CN103926171A - 高速流变仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速流变仪，包括：底座；驱动装置，所述驱动装置设在所述底座上；下样片系统，所述下样片系统与所述驱动装置相连并在所述驱动装置驱动下沿轴向可转动，待测流体设在所述下样片系统上；上样片系统，所述上样片系统设在所述下样片系统上方，所述上样片系统与所述待测流体相连并在所述流体带动下沿轴向可转动；扭杆，所述扭杆设在所述上样片系统上且在所述上样片系统转动时扭转；光学扭矩测量系统，所述光学扭矩测量系统检测所述扭杆偏转的角度以得到剪切所述待测流体产生的扭矩。根据本发明实施例的高速流变仪，不仅提高了测量的精度，而且测量范围能覆盖低速区域和高速区域，增大了测量量程和测量范围。

Description

高速流变仪

技术领域

本发明涉及仪器仪表技术领域，更具体地，涉及一种高速流变仪。

背景技术

目前对于流体的流变行为和特征参数的测量主要是依靠流变仪来完成。商用流变仪主要的主要目的是用来表征介质的流变性质、优化介质在不同工况下的参数以及验证流变本构方程理论等。传统流变仪主要分为毛细管型流变仪、旋转流变仪、振荡流变仪以及稳态和固态流变仪。但是目前的旋转流变仪转速最高一般只有5000rpm，工作范围剪切速率也难以达到1×10⁴/s；毛细管流变仪的剪切速率可以达到1×10⁴/s左右，但是却无法表征不同表面对运动的影响，均无法满足高剪切速率条件的测试。PCS公司的USV粘度仪可以测量剪切速率范围为1×10⁶-1×10⁷/s，但是不能测量较低剪切速率下的粘度，因此迫切需要一个测量范围较宽，并且高速段较为精确的流变仪。

传统流变仪的测量方法大多为使用应力应变式的传感器或者扭矩电机，这些测量方法受传感器精度限制，测量精度较低，并且测量范围较小，通常只有两到三个数量级。传统流变仪间隙控制大多使用电机，不仅噪声大，控制精度低，而且无法获得较小的间隙。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种测量精度高、测量范围大的高速流变仪。

根据本发明实施例的高速流变仪，包括：底座；驱动装置，所述驱动装置设在所述底座上；下样片系统，所述下样片系统与所述驱动装置相连并在所述驱动装置驱动下沿轴向可转动，待测流体设在所述下样片系统上；上样片系统，所述上样片系统设在所述下样片系统上方，所述上样片系统与所述待测流体相连并在所述流体带动下沿轴向可转动；扭杆，所述扭杆设在所述上样片系统上且在所述上样片系统转动时扭转；光学扭矩测量系统，所述光学扭矩测量系统检测所述扭杆偏转的角度以得到剪切所述待测流体产生的扭矩。

根据本发明实施例的高速流变仪，通过驱动装置驱动下样片系统和待测流体旋转，与待测流体相连的上样片系统发生转动，进而带动与上样片系统相连的扭杆发生扭转，光学扭矩测量系统能检测扭杆扭转的角度以得出待测流体产生的扭矩，利用光学测量方法测量剪切待测流体产生的扭矩，不仅提高了测量的精度，而且可以将剪切速率测量范围拓宽多个数量级，测量范围能覆盖低速区域和高速区域，增大了测量量程和测量范围。

另外，根据本发明实施例的高速流变仪，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述光学扭矩测量系统包括：三棱镜，所述三棱镜设在所述扭杆上且与所述扭杆同轴设置；光源，所述光源发出的光朝向所述三棱镜的一个侧面并反射形成反射光；四象限检测器，所述四象限检测器接受所述三棱镜反射的反射光。

根据本发明的一个实施例，所述光学扭矩测量系统还包括：至少一个反射镜，所述反射镜反射所述三棱镜反射的反射光并将该反射光发送给所述四象限检测器。

根据本发明的一个实施例，所述四象限检测器上设有预定位置，所述三棱镜在未发生扭转时的反射光射在所述预定位置上，所述光学扭矩测量系统还包括：反馈电路，所述四象限检测器接受所述三棱镜在转动前后的反射光并产生电压差，所述反馈电路对所述电压差进行放大处理以得到放大信号；压电陶瓷偏转台，所述压电陶瓷偏转台设在至少一个所述反射镜上，所述压电陶瓷偏转台接受所述放大信号并驱动所述反射镜偏转以使所述反射镜的反射光射在所述预定位置上。

