一種基于壓電體聲波諧振式傳感器的液體屬性測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電子測量技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于壓電體聲波諧振式 傳感器的液體屬性測量方法，用于液體密度、粘度的測量方法，可以應(yīng)用于化學(xué)、材料、生物 以及物理等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 分析化學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的絕大多數(shù)檢測對象都是在液體環(huán)境中，所以必須要 對液體進行分析。而分析液體特性時，我們通常關(guān)注它的密度、粘度等液體屬性。
[0003] 測量液體的粘度、密度時，傳統(tǒng)的方法是用電子天平以及粘度計分開測量。首先用 分析天平稱量已知體積的待測液體的質(zhì)量，應(yīng)用公式（1)進行計算得到密度：
[0004] Pi ~ ~ (1)
[0005] 然后，用粘度計（比如旋轉(zhuǎn)式粘度計、超聲波式粘度計、毛細(xì)管粘度計等）測量得 到液體的粘度。上述方法在分析化學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域存在一定的局限和不足，主要表現(xiàn) 如下：
[0006] (1)、現(xiàn)有的分析天平精度最高只能達(dá)到微克量級，而在分析化學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域很多場合需要更高的測量精度；
[0007] (2)、分析化學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，很多樣品的價格非常昂貴，而傳統(tǒng)的測量方 法所需的樣品量比較大；
[0008] (3)、傳統(tǒng)的方法不能在線、實時的給出測試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。
[0009] 基于壓電體聲波諧振式傳感器的液體屬性測量方法可以在一定程度上彌補上述 不足，壓電體聲波諧振式傳感器的應(yīng)用在開始逐漸成為的研宄熱點。
[0010] 基于壓電體聲波諧振式傳感器（包括陶瓷材料和石英晶體材料）的壓力傳感器已 有產(chǎn)品問世。基于石英晶體材料的QCM(石英晶體微天平）傳感器也在生物、化學(xué)、物理等 領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。但是，應(yīng)用壓電體聲波諧振式傳感器進行液體屬性分析的相關(guān) 研宄還不多。
[0011] 到目前為止，只有為數(shù)不多的幾篇論文研宄了基于QCM(石英晶體微天平）傳感 器的未知溶液的密度、粘度測量方法，但是都還存在一定的缺陷和不足。κ. K. Kanazawa，J. G. Gordon等人證明了 QCM傳感器的頻率變化與其接觸液體的屬性（即密度粘度的乘積 項）存在一定的對應(yīng)關(guān)系（見論文 Κ·Κ· Kanazawa，J.G. Gordon，F(xiàn)requency of a quartz microbalance in contact with liquid，Anal. Chem. 57 (1985) 1770 - 1771)，但是他們忽 略了液體的質(zhì)量也會使得QCM傳感器的頻率發(fā)生變化這一事實。Ward，M. D和Buttir，D. A 等人于 1990 年在《Science》上發(fā)表的論文"In situ interfacial mass detection with piezoelectric transducers，Science 1990, 249, 1000-1007" 證實 QCM 表面的液體質(zhì)量 也會使其產(chǎn)生頻率偏移，后來Schumacher團隊以及A. R. Loveday團隊也驗證了該結(jié)論的 正確性（見論文 Schumacher，R. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1990, 29, 329-343 ;Hillman，A. R. ;Loveday，D.C. ;Swam，M.J. J.Chem.Soc. Faraday Trans. 1991，87, 2047-2053) ο Martin等人補充了液體的質(zhì)量效應(yīng)對QCM傳感器的頻率變化影響（見論文Stephen J. Martin, ^Victoria Edwards Granstaff, and Gregory C. Frye, Characterization of a Quartz Crystal Microbalance with Simultaneous Mass and Liquid Loading, Anal. Chem. 1091，63, 2272-2281)。
[0012] 但是，他們認(rèn)為只用一個QCM傳感器不可能分離出液體的粘度和密度，并于1993 年提出了用2個QCM傳感器測量的方法，申請了專利（專利號：US005201215)。該方法中， 一個表面光滑，只對液體的密度粘度乘積項有響應(yīng)；另一個表面有紋路，除了對液體的密度 粘度乘積項有響應(yīng)外，還一個附加響應(yīng)，該附加響應(yīng)只與液體的密度有關(guān)。2009年，N. Doy、 G. McHale以及M. I. Newton等人在Martin的研宄基礎(chǔ)上進行了更進一步的研宄，提出了 基于雙QCM傳感器測量的液體粘度、密度顯性表達(dá)式（見論文"Separate Density and Viscosity Determination of Room Temperature Ionic Liquids using Dual Quartz Crystal Microbalances''）。
