[實(shí)用新型]基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測(cè)量裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201721310676.6
• 申請(qǐng)日: 2017-10-11
• 公開（公告）號(hào): CN207472707U
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 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)
• 主分類號(hào): G01N5/00
• 分類號(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)

本實(shí)用新型公開了一種基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測(cè)量裝置，該裝置包括正弦驅(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)，正弦驅(qū)動(dòng)單元用于產(chǎn)生正弦掃頻信號(hào)；QCM傳感單元通過正弦掃頻信號(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)；同步檢測(cè)單元用于將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)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于對(duì)直流電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)字信號(hào)處理器用于提取數(shù)字信號(hào)的電導(dǎo)峰值和該峰值下的串聯(lián)諧振頻率；計(jì)算機(jī)用于對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器輸出進(jìn)行計(jì)算得到液體的密度和粘度。本實(shí)用新型裝置體積小、集成度高，測(cè)量過程簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及傳感器檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及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。

背景技術(shù)

密度與粘度是液體最基本的兩個(gè)物理屬性，在分析化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程等領(lǐng)域具有重要的意義。石英晶體微天平(quartz crystal microbalance,QCM)可用于測(cè)量液體的物理屬性，如液體的密度和粘度，它能夠?qū)⒋郎y(cè)液體的物理屬性轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的頻率信號(hào)或電導(dǎo)信號(hào)。

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(cè)、電化學(xué)沉淀分析以及空氣衛(wèi)生質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用很廣泛，但是將其應(yīng)用到液體屬性測(cè)量領(lǐng)域的還很少。1993年，Martin等人通過兩個(gè)QCM傳感器諧振頻率變化得到液體的密度和粘度，其中一個(gè)電極表面光滑，對(duì)液體的密度和粘度的乘積項(xiàng)有響應(yīng)，另一個(gè)電極表面設(shè)有微槽，除了對(duì)液體的密度和粘度的乘積項(xiàng)有響應(yīng)外，還對(duì)只與液體的密度有關(guān)的附加項(xiàng)有響應(yīng)。由于對(duì)兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)的QCM傳感器頻率貢獻(xiàn)進(jìn)行了近似等效，測(cè)量誤差相對(duì)較大，測(cè)試過程也比較復(fù)雜。2011年，Itoh等人提出一種采用單個(gè)QCM傳感器結(jié)合導(dǎo)納分析的方法測(cè)量液體的密度和粘度，但是需要測(cè)量的數(shù)據(jù)較多，數(shù)據(jù)分析過程很困難，同時(shí)測(cè)量過程中所用的網(wǎng)絡(luò)分析儀體積龐大，價(jià)格昂貴，不利于在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型所解決的技術(shù)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(cè)量裝置及方法，裝置體積小、集成度高，測(cè)量過程簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)解決方案為：基于石英晶體微天平的液體密度和粘度的測(cè)量裝置，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。

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。