一種壓電扭振式粘度、密度及介電常數(shù)在線同時(shí)測(cè)量探頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及流體物理特性測(cè)量探頭領(lǐng)域，具體是一種壓電扭振式粘度、密度及介電常數(shù)在線同時(shí)測(cè)量探頭。
【背景技術(shù)】
[0002]粘度反映流體內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況下分子間內(nèi)摩擦的特性，密度反映物體運(yùn)動(dòng)的慣性特性，介電常數(shù)反映非導(dǎo)體材料的電學(xué)特性，它們是影響流體物理特性的重要參數(shù)。在能源化工、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)藥食品等工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研宄領(lǐng)域中，快速、準(zhǔn)確的流體粘度、密度及介電常數(shù)測(cè)量，對(duì)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程以提高產(chǎn)品質(zhì)量、測(cè)量物質(zhì)特性以服務(wù)科學(xué)研宄都具有重要的價(jià)值。
[0003]在實(shí)際測(cè)定中，流體粘度的測(cè)量相對(duì)密度和介電常數(shù)的測(cè)量要復(fù)雜的多，它往往不能直接測(cè)量得到，而是通常通過測(cè)量與其相關(guān)的其他物理量，再由相應(yīng)的方程計(jì)算得到。目前，最常用的液體粘度測(cè)量法有毛細(xì)管法、落球法、機(jī)械旋轉(zhuǎn)法、機(jī)械振動(dòng)法等。毛細(xì)管法通過測(cè)量液體一定壓差下在毛細(xì)管內(nèi)的流速換算得到粘度；落球法通過測(cè)量金屬球在液體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的速度換算得到粘度；旋轉(zhuǎn)法通過測(cè)量電磁馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的探頭在液體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力換算得到粘度；機(jī)械振動(dòng)法通過測(cè)量電磁激勵(lì)的探頭在液體內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅衰減換算得到粘度。盡管基于這些傳統(tǒng)方法的粘度測(cè)量設(shè)備一般都能夠比較準(zhǔn)確可靠地測(cè)得液體粘度，但是它們大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，成本較高，樣品需求量大，且測(cè)量速度較慢，無法實(shí)現(xiàn)快速在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，故而僅適合于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的線下測(cè)量，應(yīng)用場(chǎng)合存在很大的局限性。基于壓電材料結(jié)構(gòu)諧振發(fā)展而來的粘度測(cè)量裝置，可實(shí)現(xiàn)流體粘度的快速在線測(cè)量，且結(jié)構(gòu)微型化，操作智能化，具有相對(duì)較好的研宄價(jià)值和廣泛的發(fā)展前景。壓電諧振式粘度測(cè)量裝置利用壓電材料的壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械諧振，通過測(cè)量諧振結(jié)構(gòu)在流體內(nèi)引起的機(jī)械和電學(xué)特性變化換算得到相應(yīng)的粘度值，測(cè)量的特性參量主要包括諧振模態(tài)的機(jī)械品質(zhì)因子、諧振頻率等。壓電結(jié)構(gòu)采用的諧振模態(tài)包括彎曲、縱向、厚度剪切、扭轉(zhuǎn)等振動(dòng)形式，其中扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形式相對(duì)于其他振動(dòng)形式因與流體具有更好的耦合關(guān)系而具有更好的性能提升空間和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前，現(xiàn)有的壓電扭轉(zhuǎn)元件本質(zhì)上都是依賴軸向扭轉(zhuǎn)能力的圓柱型結(jié)構(gòu)，由于圓柱型壓電扭轉(zhuǎn)元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電極布局上的局限性，尺寸往往相對(duì)較大，使得壓電扭振式粘度測(cè)量裝置在微型化、便攜化設(shè)計(jì)方面存在一定困難，這也是至今未見到微型化程度較高的壓電扭振式粘度計(jì)的原因。
