CN104634702A - 一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，包括有一个压电陶瓷圆环及紧固压电陶瓷圆环的金属台阶轴，压电陶瓷圆环上下两面镀有对应的螺旋叉指电极，压电陶瓷圆环上下两面未镀电极部分为一定深度刻槽，金属台阶轴两端加工有螺纹，压电陶瓷圆环通过螺母紧固在金属台阶轴末端，且压电陶瓷圆环与螺母和金属台阶轴之间各有一绝缘垫片，压电陶瓷圆环内壁与金属台阶轴之间套有绝缘环，金属台阶轴内灌封两条绝缘导线用于螺旋叉指电极引线，金属台阶轴另一端螺纹用于探头固定。本发明探头结构紧凑、适宜于微型化，可用于非导电牛顿液体粘度、密度及介电常数在线测量。

Description

一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头

技术领域

本发明涉及流体物理特性测量探头领域，具体是一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头。

背景技术

粘度反映流体内部相对运动情况下分子间内摩擦的特性，密度反映物体运动的惯性特性，介电常数反映非导体材料的电学特性，它们是影响流体物理特性的重要参数。在能源化工、材料科学、生物医学、医药食品等工业生产和科学研究领域中，快速、准确的流体粘度、密度及介电常数测量，对监测生产过程以提高产品质量、测量物质特性以服务科学研究都具有重要的价值。

在实际测定中，流体粘度的测量相对密度和介电常数的测量要复杂的多，它往往不能直接测量得到，而是通常通过测量与其相关的其他物理量，再由相应的方程计算得到。目前，最常用的液体粘度测量法有毛细管法、落球法、机械旋转法、机械振动法等。毛细管法通过测量液体一定压差下在毛细管内的流速换算得到粘度；落球法通过测量金属球在液体内运动的速度换算得到粘度；旋转法通过测量电磁马达驱动的探头在液体内转动的阻力换算得到粘度；机械振动法通过测量电磁激励的探头在液体内旋转振动的振幅衰减换算得到粘度。尽管基于这些传统方法的粘度测量设备一般都能够比较准确可靠地测得液体粘度，但是它们大都结构复杂，体积较大，成本较高，样品需求量大，且测量速度较慢，无法实现快速在线连续监测，故而仅适合于实验室环境的线下测量，应用场合存在很大的局限性。基于压电材料结构谐振发展而来的粘度测量装置，可实现流体粘度的快速在线测量，且结构微型化，操作智能化，具有相对较好的研究价值和广泛的发展前景。压电谐振式粘度测量装置利用压电材料的压电效应产生机械谐振，通过测量谐振结构在流体内引起的机械和电学特性变化换算得到相应的粘度值，测量的特性参量主要包括谐振模态的机械品质因子、谐振频率等。压电结构采用的谐振模态包括弯曲、纵向、厚度剪切、扭转等振动形式，其中扭转振动形式相对于其他振动形式因与流体具有更好的耦合关系而具有更好的性能提升空间和实际应用价值。目前，现有的压电扭转元件本质上都是依赖轴向扭转能力的圆柱型结构，由于圆柱型压电扭转元件结构设计和电极布局上的局限性，尺寸往往相对较大，使得压电扭振式粘度测量装置在微型化、便携化设计方面存在一定困难，这也是至今未见到微型化程度较高的压电扭振式粘度计的原因。

