專利名稱：一種采用壓阻式微懸臂梁在線快速測(cè)量流體密度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量流體密度的方法，更確切地說(shuō)，是一種采用壓阻式微懸臂梁在線快速測(cè)量流體密度的方法。
背景技術(shù)：
由于微懸臂梁具有靈敏度高、響應(yīng)迅速、尺寸小、可批量生產(chǎn)以及實(shí)時(shí)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，它已經(jīng)被廣泛地用于化學(xué)、物理以及生物檢測(cè)等領(lǐng)域。微懸臂梁有兩種工作方式靜態(tài)工作方式和動(dòng)態(tài)工作方式。前者主要是測(cè)量懸臂梁端部的撓度來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，如用于測(cè)量表面應(yīng)力、物質(zhì)的濃度等；而后者是通過(guò)測(cè)量懸臂梁在工作環(huán)境中的諧振頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的，如用于測(cè)量生物分子質(zhì)量、流體黏度密度等。壓阻式微懸臂梁，由于不需要光學(xué)懸臂梁必需的對(duì)準(zhǔn)工作，并且可將檢測(cè)系統(tǒng)集成在懸臂梁上，可使得整個(gè)測(cè)量裝置的尺寸大大減小，因而壓阻式微懸臂梁在微機(jī)械電子系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。采用壓阻式微懸臂梁來(lái)測(cè)量流體的密度，需要尋找壓阻式微懸臂梁在待測(cè)流體中的諧振頻率，這使得測(cè)量時(shí)間大大加長(zhǎng)(大于I分鐘)，非常不利于現(xiàn)場(chǎng)流體密度的測(cè)量，特別是那些需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)密度的流體。鑒于以上缺點(diǎn)，實(shí)有必要提供一種采用壓阻式微懸臂梁在線快速測(cè)量流體密度的方法，以縮短測(cè)量時(shí)間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用壓阻式微懸臂梁在線快速測(cè)量流體密度的方法，不改變現(xiàn)有的測(cè)量裝置，不需要獲得壓阻式微懸臂梁在待測(cè)流體中的諧振頻率，即可實(shí)現(xiàn)在線、快速測(cè)量流體密度的目的。為了克服現(xiàn)有方法的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種采用壓阻式微懸臂梁在線快速測(cè)量流體密度的方法，包括以下步驟(I)將壓阻式微懸臂梁浸沒(méi)于密度已知為P i標(biāo)準(zhǔn)流體中，然后給壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈提供一個(gè)頻率為f 和幅值為U1的正弦交流電，并使用鎖相放大器測(cè)量惠斯通電橋的輸出，結(jié)果為V1 ；(2)再給壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈提供一個(gè)頻率仍為f但幅值為U2的正弦交流電，并使用鎖相放大器測(cè)量惠斯通電橋的輸出，結(jié)果為V2 ；(3)通過(guò)升溫或者降溫改變先前標(biāo)準(zhǔn)流體的密度到P 2，然后給壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈提供一個(gè)頻率仍為f 和幅值為U1的正弦交流電，并使用鎖相放大器測(cè)量惠斯通電橋的輸出，結(jié)果為V3 ； (4)再給壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈提供一個(gè)頻率仍為f但幅值為U2的正弦交流電，并使用鎖相放大器測(cè)量惠斯通電橋的輸出，結(jié)果為V4 ；根據(jù)以上測(cè)量結(jié)果以及密度工作方程P = ak+b，確定密度工作方程中的待定參數(shù)a和b。此處，k為激勵(lì)線圈改變電壓前后的惠斯通電橋輸出差值與激勵(lì)線圈改變電壓前后差值的比值，即 ki = (V1-V2V(U1-U2)，k2 = (V3-V4V(U1-U2)。