CN105004633A - 基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置及检测方法，该检测装置包括人机交互装置、检测处理电路、包含激励线圈的检测探头以及采用磁性纳米线阵列制成的微芯片，检测探头依次与检测处理电路和人机交互装置连接，微芯片用于放入待测流体中，检测探头用于在待测流体的正上方为微芯片提供交变磁场并检测微芯片的实时振动信号。本发明结构紧凑、体积小，便于移动，只需要少量样品即可进行粘度检测，稳定性和可靠性高，而且采用磁性纳米线阵列，极大地提高了灵敏度和响应速度，也无需额外考虑流体导电性的影响，可广泛应用于流体粘度测量领域中。

Description

基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及流体粘度测量领域，特别是涉及一种基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置及检测方法。

背景技术

粘度是流体最重要的物理特性之一，粘度特性的表征对于工程应用和基础研究都极为重要。传统的流体粘度测量方法有毛细管法、旋转法、落体法、平板法、粘度杯法等，这些传统的粘度测量方法耗时长，不能实时在线地获得流体的粘度特性，且所需要的样品量一般较大，不能满足小样品量的测量要求。

现有技术中也出现了一种粘度检测装置——载液机械共振器，通过机械谐振法进行测量，将机械共振器置于待测流体中，同时测量其在该流体中的谐振特性，从共振器传出进入流体的隐含速度场产生体积运动和剪切运动诱导的阻尼，对其他变量中的共振质量因子、共振频率和共振运动振幅均产生影响，利用这些特征参数来表征流体的粘度特性。但是该类装置多采用矩形悬臂梁结构，灵敏度低、品质因子小，导致该类传感器的测量精度较低。而且矩形悬臂梁多采用压电材料，为有线有源驱动，设计时要考虑流体导电性的影响，增加了设备成本。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，本发明的另一目的是提供基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置的检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，包括人机交互装置、检测处理电路、包含激励线圈的检测探头以及采用磁性纳米线阵列制成的微芯片，所述检测探头依次与检测处理电路和人机交互装置连接，所述微芯片用于放入待测流体中，所述检测探头用于在待测流体的正上方为微芯片提供交变磁场并检测微芯片的实时振动信号。

进一步，所述微芯片是通过模板电化学沉积法或溶液凝胶法，在第一基底上制备竖直的磁性纳米线阵列所制成的。

进一步，所述磁性纳米线阵列的密度为7-10g/cm³，直径为10-200nm，高度为50-1000nm。

进一步，所述激励线圈为带有引线的螺旋状的线圈。

进一步，所述激励线圈是采用MEMS工艺在第二基底上制作导电的螺旋线，并将螺旋线两端跳线引出所制成的。

进一步，所述检测处理电路包括锁相放大器和微处理器，所述检测探头的一端通过微处理器与人机交互装置连接，所述检测探头的另一端与锁相放大器的信号输入端连接。

进一步，所述人机交互装置包括LED触摸显示屏、开关、按钮和旋钮。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

采用所述的流体粘度检测装置的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测方法，包括：

S1、将采用磁性纳米线阵列制成的微芯片浸没在待测流体中；

S2、将检测探头放置在待测流体的上方且使得检测探头位于微芯片的正上方后，对检测探头的激励线圈施加交变信号，使得检测探头和微芯片之间形成互感耦合；

S3、采用检测探头检测微芯片的实时振动信号并发送到检测处理电路；

S4、采用检测处理电路对微芯片的实时振动信号进行处理后，获得微芯片的振动幅度与输入交变信号的频率之间的振动变化关系曲线；

S5、获取振动变化关系曲线的极值处的频率作为微芯片在待测流体中的谐振频率；

S6、计算微芯片在空气中与待测流体中的谐振频率之差，进而计算获得待测流体的粘度。

进一步，所述步骤S1之前还包括以下步骤：

S01、将采用磁性纳米线阵列制成的微芯片裸露在空气中；

S02、将检测探头放置在微芯片的正上方后，对检测探头的激励线圈施加交变信号，使得检测探头和微芯片之间形成互感耦合；

S03、采用检测探头检测微芯片的实时振动信号并发送到检测处理电路；

S04、采用检测处理电路对微芯片的实时振动信号进行处理后，获得微芯片的振动幅度与输入交变信号的频率之间的振动变化关系曲线；

S05、获取振动变化关系曲线的极值处的频率作为微芯片在空气中的谐振频率。

进一步，所述步骤S6，其具体为：

计算微芯片在空气中与待测流体中的谐振频率之差，进而根据下式计算获得待测流体的粘度：

$\mathrm{\η}=\frac{{\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\ρ}d\mathrm{\Δ}f\right)}^2}{{\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{\ρ}}_l}$