于此同时，粘度测量计算中往往需要已知流体的密度或测量流体的密度，流体介电常数作为重要的电学参数很多场合下也需要在线测量。目前，这些物理量往往需要通过相互独立的测量设备一一获得，难以实现粘度、密度及介电常数的同时测量，这不仅提高了测量的难度，增加了测量的成本，测量结果的准确性也受到一定的影响。因此，发明一种具有粘度、密度和介电常数在线同时测量的探头，用于液体多参数测量系统，对于提高测量系统多功能化、集成化、便携化具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，以解决现有技术的问题，采用压电圆环形谐振振子，测量范围广、准确度高、成本低，且结构紧凑、适宜于微型化，可用于工业生产、科学研究设备管道、容器内的非导电液体粘度、密度及介电常数的在线测量。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于：包括金属台阶轴、压电陶瓷圆环，所述压电陶瓷圆环上、下表面分别镀有多道螺旋叉指电极，压电陶瓷圆环上、下表面上相邻螺旋叉指电极之间设置为一定深度的刻槽，金属台阶轴的末端外壁设置有螺纹，所述压电陶瓷圆环通过中心环孔中的螺母螺合安装在金属台阶轴的末端上，且金属台阶轴末端螺合有在压电陶瓷圆环下表面将压电陶瓷圆环紧固在金属台阶轴台阶上的螺母，所述压电陶瓷圆环上表面与金属台阶轴台阶之间、压电陶瓷圆环下表面与螺母之间分别设置有套在金属台阶轴末端上的绝缘垫片，压电陶瓷圆环中心的环孔孔壁与金属台阶轴末端之间设置有套在金属台阶轴末端上的绝缘环，所述金属台阶轴内灌封有两条绝缘导线，其中一条绝缘导线与螺旋叉指电极的正极连接，另一条绝缘导线与螺旋叉指电极的负极连接。

所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于：压电陶瓷圆环上、下表面螺旋叉指电极正负极交错分布，压电陶瓷圆环上、下表面外圆边边缘位置分别设置有一定宽度的圆环形外电极，压电陶瓷圆环上、下表面位于中心环孔边缘位置亦分别设置有一定宽度的圆环形内电极，压电陶瓷圆环的中心环孔孔壁上还成型有内侧电极；压电陶瓷圆环上、下表面螺旋叉指电极正极分别与所在表面中心环孔边缘位置的圆环形内电极连接，内侧电极分别与压电陶瓷圆环上、下表面连接叉指电极正极的圆环形内电极连接，其中一条绝缘导线与圆环形内电极连接，作为正极引出导线；压电陶瓷圆环上、下表面螺旋叉指电极的负极分别与所在表面外圆边边缘位置的圆环形外电极连接，圆环形内电极和内侧电极分别分割出部分负极电极区域与上、下表面螺旋叉指电极某一负极电极连接，另一条绝缘导线与圆环形内电极分割出的负极电极区域连接，作为负极引出导线。

所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于：所述压电陶瓷圆环厚度为0.4～1mm，外径为20～30mm，内径为5～10mm，其上下两表面螺旋叉指电极厚度为5～10μm，采用多对交叉指型电极结构，相邻螺旋叉指电极间距为1～3mm，上下两面未镀螺旋叉指电极部分刻槽深度为0.1～0.2mm。

所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于：所述螺旋叉指电极和压电陶瓷圆环刻槽通过激光或化学刻蚀加工，且两面螺旋叉指电极位置对应一致。

所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于：所述金属台阶轴采用不锈钢材料，螺旋叉指电极材料为银，绝缘垫片材料为石英，绝缘环材料为橡胶。

所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于：所述金属台阶轴和绝缘垫片的适当位置加工通孔用于灌封绝缘导线。

本发明中，压电陶瓷圆环上下两面及内侧面镀有银电极，通过激光或化学刻蚀工艺在上下两面加工出螺旋叉指电极，螺旋叉指电极正负电极交错分布，圆环面外边缘保留一定宽度圆环形电极用于连接螺旋叉指电极的负极，圆环面内边缘保留一定宽度圆环形电极用于连接螺旋叉指电极的正极，压电陶瓷圆环内侧电极用于连接上下两面的正电极，内圆环型电极和内侧电极分割出部分电极区域用于连接上下两面的负电极及引线端。

