一種基于機電阻抗法的粘度計的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及粘度計制備領域，具體涉及一種基于機電阻抗法的粘度計。
【背景技術】
[0002] 液體流動時，在分子間產生內摩擦的性質，稱為液體的粘性，粘性的大小用粘度表 示。粘度是許多工業生產中需要監測的指標之一，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出有關粘滯系數的表達式，求得粘滯系數。粘度參數的測定，對于預測 產品生產過程的工藝控制、輸送性以及產品在使用時的操作性，具有重要的指導價值，在化 工、印刷、醫藥、石油、汽車等諸多行業有著重要的意義。
[0003] 目前，用于測定運動粘度的粘度計包括毛細管式、旋轉式和振動式。毛細管式粘度 計通常為賽氏粘度計，是一種常見的粘度計。在恒溫恒壓條件下，利用被測液體流過固定長 度毛細管的時間來計算樣品的粘度。常見的旋轉式粘度計是錐板式粘度計，利用穩定流動 狀態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。振動粘 度計利用流體中的物體振動時受到流體的阻力獲得流體的粘度，當然此作用力的大小與流 體的粘度有關，但由于此作用力不能直接測得，所以通常的振動粘度計都是通過測量機械 阻抗來間接獲得被測液體的粘度。 【實用新型內容】
[0004] 為了實現粘度的準確測量，本實用新型提出了一種基于機電阻抗法的粘度計，利 用機電阻抗法來測試粘度，既能準確地反映被測液體的粘度，又可以實現原位測量。
[0005] 本實用新型的目的在于提出一種基于機電阻抗法的粘度計。
[0006] 本實用新型的基于機電阻抗法的粘度計包括：壓電梁、固定臺、阻抗分析儀和計算 機；其中，壓電梁包括振動片、懸臂梁和壓電片；懸臂梁的一端固定在固定臺上，另一端為 自由端；在懸臂梁的自由端上設置有振動片，懸臂梁的對稱軸與振動片的對稱軸共線，且懸 臂梁所在的平面與振動片所在的平面互相垂直；振動片浸入被測液體內；在懸臂梁的兩個 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算 機。
[0007] 例如，測量壓電梁在每個頻率點的導納值，從而得到壓電梁的共振頻率，根據共振 頻率得到被測液體的動力粘度。
[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] 振動片為規則的形狀，厚度h在0. 1mm~0. 2mm之間，材料與懸臂梁相同。
[0010] 本實用新型在懸臂梁的自由端設置振動片，振動片的振動方向與振動片所在的平 面平行，當振動片浸入被測液體后，由液體的粘度引起的振動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的共振頻率，進而通過建立力學模型，再利用測 得的共振頻率計算得到被測液體的動力粘度。振動片、懸臂梁和壓電片構成了機電阻抗耦 合系統，通過測量壓電梁的機電阻抗（導納）的共振頻率，計算得到被測液體的動力粘度。
[0011] 本實用新型的基于機電阻抗法的粘度計的測試方法，包括以下步驟：
[0012] 1)根據被測液體的粘度范圍，設置計算機的測試參數，測試參數包括掃頻范圍 fi~f2和激勵電壓，其中，fJPf2分別為起始頻率和終止頻率；
[0013] 2)將振動片完全浸入被測液體內，固定壓電梁的固定端；
[0014] 3)按照設定的掃頻范圍，從fi~f2逐點進行掃頻測試，獲得每個頻率點的導納Y， 得到頻率與導納的頻響曲線；
[0015] 4)根據頻響曲線，如果得到了共振頻率f。，則進入步驟5)，如果沒有得到共振頻 率，則返回步驟1)，調整掃頻范圍重新進行測量；
[0016] 5)根據測得的共振頻率計算得到被測液體的動力粘度n:
[0017]
[0018] 其中，為共振角頻率，《。= 2Jrfj。為共振頻率，A為振動片的面積，mt為壓電 梁自由端簡化的集中質量，云為壓電梁的等效剛度，&為壓電梁單位長度質量，L為壓電梁 的長度，P為被測液體的密度。
[0019] 本實用新型的優點：
[0020] 本實用新型通過測量壓電梁的機電阻抗的共振頻率，計算得到被測液體的動力粘 度，方法準確可靠，由于機電阻抗的測量非常準確，所以與其相關的被測粘度值也能夠準確 得到；并且，本實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、氣壓等環境下都可以保持良好的穩定性，所以能夠滿足不同環境的原位測 試要求。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本實用新型的基于機電阻抗法的粘度計的示意圖；
[0022] 圖2為本實用新型的基于機電阻抗法的粘度計的壓電梁的示意圖；
[0023] 圖3為本實用新型的基于機電阻抗法的粘度計的壓電梁的簡化力學模型圖；
[0024] 圖4為本實用新型的基于機電阻抗法的粘度計的壓電梁的等效電路圖；
[0025] 圖5為本實用新型的基于機電阻抗法的粘度計的共振頻率隨液體的粘度變化的 曲線圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本實用新型。
