一種基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及粘度計(jì)制備領(lǐng)域，具體涉及一種基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 液體流動(dòng)時(shí)，在分子間產(chǎn)生內(nèi)摩擦的性質(zhì)，稱為液體的粘性，粘性的大小用粘度表 示。粘度是許多工業(yè)生產(chǎn)中需要監(jiān)測的指標(biāo)之一，測定粘度的原理一般大都是由斯托克斯 公式和泊肅葉公式導(dǎo)出有關(guān)粘滯系數(shù)的表達(dá)式，求得粘滯系數(shù)。粘度參數(shù)的測定，對(duì)于預(yù)測 產(chǎn)品生產(chǎn)過程的工藝控制、輸送性以及產(chǎn)品在使用時(shí)的操作性，具有重要的指導(dǎo)價(jià)值，在化 工、印刷、醫(yī)藥、石油、汽車等諸多行業(yè)有著重要的意義。
[0003] 目前，用于測定運(yùn)動(dòng)粘度的粘度計(jì)包括毛細(xì)管式、旋轉(zhuǎn)式和振動(dòng)式。毛細(xì)管式粘度 計(jì)通常為賽氏粘度計(jì)，是一種常見的粘度計(jì)。在恒溫恒壓條件下，利用被測液體流過固定長 度毛細(xì)管的時(shí)間來計(jì)算樣品的粘度。常見的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)是錐板式粘度計(jì)，利用穩(wěn)定流動(dòng) 狀態(tài)下流體給邊界以恒定的作用力，通過圓柱形邊界的扭矩和來反映樣品的粘度。振動(dòng)粘 度計(jì)利用流體中的物體振動(dòng)時(shí)受到流體的阻力獲得流體的粘度，當(dāng)然此作用力的大小與流 體的粘度有關(guān)，但由于此作用力不能直接測得，所以通常的振動(dòng)粘度計(jì)都是通過測量機(jī)械 阻抗來間接獲得被測液體的粘度。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)粘度的準(zhǔn)確測量，本實(shí)用新型提出了一種基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)，利 用機(jī)電阻抗法來測試粘度，既能準(zhǔn)確地反映被測液體的粘度，又可以實(shí)現(xiàn)原位測量。
[0005] 本實(shí)用新型的目的在于提出一種基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)。
[0006] 本實(shí)用新型的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)包括：壓電梁、固定臺(tái)、阻抗分析儀和計(jì)算 機(jī)；其中，壓電梁包括振動(dòng)片、懸臂梁和壓電片；懸臂梁的一端固定在固定臺(tái)上，另一端為 自由端；在懸臂梁的自由端上設(shè)置有振動(dòng)片，懸臂梁的對(duì)稱軸與振動(dòng)片的對(duì)稱軸共線，且懸 臂梁所在的平面與振動(dòng)片所在的平面互相垂直；振動(dòng)片浸入被測液體內(nèi)；在懸臂梁的兩個(gè) 表面上分別粘貼有厚度相同的壓電片；壓電片連接至阻抗分析儀；阻抗分析儀連接至計(jì)算 機(jī)。
[0007] 例如，測量壓電梁在每個(gè)頻率點(diǎn)的導(dǎo)納值，從而得到壓電梁的共振頻率，根據(jù)共振 頻率得到被測液體的動(dòng)力粘度。
[0008] 懸臂梁采用剛性的材料，如鋼片，以保證具有一定的剛度。
[0009] 振動(dòng)片為規(guī)則的形狀，厚度h在0. 1mm~0. 2mm之間，材料與懸臂梁相同。
[0010] 本實(shí)用新型在懸臂梁的自由端設(shè)置振動(dòng)片，振動(dòng)片的振動(dòng)方向與振動(dòng)片所在的平 面平行，當(dāng)振動(dòng)片浸入被測液體后，由液體的粘度引起的振動(dòng)片的表面摩擦力將改變壓電 梁的共振頻率，測量得到與液體的粘度有關(guān)的共振頻率，進(jìn)而通過建立力學(xué)模型，再利用測 得的共振頻率計(jì)算得到被測液體的動(dòng)力粘度。振動(dòng)片、懸臂梁和壓電片構(gòu)成了機(jī)電阻抗耦 合系統(tǒng)，通過測量壓電梁的機(jī)電阻抗（導(dǎo)納）的共振頻率，計(jì)算得到被測液體的動(dòng)力粘度。
[0011] 本實(shí)用新型的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的測試方法，包括以下步驟：
[0012] 1)根據(jù)被測液體的粘度范圍，設(shè)置計(jì)算機(jī)的測試參數(shù)，測試參數(shù)包括掃頻范圍 fi~f2和激勵(lì)電壓，其中，fJPf2分別為起始頻率和終止頻率；
[0013] 2)將振動(dòng)片完全浸入被測液體內(nèi)，固定壓電梁的固定端；
