CN101806776B - 声板波虚拟阵列传感器系统及基于该系统的液体检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种声板波虚拟阵列传感器系统及基于该系统的液体检测方法。本发明的系统结构包括微控制器模块、信号激励模块、声板波虚拟阵列器件模块和信号采集模块。本发明的方法通过微控制器模块控制信号激励模块产生一定频率的高频正弦电压信号，该信号施加到声板波虚拟阵列器件模块输入端，利用逆压电效应产生声板波，传输到声板波虚拟阵列器件模块输出端的声板波再通过正压电效应转换成电压信号，声板波的传播特性受负载在声板波虚拟阵列器件模块上的液体特征参数影响，通过信号采集模块测量声板波虚拟阵列器件模块输入、输出电压信号的相位差和振幅比来检测液体的特征参数；本发明具有检测器件小，信号干扰少等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种液体传感器系统，尤其涉及一种并行检测液体多特征参数的声板波虚拟阵列传感器系统及检测方法，属于新型传感器领域。
背景技术
液体传感器主要用于对液体本身特征参数的检测，包括密度、体积弹性模量、粘度三种机械参数以及介电常数、电导率两种电学参数的测量。液体检测不仅关注液体某单个特定的特征参数，还希望能够并行检测液体的多个特征参数。
目前工业上测量液体各特征参数的常用仪器或方法非常多。测量液体密度的常用仪器有浮子式密度计、振动式密度计、放射性同位素密度计、超声波式密度计等[1]；测量液体粘度的常用方法有毛细管法、扭摆振动法、落球法、旋转法等[2]；通常采用迈克尔逊干涉仪测量液体体积弹性模量[3，4]；采用电容式传感器测量液体介电常数[5]；采用电阻式传感器、磁电式传感器测量液体电导率[6，7]。现有仪器或测量方法存在着许多不足之处，如仪器体积大、价格昂贵、操作繁琐、需要试样多、响应时间长、数据不易处理、测量精度低等。并且，对于不同的特征参数，相应的测量仪器和方法也各不相同。因此，研制出测量精度高、响应快、性能稳定、体积小、试样微量、数据易于处理，且能实现并行测量液体多个特征参数的传感器系统，是非常有必要的，也符合未来传感器微型化、低功耗、低成本、高精度、长寿命的发展趋势。
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发明内容
发明目的：
本发明的目的在于提供一种声板波虚拟阵列传感器系统及检测方法，可以并行检测液体的密度、体积弹性模量、粘度三种机械参数以及介电常数、电导率两种电学参数。
技术方案：
一种声板波虚拟阵列传感器系统，包括微控制器模块、信号激励模块、声板波虚拟阵列器件模块和信号采集模块；其中：微控制器模块的输出端连接信号激励模块的输入端，信号激励模块的输出端分别连接声板波虚拟阵列器件的输入端、信号采集模块的输入端，声板波虚拟阵列器件模块与信号采集模块相连接，信号采集模块的输出端连接微控制器模块的输入端。
本发明的声板波虚拟阵列传感器系统中声板波虚拟阵列器件模块包括自由化形式的声板波器件和金属化形式的声板波器件；其中所述自由化形式的声板波器件包括压电薄板、输入叉指换能器、输出叉指换能器，其中输入叉指换能器和输出叉指换能器沉积在压电薄板一侧表面上，分左右两侧对称排布；所述金属化形式的声板波器件的结构为在自由化形式的声波板器件的基础上，在压电薄板的另一侧表面镀上一层金属薄膜形成。
本发明的声板波虚拟阵列传感器系统中所述压电薄板所用材料均为压电陶瓷PZT-5H。
本发明的声板波虚拟阵列传感器系统中声板波器件通过改变激发频率得到各不相同的声板波模态，即单个声板波器件被扩展成很多个功能上完全独立的虚拟器件。
一种基于本发明的声板波虚拟阵列传感器系统的液体多特征参数的检测方法，传感器系统工作时，微控制器模块控制信号激励模块产生高频正弦电压信号，该正弦电压信号施加到声板波虚拟阵列器件模块输入端，利用逆压电效应产生声板波，传输到声板波虚拟阵列器件模块输出端的声板波再通过正压电效应转换成电压信号，声板波的传播特性受负载在声板波虚拟阵列器件模块上的液体特征参数影响，通过信号采集模块测量声板波虚拟阵列器件模块输入、输出电压信号的相位差和振幅比来检测液体的特征参数；包括如下步骤：
1)选择压电薄板与液体的接触界面为金属化形式的声板波器件A，且该器件A激发出的声板波只在水平剪切方向存在振动位移，此时器件A的输出只与液体的密度和粘度有关；对于器件A，选择相应模态的激发频率得到对应的虚拟器件a，通过测量虚拟器件a输入、输出信号之间的相位差来检测液体密度，通过测量虚拟器件a输入、输出信号之间的振幅比来检测液体粘度；
2)在按上述步骤测得液体密度和粘度的前提下，选择压电薄板与液体的接触界面为金属化形式的声板波器件B，且该器件B激发出的声板波在传播方向存在着振动位移；对于器件B，选择相应模态的激发频率得到对应的虚拟器件b通过测量虚拟器件b输入、输出信号之间的相位差来检测液体体积弹性模量；
