CN102621036A - 一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法 - Google Patents

一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102621036A
CN102621036A CN2012100930497A CN201210093049A CN102621036A CN 102621036 A CN102621036 A CN 102621036A CN 2012100930497 A CN2012100930497 A CN 2012100930497A CN 201210093049 A CN201210093049 A CN 201210093049A CN 102621036 A CN102621036 A CN 102621036A
Authority
CN
China
Prior art keywords
piezoresistance type
microcantilever beam
density
wheatstone bridge
type microcantilever
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2012100930497A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102621036B (zh
Inventor
赵立波
张桂铭
蒋庄德
黄恩泽
徐龙起
赵玉龙
王晓坡
宋渤
刘志刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian Jiaotong University
Original Assignee
Xian Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian Jiaotong University filed Critical Xian Jiaotong University
Priority to CN201210093049.7A priority Critical patent/CN102621036B/zh
Publication of CN102621036A publication Critical patent/CN102621036A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102621036B publication Critical patent/CN102621036B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Micromachines (AREA)

Abstract

本发明提供了一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，本发明不需要改变现有的装置即可实现在线测量；另外更重要的是，不需要获得悬臂梁在待测流体中的谐振频率，从而极大地节省了测量时间，为真正的在线和快速测量提供了保证，采用本发明所提供的方法，可以在几秒内甚至更短即可利用标定好的压阻式微悬臂梁实现待测流体密度的测量。