[0027] 如圖1所示，本實施例的基于機電阻抗法的粘度計包括：壓電梁2、固定臺3、阻抗 分析儀4和計算機5 ;其中，如圖2所示，壓電梁2包括振動片21、懸臂梁22和壓電片23 ; 懸臂梁22的一端固定在固定臺3上，另一端為自由端；在懸臂梁的自由端上設置有振動片 21，懸臂梁22的對稱軸位于振動片21所在的平面內，并且懸臂梁所在的平面與振動片所在 的平面互相垂直；在懸臂梁的兩個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連接至計算機5;振動片21浸入被測液體1內。懸臂梁 22采用鋼片，振動片21為圓形，振動片和懸臂梁均采用鋼片。
[0028] 當壓電梁自由端的振動片浸入被測液體中時，壓電梁的簡化力學模型如圖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 端簡化的集中質量，ct表示由于被測液體粘度引起的阻尼，這里qA為振動片 的面積，，：《為振動角頻率且有《 = 2Jrf，f為振動頻率，n為動力粘度，P為被 測液體的密度。根據以上簡化的模型，得到壓電梁的振動方程：
[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量，x和u分別為橫縱坐 標，t為時
[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。
[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。
[0038] 相關研究表明，壓電梁構成的振動系統，可以用等效電路來代替，等效機電耦合電 路的電路圖如圖4所示。根據壓電連續方程，等效機電耦合電路中電流I可以被表示為：
[0039](5) jc=U
[0040] 其中：N為轉換系數，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，為壓電片的介電常數。
[0044] 另外，圖4中相參數C"=-CVN2,Z"~Zc阻抗參數被定義如下：
[0045]
[0046]
[0048]其中，c=cos入bL，s=sin入bL，m=cosh入bL，n=sinh入bL〇[0049] 由以上幾式可以計算得到，壓電梁的導納Y為：
[0047]
[0050]
[0051] 其中，# /暴考。
[0052] 當頻率為壓電懸臂梁的共振頻率時，導納會達到最大值，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值，所以有：
[0055]
[0056] 根據以上表達式，可計算得到阻尼系數ct為：
[0057]
[0058] 又:q.，所以最終計算得到被測液體的動力粘度：
[0059]
[0060] 根據式（13)可知，一旦測得壓電梁的機電阻抗（導納等）的共振頻率，即可計算 得到被測液體的動力粘度。同時根據解（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，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本實用新型，但是本 領域的技術人員可以理解：在不脫離本實用新型及所附的權利要求的精神和范圍內，各種 替換和修改都是可能的。因此，本實用新型不應局限于實施例所公開的內容，本實用新型要 求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
【主權項】
1. 一種基于機電阻抗法的粘度計，其特征在于，所述粘度計包括：壓電梁、固定臺、阻 抗分析儀和計算機；其中，所述壓電梁包括振動片、懸臂梁和壓電片；所述懸臂梁的一端固 定在固定臺上，另一端為自由端；在懸臂梁的自由端上設置有振動片，懸臂梁的對稱軸與振 動片的對稱軸共線，且懸臂梁所在的平面與振動片所在的平面互相垂直；所述振動片浸入 被測液體內；在懸臂梁的兩個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算機。2. 如權利要求1所述的粘度計，其特征在于，所述振動片為規則的形狀。3. 如權利要求1所述的粘度計，其特征在于，所述振動片的厚度在0.Imm~0. 2mm之 間。4. 如權利要求1所述的粘度計，其特征在于，所述懸臂梁采用剛性的材料。
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于機電阻抗法的粘度計。本實用新型的粘度計包括：壓電梁、固定臺、阻抗分析儀和計算機；其中，壓電梁包括振動片、懸臂梁和壓電片；懸臂梁的一端固定在固定臺上，另一端為自由端；在懸臂梁的自由端上設置有振動片；在懸臂梁的兩個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。本實用新型通過測量壓電梁的機電阻抗的共振頻率，計算得到被測液體的動力粘度，方法準確可靠，由于機電阻抗的測量非常準確，所以與其相關的被測粘度值也能夠準確得到；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、氣壓等環境下都可以保持良好的穩定性，所以能夠滿足不同環境的原位測試要求。
【IPC分類】G01N11/10
【公開號】CN204924854
【申請號】CN201520700710
【發明人】李法新, 譚池
【申請人】北京大學
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年9月10日