[0014] 3)按照設(shè)定的掃頻范圍，從fi~f2逐點(diǎn)進(jìn)行掃頻測試，獲得每個(gè)頻率點(diǎn)的導(dǎo)納Y， 得到頻率與導(dǎo)納的頻響曲線；
[0015] 4)根據(jù)頻響曲線，如果得到了共振頻率f。，則進(jìn)入步驟5)，如果沒有得到共振頻 率，則返回步驟1)，調(diào)整掃頻范圍重新進(jìn)行測量；
[0016] 5)根據(jù)測得的共振頻率計(jì)算得到被測液體的動(dòng)力粘度n:
[0017]
[0018] 其中，為共振角頻率，《。= 2Jrfj。為共振頻率，A為振動(dòng)片的面積，mt為壓電 梁自由端簡化的集中質(zhì)量，云為壓電梁的等效剛度，&為壓電梁單位長度質(zhì)量，L為壓電梁 的長度，P為被測液體的密度。
[0019] 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)：
[0020] 本實(shí)用新型通過測量壓電梁的機(jī)電阻抗的共振頻率，計(jì)算得到被測液體的動(dòng)力粘 度，方法準(zhǔn)確可靠，由于機(jī)電阻抗的測量非常準(zhǔn)確，所以與其相關(guān)的被測粘度值也能夠準(zhǔn)確 得到；并且，本實(shí)用新型的測試部件為壓電梁，其測試方式簡便，受空間幾何約束小，測試性 能在各種溫度、氣壓等環(huán)境下都可以保持良好的穩(wěn)定性，所以能夠滿足不同環(huán)境的原位測 試要求。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本實(shí)用新型的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的示意圖；
[0022] 圖2為本實(shí)用新型的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的壓電梁的示意圖；
[0023] 圖3為本實(shí)用新型的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的壓電梁的簡化力學(xué)模型圖；
[0024] 圖4為本實(shí)用新型的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的壓電梁的等效電路圖；
[0025] 圖5為本實(shí)用新型的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的共振頻率隨液體的粘度變化的 曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。
[0027] 如圖1所示，本實(shí)施例的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)包括：壓電梁2、固定臺(tái)3、阻抗 分析儀4和計(jì)算機(jī)5 ;其中，如圖2所示，壓電梁2包括振動(dòng)片21、懸臂梁22和壓電片23 ; 懸臂梁22的一端固定在固定臺(tái)3上，另一端為自由端；在懸臂梁的自由端上設(shè)置有振動(dòng)片 21，懸臂梁22的對(duì)稱軸位于振動(dòng)片21所在的平面內(nèi)，并且懸臂梁所在的平面與振動(dòng)片所在 的平面互相垂直；在懸臂梁的兩個(gè)表面上分別粘貼有兩塊厚度相同的壓電片23 ;壓電片連 接至阻抗分析儀4;阻抗分析儀4連接至計(jì)算機(jī)5;振動(dòng)片21浸入被測液體1內(nèi)。懸臂梁 22采用鋼片，振動(dòng)片21為圓形，振動(dòng)片和懸臂梁均采用鋼片。
[0028] 當(dāng)壓電梁自由端的振動(dòng)片浸入被測液體中時(shí)，壓電梁的簡化力學(xué)模型如圖3所 示。其中，L表示壓電梁的長度，hp和21分別為壓電片和懸臂梁的厚度，mt為壓電梁自由 端簡化的集中質(zhì)量，ct表示由于被測液體粘度引起的阻尼，這里qA為振動(dòng)片 的面積，，：《為振動(dòng)角頻率且有《 = 2Jrf，f為振動(dòng)頻率，n為動(dòng)力粘度，P為被 測液體的密度。根據(jù)以上簡化的模型，得到壓電梁的振動(dòng)方程：
[0029]
[0030] 其中，瓦為壓電梁的等效剛度，A為壓電梁的單位長度質(zhì)量，x和u分別為橫縱坐 標(biāo)，t為時(shí)
[0031]
[0032] 其中，PjPPn分別為壓電片和懸臂梁的密度，分別為壓電片和鋼片的 彈性常數(shù)。
[0033] 邊界條件可表示為：
[0034]
[0035] 這樣，方程（1)的通解可表示為：
[0036] u= [a jcosAbx+ a 2sinAbx+ a 3coshAbx+ a 4sinhAbx]eJMt (4)
[0037]其中，' 4 乂)''，a"a2、a3和a4分別為待定常數(shù)。