[0004]于此同時(shí)，粘度測(cè)量計(jì)算中往往需要已知流體的密度或測(cè)量流體的密度，流體介電常數(shù)作為重要的電學(xué)參數(shù)很多場(chǎng)合下也需要在線測(cè)量。目前，這些物理量往往需要通過相互獨(dú)立的測(cè)量設(shè)備一一獲得，難以實(shí)現(xiàn)粘度、密度及介電常數(shù)的同時(shí)測(cè)量，這不僅提高了測(cè)量的難度，增加了測(cè)量的成本，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性也受到一定的影響。因此，發(fā)明一種具有粘度、密度和介電常數(shù)在線同時(shí)測(cè)量的探頭，用于液體多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)于提高測(cè)量系統(tǒng)多功能化、集成化、便攜化具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種壓電扭振式粘度、密度及介電常數(shù)在線同時(shí)測(cè)量探頭，以解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，采用壓電圓環(huán)形諧振振子，測(cè)量范圍廣、準(zhǔn)確度高、成本低，且結(jié)構(gòu)緊湊、適宜于微型化，可用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研宄設(shè)備管道、容器內(nèi)的非導(dǎo)電液體粘度、密度及介電常數(shù)的在線測(cè)量。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
[0007]一種壓電扭振式粘度、密度及介電常數(shù)在線同時(shí)測(cè)量探頭，其特征在于:包括金屬臺(tái)階軸、壓電陶瓷圓環(huán)，所述壓電陶瓷圓環(huán)上、下表面分別鍍有多道螺旋叉指電極，壓電陶瓷圓環(huán)上、下表面上相鄰螺旋叉指電極之間設(shè)置為一定深度的刻槽，金屬臺(tái)階軸的末端外壁設(shè)置有螺紋，所述壓電陶瓷圓環(huán)通過中心環(huán)孔中的螺母螺合安裝在金屬臺(tái)階軸的末端上，且金屬臺(tái)階軸末端螺合有在壓電陶瓷圓環(huán)下表面將壓電陶瓷圓環(huán)緊固在金屬臺(tái)階軸臺(tái)階上的螺母，所述壓電陶瓷圓環(huán)上表面與金屬臺(tái)階軸臺(tái)階之間、壓電陶瓷圓環(huán)下表面與螺母之間分別設(shè)置有套在金屬臺(tái)階軸末端上的絕緣墊片，壓電陶瓷圓環(huán)中心的環(huán)孔孔壁與金屬臺(tái)階軸末端之間設(shè)置有套在金屬臺(tái)階軸末端上的絕緣環(huán)，所述金屬臺(tái)階軸內(nèi)灌封有兩條絕緣導(dǎo)線，其中一條絕緣導(dǎo)線與螺旋叉指電極的正極連接，另一條絕緣導(dǎo)線與螺旋叉指電極的負(fù)極連接。
[0008]所述的一種壓電扭振式粘度、密度及介電常數(shù)在線同時(shí)測(cè)量探頭，其特征在于:壓電陶瓷圓環(huán)上、下表面螺旋叉指電極正負(fù)極交錯(cuò)分布，壓電陶瓷圓環(huán)上、下表面外圓邊邊緣位置分別設(shè)置有一定寬度的圓環(huán)形外電極，壓電陶瓷圓環(huán)上、下表面位于中心環(huán)孔邊緣位置亦分別設(shè)置有一定寬度的圓環(huán)形內(nèi)電極，壓電陶瓷圓環(huán)的中心環(huán)孔孔壁上還成型有內(nèi)側(cè)電極；壓電陶瓷圓環(huán)上、下表面螺旋叉指電極正極分別與所在表面中心環(huán)孔邊緣位置的圓環(huán)形內(nèi)電極連接，內(nèi)側(cè)電極分別與壓電陶瓷圓環(huán)上、下表面連接叉指電極正極的圓環(huán)形內(nèi)電極連接，其中一條絕緣導(dǎo)線與圓環(huán)形內(nèi)電極連接，作為正極引出導(dǎo)線；壓電陶瓷圓環(huán)上、下表面螺旋叉指電極的負(fù)極分別與所在表面外圓邊邊緣位置的圓環(huán)形外電極連接，圓環(huán)形內(nèi)電極和內(nèi)側(cè)電極分別分割出部分負(fù)極電極區(qū)域與上、下表面螺旋叉指電極某一負(fù)極電極連接，另一條絕緣導(dǎo)線與圓環(huán)形內(nèi)電極分割出的負(fù)極電極區(qū)域連接，作為負(fù)極引出導(dǎo)線。
[0009]所述的一種壓電扭振式粘度、密度及介電常數(shù)在線同時(shí)測(cè)量探頭，其特征在于:所述壓電陶瓷圓環(huán)厚度為0.4?1mm，外徑為20?30mm，內(nèi)徑為5?10mm，其上下兩表面螺旋叉指電極厚度為5?10 μπι，采用多對(duì)交叉指型電極結(jié)構(gòu)，相鄰螺旋叉指電極間距為I?3_，上下兩面未鍍螺旋叉指電極部分刻槽深度為0.1?0.2_。
[0010]所述的一種壓電扭振式粘度、密度及介電常數(shù)在線同時(shí)測(cè)量探頭，其特征在于:所述螺旋叉指電極和壓電陶瓷圓環(huán)刻槽通過激光或化學(xué)刻蝕加工，且兩面螺旋叉指電極位置對(duì)應(yīng)一致。