根据本发明的一个实施例，所述反射镜包括依次设置的第一至第四反射镜，所述压电陶瓷偏转台设在所述第一反射镜上。

根据本发明的一个实施例，所述高速流变仪还包括：上样片支架，所述上样片支架设在所述底座上；手动位移台，所述手动位移台设在所述上样片支架上，所述手动位移台与所述上样片系统相连以调节所述上样片系统在上下方向上的位置。

根据本发明的一个实施例，所述高速流变仪还包括：压电陶瓷位移台，所述压电陶瓷位移台设在所述手动位移台下方且与所述手动位移台相连；间距测量杆，所述间距测量杆沿水平方向设在所述扭杆上且与所述压电陶瓷位移台相连，所述间距测量杆测量与所述底座的距离并反馈给所述压电陶瓷位移台以调节所述上样片系统与所述下样片系统之间的距离。

根据本发明的一个实施例，所述高速流变仪还包括：电涡流传感器，所述电涡流传感器设在所述底座上且位于所述间距测量杆下方，所述间距测量杆测量与所述电涡流传感器之间的距离；和电涡流传感器支架，所述电涡流传感器支架设在所述底座上，所述电涡流传感器设在所述电涡流传感器支架上。

根据本发明的一个实施例，所述高速流变仪还包括：扭杆连接杆，所述扭杆通过所述扭杆连接杆与所述压电陶瓷位移台相连。

根据本发明的一个实施例，所述上样片系统包括：上样片，所述上样片的下表面与所述待测流体接触；上样片连接件，所述上样片连接件与所述上样片的上表面和所述扭杆的下表面相连。

根据本发明的一个实施例，所述下样片系统包括：下样片连接件，所述下样片连接件设在所述驱动装置上；和下样片，所述下样片设在所述下样片连接件上，所述待测流体设在所述下样片的上表面上。

根据本发明的一个实施例，所述下样片连接件的上表面上设有两个间隔开布置且向上延伸的支撑柱，两个所述支撑柱之间设有上表面形成为球形面的支撑台，所述下样片的下表面上设有两个与所述支撑柱适配的安装槽，所述下样片的下表面抵接所述支撑台的上表面。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的高速流变仪的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的高速流变仪的光路示意图；

图3是根据本发明实施例的高速流变仪的扭杆的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的高速流变仪的下样片系统的爆炸图；

图5是根据本发明实施例的高速流变仪的下样片系统的工作原理示意图。

附图标记：

高速流变仪100；

底座10；

驱动装置20；

下样片系统30；下样片31；安装槽311；下样片连接件32；支撑柱321；支撑台322；

上样片系统40；上样片41；上样片连接件42；

扭杆50；第一固定部51；第二固定部52；连接孔521；辐杆53；

三棱镜61；光源62；四象限检测器63；压电陶瓷偏转台64；

第一反射镜71；第二反射镜72；第三反射镜73；第四反射镜74；

上样片支架80；

手动位移台90；

压电陶瓷位移台110；

间距测量杆120；

电涡流传感器130；

电涡流传感器支架140；

扭杆连接杆150。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图具体描述根据本发明实施例的高速流变仪100。

如图1至图5所示，根据本发明实施例的高速流变仪100包括底座10、驱动装置20、下样片系统30、上样片系统40、扭杆50和光学扭矩测量系统。其中，驱动装置20设在底座10上，下样片系统30与驱动装置20相连并在驱动装置20驱动下沿轴向可转动，待测流体（未示出）设在下样片系统30上。上样片系统40设在下样片系统30上方，上样片系统40与待测流体相连并在流体带动下沿轴向可转动。扭杆50设在上样片系统40上且在上样片系统40转动时扭转，光学扭矩测量系统检测扭杆50偏转的角度以得到剪切待测流体产生的扭矩。

