠表)的覆盖率和均匀度，其结果是增 加了药液与病虫害接触的机会，提高了喷药效果和降低了用药量。 怎样使雾滴带电是最关键的 问题，雾滴充电主要有三种方法： （1）电晕充电法。 是用静 电高压电晕使雾滴带电（如图 1）。即把 L1 和 L2 接地，L3 接高压正极电源，尖端电极 4 将 产生足以使周围空气电离的局部 强电场，从而对正在雾化的雾滴 进行充电。 （2）接触式充电法。 是静 电高电压直接置于液体中，经喷嘴喷出后即成带电水雾。即把 L1 接高压正极电源， 去掉感应极环 3 和尖端电极 4，电荷由导体直接对正在雾化的雾滴进行充电。 （3）感应式充电法。 是在外部电压电场作用下，使液体在喷嘴出口形成水雾的 瞬间，根据静电感应原理，使喷出的雾滴带有与外部电场电荷极性相反的电荷。即在 L1 和 L2 之间加一电源，把尖端电极 4 去掉，在喷头 1 和感应极环 3 之间的电场使 电荷绕回路流动，正电荷聚积在感应极环上，负电荷聚积在喷头和喷液流束上。这个 电场便对正在雾化的雾滴进行充电。 静电喷雾的特点： 静电喷雾在工农业生产，如静电喷涂、静电喷雾冷却、除尘、灭火、燃烧、及静 电农药喷洒等方面得到广泛的应用。实验与研究表明：静电在均匀、细化雾滴及提高 雾滴在目标物的沉积量、均匀性、吸附性等方面有明显效果。静电喷雾具有以下特点： （一）雾滴均匀。有效地降低雾滴尺寸，提高雾滴谱均匀性，静电电压为-20KV 时，雾滴尺寸降低约 10%，雾滴谱均匀性提高约 5。 （二）电荷相同。静电喷雾形成的雾滴带有相同的负电荷，在空间运动中相互排 斥，不发生凝聚，所以对目标作物覆盖均匀。且相同尺寸的雾滴，带电雾滴与叶面有 较大的接触面积，作物更容易吸收。 （三）异性电荷。带电雾滴的感应使作物的外部产生异性电荷，在电场力的作用 下，雾滴快速吸附到作物的正反面，提高了农药在作物上的沉积量，改善了农药沉积 的均匀性。农药在作物表面上的沉积量比常规法多 36，叶子背面农药沉积量比常规 法多 31，作物顶部、中部和根部农药沉积量分布均匀性都有显著提高。从而提高药 剂的利用率，减少农药的使用量，降低施药成本。电场力的吸附作用减少了农药的飘 高压静电灭虫器电路设计 11 移，降低了农药对环境的污染。 （四）持效期长。由于带电雾滴在作物上吸附能力强，而且全面均匀，施药率高， 所以农药在叶子上粘附牢靠，耐雨淋，有较长的残效期。灭虫效果有较大幅度提高。 如野外露天场地上对自由活动的苍蝇进行静电喷雾和常规喷雾 l 小时后，静电喷雾的 平均杀伤率为 66.6，而常规喷雾为 36.2；草原灭蝗发现，静电喷雾在 48 小时后药 效已高于标准 15%。 （五）条件限制。不适用于无导电性的各种农药制剂；另外静电喷雾器械结构较 复杂，对材料要求高，成本相对也高；同时对操作人员的要求也较高。 此方案设计装置由水箱、水管、高压喷嘴、升压变压器、低压直流电源等结构组 成。高压喷嘴外套装有一个静电环，并利用导线连通电源和静电环，其他装置与普通 的灭虫器械结构和工作原理相同。此装置的设计要求： 一、设计普通喷雾器所有的各种工作部件的形状、功能等。 二、设计给雾滴充电的装置的形式和结构，分析带电雾滴在电场中的运动规律、 灭虫原理、灭虫作用等。 三、电路设计。设计直流变交流、低压变高压的电路以及电源与高压电路间的连 接等。 此方案在一定程度上提高了杀虫的效果，降低了环境污染，但它的实质还是化学 灭虫，它是从化学灭虫到静电灭虫方式转变进程中的一步，不是我们的最终目标。 2 方案二分析方案二分析 此方案已经完成了从药物杀虫到静电杀虫的原理转变，但是，由于此方案升压利 用的是普通的升压变压器，升压范围有限制，不能达到很高的电压，其功效也很难达 到我们所期望的效果。 3DJ200 型多功能静电灭虫灯是用来杀灭多种害虫如苍蝇、蚊子、蚜虫、白粉虱、 斑潜蝇、蓟马、双翅目害虫、鞘翅目害虫、鳞翅目害虫等，这种灭虫灯的电极电压为 2300-3000V。 3DJ-90 型多功能静电灭虫灯电极电压：3500-3600V。 储粮仓房所用电子灭虫网是利用某些害虫趋光、善飞行等特性，将害虫引诱到高 压电网上，当害虫触及电网时，被电击死亡。其工作最终电压为 2500V。 由以上几个例子可知：静电电压都在几千伏时，要想有效的将害虫迅速杀死，电 压需借助电网、电灯丝等工具与害虫直接接触，从而将其杀死。 