[0011]所述的一種壓電扭振式粘度、密度及介電常數(shù)在線同時(shí)測(cè)量探頭，其特征在于:所述金屬臺(tái)階軸采用不銹鋼材料，螺旋叉指電極材料為銀，絕緣墊片材料為石英，絕緣環(huán)材料為橡膠。
[0012]所述的一種壓電扭振式粘度、密度及介電常數(shù)在線同時(shí)測(cè)量探頭，其特征在于:所述金屬臺(tái)階軸和絕緣墊片的適當(dāng)位置加工通孔用于灌封絕緣導(dǎo)線。
[0013]本發(fā)明中，壓電陶瓷圓環(huán)上下兩面及內(nèi)側(cè)面鍍有銀電極，通過激光或化學(xué)刻蝕工藝在上下兩面加工出螺旋叉指電極，螺旋叉指電極正負(fù)電極交錯(cuò)分布，圓環(huán)面外邊緣保留一定寬度圓環(huán)形電極用于連接螺旋叉指電極的負(fù)極，圓環(huán)面內(nèi)邊緣保留一定寬度圓環(huán)形電極用于連接螺旋叉指電極的正極，壓電陶瓷圓環(huán)內(nèi)側(cè)電極用于連接上下兩面的正電極，內(nèi)圓環(huán)型電極和內(nèi)側(cè)電極分割出部分電極區(qū)域用于連接上下兩面的負(fù)電極及引線端。
[0014]本發(fā)明中，壓電陶瓷圓環(huán)上下兩面刻糟結(jié)構(gòu)是在未鍍電極部分，在刻蝕螺旋叉指電極工藝基礎(chǔ)上，刻蝕電極材料后繼續(xù)向內(nèi)刻蝕壓電陶瓷材料一定深度，從而形成刻槽結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明中，壓電陶瓷圓環(huán)通過螺旋叉指電極極化后，利用螺母固定于金屬臺(tái)階軸端側(cè)，在螺旋叉指電極簡(jiǎn)諧電壓激勵(lì)下產(chǎn)生面內(nèi)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，探頭浸入待測(cè)非導(dǎo)電牛頓液體后，扭轉(zhuǎn)諧振的機(jī)械品質(zhì)因子受待測(cè)液體粘度和密度的乘積影響，扭轉(zhuǎn)諧振的諧振頻率受待測(cè)液體粘度和密度及刻槽內(nèi)待測(cè)液體的密度影響，螺旋叉指電極間的靜態(tài)電容受待測(cè)液體粘度的介電常數(shù)影響，通過測(cè)量壓電陶瓷圓環(huán)的電學(xué)導(dǎo)納頻率響應(yīng)曲線獲得機(jī)械品質(zhì)因子和諧振頻率以及電極間的靜態(tài)電容，從而計(jì)算得到待測(cè)液體的粘度、密度和介電常數(shù)。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明將壓電陶瓷圓環(huán)面內(nèi)扭轉(zhuǎn)技術(shù)應(yīng)用于液體粘度的檢測(cè)，面內(nèi)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)與流體具有很好的耦合關(guān)系，測(cè)量準(zhǔn)確度高，引入刻槽結(jié)構(gòu)用于測(cè)量液體的密度，引入等效靜態(tài)電容用于測(cè)量液體的介電常數(shù)，探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，易于微型化，可用于管道、容器內(nèi)的非導(dǎo)電液體粘度、密度及介電常數(shù)的快速在線連續(xù)檢測(cè)。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明探頭主剖視圖。
[0019]圖3為本發(fā)明壓電陶瓷圓環(huán)叉指電極結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4為本發(fā)明探頭工作在待測(cè)液體中的電學(xué)等效電路。
[0021]圖5為本發(fā)明探頭工作在待測(cè)液體中的電導(dǎo)頻率響應(yīng)曲線。
[0022]圖6為本發(fā)明探頭工作在待測(cè)液體中的電納頻率響應(yīng)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1-圖4所示，一種壓電扭振式粘度、密度及介電常數(shù)在線同時(shí)測(cè)量探頭，包括金屬臺(tái)階軸3、壓電陶瓷圓環(huán)1，壓電陶瓷圓環(huán)I上、下表面分別鍍有多道螺旋叉指電極2，壓電陶瓷圓環(huán)I上、下表面上相鄰螺旋叉指電極2之間設(shè)置為一定深度的刻槽，金屬臺(tái)階軸3的末端外壁設(shè)置有螺紋4，壓電陶瓷圓環(huán)I通過中心環(huán)孔中的螺母螺合安裝在金屬臺(tái)階軸3的末端上，且金屬臺(tái)階軸3末端螺合有在壓電陶瓷圓環(huán)I下表面將壓電陶瓷圓環(huán)I緊固在金屬臺(tái)階軸3臺(tái)階上的螺母5，壓電陶瓷圓環(huán)I上表面與金屬臺(tái)階軸3臺(tái)階之間、壓電陶瓷圓環(huán)I下表面與螺母5之間分別設(shè)置有套在金屬臺(tái)階軸3末端上的絕緣墊片6，壓電陶瓷圓環(huán)I中心的環(huán)孔孔壁與金屬臺(tái)階軸3末端之間設(shè)置有套在金屬臺(tái)階軸3末端上的絕緣環(huán)7，金屬臺(tái)階軸3內(nèi)灌封有兩條絕緣導(dǎo)線8，其中一條絕緣導(dǎo)線與各個(gè)螺旋叉指