一种低频静电超声雾化喷头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种用于农业工程领域的低频超声静电雾化器，尤其涉及低频超声静电 雾化器雾化喷头结构的设计。
【背景技术】
[0002] 超声雾化是运用电子超高频震荡原理，在超声波发生器上通过一定频率的振荡电 流，产生高频电能信号，通过换能器将其转换为超声机械振动（即超声波）;超声波通过雾化 介质传播，在气液界面处形成表面张力波，由于超声空化作用而使液体分子作用力破坏，从 液体表面脱出形成雾滴，从而实现液体的雾化，超声雾化的雾滴直径达微米级。超声雾化器 由于其雾滴尺寸细小均匀等优势在农业工程领域有着广泛的应用前景。考虑到高频超声雾 化(工作频率在1MHZ以上)工作过程中，会较大程度地改变所雾化液体的理化特性，因而其 不适用于雾化栽培领域和植物保护领域。而低频超声雾化虽然较小地影响所雾化液体的理 化特性，但是其产生雾滴偏大，导致其在作物上粘附性较差 大量研究表明，荷电能够降低液体表面张力及雾化阻力，且雾滴带有同性电荷，在电场 力作用下会破碎成更小的雾滴，雾滴的直径分布更趋均匀。静电雾化目前已广泛应用于农 药喷洒、工业喷涂、材料制备、燃油燃烧、工业除尘及脱硫、颗粒聚并及分离等许多方面，其 优点是雾滴粘附特性好。但是受技术的限制，静电雾化的临界电压在几千伏到几十千伏之 间，因而称作高压静电雾化，高压静电雾化存在以下缺点：高压静电雾化需要千伏以上的高 压电，对操作者来说是一个极大的安全隐患;高压静电在一定程度上会伤害作物，而低压静 电会促进作物的生长;高压静电喷雾结构复杂，对制造材料要求特别是绝缘性能要求高，器 械成本高。
【发明内容】
[0003] 本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种低频静电超声雾化器，在低频超声和 较低静电压共同下产生超细带电雾滴，提高雾滴在作物上的粘附性。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明包括换能器后盖板、压电陶 瓷、换能器前盖板、喷嘴变幅杆和紧定螺钉，所述紧定螺钉（12)依次穿过换能器后盖板、压 电陶瓷和换能器前盖板的中心圆孔，通过螺纹连接在喷嘴变幅杆后端，同时压紧压电陶瓷、 前盖板和换能器后盖板;所述紧定螺钉的直径小于压电陶瓷中心圆孔半径，防止两者接触 发生电路短路，影响喷头的正常工作。所述换能器后盖板、压电陶瓷、换能器前盖板组成的 低频静电超声雾化喷头的振子部分，所述喷嘴变幅杆的长度为超声波半波长;所述喷嘴变 幅杆轴向中心设有进液通道，所述喷嘴变幅杆的后部沿径向开设有与进液通道相连，在偏 离轴向中心的位置设有进气通道，所述喷嘴变幅杆的后部沿径向开设有与进气通道相连； 所述喷嘴变幅杆的顶部加工为凹球面，凹球面上设有一个悬浮球，悬浮球的面曲率半径与 喷嘴变幅杆顶部凹球面的面曲率半径一致，从而产生聚焦式超声悬浮系统，产生更大的声 悬浮力。悬浮球的材料为金属导体，悬浮球的外表面设有一圈V形的环形槽;所述充电针的 顶端设于V形环形槽内，充电针后端有弹簧约束，使其与悬浮球定常接触;所述充电针外有 绝缘套，绝缘套通过套筒安装在支架上;所述支架通过紧定螺钉安装在喷头的喷嘴变幅杆 后部的法兰盘上;法兰盘设置在喷头变幅杆的波节点处。采用的紧定螺钉的直径要小于压 电陶瓷中心圆孔的半径，防止两者接触发生电路短路，影响喷头的正常工作。