上式中，η表示待测流体的粘度，ρ表示微芯片所采用材料的密度，ρ_l表示待测流体的密度，d表示微芯片的厚度，△f表示微芯片在空气中与待测流体中的谐振频率之差，f₀表示微芯片在空气中的谐振频率。

本发明的有益效果是：本发明的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，包括人机交互装置、检测处理电路、包含激励线圈的检测探头以及采用磁性纳米线阵列制成的微芯片，检测探头依次与检测处理电路和人机交互装置连接，微芯片用于放入待测流体中，检测探头用于在待测流体的正上方为微芯片提供交变磁场并检测微芯片的实时振动信号。本装置结构紧凑、体积小，便于移动，只需要少量样品即可进行粘度检测，稳定性和可靠性高，而且采用磁性纳米线阵列，极大地提高了灵敏度和响应速度，也无需额外考虑流体导电性的影响。

本发明的另一有益效果是：本发明的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测方法，包括：将采用磁性纳米线阵列制成的微芯片浸没在待测流体中；将检测探头放置在待测流体的上方且使得检测探头位于微芯片的正上方后，对检测探头的激励线圈施加交变信号，使得检测探头和微芯片之间形成互感耦合；采用检测探头检测微芯片的实时振动信号并发送到检测处理电路；采用检测处理电路对微芯片的实时振动信号进行处理后，获得微芯片的振动幅度与输入交变信号的频率之间的振动变化关系曲线；获取振动变化关系曲线的极值处的频率作为微芯片在待测流体中的谐振频率；计算微芯片在空气中与待测流体中的谐振频率之差，进而计算获得待测流体的粘度。本方法便于操作、简单快速，只需要少量样品即可进行粘度检测，稳定性和可靠性高，而且采用磁性纳米线阵列制成的微芯片进行测量，灵敏度高，响应速度快。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置的结构示意图；

图2是本发明的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置的微芯片的结构示意图；

图3是本发明的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置的检测探头的激励线圈的结构示意图；

图4是本发明的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置的检测处理电路的锁相放大器的结构示意图；

图5是采用本发明的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测方法的检测结果示意图；

图6是结合图5的检测结果获得的数据关系列表示意图；

图7是结合图5的检测结果获得的数据关系曲线示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明提供了一种基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，包括人机交互装置、检测处理电路、包含激励线圈的检测探头以及采用磁性纳米线阵列12制成的微芯片1，所述检测探头依次与检测处理电路和人机交互装置连接，所述微芯片1用于放入待测流体2中，所述检测探头用于在待测流体2的正上方为微芯片1提供交变磁场并检测微芯片1的实时振动信号。

进一步作为优选的实施方式，参照图2，所述微芯片1是通过模板电化学沉积法或溶液凝胶法，在第一基底11上制备竖直的磁性纳米线阵列12所制成的。

进一步作为优选的实施方式，所述磁性纳米线阵列12的密度为7-10g/cm³，直径为10-200nm，高度为50-1000nm。

进一步作为优选的实施方式，参照图3，所述激励线圈为带有引线的螺旋状的线圈。

进一步作为优选的实施方式，所述激励线圈是采用MEMS工艺在第二基底上制作导电的螺旋线，并将螺旋线两端跳线引出所制成的。

进一步作为优选的实施方式，所述检测处理电路包括锁相放大器和微处理器，所述检测探头的一端通过微处理器与人机交互装置连接，所述检测探头的另一端与锁相放大器的信号输入端连接。

进一步作为优选的实施方式，所述人机交互装置包括LED触摸显示屏、开关、按钮和旋钮。

本发明还提供了采用所述的流体粘度检测装置的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测方法，包括：

