一種基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)及其檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及粘度計(jì)制備領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)及其檢測(cè)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 液體流動(dòng)時(shí)，在分子間產(chǎn)生內(nèi)摩擦的性質(zhì)，稱為液體的粘性，粘性的大小用粘度表 示。粘度是許多工業(yè)生產(chǎn)中需要監(jiān)測(cè)的指標(biāo)之一，測(cè)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(dǎo)出有關(guān)粘滯系數(shù)的表達(dá)式，求得粘滯系數(shù)。粘度參數(shù)的測(cè)定，對(duì)于預(yù)測(cè) 產(chǎn)品生產(chǎn)過程的工藝控制、輸送性W及產(chǎn)品在使用時(shí)的操作性，具有重要的指導(dǎo)價(jià)值，在化 工、印刷、醫(yī)藥、石油、汽車等諸多行業(yè)有著重要的意義。
[0003] 目前，用于測(cè)定運(yùn)動(dòng)粘度的粘度計(jì)包括毛細(xì)管式、旋轉(zhuǎn)式和振動(dòng)式。毛細(xì)管式粘度 計(jì)通常為賽氏粘度計(jì)，是一種常見的粘度計(jì)。在恒溫恒壓條件下，利用被測(cè)液體流過固定長(zhǎng) 度毛細(xì)管的時(shí)間來(lái)計(jì)算樣品的粘度。常見的旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)是錐板式粘度計(jì)，利用穩(wěn)定流動(dòng) 狀態(tài)下流體給邊界W恒定的作用力，通過圓柱形邊界的扭矩和來(lái)反映樣品的粘度。振動(dòng)粘 度計(jì)利用流體中的物體振動(dòng)時(shí)受到流體的阻力獲得流體的粘度，當(dāng)然此作用力的大小與流 體的粘度有關(guān)，但由于此作用力不能直接測(cè)得，所W通常的振動(dòng)粘度計(jì)都是通過測(cè)量機(jī)械 阻抗來(lái)間接獲得被測(cè)液體的粘度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了實(shí)現(xiàn)粘度的準(zhǔn)確測(cè)量，本發(fā)明提出了一種基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)及其檢測(cè) 方法，利用機(jī)電阻抗法來(lái)測(cè)試粘度，既能準(zhǔn)確地反映被測(cè)液體的粘度，又可W實(shí)現(xiàn)原位測(cè) 量。 陽(yáng)〇化]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)。
[0006] 本發(fā)明的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)包括：壓電梁、固定臺(tái)、阻抗分析儀和計(jì)算機(jī)； 其中，壓電梁包括振動(dòng)片、懸臂梁和壓電片；懸臂梁的一端固定在固定臺(tái)上，另一端為自由 端；在懸臂梁的自由端上設(shè)置有振動(dòng)片，懸臂梁的對(duì)稱軸與振動(dòng)片的對(duì)稱軸共線，且懸臂梁 所在的平面與振動(dòng)片所在的平面互相垂直；在懸臂梁的兩個(gè)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(jì)算機(jī)；振動(dòng)片浸入被測(cè)液體內(nèi)，阻 抗分析儀通過掃頻的方式向壓電片施加交變電壓，壓電梁產(chǎn)生振動(dòng)，阻抗分析儀測(cè)量運(yùn)種 振動(dòng)，并將壓電梁的頻響特性數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)利用頻響特性計(jì)算得到共振頻率。
[0007] 例如，測(cè)量壓電梁在每個(gè)頻率點(diǎn)的導(dǎo)納值，從而得到壓電梁的共振頻率，根據(jù)共振 頻率得到被測(cè)液體的動(dòng)力粘度。
[0008] 懸臂梁采用剛性的材料，如鋼片，W保證具有一定的剛度。
[0009] 振動(dòng)片為規(guī)則的形狀，厚度h在0. 1mm~0. 2mm之間，材料與懸臂梁相同。