[0005]所述喷头在未工作时，中悬浮球因为重力和充电针的压紧作用，紧贴在喷嘴辐射 端面。当喷嘴工作时，在压电陶瓷驱动下，振子的前、后盖板产生超声振动，并与变幅杆产生 共振，在半圆形端部产生聚焦式辐射声场，悬浮球在声辐射力作用下，克服重力和充电针的 压紧力，向上悬浮，从而在悬浮球和端面形成间隙。同时，悬浮球在偏心气动力作用下，发生 加速旋转。为了保证小球产生声悬浮，喷嘴前部被设计为凹球面，从而产生聚焦式超声悬浮 系统，产生更大的声悬浮力。
[0006] 在喷头的偏心轴向位置开有进气通道，进气通道直径约为1-2_，喷头工作时进气 通道中通入流速为50-100m/s的压缩空气，悬浮球在偏心气动力作用下，发生高速旋转，使 悬浮球不沾上液滴，并且高速与雾滴碰撞，使雾滴再次雾化。
[0007] 所述悬浮球的外表面的环形槽深度为l_2mm。所述绝缘套的直径大于弹簧直径 0.2-0.4mm，小于套筒内径0.05-0.1mm，弹簧抵住绝缘套，限制充电针在套筒中往复运动。
[0008] 变幅杆和换能器后盖板为绝缘陶瓷材料，保证悬浮球(8)产生的静电场不影响压 电陶瓷的正常工作。
[0009] 所使用的悬浮球和充电针由铜制成。充电针表面套有绝缘套，防止与之接触的弹 簧及套筒带电。绝缘套的直径大于弹簧直径0.2-0.4mm，小于套筒内径0.05-0.1mm，保证充 电针与悬浮球之间定常接触。套筒的上表面通过焊接固定在支架上，同时，在支架和套筒接 触的中心位置开有一个小孔，使得带电的导线能够深入到套筒中，直接连接在充电针上，从 而使充电针带上电荷。
[0010]在所述支架和套筒开设一个小孔，使带电的导线穿过小孔深入到套筒中，直接连 接在充电针上，使充电针带上电荷。所述支架为矩形框，支架与变幅杆通过螺栓连接，螺母 和喷头变幅杆之间加有垫片。支架和变幅杆通过螺栓连接，结构简单，方便安装和维修过程 中的拆卸。同时，螺母和喷头变幅杆之间加有垫片，防止螺母在喷头工作过程中松脱。
[0011]由变幅杆、压电陶瓷、换能器前盖板、换能器后盖板以及紧定螺钉组成的喷头主体 的超声振动频率在25-30kHz。
[0012 ]喷头驱动电路由扼流圈电感LRFC、开关管S、并联电容C、串联谐振电感U、串联谐振 电容Ci、阻抗匹配电容Cp组成。
[0013] 喷头驱动电路结构简单，是一个单端电路，主要由六个部分组成，分别为:扼流圈 电感Lrfl、开关管S、等效并联电容C(开关管输入电容、分布电容和外接电容的总和）、串联谐 振电感U、串联谐振电容&、阻抗匹配电容&。其工作原理如下:工作频率为f(喷头的串联谐 振工作频率）的方波信号控制开关管S开通与关断，此时，开关管S漏极输出脉冲电压，经过 选频网络C-Cl-Ll-Cp，抑制在喷头两端的开关频率f的谐波信号，选出基频信号。这样，在喷 头两端上可获得与方波信号同频的正弦交流信号。另外，选频网络可以变换与调整负载阻 抗。简单地说，当开关管S按激励方波信号周期工作时，就能把来自电源的直流能量转变为 交流能量，选频网络只能让基频电流流过，从而激励喷头工作。
[0014] 对超声雾化驱动电路在各个阶段的工作过程进行简单分析： 首先，扼流圈电感Lrfl足够大，只允许直流信号通过，对交流信号呈现很大的阻抗，抑制 交流信号通过，使得开关开通或关断时电源电流都不会发生剧烈的变化。因此，可以认为输 入电流为一直流量。
[0015] 其次，基频谐振回路品质因素足够高，流过超声喷头的电流可视为正弦波。
[0016] 最后，忽略开关管S导通阻抗，且开关管S瞬间完成开通与关闭，即开关管S上升或 下降的时间为零。