S1、将采用磁性纳米线阵列制成的微芯片1浸没在待测流体2中；

S2、将检测探头放置在待测流体2的上方且使得检测探头位于微芯片1的正上方后，对检测探头的激励线圈施加交变信号，使得检测探头和微芯片1之间形成互感耦合；

S3、采用检测探头检测微芯片1的实时振动信号并发送到检测处理电路；

S4、采用检测处理电路对微芯片1的实时振动信号进行处理后，获得微芯片1的振动幅度与输入交变信号的频率之间的振动变化关系曲线；

S5、获取振动变化关系曲线的极值处的频率作为微芯片1在待测流体2中的谐振频率；

S6、计算微芯片1在空气中与待测流体2中的谐振频率之差，进而计算获得待测流体2的粘度。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1之前还包括以下步骤：

S01、将采用磁性纳米线阵列制成的微芯片1裸露在空气中；

S02、将检测探头放置在微芯片1的正上方后，对检测探头的激励线圈施加交变信号，使得检测探头和微芯片1之间形成互感耦合；

S03、采用检测探头检测微芯片1的实时振动信号并发送到检测处理电路；

S04、采用检测处理电路对微芯片1的实时振动信号进行处理后，获得微芯片1的振动幅度与输入交变信号的频率之间的振动变化关系曲线；

S05、获取振动变化关系曲线的极值处的频率作为微芯片1在空气中的谐振频率。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S6，其具体为：

计算微芯片1在空气中与待测流体2中的谐振频率之差，进而根据下式计算获得待测流体2的粘度：

$\mathrm{\η}=\frac{{\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\ρ}d\mathrm{\Δ}f\right)}^2}{{\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{\ρ}}_l}$

上式中，η表示待测流体的粘度，ρ表示微芯片1所采用材料的密度，ρ_l表示待测流体2的密度，d表示微芯片1的厚度，△f表示微芯片1在空气中与待测流体2中的谐振频率之差，f₀表示微芯片1在空气中的谐振频率。

以下结合具体实施例对本发明做详细说明。

实施例一

参照图1，一种基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，包括人机交互装置、检测处理电路、包含激励线圈的检测探头以及采用磁性纳米线阵列12制成的微芯片1，检测探头依次与检测处理电路和人机交互装置连接，微芯片1用于放入待测流体2中，检测探头用于在待测流体2的正上方为微芯片1提供交变磁场并检测微芯片1的实时振动信号。

参照图2，本实施例的微芯片1是通过模板电化学沉积法或溶液凝胶法等现有技术，在第一基底11上制备竖直的磁性纳米线阵列12所制成的。磁性纳米线阵列12的材料可为普通铁磁性材料或磁致伸缩材料。

磁性纳米线阵列12的材料包括Fe、Ni、Fe₃O₄、Fe-B、Fe-Co-B、Fe-Si-B、Fe-Ga、Fe-Ga-Al或Metglas^TM 2826MB，第一基底11采用Al₂O₃或聚碳酸脂制成的纳米级多孔薄膜材料。磁性纳米线阵列12的密度为7-10g/cm³，直径为10-200nm，高度为50-1000nm。

优选的，参照图3，激励线圈为带有引线的螺旋状的线圈，激励线圈是采用MEMS工艺在第二基底上制作导电的螺旋线，并将螺旋线两端跳线引出所制成的。螺旋线的材料为Fe、Al、Cu、Ag或Au，第二基底的材料为Al。

本实施例中，检测处理电路包括锁相放大器和微处理器，检测探头的一端通过微处理器与人机交互装置连接，检测探头的另一端与锁相放大器的信号输入端连接。

锁相放大器的结构示意图如图4所示。锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频(或者倍频)、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量的信号通过频率变换的方式转变成为直流。在外差式振荡技术中被称为本地振荡(LocalOscillation)的、用于做乘法运算的信号，锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。锁相放大器能够(从被测量信号中)检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流，因而才能够通过低通滤波器(LPF)。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于零的交流信号，所以被低通滤波器(LPF)滤除。

检测探头检测的微芯片1的实时振动信号检测处理电路处理后，发送到人机交互装置进行显示。人机交互装置包括LED触摸显示屏、开关、按钮和旋钮，可以实时显示检测结果。

为了方便使用本检测装置进行检测，本实施例还配备了图1中所示的用于盛放待测流体2的容器3，以及用于调节容器3的高度的升降平台4，升降平台4可以对容器3的高度进行调节，从而调整检测探头与微芯片1之间的距离。