由此，根据本发明实施例的高速流变仪100，通过驱动装置20驱动下样片系统30和待测流体旋转，与待测流体相连的上样片系统40发生转动，进而带动与上样片系统40相连的扭杆50发生扭转，光学扭矩测量系统能检测扭杆50扭转的角度以得出待测流体产生的扭矩，利用光学测量方法测量剪切待测流体产生的扭矩，不仅提高了测量的精度，而且可以将剪切速率测量范围拓宽多个数量级，测量范围能覆盖低速区域和高速区域，增大了测量量程和测量范围。

根据本发明实施例的高速流变仪100在使用时，待测流体设在下样片系统30上，上样片系统40与待测流体相连。驱动装置20驱动上样片系统40作轴向转动，由于待测流体具有一定的粘性，因此待测流体也会带动上样片系统40发生扭转或偏转。扭杆50与上样片系统40相连，扭杆50也会扭转或偏转相应的角度。通过光学扭矩测量系统，可以检测扭杆50偏转的角度，根据测量的偏转角度进而可得出待测流体受到的剪切扭矩。

光学测量方法具有精度高、响应快等的优点，只要扭杆50发生轻微的角度偏转，光学扭矩测量系统均能对其快速地进行感知和测量，提高了高速流变仪100的测量精度和分辨率。进一步地，扭杆50发生大角度的偏转，光学扭矩测量系统同样也能对其进行感知和测量。根据本发明实施例的高速流变仪100，在高速流变仪100中设置光学扭矩测量系统，其不仅可以提高高速流变仪100的测量精度和响应速度，而且还能实现大范围的测量，使高速流变仪100适合多种流体的流变学测量，增大高速流变仪100的量程。

根据本发明的一个实施例，光学扭矩测量系统包括三棱镜61、光源62和四象限检测器63。其中，三棱镜61设在扭杆50上且与扭杆50同轴设置，光源62发出的光朝向三棱镜61的一个侧面并反射形成反射光，四象限检测器63接受三棱镜61反射的反射光。

具体地，底座10水平设置，在底座10的上表面设置有驱动装置20，驱动装置20的上方设有下样片系统30，下样片系统30的上表面可以盛放待测流体。在下样片系统30的上方设有上样片系统40，上样片系统40的上方与扭杆50连接。扭杆50的上方连接有三棱镜61，三棱镜61的反射面与水平面垂直。上样片系统40的下表面与待测流体连接，上样片系统40的下表面与下样片系统30的上表面水平对置。

三棱镜61与扭杆50相连并且与扭杆50同轴设置，三棱镜61能随同扭杆50一起发生偏转。光源62发出的光束水平直射到三棱镜61的一个反射面上，经三棱镜61反射的光束直射到四象限检测器63的检测面上。当高速流变仪100运行时，扭杆50发生轴向转动，会使三棱镜61的反射光束发生偏转，从而使经三棱镜61反射的光束的光斑（照射点）在四象限检测器63的检测面上发生偏移，此时四象限检测器63会输出一个电压值。

由此，通过光学扭矩测量系统可将待测流体的扭矩转换成扭杆50和三棱镜61的轴向偏转，经三棱镜61反射的反射光束发生偏转，在四象限检测器63的检测面上的光束的光斑（照射点）发生偏移，该偏移量转换成四象限检测器63的电压值，由该电压值可得出待测流体的扭矩。

光源62的选择没有具体限制，可选地，光源62为激光光源，激光光源具有单色性好、方向性强、光亮度高等的优点，从而光源62能够发射出平直的光路，有利于提高光学扭矩测量系统的测量精度。

驱动装置20的选择也没有具体限制，只要满足能驱动下样片系统30进行轴向旋转的条件即可。可选地，驱动装置20可以为气浮主轴驱动系统，气浮主轴驱动系统包括气浮主轴电机和控制器。气浮主轴电机磨损低、阻力小、精度高，尤其是其具有极高的轴向和径向旋转精度，并且气浮主轴电机能提供高转速。在提供高转速的同时，其动力损失较小，因此其能提高高速流变仪100的测量精度。具体地，驱动装置20能通过控制器控制气浮主轴电机的转速，进而能使待测流体在预先设定的剪切速率下平稳旋转。

