对石英晶体传感器的粘度测量特性的研究

　　0　引　　言

　　粘度是衡量液体粘性大小的物理量,是液体的一个重要参数。粘度测量在石油化工、食品加工、制药以及医疗卫生等行业有十分重要的作用,是评定产品质量和特性的重要指标。对粘度实时、准确地测量,具有重要的经济和社会效益。但是目前工业生产过程和实验室中,主要采用的测量液体粘度的传统方法具有诸如仪器比较笨重、响应时间长以及输出的多为模拟量信号的缺点[1]。本系统根据浸入液体的石英晶体传感器由于受到液体粘性阻力而使等效电阻增加的特点,比较传统的谐振式石英晶体传感器的缺点,综合利用压电学、电子学和单片机技术,设计了一种新型的由DDS驱动的激励响应式石英晶体液体粘度传感器。并通过实验研究了该石英晶体传感器测量粘度时所获取信号的幅度特性及相位特性。

　　1　激励响应式石英晶体粘度传感器

　　石英晶体传感器是以石英晶体为敏感元件,利用石英晶体的压电效应,把被测物理量直接转换为电信号输出的一种传感器。石英晶体具有一个固有振荡频率,当外加电压频率和石英晶体固有频率一致时,则出现谐振,此时晶体的机械振动最强,压电效应也最明显,流过晶片的电流也就最大,这就是石英晶体的压电谐振现象。常用的石英晶体传感器多是谐振式传感器:被测物理量的变化引起谐振频率的变化,利用双石英晶体(一个工作晶体和一个参考晶体)的差频来测量谐振频率的变化,根据差频与被测物理量之间的相关关系,实现传感测量的目的[2]。粘性是液体流动时产生的内摩擦力的表现,而粘度即用来衡量液体粘性大小的物理量。液相介质石英晶体传感器一般利用液相介质物理或化学性质对石英晶体谐振频率的影响来实现传感。对于石英晶体在液体中振荡变化的规律, S.J.Martin等人根据他们建立的石英晶体连续介质机电模型推导出同时考虑附着质量和液体阻尼因素的AT切型石英晶体谐振频率偏移公式[3]:

　　式中:Δfm为由附着质量引起的频率偏移,ΔfL为由液体阻尼引起的频率偏移,fs为晶体的串联谐振频率,N为晶体谐波次数,ρ和μ为石英晶体的弹性模量和密度,ρL和μL为液体的密度和粘度。

　　谐振式石英晶体传感器测量液体粘度的机理,就是指当在石英晶体两电极之间施加交变的电场时,由于逆压电效应,石英晶体产生周期性的机械振动,振动受到液相介质的作用并且这种作用可用液体粘度等参量来描述,作用的结果表现为使机械振动的振幅减小以及振动频率发生偏移。所以,如果对在液体介质中振荡的石英晶体振荡器的频率偏移进行测量,即可得到液相介质的粘度等参量的描述。