[發(fā)明專利]基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測(cè)量裝置及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710939696.8
• 申請(qǐng)日: 2017-10-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107643227A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔣海峰;黃萌;王寶華;邱建宏
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N5/00
• 分類(lèi)號(hào): G01N5/00;G01N9/00;G01N11/00
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心32203
• 代理人: 朱顯國(guó)

1.基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測(cè)量裝置，其特征在于，包括正弦驅(qū)動(dòng)單元、QCM傳感單元、同步檢測(cè)單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)，其中：

正弦驅(qū)動(dòng)單元用于產(chǎn)生正弦掃頻信號(hào)，并輸送到同步檢測(cè)單元和QCM傳感單元；

QCM傳感單元通過(guò)正弦驅(qū)動(dòng)單元輸出的正弦掃頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)，用于感測(cè)液體，將液體的密度和粘度信息轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)，并輸送到同步檢測(cè)單元；

同步檢測(cè)單元用于對(duì)正弦驅(qū)動(dòng)單元和QCM傳感單元的輸出信號(hào)進(jìn)行處理，將QCM傳感單元輸出的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于QCM電導(dǎo)變化的直流電壓信號(hào)，并輸送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)同步檢測(cè)單元輸出的直流電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字信號(hào)輸送到數(shù)字信號(hào)處理器；

數(shù)字信號(hào)處理器用于產(chǎn)生正弦驅(qū)動(dòng)單元所需的頻率控制字和模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的采集時(shí)序，提取數(shù)字信號(hào)的電導(dǎo)峰值和該峰值下的串聯(lián)諧振頻率，并輸送到計(jì)算機(jī)；

計(jì)算機(jī)用于對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器輸出的電導(dǎo)峰值和該峰值下的串聯(lián)諧振頻率進(jìn)行計(jì)算，得到液體的密度和粘度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測(cè)量裝置，其特征在于，所述QCM傳感單元包括電阻R、緩沖放大器Buf、QCM傳感器和可調(diào)電感L₀，電阻R的一端連接正弦驅(qū)動(dòng)單元，電阻R的另一端連接緩沖放大器Buf的正向輸入端，緩沖放大器Buf的反相輸入端連接緩沖放大器Buf的輸出端，緩沖放大器Buf的輸出端連接同步檢測(cè)單元，QCM傳感器和可調(diào)電感L₀并聯(lián)后一端連接緩沖放大器Buf的正向輸入端，另一端接地。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測(cè)量裝置，其特征在于，所述QCM傳感器包括石英晶體和設(shè)置在石英晶體上下表面的電極，所述上表面電極上均勻分布若干直線槽，直線槽的方向與石英晶體的剪切位移方向垂直，直線槽的脊高度范圍為h＝(0.8～1.2)μm，脊寬度為a＝(4.0～5.0)μm，相鄰直線槽之間的距離為b＝(4.0～5.0)μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測(cè)量裝置，其特征在于，所述正弦驅(qū)動(dòng)單元包括數(shù)字頻率合成器和第一低通濾波器，第一低通濾波器是七階橢圓型低通濾波器，截止頻率為阻帶頻率為2f_s，其中f_s為QCM傳感器的串聯(lián)諧振頻率。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測(cè)量裝置，其特征在于，所述同步檢測(cè)單元包括乘法器和第二低通濾波器，第二低通濾波器是二階薩倫凱低通濾波器，截止頻率為10KHz。

6.基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、正弦驅(qū)動(dòng)單元在數(shù)字信號(hào)處理器的控制下產(chǎn)生正弦掃頻信號(hào)，驅(qū)動(dòng)QCM傳感單元工作；

步驟2、在不加液體負(fù)載的情況下，QCM傳感單元檢測(cè)液體的物理屬性，輸出無(wú)液體負(fù)載時(shí)的交流電壓信號(hào)U₁；

步驟3、同步檢測(cè)單元將交流電壓信號(hào)U₁和正弦掃頻信號(hào)相乘，并對(duì)相乘的結(jié)果進(jìn)行濾波處理，得到對(duì)應(yīng)QCM電導(dǎo)變化的直流電壓信號(hào)V₁；

步驟4、模數(shù)轉(zhuǎn)換器在數(shù)字信號(hào)處理器的控制下對(duì)步驟3中同步檢測(cè)單元輸出的直流電壓信號(hào)V₁進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)處理器從轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)中提取電導(dǎo)峰值G₁和該峰值下的串聯(lián)諧振頻率f_s1；

步驟5：將QCM傳感器浸入牛頓液體中，使QCM傳感器上表面電極接觸液體，下表面不接觸液體，QCM傳感單元檢測(cè)有液體負(fù)載時(shí)的液體物理屬性，輸出有液體負(fù)載時(shí)的交流電壓信號(hào)U₂；

步驟6、同步檢測(cè)單元將交流電壓信號(hào)U₂和正弦掃頻信號(hào)相乘，并對(duì)相乘的結(jié)果進(jìn)行濾波處理，得到QCM電導(dǎo)變化的直流電壓信號(hào)V₂；

步驟7：模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)步驟6中同步檢測(cè)單元輸出的直流電壓信號(hào)V₂進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)處理器提取轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)的電導(dǎo)峰值G₂和該峰值下的串聯(lián)諧振頻率f_s2；

步驟8：計(jì)算機(jī)根據(jù)QCM傳感器在接觸和未接觸液體時(shí)的串聯(lián)諧振頻率和電導(dǎo)峰值計(jì)算待測(cè)牛頓液體的密度和粘度。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的石英晶體微天平液體密度和粘度的測(cè)量方法，其特征在于，步驟8計(jì)算待測(cè)牛頓液體的密度和粘度的具體公式為：

ρ=-k3Δfs-k2R2k1k3]]>

η=k1R22-k32Δfs-k2k3R2]]>

式中，ρ為密度，η為粘度，Δf_s＝f_s2-f_s1為串聯(lián)諧振頻率偏移，R₂＝(G₁-G₂)/G₁G₂為動(dòng)態(tài)電阻變化，k₁是頻率變化與液體密度有關(guān)的靈敏度系數(shù)，k₂是頻率變化與液體粘性耦合效應(yīng)有關(guān)的靈敏度系數(shù)，k₃是動(dòng)態(tài)電阻變化與液體粘性耦合效應(yīng)有關(guān)的靈敏度系數(shù)。