聯(lián)立方程 P ! = aki+b 和 P 2=ak2+b，即可唯一確定待定參數(shù)a和b，需要指出的是a和b只與微懸臂梁本身的結(jié)構(gòu)、激勵(lì)線圈輸入電壓的頻率、惠斯通電橋供電電流大小以及外界磁場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)有關(guān)，不會(huì)因待測(cè)流體以及輸入電壓幅值的改變而改變；(5)將壓阻式微懸臂梁浸沒(méi)于待測(cè)流體中，然后給壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈提供一個(gè)頻率仍為f和幅值為U1的正弦交流電，并使用鎖相放大器測(cè)量惠斯通電橋的輸出，結(jié)果為\。再給壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈提供一個(gè)頻率仍為f 但幅值為U2的正弦交流 電，并使用鎖相放大器測(cè)量惠斯通電橋的輸出，結(jié)果為v6。根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果確定匕值(k3=(V5-V6)/(U1-U2))，然后根據(jù)密度工作方程P = ak+b即可確定待測(cè)流體的密度。本發(fā)明所述的壓阻式微懸臂梁是采用電磁激勵(lì)的，外磁場(chǎng)是采用永磁鐵提供的。對(duì)于標(biāo)定好的壓阻式微懸臂梁，不要再改變其惠斯通電橋供電電流大小、激勵(lì)線圈供電電壓的頻率以及永磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度。所述永磁鐵為釤鈷永磁鐵。所述的壓阻式微懸臂梁，其形狀可以是常見(jiàn)的矩形懸臂梁，也可以是三角形懸臂梁，梯形懸臂梁，或者是其它任意形狀懸臂梁。本發(fā)明采用壓阻式微懸臂梁在線快速測(cè)量流體密度的方法至少具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明不需要改變現(xiàn)有的裝置即可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量；另外更重要的是，不需要獲得懸臂梁在待測(cè)流體中的諧振頻率，從而極大地節(jié)省了測(cè)量時(shí)間，為真正的在線和快速測(cè)量提供了保證，采用本發(fā)明所提供的方法，可以在幾秒內(nèi)甚至更短即可利用標(biāo)定好的壓阻式微懸臂梁實(shí)現(xiàn)待測(cè)流體密度的測(cè)量。


圖I為本發(fā)明所述的壓阻式微懸臂梁平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所述的三角形壓阻式微懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明所述的梯形壓阻式微懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明所述的任意形狀壓阻式微懸臂梁的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)效果圖；圖中的標(biāo)號(hào)如下表示
權(quán)利要求
1.一種采用壓阻式微懸臂梁在線快速測(cè)量流體密度的方法，其特征在于 包括以下步驟 (1)將壓阻式微懸臂梁浸沒(méi)于密度已知為P1標(biāo)準(zhǔn)流體中，然后通過(guò)第一和第二焊盤(1、2)給壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈(9)提供一個(gè)頻率為f和幅值為Ul的正弦交流電，惠斯通電橋(8)通過(guò)第三、第五和第六焊盤(3、5、6)供給恒流電源，并使用鎖相放大器通過(guò)第四和第七焊盤(4、7)測(cè)量惠斯通電橋⑶的輸出，結(jié)果SV1 ； (2)再通過(guò)第一和第二焊盤(1、2)給壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈(9)提供一個(gè)頻率仍為f 但幅值為U2的正弦交流電，并使用鎖相放大器測(cè)量惠斯通電橋(8)的輸出，結(jié)果為V2 ； (3)通過(guò)升溫或者降溫改變先前標(biāo)準(zhǔn)流體的密度到P2，然后通過(guò)第一和第二焊盤(I、2)給壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈(9)提供一個(gè)頻率仍為f 和幅值為U1的正弦交流電，并使用鎖相放大器測(cè)量惠斯通電橋(8)的輸出，結(jié)果為V3; (4)再通過(guò)第一和第二焊盤(1、2)給壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈(9)提供一個(gè)頻率仍為f 