3 方案三分析方案三分析 静电在方案二和方案三中起到直接灭虫的作用，这两种方案完全依靠静电杀虫， 没有用到一滴药剂。 方案三将静电电压提高到几十千伏甚至几百千伏，目的就是使害虫在特高压强电 场中触电，不需要直接接触高压电极，在空间内迅速使其生命组织坏死、致残等，在 高压静电灭虫器的研究与设计 12 极短的时间内将害虫毙命。对于不同的害虫，可通过调节放电电压、功率和频率等达 到杀虫的最佳效果。 此方案的主要装置就是高压探头和逆变电路、变压电路。装置包括箱体和手柄， 箱体中设有蓄电池、脉冲电源，手柄设有电压调节器和电极探头等（具体分析、设计 见下部分）。 4 方案确定方案确定 通过上述方案分析与比较，方案一是利用电能提高化学防治害虫的方法，实质是 属于化学防治；方案二是接触电网或电灯式的中、低压静电灭虫；方案三完全依靠高 压电，并有一定距离的情况下杀虫。从功能、实用、环境等因素条件出发，最终确定 选择第三种方案：高压静电灭虫。 2.2 高压静电灭虫器的电路设计计算高压静电灭虫器的电路设计计算 2.2.1 高压灭虫器电路工作原理高压灭虫器电路工作原理 此灭虫器由便携式固体蓄电池提供 12V 直流稳压电源，低压直流电源通过升压电 路变换成高频交流电输出，再用高频变压器将其电压升到 3KV-4KV，最后经高压电容 和高压硅堆组成的倍压电路按不同的倍压级数要求将其升压，从而达到要求的高压静 电场，对置于电场内的害虫病菌放电，在 40KV-50KV 的高压下 ，将害虫和病菌杀死。 电路设计参数如表所示： 技术规格技术规格参数参数备注备注 供电电源12V DC 功率5W 最高输出电压50KV 频率40KHZ 高压电流0.02mA 灭虫器电路设计的步骤大致可以分为如上几步： 一、将蓄电池提供的低压直流电经过逆变电路得到高频低压交流电； 二、将低压交流电通过低压变压器和倍压电路升压，得到高频高压的理想高压电， 输送到高压探头，用于杀灭害虫。 此电路设计的内容包括：DC/AC 变换电路设计、升压电路设计、高压探头设计。 2.2.2 DC/AC 逆变电路设计逆变电路设计 电力电子技术中，实现直流电和交流电转变的设备为换流器：交流变直流的设备 高压静电灭虫器电路设计 13 叫整流器，直流电变交流电的设备叫逆流器。 与所有电力电子装置一样，根据功能的不同，可以将逆变器划分为主电路、控制 电路和辅助电路三大部分。 逆变器输入的直流电量可以有两种基本形式：一种是利用电容进行滤波，直流回 路的电压波形平直，输出呈低阻抗，逆变器中开关管的通断作用就是将直流电压以一 定的方向和次序分配给负载的各相，形成矩形波、PWM 波等交流电压，这种逆变器叫 电压型逆变器电压型逆变器；另一种是利用电感加以滤波，直流回路的电流波形平直，输出呈高阻 抗，逆变器中开关管的通断作用就是将直流电流以一定的方向和次序分配给负载的各 相，形成矩形波、PWM 波交流电流，这种逆变器叫电流型逆变器电流型逆变器。随着功率半导体开 关器件的发展，在绝多数流域都采用高效、简便的电压型逆变器。 逆变器输出电压不稳定，谐波含量高，除了能通过改变输出电压脉冲的幅值对输 出进行调节和控制外，功率半导体开关器件的开关动作还可以有另外的控制模式：脉 冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）和脉冲频率调制（pulse frequency modulation， PFM） 。对于 PWM，功率半导体开关器件的开关频率相对固定不变，通 过调制开通或关断的时间达到控制变换的目的，又称定频调宽控制；在 PFM 中，功率 半导体开关器件的开通或关断的时间保持相对恒定，通过改变开关的频率达到控制变 换的目的，又称定宽调频控制。由于 PWM 的分析、控制和实现都较 PFM 简单，因此 被绝多数逆变器所采用。 1 1、 PWMPWM 控制的基本原理控制的基本原理 理论基础： 如图2，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 冲量指窄脉冲的面积；效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非 常接近，仅在高频段略有差异。 图2 形状不同而