Description

一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法
技术领域
本发明涉及一种测量流体密度的方法，更确切地说，是一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法。
背景技术
由于微悬臂梁具有灵敏度高、响应迅速、尺寸小、可批量生产以及实时测量等优点，它已经被广泛地用于化学、物理以及生物检测等领域。微悬臂梁有两种工作方式：静态工作方式和动态工作方式。前者主要是测量悬臂梁端部的挠度来实现测量的，如用于测量表面应力、物质的浓度等；而后者是通过测量悬臂梁在工作环境中的谐振频率来实现测量的，如用于测量生物分子质量、流体黏度密度等。压阻式微悬臂梁，由于不需要光学悬臂梁必需的对准工作，并且可将检测系统集成在悬臂梁上，可使得整个测量装置的尺寸大大减小，因而压阻式微悬臂梁在微机械电子系统中的应用非常广泛。采用压阻式微悬臂梁来测量流体的密度，需要寻找压阻式微悬臂梁在待测流体中的谐振频率，这使得测量时间大大加长(大于1分钟)，非常不利于现场流体密度的测量，特别是那些需要实时监测密度的流体。
鉴于以上缺点，实有必要提供一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，以缩短测量时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，不改变现有的测量装置，不需要获得压阻式微悬臂梁在待测流体中的谐振频率，即可实现在线、快速测量流体密度的目的。
为了克服现有方法的缺点，本发明提供一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，包括以下步骤：
(1)将压阻式微悬臂梁浸没于密度已知为ρ1标准流体中，然后给压阻式微悬臂梁的激励线圈提供一个频率为f和幅值为U1的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥的输出，结果为V1；
(2)再给压阻式微悬臂梁的激励线圈提供一个频率仍为f但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥的输出，结果为V2；
(3)通过升温或者降温改变先前标准流体的密度到ρ2，然后给压阻式微悬臂梁的激励线圈提供一个频率仍为f和幅值为U1的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥的输出，结果为V3；
(4)再给压阻式微悬臂梁的激励线圈提供一个频率仍为f但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥的输出，结果为V4；
根据以上测量结果以及密度工作方程ρ＝ak+b，确定密度工作方程中的待定参数a和b。此处，k为激励线圈改变电压前后的惠斯通电桥输出差值与激励线圈改变电压前后差值的比值，即k1＝(V1-V2)/(U1-U2)，k2＝(V3-V4)/(U1-U2)。联立方程ρ1＝ak1+b和ρ2＝ak2+b，即可唯一确定待定参数a和b，需要指出的是a和b只与微悬臂梁本身的结构、激励线圈输入电压的频率、惠斯通电桥供电电流大小以及外界磁场强度等参数有关，不会因待测流体以及输入电压幅值的改变而改变；
(5)将压阻式微悬臂梁浸没于待测流体中，然后给压阻式微悬臂梁的激励线圈提供一个频率仍为f和幅值为U1的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥的输出，结果为V5。再给压阻式微悬臂梁的激励线圈提供一个频率仍为f但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥的输出，结果为V6。根据这些测量结果确定k3值(k3＝(V5-V6)/(U1-U2))，然后根据密度工作方程ρ＝ak+b即可确定待测流体的密度。
本发明所述的压阻式微悬臂梁是采用电磁激励的，外磁场是采用永磁铁提供的。对于标定好的压阻式微悬臂梁，不要再改变其惠斯通电桥供电电流大小、激励线圈供电电压的频率以及永磁铁的磁场强度。
所述永磁铁为钐钴永磁铁。
所述的压阻式微悬臂梁，其形状可以是常见的矩形悬臂梁，也可以是三角形悬臂梁，梯形悬臂梁，或者是其它任意形状悬臂梁。
本发明采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法至少具有以下优点：本发明不需要改变现有的装置即可实现在线测量；另外更重要的是，不需要获得悬臂梁在待测流体中的谐振频率，从而极大地节省了测量时间，为真正的在线和快速测量提供了保证，采用本发明所提供的方法，可以在几秒内甚至更短即可利用标定好的压阻式微悬臂梁实现待测流体密度的测量。
附图说明
图1为本发明所述的压阻式微悬臂梁平面结构示意图；
图2为本发明所述的三角形压阻式微悬臂梁的结构示意图；
图3为本发明所述的梯形压阻式微悬臂梁的结构示意图；
图4为本发明所述的任意形状压阻式微悬臂梁的结构示意图；
图5为本发明的实验数据效果图；
图中的标号如下表示：
  1-7   第一至第七焊盘   8   惠斯通电桥
  9   激励线圈   10   矩形悬臂梁
  11   三角形悬臂梁   12   梯形悬臂梁
  13   任意形状悬臂梁
具体实施方式
以下结合附图对本发明采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法的工作过程作更加详细地说明：
请参阅图1所示，本发明采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法包括以下步骤：
1)将压阻式微悬臂梁浸没于密度已知为ρ1标准流体中，然后通过第一和第二焊盘1、2给压阻式微悬臂梁的激励线圈9提供一个频率为f和幅值为U1的正弦交流电，惠斯通电桥8通过第三、第五和第六焊盘3、5、6供给恒流电源，并使用锁相放大器通过第四和第七焊盘4、7测量惠斯通电桥8的输出，结果为V1；
2)再通过第一和第二焊盘1、2给压阻式微悬臂梁的激励线圈9提供一个频率仍为f但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥8的输出，结果为V2；
3)通过升温或者降温改变先前标准流体的密度到ρ2，然后通过第一和第二焊盘1、2给压阻式微悬臂梁的激励线圈9提供一个频率仍为f和幅值为U1的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥8的输出，结果为V3；
4)再通过焊盘1、2给压阻式微悬臂梁的激励线圈9提供一个频率仍为f但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥8的输出，结果为V4；
5)根据以上测量结果以及密度工作方程ρ＝ak+b，确定密度工作方程中的待定参数a和b。此处，k为激励线圈9改变电压前后的惠斯通电桥8输出差值与激励线圈改变电压前后差值的比值，即k1＝(V1-V2)/(U1-U2)，k2＝(V3-V4)/(U1-U2)。联立方程ρ1＝ak1+b和ρ2＝ak2+b，即可唯一确定待定参数a和b，需要指出的是a和b只与微悬臂梁本身的结构、激励线圈输入电压的频率、惠斯通电桥供电电流大小以及外界磁场强度等参数有关，不会因待测流体以及输入电压幅值的改变而改变；