3)按上述两个步骤测得液体密度、液体粘度、液体体积弹性模量，选择压电薄板与液体的接触界面为自由化形式的声板波器件C；对于器件C，选择相应模态的激发频率得到对应的虚拟器件c通过测量虚拟器件c输入、输出信号之间的相位差来检测液体介电常数，通过测量虚拟器件c输入、输出信号之间的振幅比来检测液体电导率。
有益效果：
1.采用声板波传感器可以使检测器件小，信号干扰少；
2.可以通过由三个声板波虚拟器件构成的声板波虚拟阵列器件实现对液体五个特征参数的并行检测；
3.由于声板波虚拟器件通过对声板波实际器件施加相应的激发频率而获得，因此可以在使用过程中根据虚拟阵列器件的检测能力来对虚拟器件进行灵活的选择、组合和扩充。
附图说明
图1是本发明的结构模块框图。
图2是本发明的压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波器件立体示意图。
图3是本发明的压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波器件测量液体的平面示意图。
图4是本发明的压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波器件封装图。
图5是本发明的压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件立体示意图。
图6是本发明的压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件测量液体的平面示意图。
图7是本发明的压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件封装图。
图8是本发明的声板波虚拟阵列器件实物图。
上述图中的标号名称：1.压电薄板，2.输入叉指换能器，3.输出叉指换能器，4.液体试样，5.粘结剂，6.座体，7.液槽，8.射频连接器，9.引线，10.绝缘垫板，11.底盖，12.金属薄膜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，一种声板波虚拟阵列传感器系统。其结构包括微控制器模块、信号激励模块、声板波虚拟阵列器件模块和信号采集模块。其中：微控制器模块的输出端连接信号激励模块的输入端；信号激励模块的输出端连接声板波虚拟阵列器件模块的输入端；信号采集模块有两个输入端，分别连接声板波虚拟阵列器件模块的输入端和输出端；信号采集模块的输出端连接微控制器模块的输入端。
声板波虚拟阵列器件的特点是基于声板波自身的频散特性，同一个声板波器件可以通过改变激发频率得到各不相同的声板波模态，各模态检测液体时具有各不相同的频移和衰减，相当于单个声板波器件可以被扩展成很多个功能上完全独立的虚拟器件。
传感器系统工作时，微控制器模块控制信号激励模块产生一定频率的高频正弦电压信号，该信号施加到声板波虚拟阵列器件模块输入端，利用逆压电效应产生声板波，传输到声板波虚拟阵列器件模块输出端的声板波再通过正压电效应转换成电压信号。声板波的传播特性受负载在声板波虚拟阵列器件模块上的液体特征参数影响，通过信号采集模块测量声板波虚拟阵列器件模块输入、输出电压信号的相位差和振幅比来检测液体的特征参数。
如图2所示，压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波器件立体示意图。包括压电薄板1、输入叉指换能器2、输出叉指换能器3。其中压电薄板1所用材料为压电陶瓷PZT-5H，长度为25mm，宽度为10mm，厚度为0.15mm；输入叉指换能器2和输出叉指换能器3沉积在压电薄板表面上，所用材料为铜，叉指对数为6对，叉指周期为1mm，叉指宽度为0.25mm，叉指间距为0.25mm，孔径为5mm，两叉指之间的中心距为12mm。x1方向为声板波传播方向、x2方向为水平剪切方向，x3方向为基片法线方向。
如图3所示，压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波器件测量液体的平面示意图。采用输入叉指换能器2和输出叉指换能器3沉积在压电薄板1的其中一个界面而液体试样4与另一个界面接触的结构形式，使叉指换能器与液体分离开来，不受液体侵蚀。
如图4所示，压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波器件封装图。沉积叉指换能器的压电薄板1表面朝下，通过粘结剂5固定在座体6上。粘接剂5不仅起粘合作用，还能够作为吸声材料加以应用。座体6由铝合金制成，上端开液槽7以滴入液体试样，下端留有足够的空腔，为射频连接器8的安装留出位置。脉冲点焊叉指换能器并接出引线9与射频连接器8相连，射频连接器8通过绝缘垫板10固定在座体6两侧。座体6下方安装底盖11。
如图5所示，压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件立体示意图。如图6所示，压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件测量液体的平面示意图。如图7所示，压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件封装图。与相应的图2、图3、图4相比，在与液体试样4接触的压电薄板1表面镀上了一层厚度为800埃的金属薄膜12，且在封装时将该金属薄膜12与座体6接触，以保证金属薄膜12的可靠接地。
