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- 石英晶體粘度傳感器原理及特性研究
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2011/4/20
1概述
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)學領域具有廣泛的應用。傳統(tǒng)的粘度計有毛細管粘度計、旋轉粘度計、振球式粘度計等。這些測量方法的優(yōu)點是測量范圍寬、精度高，但缺點是或結構復雜或測量方法復雜。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構、振蕩電路及其特性進行了分析和研究。
2石英晶體粘度傳感器原理與結構
傳感器采用AT切型厚度切變振動模式的石英晶體，其振動模式如圖1所示。
圖1 AT切型石英晶體厚度切變振動示意圖
其厚度方向與Y軸平行。由于石英晶體具有壓電效應，當在Y方向加交變電場E2后，即在XY面內(nèi)產(chǎn)生切應變S6，根據(jù)彈性力學方程，可求得石英晶體在空氣中的振蕩頻率。
石英晶體在液相介質中振蕩時，可將其等效為兩層結構。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為與石英晶體有關的結構常數(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。
傳感器探頭結構如圖2所示。
圖2 傳感器探頭結構
為了防止引線過長產(chǎn)生的自激振蕩，將石英晶體和振蕩電路都安裝在探頭內(nèi)。在探頭內(nèi)還裝有測溫元件，以便實時監(jiān)測試樣溫度變化，T/V轉換電路也封裝在探頭內(nèi)。差頻信號與經(jīng)轉換放大后的溫度信號輸入主機。
選用基頻為10MHz的AT切型石英晶體，晶片外形結構如圖3所示。晶片中心圓形區(qū)域為被銀電極，根據(jù)能量局部化效應，振動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離中心電極區(qū)，電極引線應盡可能細，以減少引線對晶片產(chǎn)生的應力。
圖3 晶片結構
3測量系統(tǒng)及振蕩電路
測量系統(tǒng)組成如圖4所示。
圖4 測量系統(tǒng)圖
當將安裝有工作晶體和溫度傳感器的探頭置入被測液體之后，由于粘度和密度的影響，晶體的振蕩頻率發(fā)生頻移。為測定頻移，系統(tǒng)另裝有一個參考晶體，它提供穩(wěn)定的振蕩頻率。
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轉換輸入單片機系統(tǒng)。被測液體密度值由鍵盤輸入。
單片機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。測量結果由LED顯示。系統(tǒng)采用由兩個反相器組成的串聯(lián)諧振式晶體振蕩器。振蕩電路如圖5所示。
圖5 振蕩電路
振蕩電路工作在石英晶體串聯(lián)諧振頻率上，這時，晶體等效阻抗最小，正反饋最強，容易起振。當晶體浸入液體后，由于液體阻尼的影響，振蕩器輸出電壓幅值下降。為此在振蕩電路的輸出端增加一級帶LC選頻回路的高頻放大器，以提高振蕩信號的幅度。放大后的信號經(jīng)整形與參考頻率進行差頻比較。
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中的工作特性進行了實驗研究。
4.1響應時間
探頭剛放入水中時，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間。
圖6 響應時間曲線
4.2探頭插入深度的影響
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。
表1 探頭在不同深度測得的頻率
4.3線性度實驗
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，然后再進行下一組測量。
表2列出對7種不同樣品10次測量結果的平均值，單次測量離散值為10Hz。
表2 樣品測量結果平均值 
表中，x＝(ρ1η1)1/2，y＝Δf為差頻。
由最小二乘法擬和得到：
Δf＝0.6985(ρ1η1)1/2＋3.403
相關系數(shù)＝0.9996。
擬和曲線如圖7所示。
圖7 頻率—粘度曲線
由圖可見，Δf與(ρ1η1)1/2有良好的線性關系。
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—粘度關系曲線
為消除溫度影響，采用軟件溫度補償方法解決。
5 結束語
通過實驗分析，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)點是靈敏度高、結構簡單、成本低、易于小型化，其缺點是測量范圍偏窄。如何擴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、科研和開發(fā)工作。
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