[0010] 本發(fā)明在懸臂梁的自由端設(shè)置振動(dòng)片，振動(dòng)片的振動(dòng)方向與振動(dòng)片所在的平面平 行，當(dāng)振動(dòng)片浸入被測(cè)液體后，由液體的粘度引起的振動(dòng)片的表面摩擦力將改變壓電梁的 共振頻率，測(cè)量得到與液體的粘度有關(guān)的共振頻率，進(jìn)而通過建立力學(xué)模型，再利用測(cè)得的 共振頻率計(jì)算得到被測(cè)液體的動(dòng)力粘度。振動(dòng)片、懸臂梁和壓電片構(gòu)成了機(jī)電阻抗禪合系 統(tǒng)，通過測(cè)量壓電梁的機(jī)電阻抗（導(dǎo)納）的共振頻率，計(jì)算得到被測(cè)液體的動(dòng)力粘度。
[0011] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的測(cè)試方法。
[0012] 本發(fā)明的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的測(cè)試方法，包括W下步驟：
[0013] 1)根據(jù)被測(cè)液體的粘度范圍，設(shè)置計(jì)算機(jī)的測(cè)試參數(shù)，測(cè)試參數(shù)包括掃頻范圍 ~f2和激勵(lì)電壓，其中，f1和f2分別為起始頻率和終止頻率；
[0014]。將振動(dòng)片完全浸入被測(cè)液體內(nèi)，固定壓電梁的固定端；
[0015]3)按照設(shè)定的掃頻范圍，從fl~f2逐點(diǎn)進(jìn)行掃頻測(cè)試，獲得每個(gè)頻率點(diǎn)的導(dǎo)納Y， 得到頻率與導(dǎo)納的頻響曲線；
[0016] 4)根據(jù)頻響曲線，如果得到了共振頻率f。，則進(jìn)入步驟5)，如果沒有得到共振頻 率，則返回步驟1)，調(diào)整掃頻范圍重新進(jìn)行測(cè)量；
[0017] 5)根據(jù)測(cè)得的共振頻率計(jì)算得到被測(cè)液體的動(dòng)力粘度n:
[0019]其中，為共振角頻率，《。= 2 31fnf。為共振頻率，A為振動(dòng)片的面積，mt為壓電 梁自由端簡(jiǎn)化的集中質(zhì)量，哀為壓電梁的等效剛度，及為壓電梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度質(zhì)量，L為壓電 梁的長(zhǎng)度，
為被測(cè)液體的密度。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0021] 本發(fā)明通過測(cè)量壓電梁的機(jī)電阻抗的共振頻率，計(jì)算得到被測(cè)液體的動(dòng)力粘度， 方法準(zhǔn)確可靠，由于機(jī)電阻抗的測(cè)量非常準(zhǔn)確，所W與其相關(guān)的被測(cè)粘度值也能夠準(zhǔn)確得 到；并且，本發(fā)明的測(cè)試部件為壓電梁，其測(cè)試方式簡(jiǎn)便，受空間幾何約束小，測(cè)試性能在各 種溫度、氣壓等環(huán)境下都可W保持良好的穩(wěn)定性，所W能夠滿足不同環(huán)境的原位測(cè)試要求。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的壓電梁的示意圖；
[0024] 圖3為本發(fā)明的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的壓電梁的簡(jiǎn)化力學(xué)模型圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的壓電梁的等效電路圖；
[00%] 圖5為本發(fā)明的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)的共振頻率隨液體的粘度變化的曲線 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0028] 如圖1所示，本實(shí)施例的基于機(jī)電阻抗法的粘度計(jì)包括：壓電梁2、固定臺(tái)3、阻抗 分析儀4和計(jì)算機(jī)5;其中，如圖2所示，壓電梁2包括振動(dòng)片21、懸臂梁22和壓電片23; 懸臂梁22的一端固定在固定臺(tái)3上，另一端為自由端；在懸臂梁的自由端上設(shè)置有振動(dòng)片 21，懸臂梁22的對(duì)稱軸位于振動(dòng)片21所在的平面內(nèi)，并且懸臂梁所在的平面與振動(dòng)片所在 的平面互相垂直；在懸臂梁的兩個(gè)表面上分別粘貼有兩塊厚度相同的壓電片23