本发明中，压电陶瓷圆环上下两面刻糟结构是在未镀电极部分，在刻蚀螺旋叉指电极工艺基础上，刻蚀电极材料后继续向内刻蚀压电陶瓷材料一定深度，从而形成刻槽结构。

本发明中，压电陶瓷圆环通过螺旋叉指电极极化后，利用螺母固定于金属台阶轴端侧，在螺旋叉指电极简谐电压激励下产生面内扭转振动，探头浸入待测非导电牛顿液体后，扭转谐振的机械品质因子受待测液体粘度和密度的乘积影响，扭转谐振的谐振频率受待测液体粘度和密度及刻槽内待测液体的密度影响，螺旋叉指电极间的静态电容受待测液体粘度的介电常数影响，通过测量压电陶瓷圆环的电学导纳频率响应曲线获得机械品质因子和谐振频率以及电极间的静态电容，从而计算得到待测液体的粘度、密度和介电常数。

本发明的优点是：本发明将压电陶瓷圆环面内扭转技术应用于液体粘度的检测，面内扭转振动与流体具有很好的耦合关系，测量准确度高，引入刻槽结构用于测量液体的密度，引入等效静态电容用于测量液体的介电常数，探头结构设计紧凑，易于微型化，可用于管道、容器内的非导电液体粘度、密度及介电常数的快速在线连续检测。

附图说明

图1为本发明探头的结构示意图。

图2为本发明探头主剖视图。

图3为本发明压电陶瓷圆环叉指电极结构示意图。

图4为本发明探头工作在待测液体中的电学等效电路。

图5为本发明探头工作在待测液体中的电导频率响应曲线。

图6为本发明探头工作在待测液体中的电纳频率响应曲线。

具体实施方式

如图1-图4所示，一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，包括金属台阶轴3、压电陶瓷圆环1，压电陶瓷圆环1上、下表面分别镀有多道螺旋叉指电极2，压电陶瓷圆环1上、下表面上相邻螺旋叉指电极2之间设置为一定深度的刻槽，金属台阶轴3的末端外壁设置有螺纹4，压电陶瓷圆环1通过中心环孔中的螺母螺合安装在金属台阶轴3的末端上，且金属台阶轴3末端螺合有在压电陶瓷圆环1下表面将压电陶瓷圆环1紧固在金属台阶轴3台阶上的螺母5，压电陶瓷圆环1上表面与金属台阶轴3台阶之间、压电陶瓷圆环1下表面与螺母5之间分别设置有套在金属台阶轴3末端上的绝缘垫片6，压电陶瓷圆环1中心的环孔孔壁与金属台阶轴3末端之间设置有套在金属台阶轴3末端上的绝缘环7，金属台阶轴3内灌封有两条绝缘导线8，其中一条绝缘导线与各个螺旋叉指电极2的正极连接，另一条绝缘导线与各个螺旋叉指电极2的负极连接。

压电陶瓷圆环1上、下表面外圆边边缘位置分别设置有一定宽度的圆环形电极9，压电陶瓷圆环1上、下表面位于中心环孔边缘位置亦分别设置有一定宽度的圆环形电极10，压电陶瓷圆环1每个表面螺旋叉指电极2正负极交错分布，压电陶瓷圆环1上、下表面螺旋叉指电极2正极2-2分别与所在表面中心环孔边缘位置的圆环形电极10连接，压电陶瓷圆环1上、下表面螺旋叉指电极2的负极2-1分别与所在表面外圆边边缘位置的圆环形电极9连接，压电陶瓷圆环1的中心环孔孔壁上还成型有内侧电极11，内侧电极11分别与压电陶瓷圆环1上、下表面连接叉指电极正极的圆环形电极10连接，内侧电极11、环孔边缘位置的圆环形内电极10分别分割出部分电极区域12与上、下表面螺旋叉指电极2某一负极电极2-1连接。

压电陶瓷圆环1厚度为0.4～1mm，外径为20～30mm，内径为5～10mm，其上下两表面螺旋叉指电极2厚度为5～10μm，采用多对交叉指型电极结构，相邻螺旋叉指电极2间距为1～3mm，上下两面未镀螺旋叉指电极2部分刻槽深度为0.1～0.2mm。