如图8所示，声板波虚拟阵列器件实物图。实际制作三个声板波器件，压电薄板所用材料都为压电陶瓷PZT-5H。由于陶瓷本身不具备压电性，需要经过极化处理而获得压电效应并达到取向要求。将PZT-5H沿宽度方向极化，压电薄板上的声板波只在水平剪切方向存在振动位移；将PZT-5H沿长度或厚度方向极化，压电薄板上的声板波在传播方向存在着振动位移。
对于该传感器系统，基于层状介质的声波传播理论建立了负载液体的声板波理论模型，并编写代码进行了仿真计算和分析。理论模型和仿真结果表明：1、对于压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波器件，测量结果同时受液体机械参数和电学参数影响；2、对于压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件，测量结果不受液体电学参数影响；3、对于只在水平方向存在振动位移的声板波，测量结果不受液体体积弹性模量影响；4、声板波虚拟阵列器件模块输入、输出电压信号的相位差主要受液体密度、体积弹性模量、介电常数影响；5、声板波虚拟阵列器件模块输入、输出电压信号的振幅比主要受液体粘度、电导率影响。
该传感器系统中，微控制器模块采用美国TI公司的单片机MSP430F2617；信号激励模块采用美国AD公司的直接数字频率合成器(DDS，Direct Digital Synthesizer)芯片AD9834；信号采集模块采用美国AD公司的幅相测量芯片AD8302，能同时测量从低频到2.7GHz范围内的两信号之间的振幅比和相位差。
一种基于该声板波虚拟阵列传感器系统的并行检测液体多特征参数的检测方法，包括如下步骤：
1.选择压电薄板与液体的接触界面为金属化形式的声板波器件，且该器件(记为器件A)激发出的声板波只在水平剪切方向存在振动位移。此时器件A的输出只与液体的密度和粘度有关。对于器件A，选择合适的激发频率得到对应的虚拟器件(记为器件a)。通过测量虚拟器件a输入、输出信号之间的相位差来检测液体密度，通过测量虚拟器件a输入、输出信号之间的振幅比来检测液体粘度；
2.在按上述步骤测得液体密度和粘度的前提下，选择压电薄板与液体的接触界面为金属化形式的声板波器件，且该器件(记为器件B)激发出的声板波在传播方向存在着振动位移。对于器件B，选择合适的激发频率得到对应的虚拟器件(记为器件b)。通过测量虚拟器件b输入、输出信号之间的相位差来检测液体体积弹性模量；
3.在按上述两个步骤测得液体三个机械参数的情况下，选择压电薄板与液体的接触界面为自由化形式的声板波器件(记为器件C)。对于器件C，选择合适的激发频率得到对应的虚拟器件(记为器件c)。通过测量虚拟器件c输入、输出信号之间的相位差来检测液体介电常数，通过测量虚拟器件c输入、输出信号之间的振幅比来检测液体电导率。
Claims (1)
1.一种声板波虚拟阵列传感器系统的液体多特征参数的检测方法，所述检测方法所涉及的声板波虚拟阵列传感器系统包括微控制器模块、信号激励模块、声板波虚拟阵列器件模块和信号采集模块；其中：微控制器模块的输出端连接信号激励模块的输入端，信号激励模块的输出端分别连接声板波虚拟阵列器件的输入端、信号采集模块的输入端，声板波虚拟阵列器件模块与信号采集模块相连接，信号采集模块的输出端连接微控制器模块的输入端；其特征在于：传感器系统工作时，微控制器模块控制信号激励模块产生高频正弦电压信号，该正弦电压信号施加到声板波虚拟阵列器件模块输入端，利用逆压电效应产生声板波，传输到声板波虚拟阵列器件模块输出端的声板波再通过正压电效应转换成电压信号，声板波的传播特性受负载在声板波虚拟阵列器件模块上的液体特征参数影响，通过信号采集模块测量声板波虚拟阵列器件模块输入、输出电压信号的相位差和振幅比来检测液体的特征参数；包括如下步骤：
1)选择压电薄板与液体的接触界面为金属化形式的声板波器件A，且该器件A激发出的声板波只在水平剪切方向存在振动位移，此时器件A的输出只与液体的密度和粘度有关；对于器件A，选择相应模态的激发频率得到对应的虚拟器件a，通过测量虚拟器件a输入、输出信号之间的相位差来检测液体密度，通过测量虚拟器件a输入、输出信号之间的振幅比来检测液体粘度；
2)在按上述步骤测得液体密度和粘度的前提下，选择压电薄板与液体的接触界面为金属化形式的声板波器件B，且该器件B激发出的声板波在传播方向存在着振动位移；对于器件B，选择相应模态的激发频率得到对应的虚拟器件b通过测量虚拟器件b输入、输出信号之间的相位差来检测液体体积弹性模量；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20120111 Termination date: 20210419 |