在本发明的一个具体实施方式中，光学扭矩测量系统还包括至少一个反射镜，反射镜反射三棱镜61反射的反射光并将该反射光发送给四象限检测器63。具体地，通过反射镜可以使经三棱镜61反射的光路再次经过反射直至四象限检测器63，经三棱镜61反射的光路经过反射镜的反射由直线变成了折线。由此，高速流变仪100可以在不缩短光路长度情况下，使光路经过反射，光路由直线变成折线，从而可以避免使底座10在某一方向的尺寸过长的情况发生，使底座10的尺寸更加合理。

根据本发明的一个实施例，四象限检测器63上设有预定位置，三棱镜61在未发生扭转时的反射光射在预定位置上，光学扭矩测量系统还包括：反馈电路（未示出）和压电陶瓷偏转台64，四象限检测器63接受三棱镜61在转动前后的反射光并产生电压差，反馈电路对电压差进行放大处理以得到放大信号。压电陶瓷偏转台64设在至少一个反射镜上，压电陶瓷偏转台64接受放大信号并驱动反射镜偏转以使反射镜的反射光射在预定位置上。

可以理解的是，反射镜的数量没有限制，其可以根据需要进行合理设置。可选地，根据本发明的一个实施例，反射镜包括依次设置的第一至第四反射镜（71、72、73、74），压电陶瓷偏转台64设在第一反射镜71上。

具体地，光源62、第一反射镜71、第二反射镜72、第三反射镜73和第四反射镜74均竖直的固定在底座10上方。如图2所示，光源62发射出水平光束，经过三棱镜61、第一反射镜71、第二反射镜72、第三反射镜73、第四反射镜74的反射后，直至射到四象限检测器63的检测面上。

当光路发生偏转时，四象限检测器63的检测面上的光斑（照射点）发生偏移，四象限检测器63会产生一个电压值。该电压值经过反馈电路的放大处理，传递到固定在第一反射镜71上的压电陶瓷偏转台64上。再经过负反馈电路的控制，使压电陶瓷偏转台64偏转相应的角度，带动与压电陶瓷偏转台64相连的第一反射镜71也偏转相应的角度，最终使光路的光斑（照射点）照射在四象限检测器63的预定位置上。

当驱动装置20转速较低时，待测流体受到的剪切扭矩较小，扭杆50和三棱镜61发生扭转的幅度也较小，光源62发射出的光束经过三棱镜61和多个反射镜反射发生偏移，在四象限检测器63检测面上的光斑（照射点）通常不会移出检测面的外部。

当驱动装置20转速较高时，待测流体受到的剪切扭矩较大，扭杆50和三棱镜61发生的扭转幅度相应的也会变大，在四象限检测器63检测面上的光斑（照射点）可能会有移出检测面外部的趋势，此时，负反馈电路会根据四象限检测器63输出的电压值使第一反射镜71发生一定的角度的偏转，从而使光斑（照射点）移向四象限检测器63的检测面上的预定位置上。

四象限检测器63输出的电压与光束偏转的角度成正比，也就是待测流体受到的剪切扭矩越大，四象限检测器63输出的电压值越大。

由此，可以通过四象限检测器63输出的电压值得到待测流体所受到扭矩值的大小；在待测流体受到较大的剪切扭矩的情况下，高速流变仪100同样能测量出待测流体受到的扭矩值，从而使得高速流变仪100不仅能在较小的剪切速率下对待测流体进行测量，而且还能在较大的剪切速率下对待测流体进行测量，高速流变仪100的量程大，测量范围广。

反射镜的入射光路和反射光路的角度没有特殊限制，只要多个反射镜均能对从光源62发出的光束进行反射，并且能合理地布置在底座10的上方即可，例如，多个反射镜的反射光路和入射光路所成的夹角可以为钝角或直角。可选地，如图2所示，在本发明的一个具体实施方式中，第一反射镜71、第二反射镜72、第三反射镜73和第四反射镜74的入射光路和反射光路所成的夹角为直角，并且三棱镜61的入射光路和反射光路所成的夹角也为直角，由此便于反射镜在底座10上的安装和布置，而且也容易对光路的方向进行控制。

可以理解的是，压电陶瓷偏转台64不局限于设置在第一反射镜71上，例如，压电陶瓷偏转台64也可以设置在三棱镜61、第二反射镜72、第三反射镜73、第四反射镜74其中的任意一个或多个上，压电陶瓷偏转台64同样能根据四象限检测器63输出的电压值对与其连接的反射镜或三棱镜61偏转相应的角度，使光斑（照射点）照射在四象限检测器63的检测面的预定位置上。

