压电网式雾化技术因其高效、可控性强等特点，在喷雾干燥、医疗雾化及电子制造等领域广泛应用。本文针对压电网式雾化器产生的液滴粒度分布问题，提出了一种基于激光衍射法的动态粒度测试方法。通过实验分析了驱动电压、频率及液体性质对雾化粒度的影响规律，并结合高速摄像技术验证了测试结果的可靠性。实验结果表明，该方法可有效表征液滴粒径的均匀性，为优化雾化工艺参数提供理论支持。
1. 引言
随着微纳米技术的发展，精密雾化技术在工业与医疗领域的应用日益广泛。压电网式雾化器通过压电陶瓷的高频振动将液体破碎为微米级液滴，其核心优势在于无需高压气体辅助即可实现低能耗、高稳定性的雾化过程。然而，雾化液滴的粒度分布直接影响涂层均匀性、药物递送效率等关键性能指标，因此建立可靠的粒度测试方法对工艺优化具有重要意义。
目前，液滴粒度测试方法主要包括激光衍射法（LD）、相位多普勒分析法（PDA）和图像分析法等。其中，激光衍射法因具有非接触、实时测量等优势，被广泛应用于动态雾化场分析。本文结合压电网式雾化器的结构特性，构建了一套基于激光衍射的在线测试系统，并通过实验验证了其测试精度与适用性。
2. 压电网式雾化原理及粒度影响因素
2.1 压电雾化器工作原理
压电网式雾化器的核心组件为压电陶瓷振动片与微孔网板。当施加高频交流电（通常为20–200 kHz）时，压电陶瓷产生径向振动，迫使液体通过微孔形成液膜。在表面张力与惯性力的竞争作用下，液膜破碎为细小液滴（图1）。雾化粒度主要受以下因素影响：
- **驱动参数**：电压幅值决定振动强度，频率影响液膜破碎周期；
- **液体性质**：黏度、表面张力及密度影响液滴形成过程；
- **微孔结构**：孔径、孔间距及排列方式决定初始液膜形态。
2.2 粒度分布的表征方法
液滴粒度分布通常以体积平均直径（D₃₂）和跨度（Span）作为评价指标：
其中，D₁₀、D₅₀、D₉₀分别代表累积分布曲线上10%、50%、90%对应的粒径值。
3. 实验设计与测试方法
3.1 实验装置
实验系统由以下部分组成（图2）：
1. 压电雾化模块：采用直径20 mm的钛合金网板（孔径10 μm）；
2. 喷雾激光粒度仪： KWP180-B，测量范围0.1–1000 μm；
3.2 实验条件
- **液体样品**：去离子水（表面张力72 mN/m）、甘油溶液（黏度50 mPa·s）；
- **驱动参数**：电压30–100 Vpp，频率40–120 kHz；
- **环境条件**：温度25±1℃，湿度50±5% RH。
3.3 测试流程
1. 调节雾化器至稳态工作状态；
2. 启动激光粒度仪，采集连续10 s的粒度数据；
3. 同步进行高速摄像，获取液滴形态图像；
4. 通过图像处理软件分析液滴直径，与激光衍射结果对比。
4. 结果与讨论
4.1 驱动参数对粒度的影响
如图3所示，当电压从30 V增至80 V时，D₅₀从28.6 μm下降至15.2 μm，Span值由1.8降至1.2，表明提高电压可增强雾化均匀性。然而，当电压超过80 V后，D₅₀变化趋于平缓，且液滴二次破碎现象增加。
频率对雾化粒度的作用呈现非线性特征：在60 kHz时D₅₀最小（12.5 μm），偏离谐振频率会导致液膜破碎不充分。
4.2 液体性质的影响
高黏度甘油溶液的D₅₀较去离子水增加约40%，Span值扩大至2.1，说明液体黏度会抑制雾化过程的能量传递效率。
4.3 测试方法验证
激光衍射法与图像分析结果的相对误差小于8%，验证了动态测试的可靠性。但需注意，激光衍射法对非球形液滴的测量存在局限性，需结合形态修正算法提高精度。
5. 结论
本文通过实验研究表明：
1. 激光衍射法可有效实现压电网式雾化的在线粒度测试，Span值能直观反映雾化均匀性；
2. 驱动电压与频率存在最优匹配区间；
3. 高黏度液体需通过优化微孔结构或引入辅助振动改善雾化性能。
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