[發明專利]U型金屬絲諧振式粘度傳感器

在審

• 申請號: 202210067467.2
• 申請日: 2022-01-20
• 公開（公告）號: CN114563309A
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 楊建國;吳德鴻;沈義濤;林波
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（威海）
• 主分類號: G01N11/16
• 分類號: G01N11/16
• 代理公司: 威海科星專利事務所 37202
• 代理人: 初姣姣

本發明提出了一種U型金屬絲諧振式MEMS粘度傳感器，包括U型金屬絲諧振敏感元件、頻率信號發生器模塊、阻抗測量模塊以及微控制器模塊，U型金屬絲作為傳感器的敏感元件，置于平行放置的兩塊圓形強力永久磁鐵之間的磁場中，與該兩塊強力永久磁鐵以及支撐構件組成的一體式結構，微控制器控制頻率信號發生器模塊產生掃頻信號，激勵U型金屬絲在被測液體中產生穩定振動，利用阻抗測量模塊檢測各掃頻信號激勵下，置于被測液體中U型金屬絲的阻抗，尋找諧振頻率點，再通過U型金屬絲在諧振頻率點的阻抗變化量計算被測液體的粘度，本發明具有損耗低、尺寸小、不易損壞等優點，尤其適用于車載等復雜環境下油液粘度的檢測。

技術領域

本發明涉及一種粘度傳感器，是一種具有諧振頻率與溫度交叉敏感低、工作在低赫茲頻率范圍、諧振元件不易損壞的優勢，精度高、功耗低且體積小、成本低的U型金屬絲諧振式粘度傳感器。

背景技術：

粘度可以用來檢測液體的狀況，是描述液體物理行為的重要理化特性參數之一。液體粘度的測量在石油化工、食品、汽車、紡織工業、生物醫學工程等領域是必不可少的。例如，在汽車工業中，潤滑油粘度的現場監測是跟蹤潤滑油性能的關鍵指標。在石油開采中，對井下環境中油藏液體粘度和密度的檢測是指導油藏開發策略的重要參數。在生物醫學診斷中，對測試樣品的粘度進行測量可以實現以較低的成本進行內毒素檢測。

傳統在實驗室中用于測量粘度的儀器測量精度高，但是由于其部件較大以及其測量原理的限制，難以直接小型化而作為傳感器使用。當只有非常少量的樣品液體可用時，或者測量過程必須在封閉的儲層、生產線或汽車類運動機械設備上使用時，合適的粘度檢測傳感器日益成為必需。

基于機械諧振技術，以諧振元件作為敏感元件而實現的傳感器稱為諧振式傳感器。諧振式傳感器具有廣泛的應用前景，包括用于化學物質和生物物質的檢測，流體流變特性的測量等。諧振式傳感器基于諧振原理，傳感器周圍的環境因素(例如粘度)會影響到傳感器本身的諧振行為(例如諧振頻率、質量因子)。通過建立環境因素與傳感器諧振行為內在關系的有效模型，可以實現對傳感器周圍環境參數的檢測，比如粘度的檢測。

諧振敏感元件作為諧振式傳感器的核心部分，決定了傳感器的性能。石英音叉、微懸臂梁、AIN諧振器、扭轉諧振器等都可以作為檢測粘度測量的諧振式傳感器的敏感元件。石英音叉具有居里溫度高、穩定性好、精度高、成本低等優點，以石英音叉為諧振元件的石英音叉諧振式粘度傳感器應用廣泛。但是石英音叉諧振式粘度傳感器不但粘度計算模型復雜，而且石英音叉易于損壞，尤其不適于車載、井下等惡劣環境下的粘度檢測。同時，在檢測高粘度液體的粘度時，石英音叉諧振式粘度傳感器還存在振動信號差、測量誤差大等缺點。

發明內容

本發明針對現有粘度傳感器技術中存在的不足，提出了一種采用由熱膨脹系數低的鎢絲制成的U型金屬絲作為粘度檢測諧振敏感元件的粘度傳感器，這種U型金屬絲諧振式粘度傳感器具有諧振頻率與溫度交叉敏感低、工作在低赫茲頻率范圍、諧振元件不易損壞等優勢，并且其精度高、功耗低且體積小、成本低，可廣泛用于各種車輛、冷凍設備、采暖通風空調、壓縮機等工業設備領域在線檢測潤滑油液的粘度。

本發明通過以下措施達到：

一種U型金屬絲諧振式粘度傳感器，其特征在于：包括U型金屬絲、用于搭建磁場的兩塊平行放置的圓形強力永久磁鐵、支撐機構、頻率信號發生器模塊、阻抗測量模塊以及微控制器模塊，所述U型金屬絲與兩塊平行放置的圓形強力永久磁鐵分別固定到支撐機構上，U型金屬絲兩端分別與頻率信號發生器模塊和阻抗測量模塊相連，以頻率信號發生器模塊提供的電流作為激勵源驅動U型金屬絲在被測液體及磁場中振動，阻抗測量模塊檢測U型金屬絲在磁場中振動時輸出的阻抗信號，獲得U型金屬絲工作時的頻率/阻抗圖，通過所測得的U型金屬絲工作時的頻率/阻抗圖，獲得U型金屬絲在被測液體中發生諧振時阻抗與非諧振時阻抗的差值，利用阻抗差值計算被測液體的粘度。