螺旋叉指电极2和压电陶瓷圆环1刻槽通过激光或化学刻蚀加工，且两面螺旋叉指电极2位置对应一致。

金属台阶轴3采用不锈钢材料，螺旋叉指电极2材料为银，绝缘垫片6材料为石英，绝缘环7材料为橡胶。

金属台阶轴3和绝缘垫片6的适当位置加工通孔用于灌封绝缘导线8。

本发明中，包括有一个压电陶瓷圆环1及紧固压电陶瓷圆环1的金属台阶轴3；压电陶瓷圆环1上下两面镀有螺旋叉指电极2，未镀电极部分为一定深度刻槽；金属台阶轴3末端为螺纹4，通过螺母5将压电陶瓷圆环1紧固在金属台阶轴3端侧；所述的压电陶瓷圆环1与金属台阶轴3端侧和螺母4端面之间各有一绝缘垫片6，压电陶瓷圆环1内侧与金属台阶轴3之间套有绝缘环7；金属台阶轴3内灌封两条绝缘导线8用于螺旋叉指电极2引线。压电陶瓷圆环1厚度为0.4～1mm，外径为20～30mm，内径为5～10mm，其上下两面螺旋叉指电极2厚度为5～10μm，采用多对交叉指型电极结构，相邻叉指电极间距为1～3mm，上下两面未镀电极部分刻槽深度为0.1～0.2mm。

螺旋叉指电极2和压电陶瓷圆环1刻槽通过激光或化学刻蚀加工，且两面螺旋叉指电极2位置对应一致。在刻蚀螺旋叉指电极2工艺过程中，刻蚀电极材料后继续向下刻蚀压电陶瓷材料一定深度，从而形成刻槽结构。

金属台阶轴3采用不锈钢材料，螺旋叉指电极2材料为银，绝缘垫片6材料为石英，绝缘环7材料为橡胶。在金属台阶轴3和绝缘垫片6的适当位置加工通孔用于灌封绝缘导线。

螺旋叉指电极2正负电极交错分布，圆环面外边缘保留一定宽度圆环形电极9用于连接螺旋叉指电极的负极2-1，圆环面内边缘保留一定宽度圆环形电极10用于连接螺旋叉指电极的正极2-2压电陶瓷圆环内侧电极11用于连接上下两面的正电极，内边缘圆环型电极10和内侧电极11分割出部分电极区域12用于连接上下两面的负电极及引线端。制作过程中，先在压电陶瓷圆环1上下两面及内侧面镀有5～10μm银电极层，通过激光或化学刻蚀工艺在上下两面加工出螺旋叉指电极2，刻蚀电极材料后继续向内刻蚀压电陶瓷材料0.1～0.2mm深度，从而形成刻槽结构。

如图4所示电路，当本发明探头工作在空气中时，其一阶扭转谐振频率附近的电学等效电路由静态电容C₀以及串联支路R_m、L_m、C_m构成，其中R_m表示由压电陶瓷圆环内部材料机械损耗引起的等效电阻，L_m表示由压电陶瓷圆环质量引起的等效电感，C_m表示由压电陶瓷圆环刚度引起的等效电容。当本发明探头工作在待测液体中时，由于压电陶瓷圆环与液体之间的振动耦合作用，其工作状态受到液体的影响，电学等效电路发生了相应的变化。其静态电容受液体介电影响，增加C_f；其串联支路增加了R_f、L_f和L_g，其中R_f和L_f是由压电圆环面外液体振动耦合作用引起的，且满足R_f＝2πf_sL_f，f_s为串联谐振频率，而L_g是由压电圆环刻槽内的液体同步运动引起的。当压电陶瓷圆环材料尺寸确定，C_f仅与待测液体介电常数有关，R_f和L_f仅与待测液体粘度和密度的乘积有关，L_g仅与待测液体的密度有关。通过标准液标定测试，可获得各参量之间的关系曲线。