根据本发明的一个实施例，高速流变仪100还包括上样片支架80和手动位移台90。其中，上样片支架80设在底座10上，手动位移台90设在上样片支架80上，手动位移台90与上样片系统40相连以调节上样片系统40在上下方向上的位置。具体地，手动位移台90行程大，分辨率低，可以用于大行程的运动控制。由此，手动位移台90可以对上样片系统40进行升降以更换待测流体，从而对不同种类的待测流体进行测量。

进一步地，根据本发明的一个实施例，高速流变仪100还包括压电陶瓷位移台110和间距测量杆120。其中，压电陶瓷位移台110设在手动位移台90下方且与手动位移台90相连。间距测量杆120沿水平方向设在扭杆50上且与压电陶瓷位移台110相连，间距测量杆测量120与底座10的距离并反馈给压电陶瓷位移台110以调节上样片系统30与下样片系统40之间的距离。

具体地，在底座10的上方连接有上样片支架80，上样片支架80大致形成为倒U形。上样片支架80的下方连接有手动位移台90，手动位移台90的下方依次连接有压电陶瓷位移台110和扭杆50。间距测量杆120固定在三棱镜61的下方，并且固定在扭杆50的上方，换言之，三棱镜61固定在间距测量杆120的上方。

另外，压电陶瓷位移台110的分辨率较高，而且其分辨率能达到纳米级。由此，压电陶瓷位移台110行程小，分辨率高，可以用于准确控制上样片系统40和下样片系统30之间的间距。

在本发明的一个具体实施方式中，高速流变仪100还包括电涡流传感器130和电涡流传感器支架140。其中，电涡流传感器130设在底座10上且位于间距测量杆120下方，间距测量杆120测量与电涡流传感器130之间的距离。电涡流传感器支架140设在底座10上，电涡流传感器130设在电涡流传感器支架140上。

具体地，间距测量杆120的水平方向的两端悬置，间距测量杆120的两端的下方分别设置一个电涡流传感器130。相应的，电涡流传感器支架140也设有两个，电涡流传感器支架140分别用于固定电涡流传感器130，并且使两个电涡流传感器130处于同一水平面上。

另外，电涡流传感器130为非接触式测量元件，测量范围大、灵敏度高，可进行轴向位移、径向振动、转速及相位等参数的测量。由于间距测量杆120与上样片系统40相连，因此上样片系统40在上下方向的高度改变时，间距测量杆120的高度也会发生相应的改变，因此电涡流传感器130通过感知间距测量杆120的高度位置的信息便能得到上样片系统40的高度位置信息，电涡流传感器130便能精确测量上样片系统40和下样片系统30之间的间距。

由此，压电陶瓷位移台110可以用来对上样片系统40进行纳米级精度的位移调整，而电涡流传感器130可以用来精确的测量上样片系统40在上下方向的高度，压电陶瓷位移台110与电涡流传感器130配合使用，在调整上样片系统40与下样片系统30之间的间距时，能达到较高的位置控制精度。

可以理解的是，根据本发明实施例的高速流变仪100的电涡流传感器130可以为其他类型的位移传感器，只要该位移传感器能具有较高的分辨率即可。

根据本发明的一个实施例，高速流变仪100还包括扭杆连接杆150，扭杆50通过扭杆连接杆150与压电陶瓷位移台110相连。

具体地，扭杆连接杆150的一端与压电陶瓷位移台110连接，另一端与扭杆50相连。为了连接更加牢固，可以设置多个扭杆连接杆150连接压电陶瓷位移台110与扭杆50。由此，手动位移台90和/或压电陶瓷位移台110可以通过扭杆连接杆150调节上样片系统40与下样片系统30之间的间距。

可选地，如图3所示，在本发明的一个具体实施方式中，扭杆50包括第一固定部51、第二固定部52和辐杆53。具体地，第一固定部51设在扭杆50的中心，第一固定部51的下方与上样片系统40相连，第一固定部51的上方与间距测量杆120和三棱镜61相连。第二固定部52设在第一固定部51的外周，第二固定部52与扭杆连接杆150相连。辐杆53连接第一固定部51和第二固定部52，并且辐杆53均匀地布置在第一固定部51的周向上。