6)将压阻式微悬臂梁浸没于待测流体中，然后通过焊盘1、2给压阻式微悬臂梁的激励线圈9提供一个频率仍为f和幅值为U1的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥8的输出，结果为V5。再通过焊盘1、2给压阻式微悬臂梁的激励线圈9提供一个频率仍为f但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥8的输出，结果为V6。根据这些测量结果确定k3值(k3＝(V5-V6)/(U1-U2))，然后根据密度工作方程ρ＝ak+b即可确定待测流体的密度。
在此，需要特别指出的是，本发明所述的压阻式微悬臂梁是采用电磁激励的，外磁场是采用永磁铁提供的；优选为钐钴永磁铁。对于标定好的压阻式微悬臂梁，不要再改变其惠斯通电桥供电电流大小、激励线圈供电电压的频率以及永磁铁的磁场强度。
参照图2、3、4所示，压阻式微悬臂梁的形状可以是常见的矩形悬臂梁10，也可以是三角形悬臂梁11，梯形悬臂梁12，或者是其它任意形状悬臂梁13。
图5为本发明的实施效果图，所使用压阻式微悬臂梁为梯形压阻式微悬臂梁，待测流体为硅油，测量温度范围为10℃～60℃，测量压力为常压，微悬臂梁激励线圈的供电电压频率为60KHz，惠斯通电桥的供电电流为2mA，密度的测量精度在1％FS以内，测量一次的时间为3秒。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，其特征在于：
包括以下步骤：
(1)将压阻式微悬臂梁浸没于密度已知为ρ1标准流体中，然后通过第一和第二焊盘(1、2)给压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)提供一个频率为f和幅值为U1的正弦交流电，惠斯通电桥(8)通过第三、第五和第六焊盘(3、5、6)供给恒流电源，并使用锁相放大器通过第四和第七焊盘(4、7)测量惠斯通电桥(8)的输出，结果为V1；
(2)再通过第一和第二焊盘(1、2)给压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)提供一个频率仍为f但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥(8)的输出，结果为V2；
(3)通过升温或者降温改变先前标准流体的密度到ρ2，然后通过第一和第二焊盘(1、2)给压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)提供一个频率仍为f和幅值为U1的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥(8)的输出，结果为V3；
(4)再通过第一和第二焊盘(1、2)给压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)提供一个频率仍为f但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥(8)的输出，结果为V4；
(5)根据以上测量结果以及密度工作方程ρ＝ak+b，确定密度工作方程中的待定参数a和b，此处，k为激励线圈(9)改变电压前后的惠斯通电桥(8)输出差值与激励线圈改变电压前后差值的比值，即k1＝(V1-V2)/(U1-U2)，k2＝(V3-V4)/(U1-U2)，联立方程ρ1＝ak1+b和ρ2＝ak2+b，即可唯一确定待定参数a和b；
(6)将压阻式微悬臂梁浸没于待测流体中，然后通过第一和第二焊盘(1、2)给压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)提供一个频率仍为f和幅值为U1的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥(8)的输出，结果为V5；再通过第一和第二焊盘(1、2)给压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)提供一个频率仍为f但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥(8)的输出，结果为V6；根据这些测量结果确定k3值，k3＝(V5-V6)/(U1-U2)，然后根据密度工作方程ρ＝ak+b即可确定待测流体的密度。
2.一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，其特征在于：(1)将压阻式微悬臂梁浸没于密度为ρ1的标准流体中，使惠斯通电桥通恒流电源，然后对压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)施加正弦交流电，其中，正弦交流电的频率为f，幅值为U1，得到惠斯通电桥的输出V1；(2)改变施加到压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)上的交流电的幅值为U2，得到惠斯通电桥的输出V2；(3)改变标准流体的密度为ρ2，重复(1)至(2)，分别得到惠斯通电桥的输出V3和V4；(4)联立方程ρ1＝ak1+b和ρ2＝ak2+b求解参数a和b，其中，k1＝(V1-V2)/(U1-U2)，k2＝(V3-V4)/(U1-U2)；(5)将压阻式微悬臂梁浸没于待测流体中，重复(1)至(2)，分别得到惠斯通电桥的输出V5和V6，然后根据公式ρ＝ak+b即可得到待测液体的密度，其中，k＝(V5-V6)/(U1-U2)。
3.如权利要求2所述的采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，其特征在于：所述的压阻式微悬臂梁，其形状是矩形悬臂梁或三角形悬臂梁或梯形悬臂梁或其它任意形状悬臂梁。
4.如权利要求1所述的采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，其特征在于：所述的压阻式微悬臂梁是采用电磁激励的，外磁场是采用永磁铁提供的。
5.如权利要求4所述的采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，其特征在于：所述永磁铁为钐钴永磁铁。
CN201210093049.7A 2012-03-31 2012-03-31 一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法 Expired - Fee Related CN102621036B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210093049.7A CN102621036B (zh) 2012-03-31 2012-03-31 一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210093049.7A CN102621036B (zh) 2012-03-31 2012-03-31 一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102621036A true CN102621036A (zh) 2012-08-01
CN102621036B CN102621036B (zh) 2014-01-29