参见图5、6，由压电陶瓷圆环的电学等效电路可以得到其电导、电纳频率特性曲线。图中f_s为串联谐振频率，此时等效电导G取得最大值G_max；f₁和f₂为半功率点，此时等效电导G取得最大值G_max的二分之一，或者等效电纳B在f₁处取得最大值而在f₂处取得最小值；f_r为并联谐振频率，此时等效电纳B在较低频率点为零；f_a为反谐振频率，此时等效电纳B在较高频率点为零。以上五个特征频率点的频率值可由等效电路的参数表示，通过测量压电陶瓷圆环在空气和待测液体中一阶扭转谐振频率附近的导纳频率响应曲线，获得五个特征频率点，即可计算出C_f、R_f、L_f和L_g值，利用标定的关系曲线，可得到待测液体的粘度、密度和介电常数。

Claims (6)

1.一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于：包括金属台阶轴、压电陶瓷圆环，所述压电陶瓷圆环上、下表面分别镀有多道螺旋叉指电极，压电陶瓷圆环上、下表面上相邻螺旋叉指电极之间设置为一定深度的刻槽，金属台阶轴的末端外壁设置有螺纹，所述压电陶瓷圆环通过中心环孔中的螺母螺合安装在金属台阶轴的末端上，且金属台阶轴末端螺合有在压电陶瓷圆环下表面将压电陶瓷圆环紧固在金属台阶轴台阶上的螺母，所述压电陶瓷圆环上表面与金属台阶轴台阶之间、压电陶瓷圆环下表面与螺母之间分别设置有套在金属台阶轴末端上的绝缘垫片，压电陶瓷圆环中心的环孔孔壁与金属台阶轴末端之间设置有套在金属台阶轴末端上的绝缘环，所述金属台阶轴内灌封有两条绝缘导线，其中一条绝缘导线与各个螺旋叉指电极的正极连接，另一条绝缘导线与各个螺旋叉指电极的负极连接。

2.根据权利要求1所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于：压电陶瓷圆环上、下表面螺旋叉指电极正负极交错分布，压电陶瓷圆环上、下表面外圆边边缘位置分别设置有一定宽度的圆环形外电极，压电陶瓷圆环上、下表面位于中心环孔边缘位置亦分别设置有一定宽度的圆环形内电极，压电陶瓷圆环的中心环孔孔壁上还成型有内侧电极；压电陶瓷圆环上、下表面螺旋叉指电极正极分别与所在表面中心环孔边缘位置的圆环形内电极连接，内侧电极分别与压电陶瓷圆环上、下表面连接叉指电极正极的圆环形内电极连接，其中一条绝缘导线与圆环形内电极连接，作为正极引出导线；压电陶瓷圆环上、下表面螺旋叉指电极的负极分别与所在表面外圆边边缘位置的圆环形外电极连接，圆环形内电极和内侧电极分别分割出部分负极电极区域与上、下表面螺旋叉指电极某一负极电极连接，另一条绝缘导线与圆环形内电极分割出的负极电极区域连接，作为负极引出导线。

3.根据权利要求1所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于：所述压电陶瓷圆环厚度为0.4～1mm，外径为20～30mm，内径为5～10mm，其上下两表面螺旋叉指电极厚度为5～10μm，采用多对交叉指型电极结构，相邻螺旋叉指电极间距为1～3mm，上下两面未镀螺旋叉指电极部分刻槽深度为0.1～0.2mm。

4.根据权利要求1所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于：所述螺旋叉指电极和压电陶瓷圆环刻槽通过激光或化学刻蚀加工，且两面螺旋叉指电极位置对应一致。

5.根据权利要求1所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于：所述金属台阶轴采用不锈钢材料，螺旋叉指电极材料为银，绝缘垫片材料为石英，绝缘环材料为橡胶。

6.根据权利要求1所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于：所述金属台阶轴和绝缘垫片的适当位置加工通孔用于灌封绝缘导线。