[0013] 以上兩種方法都采用了兩個不同的QCM傳感器，測試過程比較復(fù)雜，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn) 確度有待提高。
[0014] 2011 年，Atsushi Itoh 和 Motoko Ichihashi 等人米用同時測量 QCM 傳感器 的頻率變化和導(dǎo)納變化，然后建立方程組求得到液體的密度和粘度（見論文"Separate measurement of the density and viscosity of a liquid using a quartz crystal microbalance based on admittance analysis(QCM-A)"）。該方法雖然只用了單個 QCM 傳 感器，但是測試過程比較復(fù)雜，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度有待提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于壓電體聲波諧振式傳感器 的液體屬性測量方法，采用一個壓電體聲波諧振式傳感器實現(xiàn)液體密度和粘度的測量，并 簡化測試過程，并提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。
[0016] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于壓電體聲波諧振式傳感器的液體屬性測量方 法，其特征在于，包括以下步驟：
[0017] (1)、把壓電體聲波諧振式傳感器接到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路接到直流穩(wěn)壓電源，傳 感器驅(qū)動電路的輸出連接到頻率計；
[0018] 通上電后，壓電體聲波諧振式傳感器開始工作，記錄頻率計的輸出，即壓電體聲波 諧振式傳感器的參考諧振頻率f Q;
[0019] (2)、加載一定體積的待測液體到壓電體聲波諧振式傳感器上表面，記錄待測液體 的體積Vu和頻率計輸出的壓電體聲波諧振式傳感器的諧振頻率f i，記錄頻率變化為△ =
[0020] (3)、在步驟（2)的基礎(chǔ)上，再次加載一定體積的待測液體到壓電體聲波諧振式傳 感器上表面，記錄待測液體的體積' 2和頻率計輸出的壓電體聲波諧振式傳感器的諧振頻 率f2，記錄頻率變化為Δ f2= fQ-f2;
[0021] 待測液體的體積從Vu變化到V U時，引起壓電體聲波諧振式傳感器的頻率變化為 Af2-Af1;
[0022] (4)、計算待測液體的密度P A :
【主權(quán)項】
1. 一種基于壓電體聲波諧振式傳感器的液體屬性測量方法，其特征在于，包括以下步 驟： (1) 、把壓電體聲波諧振式傳感器接到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路接到直流穩(wěn)壓電源，傳感器 驅(qū)動電路的輸出連接到頻率計； 通上電后，壓電體聲波諧振式傳感器開始工作，記錄其參考諧振頻率fQ; (2) 、加載一定體積的待測液體到壓電體聲波諧振式傳感器上表面，記錄待測液體的體 積Vu和壓電體聲波諧振式傳感器的諧振頻率，記錄頻率變化為Af 1= f ^f1; (3) 、在步驟（2)的基礎(chǔ)上，再次加載一定體積的待測液體到壓電體聲波諧振式傳感器 上表面，記錄待測液體的體積'2和壓電體聲波諧振式傳感器的諧振頻率f 2，記錄頻率變化 為 Af2= f 〇-f2; 待測液體的體積從Vu變化到V u時，引起壓電體聲波諧振式傳感器的頻率變化為 Af2-Af1; (4) 、計算待測液體的密度P L為：
(5) 、計算待測液體的粘度ru為：
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓電體聲波諧振式傳感器的液體屬性測量方法，通過兩次測量，獲得不同體積下待測液體引起的壓電體聲波諧振式傳感器的頻率變化，創(chuàng)新性地建立待測液體密度和粘度與壓電體聲波諧振式傳感器頻率變化的聯(lián)系，這樣只需要測量出頻率變化量，通過本發(fā)明構(gòu)建的計算方法即可求解得到待測液體的密度和粘度。與現(xiàn)有的基于QCM傳感器測量液體屬性方法相比，本發(fā)明只需要用一個傳感器，通過測量兩次加載液體后的傳感器頻率變化，應(yīng)用相關(guān)算法即可求解出液體的密度和粘度，測試過程，測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度高。同時，該發(fā)明所描述的方法還具有所需樣品量少，在線、實時、定量等特點。
【IPC分類】G01N9-24, G01N29-036, G01N11-00
【公開號】CN104833610
【申請?zhí)枴緾N201510198143
【發(fā)明人】譚峰, 邱渡裕, 葉芃, 曾浩, 趙勇, 蔣俊, 潘卉青, 郭連平, 吳書豪
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年4月23日