[發明專利]基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測量裝置及方法

在審

• 申請號: 201710939696.8
• 申請日: 2017-10-11
• 公開（公告）號: CN107643227A
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發明（設計）人: 蔣海峰;黃萌;王寶華;邱建宏
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01N5/00
• 分類號: G01N5/00;G01N9/00;G01N11/00
• 代理公司: 南京理工大學專利中心32203
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明涉及傳感器檢測領域，具體涉及基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測量裝置及方法。

背景技術

密度與粘度是液體最基本的兩個物理屬性，在分析化學、生物醫學、環境工程等領域具有重要的意義。石英晶體微天平(quartz crystal microbalance,QCM)可用于測量液體的物理屬性，如液體的密度和粘度，它能夠將待測液體的物理屬性轉化為可測量的頻率信號或電導信號。

目前，基于QCM傳感器的分析儀器在生物分子相互作用、高分子材料吸附、病菌檢測、電化學沉淀分析以及空氣衛生質量檢測等領域的應用很廣泛，但是將其應用到液體屬性測量領域的還很少。1993年，Martin等人通過兩個QCM傳感器諧振頻率變化得到液體的密度和粘度，其中一個電極表面光滑，對液體的密度和粘度的乘積項有響應，另一個電極表面設有微槽，除了對液體的密度和粘度的乘積項有響應外，還對只與液體的密度有關的附加項有響應。由于對兩個不同結構的QCM傳感器頻率貢獻進行了近似等效，測量誤差相對較大，測試過程也比較復雜。2011年，Itoh等人提出一種采用單個QCM傳感器結合導納分析的方法測量液體的密度和粘度，但是需要測量的數據較多，數據分析過程很困難，同時測量過程中所用的網絡分析儀體積龐大，價格昂貴，不利于在實際生產中應用。

發明內容

本發明所解決的技術問題在于提供一種基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測量裝置及方法，裝置體積小、集成度高，測量過程簡單，測量結果準確。

實現本發明目的的技術解決方案為：基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測量裝置，包括正弦驅動單元、QCM傳感單元、同步檢測單元、模數轉換器、數字信號處理器和計算機，其中：

正弦驅動單元用于產生正弦掃頻信號，并輸送到同步檢測單元和QCM傳感單元；

QCM傳感單元通過正弦驅動單元輸出的正弦掃頻信號驅動，用于感測液體，將液體的密度和粘度信息轉換成交流電壓信號，并輸送到同步檢測單元；

同步檢測單元用于對正弦驅動單元和QCM傳感單元的輸出信號進行處理，將QCM傳感單元輸出的交流電壓信號轉換為對應于QCM電導變化的直流電壓信號，并輸送到模數轉換器；

模數轉換器對同步檢測單元輸出的直流電壓信號進行模數轉換，并將數字信號輸送到數字信號處理器；

數字信號處理器用于產生正弦驅動單元所需的頻率控制字和模數轉換器所需的采集時序，提取數字信號的電導峰值和該峰值下的串聯諧振頻率，并輸送到計算機；

計算機用于對數字信號處理器輸出的電導峰值和該峰值下的串聯諧振頻率進行計算，得到液體的密度和粘度。

所述QCM傳感單元包括電阻R、緩沖放大器Buf、QCM傳感器和可調電感L₀，電阻R的一端連接正弦驅動單元，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單元，QCM傳感器和可調電感L₀并聯后一端連接緩沖放大器Buf的正向輸入端，另一端接地。

所述QCM傳感器包括石英晶體和設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。

所述正弦驅動單元包括數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傳感器的串聯諧振頻率。

所述同步檢測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。

基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測量方法，包括以下步驟：

步驟1、正弦驅動單元在數字信號處理器的控制下產生正弦掃頻信號，驅動QCM傳感單元工作；

步驟2、在不加液體負載的情況下，QCM傳感單元檢測液體的物理屬性，輸出無液體負載時的交流電壓信號U₁；

步驟3、同步檢測單元將交流電壓信號U₁和正弦掃頻信號相乘，并對相乘的結果進行濾波處理，得到對應QCM電導變化的直流電壓信號V₁；