[0017] 与同类雾化器相比，本发明具有以下技术效果： 1.通过低频超声雾化效应、静电雾化效应、离心效应使液体进行多次雾化，产生带静电 的超细雾滴，增加雾滴在作物上的粘附性。悬浮球在声场辐射力作用下实现悬浮，并且在偏 心气动力作用下产生高速旋转，使带电雾滴在离心力作用下高速飞出，使悬浮球不粘液滴。 液体在喷嘴变幅杆一次雾化后，在静电场作用下二次雾化，再与悬浮球高速碰撞实现三次 雾化。液体在喷嘴变幅杆一次雾化后，其粒径小于60微米，使静电二次雾化所需的电压大幅 降低，实现低压静电雾化。三次雾化后的液滴在离心力和气动力复合作用下，高速喷出。
[0018] 喷头驱动电路结构简单，工作效率高，电路的寄生参数被有效的吸收利用，开关管 的结间电容被谐振回路的并联电容吸收利用，可以有效的减少寄生参数对电路性能的影 响。工作过程中发热小，能够长时间驱动喷头进行工作，同时具有高度的可靠性，能够介绍 使用过程中的维护成本，提高生产效率。
【附图说明】
[0019] 以下结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步的详细说明。
[0020] 图1静电超声雾化喷头结构示意图。
[0021 ]图2静电超声雾化喷头侧面剖视图。
[0022]图3静电超声雾化喷头三维爆炸图。
[0023]图4喷头的工作过程示意图。
[0024]图5悬浮球受力分析图。
[0025]图6雾滴的雾化过程示意图。
[0026]图7静电超声雾化喷头底部结构三维示意图。
[0027]图8静电超声雾化喷头底部连接示意图。
[0028]图9喷头支架连接示意图。
[0029]图10支架及充电针结构示意图。
[0030] 图11喷头驱动电路图。
[0031]图12喷头驱动电路简化模型图。
[0032]图13喷头驱动电路各阶段工作状态原理波形图。
[0033]图中，1-套筒;2-充电针;3-喷嘴变幅杆;4-进液通道;5-后盖板;6-压电陶瓷;7-进 气通道;8-悬浮球;9-绝缘套；10-弹簧；11-支架；12-紧定螺钉；13-螺栓；14-垫片；15-螺母 16-营养液;17-压缩空气；18-前盖板。
[0034]Lrfl-扼流圈电感;S-开关管;C-等效并联电容(开关管输入电容、分布电容和外接 电容的总和）山_串联谐振电感-串联谐振电容;C-阻抗匹配电容;Vgs-开关管S的驱动信 号;Vs-开关管S两端的电压波形；is-流过开关管S的电流；ic-流过并联电容C的电流；i-流 过喷头的电流。
【具体实施方式】
[0035]如图1和图2所示，喷头包括产生超声振动的变幅杆、前盖板、后盖板以及压电陶 瓷。其中，前盖板、压电陶瓷、后盖板组成喷头的振子部分。变幅杆长度为半波长，喷头轴向 中心有进液通道，在偏离轴向中心一定位置处，有进气通道。喷头顶部加工为凹半球形，其 上有一个悬浮球，悬浮球的材料为金属导体，直径为15mm，悬浮球的外表面有一 V形的环形 槽，深度约为充电针顶部安装在V形环形槽内。充电针顶部有弹簧约束，保证其能和 悬浮球定常接触。充电针外有绝缘套，通过套筒安装在支架上。支架安装在喷头的波节点 处。 喷头的工作过程如图4所示。图4中悬浮球因为重力和充电针的压紧作用，紧贴在喷嘴 辐射端面。当喷嘴工作时，在压电陶瓷驱动下，变幅杆形成共振，产生超声振动，在半圆形端 部产生聚焦式辐射声场，悬浮球在声辐射力作用下，克服重力和充电针的压紧力，向上悬 浮，从而在悬浮球和端面形成间隙。在喷头的偏心轴向位置(偏心距离为)开有进气