需要说明的是，扭杆50的形状没有具体限制，可选地，第一固定部51大致形成为圆形。第二固定部52大致形成为环状件，第二固定部52的外周形成为矩形，内周形成为圆形。四个辐杆53与第一固定部51的外周和第二固定部52的内周相连。第二固定部52的四角附近各设有一个连接孔521，连接孔521可以与扭杆连接杆150连接。

当上样片系统40产生轴向扭转时，与上样片系统40相连的第一固定部51会受到扭矩作用。由于辐杆53为细长杆，辐杆53受到外力作用时很容易产生变形，与第一固定部51相连的辐杆53会绕着扭杆50的中心发生弯曲变形，与辐杆53相连的第一固定部51会产生轴向的扭转，从而三棱镜61也会发生扭转。第二固定部52与扭杆连接杆150相连，第二固定部52几乎不发生扭转。

可选地，根据本发明的一个实施例，上样片系统40包括上样片41和上样片连接件42。其中，上样片41的下表面与待测流体接触，上样片连接件42与上样片41的上表面和扭杆50的下表面相连。

相应地，根据本发明的一个实施例，下样片系统30包括下样片连接件32和下样片31。其中，下样片连接件32设在驱动装置20上，下样片31设在下样片连接件32上，待测流体设在下样片31的上表面上。

如图4和图5所示，在本发明的一个具体实施方式中，下样片连接件32的上表面上设有两个间隔开布置且向上延伸的支撑柱321，两个支撑柱321之间设有上表面形成为球形面的支撑台322，下样片31的下表面上设有两个与支撑柱321适配的安装槽311，下样片31的下表面抵接支撑台322的上表面。

具体地，下样片31与下样片连接件32为柔性连接，下样片31下表面的两个安装槽311套入下样片连接件32的支撑柱321内时，下样片连接件32与下样片31即可以通过支撑柱321和安装槽311传递扭矩。如图4和图5所示，下样片连接件32的支撑台322的上表面与下样片31的下表面抵接，下样片连接件32与下样片31构成了半球形自动调平机构，图中的箭头示意性的表示了下样片31在下样片连接件32上的运动过程。由此，在转动时，下样片31可以在支撑台322上自由旋转和摆动，自动调整下样片31的旋转姿态，以使下样片31和上样片41能保持相互平行的状态。

需要说明的是，安装槽311的直径大于支撑柱321的直径，由此安装槽311能套入支撑柱321内，当下样片31在下样片连接件32上旋转或摆动时，安装槽311与支撑柱321之间不会发生干涉，从而下样片31与下样片连接件32能更好的实现自动调平的功能。

下面具体描述根据本发明实施例的高速流变仪100的工作原理。

如图2所示，光源62发射出的光束依次经过三棱镜61、第一反射镜71、第二反射镜72、第三反射镜73和第四反射镜74，照射到四象限检测器63上。当高速流变仪100工作时，驱动装置20驱动下样片系统30和待测流体旋转，上样片系统40与待测流体接触，与上样片系统40相连的扭杆50发生变形扭转。第一固定部51旋转相应的角度，与第一固定部51相连的三棱镜61也扭转相应的角度，从而四象限检测器63上的照射点（光斑）发生偏移。

此时四象限检测器63则会输出一个电压值，该电压值经过反馈电路放大处理，传递到固定在第一反射镜71上的压电陶瓷偏转台64上，可以使压电陶瓷偏转台64偏转相应的角度，从而与四象限检测器63形成负反馈，最终使光束照射到四象限检测器63的预定位置上。四象限检测器63的输出电压与光束的偏转角度成正比，因此可以通过检测四象限检测器63的输出电压值获得待测流体受到的扭矩的大小。

总而言之，根据本发明实施例的高速流变仪100，利用光学扭矩测量系统测量剪切流体的扭矩，不仅提高了测量的精度，而且使高速流变仪100的剪切速率的测量范围拓宽了多个数量级，将流变学测量的低速区域和高速区域都能得到很好的覆盖；压电陶瓷位移台110与电涡流传感器130控制位移，压电陶瓷位移台110产生纳米级精度的位移，而电涡流传感器130用来检测位移，两者结合使用能达到较高的位置控制精度；高速流变仪100的测量范围较宽而且测量范围准确，适合用于各种待测流体的流变学测量。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种高速流变仪，其特征在于，包括：