本检测装置的工作原理如下：

对检测探头的激励线圈施加交变信号后，将产生交变磁场，根据法拉第电磁感应原理，线圈同时将产生感生电动势。如果将磁性纳米线阵列12制成的微芯片1暴露于此交变磁场中，则磁性纳米线阵列12将在交变磁场的作用下发生振动，当输入信号的频率与磁性纳米线阵列12在待测流体2中的谐振频率相同时，磁性纳米线阵列12将发生共振，由于磁性纳米线阵列12本身的磁化特性或磁致伸缩特性会影响感生电动势，从而可以通过使用锁相放大器等检测电路，对感生电动势的变化量进行检测，从而对磁性纳米线阵列12的振动特性进行定量检测。因此，本装置通过将磁性纳米线阵列12置于待测流体2中，利用如下所示的流体粘度与磁性纳米线阵列12的共振频率的关系，即可获得流体的粘度值：

$\mathrm{\η}=\frac{{\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\ρ}d\mathrm{\Δ}f\right)}^2}{{\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{\ρ}}_l}$

上式中，η表示待测流体的粘度，ρ表示微芯片1所采用材料的密度，ρ_l表示待测流体2的密度，d表示微芯片1的厚度，△f表示微芯片1在空气中与待测流体2中的谐振频率之差，f₀表示微芯片1在空气中的谐振频率。

由上式可知，采用本检测装置进行粘度测量时，可以实现将微芯片1放置在空气中，测量获得微芯片1在空气中的谐振频率后，再进行检测。

本装置具有以下优点：

1、设计简单，操作方便，解决了传统粘度测量方法中仪器笨重不便于移动、测试时间长，以及所需要的样品量较大，不能实时测量及输出的多为模拟量信号等缺点；

2、采用纳米线阵列，由于纳米尺寸效应，极大地提高了传感器的灵敏度和响应速度，具有广阔的应用前景；

3、采用磁性材料，采用交变磁场驱动，为无线有源驱动，检测探头不需要直接接触待测流体2，无需额外考虑流体导电性的影响；

4、现有振动式传感器，多采用驱动线圈和检测线圈分离的双线圈设计，本装置通过采用激励线圈产生交变磁场，同时检测同一激励线圈的感生电动势，可以用一个线圈同时实现产生驱动磁场和检测磁场变化的功能，使装置设计更简单，而且装置稳定性和可靠性也得到提高。

实施例二

采用实施例一的流体粘度检测装置的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测方法，包括：

S1、将采用磁性纳米线阵列制成的微芯片1浸没在待测流体2中；

S2、将检测探头放置在待测流体2的上方且使得检测探头位于微芯片1的正上方，调整升降平台4，调整检测探头与包含磁性纳米线阵列12的微芯片1之间的距离后，对检测探头的激励线圈施加交变信号，使得检测探头和微芯片1之间形成互感耦合；

S3、采用检测探头检测微芯片1的实时振动信号并发送到检测处理电路；

S4、采用检测处理电路对微芯片1的实时振动信号进行处理后，获得微芯片1的振动幅度与输入交变信号的频率之间的振动变化关系曲线；

S5、获取振动变化关系曲线的极值处的频率作为微芯片1在待测流体2中的谐振频率；

S6、计算微芯片1在空气中与待测流体2中的谐振频率之差，进而计算获得待测流体2的粘度，具体为：

计算微芯片1在空气中与待测流体2中的谐振频率之差，进而根据下式计算获得待测流体2的粘度：

$\mathrm{\η}=\frac{{\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\ρ}d\mathrm{\Δ}f\right)}^2}{{\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{\ρ}}_l}$

上式中，η表示待测流体的粘度，ρ表示微芯片1所采用材料的密度，ρ_l表示待测流体2的密度，d表示微芯片1的厚度，△f表示微芯片1在空气中与待测流体2中的谐振频率之差，f₀表示微芯片1在空气中的谐振频率。

