感应式皂液器方案设计

1 引言

从新冠疫情爆发开始，人们对个人卫生越来越注重，也更关注公共场所甚至家庭成员之间的交叉感染渠道。因此，感应龙头和感应皂液器等非接触式产品的需求也有了爆发式的增长。尤其是感应皂液器，相比以往的按压式，无需接触的使用方式获得了极大的认可。目前市场上的感应式皂液器从出液形式上主要分成液体型和泡沫型。液体型的皂液泵结构相对简单，泡沫型皂液器由于需要气泵的加入，并对液体浓度有一定要求，因此结构相对复杂。但是由于泡沫型皂液无论从洁净效果，使用手感还是从视觉效果上来说都优于液体型皂液器，因此更受青睐，使用范围更广。

2 方案设计

泡沫式皂液器起泡的核心是皂液泵，技术方案设计的核心在于确定皂液泵及泵体方案。

2.1 皂液泵类型选择

感应式皂液器一般用于公共场所，使用寿命长达5年以上，使用次数按行业标准要求大于20万次。感应式皂液器的核心是皂液泵，皂液泵目前市场上常见的有以下几类，分别为活塞泵，隔膜泵，蠕动泵，齿轮泵。

活塞泵通过活塞往复运动将皂液从容器内吸入腔体并排出到出液口，由于活塞的行程由连杆和曲轴决定，因此每次出液量都比较稳定。但是由于成本原因，一般活塞都由塑料材料制作，因此耐磨有限，从五万次以后出液量会出现较大偏差，整体的寿命也很难达到十万次以上。难以满足产品需求。

隔膜泵通过电机转动，带动膜片起伏，从而产生正负压差来吸入和排出皂液和空气。通过泵的腔体数量和体积来控制出液量和空气配比，出液量的多少由带动膜片的电机转动时间决定。膜片的寿命决定了隔膜泵的寿命，基本也较难达到十万次。

蠕动泵通过凸轮对管道的挤压，形成正负压来吸入和排出皂液。凸轮转动次数决定了出液量的多少。管道由于凸轮挤压引起的磨损和本身的材料决定了泵的寿命。一般可以达到数十万次。

齿轮泵通过和箱体紧密配合的齿轮转动形成真空来吸入和排出皂液。齿轮转动多少决定了出液量的多少。齿轮和齿轮箱体的磨损程度决定了泵的寿命。一般可达到数十万次。

对比需求，蠕动泵和齿轮泵更符合需求。经过分析比较，选型齿轮泵作为最终方案。

2.2 泵体方案设计

泵体设计分为两个部分，一个是皂液腔，一个是电机驱动传动箱。皂液腔包含腔体大小和啮合齿轮的设计，由以下因素决定：

1) 单次出液量皂液量。按照用户使用习惯和市场上大部分产品的设置，一般单次出液量为1-2毫升。

2) 单次出液时间。每次使用的时候，出液时间应该控制在0.5秒左右。

根据上述条件和齿轮泵排量公式： z 为齿数，m 为齿轮模数，B为齿宽，采用如下设计：齿数为8，模数为1，齿宽为5，得到V=80πmm³。

传动箱的设计由以下因素决定：

1) 电机扭矩和转速。电机转速需要通过传动箱调整到适用出液速度的设置。

2) 泵体大小。由于产品体积有限，传动箱的直径不能超过电机直径，厚度需要尽量做薄。

根据上述条件，采用了如下设计：电机使用两级传动结构，第一级采用了2:1齿比，第二级采用3:1齿比。按电机2000RPM规格，输出转速约为330RPM，结合齿轮泵排量，可以通过微调满足皂液量需求。

皂液器由主控板（带按钮）、空气泵、齿轮泵及皂液龙头等组成。感应式皂液器工作时，红外感应器捕捉到使用者手部接近动作后，将信号传输至主控板，主控板控制皂液泵、空气泵分别将皂液与空气泵入气液混合腔实现泡沫成型，并经出皂口泵出。

3 出液量稳定性控制方案研究

在齿轮泵的测试和应用过程中，发现随着时间推移，使用次数的增加，出液量也会随之变化，偏差值可以超过20%以上，例如初始值为20的出液量，经过一段时间的使用之后，可能会变成16或17，影响使用体验。因此，如何保证每次出液量的恒定，成为衡量皂液器质量可靠性的一个重要指标，也是影响该产品使用体验的重要因素。