底座；

驱动装置，所述驱动装置设在所述底座上；

下样片系统，所述下样片系统与所述驱动装置相连并在所述驱动装置驱动下沿轴向可转动，待测流体设在所述下样片系统上；

上样片系统，所述上样片系统设在所述下样片系统上方，所述上样片系统与所述待测流体相连并在所述流体带动下沿轴向可转动；

扭杆，所述扭杆设在所述上样片系统上且在所述上样片系统转动时扭转；

光学扭矩测量系统，所述光学扭矩测量系统检测所述扭杆偏转的角度以得到剪切所述待测流体产生的扭矩。

2.根据权利要求1所述的高速流变仪，其特征在于，所述光学扭矩测量系统包括：

三棱镜，所述三棱镜设在所述扭杆上且与所述扭杆同轴设置；

光源，所述光源发出的光朝向所述三棱镜的一个侧面并反射形成反射光；

四象限检测器，所述四象限检测器接受所述三棱镜反射的反射光。

3.根据权利要求2所述的高速流变仪，其特征在于，所述光学扭矩测量系统还包括：至少一个反射镜，所述反射镜反射所述三棱镜反射的反射光并将该反射光发送给所述四象限检测器。

4.根据权利要求3所述的高速流变仪，其特征在于，所述四象限检测器上设有预定位置，所述三棱镜在未发生扭转时的反射光射在所述预定位置上，所述光学扭矩测量系统还包括：

反馈电路，所述四象限检测器接受所述三棱镜在转动前后的反射光并产生电压差，所述反馈电路对所述电压差进行放大处理以得到放大信号；

压电陶瓷偏转台，所述压电陶瓷偏转台设在至少一个所述反射镜上，所述压电陶瓷偏转台接受所述放大信号并驱动所述反射镜偏转以使所述反射镜的反射光射在所述预定位置上。

5.根据权利要求4所述的高速流变仪，其特征在于，所述反射镜包括依次设置的第一至第四反射镜，所述压电陶瓷偏转台设在所述第一反射镜上。

6.根据权利要求1所述的高速流变仪，其特征在于，还包括：

上样片支架，所述上样片支架设在所述底座上；

手动位移台，所述手动位移台设在所述上样片支架上，所述手动位移台与所述上样片系统相连以调节所述上样片系统在上下方向上的位置。

7.根据权利要求6所述的高速流变仪，其特征在于，还包括：

压电陶瓷位移台，所述压电陶瓷位移台设在所述手动位移台下方且与所述手动位移台相连；

间距测量杆，所述间距测量杆沿水平方向设在所述扭杆上且与所述压电陶瓷位移台相连，所述间距测量杆测量与所述底座的距离并反馈给所述压电陶瓷位移台以调节所述上样片系统与所述下样片系统之间的距离。

8.根据权利要求7所述的高速流变仪，其特征在于，还包括：

电涡流传感器，所述电涡流传感器设在所述底座上且位于所述间距测量杆下方，所述间距测量杆测量与所述电涡流传感器之间的距离；和

电涡流传感器支架，所述电涡流传感器支架设在所述底座上，所述电涡流传感器设在所述电涡流传感器支架上。

9.根据权利要求7所述的高速流变仪，其特征在于，还包括：扭杆连接杆，所述扭杆通过所述扭杆连接杆与所述压电陶瓷位移台相连。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的高速流变仪，其特征在于，所述上样片系统包括：

上样片，所述上样片的下表面与所述待测流体接触；

上样片连接件，所述上样片连接件与所述上样片的上表面和所述扭杆的下表面相连。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的高速流变仪，其特征在于，所述下样片系统包括：

下样片连接件，所述下样片连接件设在所述驱动装置上；和

下样片，所述下样片设在所述下样片连接件上，所述待测流体设在所述下样片的上表面上。

12.根据权利要求11所述的高速流变仪，其特征在于，所述下样片连接件的上表面上设有两个间隔开布置且向上延伸的支撑柱，两个所述支撑柱之间设有上表面形成为球形面的支撑台，

所述下样片的下表面上设有两个与所述支撑柱适配的安装槽，所述下样片的下表面抵接所述支撑台的上表面。