Family

ID=46561083

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210093049.7A Expired - Fee Related CN102621036B (zh) 2012-03-31 2012-03-31 一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102621036B (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103245819A (zh) * 2013-04-23 2013-08-14 西安交通大学 采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法
CN103281044A (zh) * 2013-04-23 2013-09-04 西安交通大学 一种磁激励压阻拾振式mems 谐振器的主动频率调谐方法
CN108375432A (zh) * 2018-01-23 2018-08-07 福州华虹智能科技股份有限公司 一种交流式应力测量方法及装置
CN111579426B (zh) * 2020-04-24 2021-04-20 西安交通大学 一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片及其工作方法和制备方法
CN112857406A (zh) * 2021-01-08 2021-05-28 重庆开谨科技有限公司 一种高压激励的惠斯顿电桥测量方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4215566A (en) * 1979-04-30 1980-08-05 International Telephone And Telegraph Corporation Densitometer with voltage driver
CN101718667A (zh) * 2009-12-08 2010-06-02 西安交通大学 基于微机电系统技术的密度传感器芯片及其制备方法
CN102288516A (zh) * 2011-06-29 2011-12-21 西安交通大学 基于mems技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器
CN102353609A (zh) * 2011-06-10 2012-02-15 西安交通大学 具有双惠斯通全桥结构的mems流体密度传感器芯片及制备方法
CN102353610A (zh) * 2011-06-10 2012-02-15 西安交通大学 一种用于密度测量的电容微加工超声传感器及其制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4215566A (en) * 1979-04-30 1980-08-05 International Telephone And Telegraph Corporation Densitometer with voltage driver
CN101718667A (zh) * 2009-12-08 2010-06-02 西安交通大学 基于微机电系统技术的密度传感器芯片及其制备方法
CN102353609A (zh) * 2011-06-10 2012-02-15 西安交通大学 具有双惠斯通全桥结构的mems流体密度传感器芯片及制备方法
CN102353610A (zh) * 2011-06-10 2012-02-15 西安交通大学 一种用于密度测量的电容微加工超声传感器及其制备方法
CN102288516A (zh) * 2011-06-29 2011-12-21 西安交通大学 基于mems技术的同时测量流体密度、压力和温度的集成流体传感器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李艳琴: "使用硅压力敏传感器自制物体密度测量仪", 《物理与工程》 *
赵万明: "液氧密度测量技术研究", 《火箭推进》 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103245819A (zh) * 2013-04-23 2013-08-14 西安交通大学 采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法
CN103281044A (zh) * 2013-04-23 2013-09-04 西安交通大学 一种磁激励压阻拾振式mems 谐振器的主动频率调谐方法
CN103245819B (zh) * 2013-04-23 2015-12-02 西安交通大学 采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法
CN103281044B (zh) * 2013-04-23 2016-01-13 西安交通大学 一种磁激励压阻拾振式mems谐振器的主动频率调谐方法
CN108375432A (zh) * 2018-01-23 2018-08-07 福州华虹智能科技股份有限公司 一种交流式应力测量方法及装置
CN108375432B (zh) * 2018-01-23 2020-07-31 福州华虹智能科技股份有限公司 一种交流式应力测量方法及装置
CN111579426B (zh) * 2020-04-24 2021-04-20 西安交通大学 一种高品质因子压电悬臂梁密度传感器芯片及其工作方法和制备方法
CN112857406A (zh) * 2021-01-08 2021-05-28 重庆开谨科技有限公司 一种高压激励的惠斯顿电桥测量方法
CN112857406B (zh) * 2021-01-08 2023-05-23 重庆开谨科技有限公司 一种高压激励的惠斯顿电桥测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102621036B (zh) 2014-01-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102621036B (zh) 一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法
Davydov et al. A nutation nuclear-magnetic teslameter for measuring weak magnetic fields
CN103245819B (zh) 采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法
CN104316213B (zh) 一种基于磁纳米粒子交流磁化率的温度测量方法
CN104685339A (zh) 流体的物理性能测量方法及装置
Sinha et al. Design and implementation of real-time flow measurement system using Hall probe sensor and PC-based SCADA
CN103281044A (zh) 一种磁激励压阻拾振式mems 谐振器的主动频率调谐方法
Cramer et al. Experimental study on the sensitivity and accuracy of electric potential local flow measurements
CN105676151B (zh) 一种负反馈式磁场传感器
US9228929B2 (en) Method of on-line rapid fluid density measurement using a piezoresistive micro-cantilever
CN108051648B (zh) 一种基于直流电位和涡流检测法的材料电磁属性测量方法
Kumar et al. Design and development of an electro-optic type-flow transmitter using Mach–Zehnder interferometer
Zhao et al. In-situ measurement of fluid density rapidly using a vibrating piezoresistive microcantilever sensor without resonance occurring
Uhlig et al. Lorentz force eddy current testing: validation of numerical results
Jin et al. An extrinsic Fabry–Pérot optical fiber sensor based on nano-magnetic fluid
CN205860981U (zh) 一种基于磁桥原理的铁磁材料厚度检测装置
Uludag et al. Polymer melt rheology by magnetic resonance imaging
Clara et al. An electromagnetically actuated oscillating sphere used as a viscosity sensor
Médjahdi Faraday’s law of induction by experiment
CN105182260B (zh) 磁导率的涡流检测装置以及基于该装置的检测方法及系统
CN103645390A (zh) 游动电位台式分析仪
US8844370B1 (en) Electromagnetic flow meter having a driver circuit including a current transducer
Fiala et al. Measuring ultra-low fluid flow velocities in the context of industry 4.0
He et al. Development of a Temperature-Controlled Resistance Micro-Change Experimental Device
RU166014U1 (ru) Волоконно-оптическое информационно-измерительное устройство расхода электропроводящих жидкостей

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
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140129