摘要：介紹了石英晶體粘度傳感器的原理、結(jié)構(gòu)及振蕩電路組成。通過實(shí)驗(yàn)分析了傳感器的響應(yīng)時(shí)間、探頭插入深度的影響、溫度特性以及粘度靈敏度。
關(guān)鍵詞：石英晶體；粘度傳感器

1概述

粘度是液體內(nèi)摩擦力的表現(xiàn)。液體粘度測(cè)量在石油、化工、制藥和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的粘度計(jì)有毛細(xì)管粘度計(jì)、旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、振球式粘度計(jì)等。這些測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍寬、精度高，但缺點(diǎn)是或結(jié)構(gòu)復(fù)雜或測(cè)量方法復(fù)雜。本文對(duì)石英晶體的粘度敏感性原理、石英晶體粘度傳感器結(jié)構(gòu)、振蕩電路及其特性進(jìn)行了分析和研究。

2石英晶體粘度傳感器原理與結(jié)構(gòu)

傳感器采用AT切型厚度切變振動(dòng)模式的石英晶體，其振動(dòng)模式如圖1所示。

圖1 AT切型石英晶體厚度切變振動(dòng)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(yīng)，當(dāng)在Y方向加交變電場(chǎng)E2后，即在XY面內(nèi)產(chǎn)生切應(yīng)變S6，根據(jù)彈性力學(xué)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(zhì)中振蕩時(shí)，可將其等效為兩層結(jié)構(gòu)。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(duì)流體層，由牛頓流體定律，可導(dǎo)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(guān)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，η1、ρ1分別為被測(cè)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(dāng)測(cè)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器探頭結(jié)構(gòu)
為了防止引線過長(zhǎng)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(cè)溫元件，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試樣溫度變化，T/V轉(zhuǎn)換電路也封裝在探頭內(nèi)。差頻信號(hào)與經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后的溫度信號(hào)輸入主機(jī)。

選用基頻為10MHz的AT切型石英晶體，晶片外形結(jié)構(gòu)如圖3所示。晶片中心圓形區(qū)域?yàn)楸汇y電極，根據(jù)能量局部化效應(yīng)，振動(dòng)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(dǎo)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(yuǎn)離中心電極區(qū)，電極引線應(yīng)盡可能細(xì)，以減少引線對(duì)晶片產(chǎn)生的應(yīng)力。

圖3 晶片結(jié)構(gòu)
3測(cè)量系統(tǒng)及振蕩電路

測(cè)量系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)圖
當(dāng)將安裝有工作晶體和溫度傳感器的探頭置入被測(cè)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(cè)定頻移，系統(tǒng)另裝有一個(gè)參考晶體，它提供穩(wěn)定的振蕩頻率。

工作晶體相對(duì)參考晶體的頻率偏移，由差頻電路獲得，并輸入80C196的HSI測(cè)量其頻率的大小。被測(cè)液體溫度經(jīng)檢測(cè)電路和A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)系統(tǒng)。被測(cè)液體密度值由鍵盤輸入。

單片機(jī)軟件包括頻率測(cè)量子程序、密度測(cè)量子程序、密度輸入子程序、粘度測(cè)量子程序。測(cè)量結(jié)果由LED顯示。系統(tǒng)采用由兩個(gè)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(shí)，晶體等效阻抗最小，正反饋?zhàn)顝?qiáng)，容易起振。當(dāng)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(jí)帶LC選頻回路的高頻放大器，以提高振蕩信號(hào)的幅度。放大后的信號(hào)經(jīng)整形與參考頻率進(jìn)行差頻比較。

4特性分析

利用圖4所示的測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)石英晶體在液相介質(zhì)中的工作特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

4.1響應(yīng)時(shí)間

探頭剛放入水中時(shí)，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(shí)間。

圖6 響應(yīng)時(shí)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(cè)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(guān)。
表1 探頭在不同深度測(cè)得的頻率

4.3線性度實(shí)驗(yàn)

將探頭浸入不同粘度的液體樣品中，測(cè)量粘度對(duì)晶體諧振的影響，觀察并記錄頻率的變化。

每測(cè)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(jìn)行下一組測(cè)量。

表2列出對(duì)7種不同樣品10次測(cè)量結(jié)果的平均值，單次測(cè)量離散值為10Hz。
表2 樣品測(cè)量結(jié)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(guān)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(guān)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(gè)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(guān)系。由圖看出，隨著溫度增加，差頻減小。這主要是由溫度對(duì)粘度的影響造成的。

圖8 溫度—粘度關(guān)系曲線
為消除溫度影響，采用軟件溫度補(bǔ)償方法解決。

5 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)分析，石英晶體對(duì)液體的粘度、密度有較高的靈敏度。多數(shù)情況下，被測(cè)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(jìn)行粘度特性測(cè)量是比較適宜的。石英晶體粘度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于小型化，其缺點(diǎn)是測(cè)量范圍偏窄。如何擴(kuò)大其測(cè)量范圍是需要解決的課題。

作者簡(jiǎn)介：孫振東，男，副教授，長(zhǎng)期從事分析儀器的教學(xué)、科研和開發(fā)工作。(end)