但幅值為U2的正弦交流電，并使用鎖相放大器測(cè)量惠斯通電橋(8)的輸出，結(jié)果為V4 ； (5)根據(jù)以上測(cè)量結(jié)果以及密度工作方程P=ak+b，確定密度工作方程中的待定參數(shù)a和b，此處，k為激勵(lì)線圈(9)改變電壓前后的惠斯通電橋(8)輸出差值與激勵(lì)線圈改變電壓前后差值的比值，即 k: = (V1-V2V(U1-U2)，k2 = (V3-V4V(U1-U2)，聯(lián)立方程 P ! = ah+b和P 2 = ak2+b,即可唯一確定待定參數(shù)a和b ; (6)將壓阻式微懸臂梁浸沒(méi)于待測(cè)流體中，然后通過(guò)第一和第二焊盤(1、2)給壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈(9)提供一個(gè)頻率仍為f 和幅值為U1的正弦交流電，并使用鎖相放大器測(cè)量惠斯通電橋(8)的輸出，結(jié)果為V5 ;再通過(guò)第一和第二焊盤(1、2)給壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈(9)提供一個(gè)頻率仍為f 但幅值為U2的正弦交流電，并使用鎖相放大器測(cè)量惠斯通電橋⑶的輸出，結(jié)果為V6;根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果確定匕值，k3= (V5-V6)/(U1-U2)，然后根據(jù)密度工作方程P = ak+b即可確定待測(cè)流體的密度。
2.一種采用壓阻式微懸臂梁在線快速測(cè)量流體密度的方法，其特征在于(I)將壓阻式微懸臂梁浸沒(méi)于密度為P !的標(biāo)準(zhǔn)流體中，使惠斯通電橋通恒流電源，然后對(duì)壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈(9)施加正弦交流電，其中，正弦交流電的頻率為f，幅值為U1，得到惠斯通電橋的輸出V1 ; (2)改變施加到壓阻式微懸臂梁的激勵(lì)線圈(9)上的交流電的幅值為U2，得到惠斯通電橋的輸出V2 ; (3)改變標(biāo)準(zhǔn)流體的密度為P2，重復(fù)(I)至(2)，分別得到惠斯通電橋的輸出V3和V4 ； (4)聯(lián)立方程P I = ak:+b和P 2 = ak2+b求解參數(shù)a和b,其中，Ic1 =(V1-V2V(U1-U2)A2= (V3-V4)/(U1-U2) ；(5)將壓阻式微懸臂梁浸沒(méi)于待測(cè)流體中，重復(fù)(I)至(2)，分別得到惠斯通電橋的輸出V5和V6，然后根據(jù)公式P = ak+b即可得到待測(cè)液體的密度，其中，k = (V5-V6)Z(U1-U2)0
3.如權(quán)利要求2所述的采用壓阻式微懸臂梁在線快速測(cè)量流體密度的方法，其特征在于所述的壓阻式微懸臂梁，其形狀是矩形懸臂梁或三角形懸臂梁或梯形懸臂梁或其它任意形狀懸臂梁。
4.如權(quán)利要求I所述的采用壓阻式微懸臂梁在線快速測(cè)量流體密度的方法，其特征在于所述的壓阻式微懸臂梁是采用電磁激勵(lì)的，外磁場(chǎng)是采用永磁鐵提供的。
5.如權(quán)利要求4所述的采用壓阻式微懸臂梁在線快速測(cè)量流體密度的方法，其特征在于所述永磁鐵為釤鈷永磁鐵。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采用壓阻式微懸臂梁在線快速測(cè)量流體密度的方法，本發(fā)明不需要改變現(xiàn)有的裝置即可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量；另外更重要的是，不需要獲得懸臂梁在待測(cè)流體中的諧振頻率，從而極大地節(jié)省了測(cè)量時(shí)間，為真正的在線和快速測(cè)量提供了保證，采用本發(fā)明所提供的方法，可以在幾秒內(nèi)甚至更短即可利用標(biāo)定好的壓阻式微懸臂梁實(shí)現(xiàn)待測(cè)流體密度的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N9/00GK102621036SQ201210093049
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月31日
發(fā)明者劉志剛, 宋渤, 張桂銘, 徐龍起, 王曉坡, 蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波, 黃恩澤 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)