[0038] 相關(guān)研究表明，壓電梁構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)，可以用等效電路來代替，等效機(jī)電耦合電 路的電路圖如圖4所示。根據(jù)壓電連續(xù)方程，等效機(jī)電耦合電路中電流I可以被表示為：
[0039](5) jc=U
[0040] 其中：N為轉(zhuǎn)換系數(shù)，C。為等效電容，V為加載電壓。
[0041 ]
[0042]
[0043] 其中，d31為壓電片的壓電常數(shù)，為壓電片的介電常數(shù)。
[0044] 另外，圖4中相參數(shù)C"=-CVN2,Z"~Zc阻抗參數(shù)被定義如下：
[0045]
[0046]
[0048]其中，c=cos入bL，s=sin入bL，m=cosh入bL，n=sinh入bL〇[0049] 由以上幾式可以計(jì)算得到，壓電梁的導(dǎo)納Y為：
[0047]
[0050]
[0051] 其中，# /暴考。
[0052] 當(dāng)頻率為壓電懸臂梁的共振頻率時(shí)，導(dǎo)納會(huì)達(dá)到最大值，所以有：
[0053] 1+cm+sm0〇-cn0 0 = 〇(10)
[0054] 另外，0。和Xb。也是在共振頻率處獲得的參數(shù)值，所以有：
[0055]
[0056] 根據(jù)以上表達(dá)式，可計(jì)算得到阻尼系數(shù)ct為：
[0057]
[0058] 又:q.，所以最終計(jì)算得到被測液體的動(dòng)力粘度：
[0059]
[0060] 根據(jù)式（13)可知，一旦測得壓電梁的機(jī)電阻抗（導(dǎo)納等）的共振頻率，即可計(jì)算 得到被測液體的動(dòng)力粘度。同時(shí)根據(jù)解（13)可知，隨著粘度的增加，壓電懸臂梁的各階共 振將逐漸降低，如圖5所示。
[0061] 被測液體的粘度范圍可以通過常見的液體的粘度和密度值表得到。下表為25°C、 常壓下的常見的液體的粘度和密度值表：
[0062]
[0063] 最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本實(shí)用新型，但是本 領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本實(shí)用新型及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種 替換和修改都是可能的。因此，本實(shí)用新型不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本實(shí)用新型要 求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)，其特征在于，所述粘度計(jì)包括：壓電梁、固定臺(tái)、阻 抗分析儀和計(jì)算機(jī)；其中，所述壓電梁包括振動(dòng)片、懸臂梁和壓電片；所述懸臂梁的一端固 定在固定臺(tái)上，另一端為自由端；在懸臂梁的自由端上設(shè)置有振動(dòng)片，懸臂梁的對(duì)稱軸與振 動(dòng)片的對(duì)稱軸共線，且懸臂梁所在的平面與振動(dòng)片所在的平面互相垂直；所述振動(dòng)片浸入 被測液體內(nèi)；在懸臂梁的兩個(gè)表面上分別粘貼有厚度相同的壓電片；所述壓電片連接至阻 抗分析儀；所述阻抗分析儀連接至計(jì)算機(jī)。2. 如權(quán)利要求1所述的粘度計(jì)，其特征在于，所述振動(dòng)片為規(guī)則的形狀。3. 如權(quán)利要求1所述的粘度計(jì)，其特征在于，所述振動(dòng)片的厚度在0.Imm~0. 2mm之 間。4. 如權(quán)利要求1所述的粘度計(jì)，其特征在于，所述懸臂梁采用剛性的材料。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)。本實(shí)用新型的粘度計(jì)包括：壓電梁、固定臺(tái)、阻抗分析儀和計(jì)算機(jī)；其中，壓電梁包括振動(dòng)片、懸臂梁和壓電片；懸臂梁的一端固定在固定臺(tái)上，另一端為自由端；在懸臂梁的自由端上設(shè)置有振動(dòng)片；在懸臂梁的兩個(gè)表面上分別粘貼有厚度相同的壓電片；壓電片連接至阻抗分析儀。本實(shí)用新型通過測量壓電梁的機(jī)電阻抗的共振頻率，計(jì)算得到被測液體的動(dòng)力粘度，方法準(zhǔn)確可靠，由于機(jī)電阻抗的測量非常準(zhǔn)確，所以與其相關(guān)的被測粘度值也能夠準(zhǔn)確得到；并且，測試部件為壓電梁，其測試方式簡便，受空間幾何約束小，測試性能在各種溫度、氣壓等環(huán)境下都可以保持良好的穩(wěn)定性，所以能夠滿足不同環(huán)境的原位測試要求。
【IPC分類】G01N11/10
【公開號(hào)】CN204924854
【申請?zhí)枴緾N201520700710
【發(fā)明人】李法新, 譚池
【申請人】北京大學(xué)
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年9月10日