石英晶體粘度傳感器原理及特性研究
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粘度是液體內(nèi)摩擦力的表現(xiàn)。液體粘度測量在石油、化工、制藥和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的粘度計(jì)有毛細(xì)管粘度計(jì)、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、振球式粘度計(jì)等。這些測量方法的優(yōu)點(diǎn)是測量范圍寬、精度高，但缺點(diǎn)是或結(jié)構(gòu)復(fù)雜或測量方法復(fù)雜。本文對石英晶體的粘度敏感性原理、石英晶體粘度傳感器結(jié)構(gòu)、振蕩電路及其特性進(jìn)行了分析和研究。
2石英晶體粘度傳感器原理與結(jié)構(gòu)
傳感器采用AT切型厚度切變振動(dòng)模式的石英晶體，其振動(dòng)模式如圖1所示。
圖1 AT切型石英晶體厚度切變振動(dòng)示意圖
石英晶體在液相介質(zhì)中振蕩時(shí)，可將其等效為兩層結(jié)構(gòu)。其中第一層(0≤y≤d)為石英晶體層，第二層(d≤y≤d＋dy)為流體層。對流體層，由牛頓流體定律，可導(dǎo)出由流體引起的頻率偏移Δf：
Δf＝k(ρ1η1)1/2
式中，k為與石英晶體有關(guān)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，η1、ρ1分別為被測液體的粘度和密度。由此可見，石英晶體在液體中的頻率變化是液體粘度與密度的函數(shù)。當(dāng)測出液體的溫度，并確定其密度之后，即可由此確定液體的粘度。
傳感器探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 傳感器探頭結(jié)構(gòu)
選用基頻為10MHz的AT切型石英晶體，晶片外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。晶片中心圓形區(qū)域?yàn)楸汇y電極，根據(jù)能量局部化效應(yīng)，振動(dòng)能量集中在電極下面的中間區(qū)域。為保證石英晶體振蕩穩(wěn)定性，將電極引線用導(dǎo)電膠粘接在晶片邊緣倒角處。石英晶片采用單面觸液方式。要求粘接面盡可能遠(yuǎn)離中心電極區(qū)，電極引線應(yīng)盡可能細(xì)，以減少引線對晶片產(chǎn)生的應(yīng)力。
圖3 晶片結(jié)構(gòu)
測量系統(tǒng)組成如圖4所示。
圖4 測量系統(tǒng)圖
工作晶體相對參考晶體的頻率偏移，由差頻電路獲得，并輸入80C196的HSI測量其頻率的大小。被測液體溫度經(jīng)檢測電路和A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)系統(tǒng)。被測液體密度值由鍵盤輸入。
單片機(jī)軟件包括頻率測量子程序、密度測量子程序、密度輸入子程序、粘度測量子程序。測量結(jié)果由LED顯示。系統(tǒng)采用由兩個(gè)反相器組成的串聯(lián)諧振式晶體振蕩器。振蕩電路如圖5所示。
圖5 振蕩電路
4特性分析
利用圖4所示的測量系統(tǒng)，對石英晶體在液相介質(zhì)中的工作特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
4.1響應(yīng)時(shí)間
探頭剛放入水中時(shí)，差頻最大，而后逐漸減小，2min后穩(wěn)定在4100Hz，如圖6所示。這說明，傳感器從開始接觸液體到穩(wěn)定振蕩需要一定的時(shí)間。
圖6 響應(yīng)時(shí)間曲線
表1列出探頭在不同液體深度處測得的頻率。從表中看出，石英晶體輸出頻率與在液體中的深度在一定范圍內(nèi)無關(guān)。
表1 探頭在不同深度測得的頻率 
將探頭浸入不同粘度的液體樣品中，測量粘度對晶體諧振的影響，觀察并記錄頻率的變化。
每測量一種樣品后，用丙酮清洗石英晶體吸附的液體，并晾干，然后再進(jìn)行下一組測量。
表2列出對7種不同樣品10次測量結(jié)果的平均值，單次測量離散值為10Hz。
表2 樣品測量結(jié)果平均值 
由最小二乘法擬和得到：
Δf＝0.6985(ρ1η1)1/2＋3.403
相關(guān)系數(shù)＝0.9996。
擬和曲線如圖7所示。
圖7 頻率—粘度曲線
4.4靈敏度
由回歸方程得到傳感器的靈敏度S為：
S＝Δf/(ρ1η1)1/2＝0.6985/(ρ1η1)1/2
即液體參考系數(shù)(ρ1η1)1/2每變化一個(gè)單位，差頻變化為698.5Hz，表明傳感器具有較高的靈敏度。
4.5溫度特性
圖8表示粘度與溫度的關(guān)系。由圖看出，隨著溫度增加，差頻減小。這主要是由溫度對粘度的影響造成的。
圖8 溫度—粘度關(guān)系曲線
5 結(jié)束語
通過實(shí)驗(yàn)分析，石英晶體對液體的粘度、密度有較高的靈敏度。多數(shù)情況下，被測液體的密度差別不大，而粘度分散性很大；因此，利用石英晶體進(jìn)行粘度特性測量是比較適宜的。石英晶體粘度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于小型化，其缺點(diǎn)是測量范圍偏窄。如何擴(kuò)大其測量范圍是需要解決的課題。
作者簡介：孫振東，男，副教授，長期從事分析儀器的教學(xué)、科研和開發(fā)工作。
評(píng)論