经分析，根据上文齿轮泵皂液器产品结构以及工作原理的初步分析，影响皂液量的因素可能有塑料材质皂液泵结构件的磨损、皂液浓度、皂液泵供电电源的稳定性等三个方面，针对这些因素准备对应的几组样品来进行测试并尝试寻找规律，建立模型，并确定模型参数，为改进设计做好准备。

3.1 结构件材料优化

泵体结构主要零件为一对啮合齿轮，泵体，盖板，轴。从成本角度出发，除了轴之外，无法选用金属零件替代。因此需要选择耐磨性较好的材质，还需要考虑材料易加工成型，最后通过对比最后选用了聚甲醛（POM）作为齿轮，泵体和盖板的材料。通过将皂液泵进行寿命测试，并在开始前和结束后拆解并测量关键尺寸，得出结论，采用聚甲醛制作的零件在寿命周期内的磨损可以忽略不计。

3.2 皂液浓度

将浓缩皂液进行不同比例的稀释，得到不同浓度的皂液，并进行测试，得出下表。由结果可见，皂液浓度对出液量影响可以忽略。

表1 不同水液比例下皂液量汇总表

3.3 皂液泵供电电源

将驱动电机的电源设置到不同档位，模拟实际使用过程中的不稳定性，得出下表。由结果可见，电源电压对出液量影响很大，是主要因素。

表2 不同供电电压及档位下皂液量汇总表

上表中，不同档位的区别在于电机的工作时间，其中档位1工作时间214ms，档位2为296ms，档位3为376ms，档位4为458ms。

因此，如果需要保持相对稳定的皂液量，必须在不同电压下进行电机驱动的补偿。

1）各个档位下，皂液量与电压之间的拟合关系，采用最小二乘曲线拟合法得到拟合图。

由回归方程的拟合度R²的值均大于0.9，可以确认这些模型的拟合能力较好，可以反应时间的关系情况。

2）根据表格2数据，建立皂液量与不同档位（电机工作时间）的拟合关系。

得出结论，在同一个电源电压值下，出液量和电机工作时间成正比，这反映出出液速度的稳定性。

因此，在实际使用中，可以通过矫正电机工作时间的方式，来实现对出液量的控制，其中不同档位的校核方法如下。

最后，将得出的校正模型用于实际测试，测试数据见下表：

表2  校正后测试数据汇总表

校正后，各个档位下皂液量与电压的关系图。

由结果可见，校正模型基本正确。通过对于不同产品的重复测试，也验证了此校正模型的通用性，在此不再赘述。

由上述测试分析验证可知：皂液泵在正常使用过程中的磨损和不同皂液浓度对出液量的影响基本为零；电机电压的变化对出液量的影响较大。因此，如果需要保证出液量的稳定，需要对出液控制方式进行校正。

此矫正方式基于测量结果，和产品设计参数息息相关。产品设计调整影响需要重新测试对模型进行调整。如果对精确度的要求不是非常高，或者由于控制系统预算有限选用的芯片能力有限，可以考虑简化校正模型，使用统一的校正公式并将其进行位移来得到不同档位下的校正模型。

4  应用展望

目前，越来越多的产品正在从传统型向智能型转变。越来越多的家用商用电子产品通过物联网（IoT）实现了远程访问和控制。皂液器也可以通过远程访问来进行获取状态和工作控制。其中，远程获取剩余皂液量，提醒用户及时补充是重要功能之一。目前皂液量的获取方案绝大多数还是通过在皂液瓶中安装浮子，或者在皂液瓶外壁安装液位传感器来获取。这些方法虽然都较为可靠，但是对于产品整体的成本影响也不小，尤其是需要了解每隔一定用量的情况下，需要好几个液位传感器，并需要控制模块增加相应数量的输入输出口。

因此，通过稳定的控制出液量，可以精确的计算出已经使用的皂液量，从而得出剩余皂液量，并直接通过控制系统连接物联网进行上报，通过应用通知到用户。这种方式可以有效控制产品成本，并简化产品的结构和电子部分的设计难度。

5 结束语

本文从市场需求出发，完成了皂液泵选择及泵体方案设计，主要通过分析，建模，测试的方式将如何稳定控制皂液器的出液量的方法进行分享。在不同的实际设计应用过程中会遇到不同的要求和条件。可以在此方法基础上进行完善和补充，从而达到最终产品设计要求。

文章来源：  《上海轻工业》   https://www.zzqklm.com/w/kj/30978.html