微芯片1在空气中的谐振频率f₀是通过以下步骤测量获得的：

S01、将采用磁性纳米线阵列制成的微芯片1裸露在空气中；

S02、将检测探头放置在微芯片1的正上方后，对检测探头的激励线圈施加交变信号，使得检测探头和微芯片1之间形成互感耦合；

S03、采用检测探头检测微芯片1的实时振动信号并发送到检测处理电路；

S04、采用检测处理电路对微芯片1的实时振动信号进行处理后，获得微芯片1的振动幅度与输入交变信号的频率之间的振动变化关系曲线；

S05、获取振动变化关系曲线的极值处的频率作为微芯片1在空气中的谐振频率。

本方法只要预先测得微芯片1在空气中的谐振频率f₀后，即可通过执行步骤S1～S6测量获得任意待测流体2的粘度。

采用本方法测量R-100、R-300、R-2350三种参考油所获得的振动变化关系曲线如图5所示，事先测得所采用的微芯片1的谐振频率f₀＝74060Hz，因此可以结合图5的曲线图分别获得微芯片1在三种参考油中的谐振频率分别为f_R-100＝70760Hz，f_R-300＝69820Hz，f_R-2350＝68780Hz后，分别计算获得每种参考油的粘度。

对流体粘度与磁性纳米线阵列12的共振频率的关系进行变形，可获得下式：

$\mathrm{\Δ}f=\frac{\sqrt{{\mathrm{\πf}}_0}}{2\mathrm{\π}\mathrm{\ρ}d}\sqrt{{\mathrm{\η\ρ}}_l}$

由此可知，ηρ_l和(Δf)²之间成线性关系，结合上式以及图5的检测结果，分别对ηρ_l进行求解后再求解流体粘度η，可以获得图6所示的表格，根据三种参考油的ηρ_l值绘制的曲线如图7所示，图7中表明，不同待测流体的ηρ_l之间也基本呈线性关系。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，其特征在于，包括人机交互装置、检测处理电路、包含激励线圈的检测探头以及采用磁性纳米线阵列制成的微芯片，所述检测探头依次与检测处理电路和人机交互装置连接，所述微芯片用于放入待测流体中，所述检测探头用于在待测流体的正上方为微芯片提供交变磁场并检测微芯片的实时振动信号。

2.根据权利要求1所述的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，其特征在于，所述微芯片是通过模板电化学沉积法或溶液凝胶法，在第一基底上制备竖直的磁性纳米线阵列所制成的。

3.根据权利要求1所述的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，其特征在于，所述磁性纳米线阵列的密度为7-10g/cm³，直径为10-200nm，高度为50-1000nm。

4.根据权利要求1所述的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，其特征在于，所述激励线圈为带有引线的螺旋状的线圈。

5.根据权利要求4所述的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，其特征在于，所述激励线圈是采用MEMS工艺在第二基底上制作导电的螺旋线，并将螺旋线两端跳线引出所制成的。

6.根据权利要求1所述的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，其特征在于，所述检测处理电路包括锁相放大器和微处理器，所述检测探头的一端通过微处理器与人机交互装置连接，所述检测探头的另一端与锁相放大器的信号输入端连接。

7.根据权利要求1所述的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，其特征在于，所述人机交互装置包括LED触摸显示屏、开关、按钮和旋钮。

8.采用权利要求1所述的流体粘度检测装置的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测方法，其特征在于，包括：

S1、将采用磁性纳米线阵列制成的微芯片浸没在待测流体中；

S2、将检测探头放置在待测流体的上方且使得检测探头位于微芯片的正上方后，对检测探头的激励线圈施加交变信号，使得检测探头和微芯片之间形成互感耦合；

S3、采用检测探头检测微芯片的实时振动信号并发送到检测处理电路；

S4、采用检测处理电路对微芯片的实时振动信号进行处理后，获得微芯片的振动幅度与输入交变信号的频率之间的振动变化关系曲线；

S5、获取振动变化关系曲线的极值处的频率作为微芯片在待测流体中的谐振频率；

S6、计算微芯片在空气中与待测流体中的谐振频率之差，进而计算获得待测流体的粘度。

9.根据权利要求8所述的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括以下步骤：

S01、将采用磁性纳米线阵列制成的微芯片裸露在空气中；

S02、将检测探头放置在微芯片的正上方后，对检测探头的激励线圈施加交变信号，使得检测探头和微芯片之间形成互感耦合；

S03、采用检测探头检测微芯片的实时振动信号并发送到检测处理电路；

S04、采用检测处理电路对微芯片的实时振动信号进行处理后，获得微芯片的振动幅度与输入交变信号的频率之间的振动变化关系曲线；

S05、获取振动变化关系曲线的极值处的频率作为微芯片在空气中的谐振频率。

10.根据权利要求9所述的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测方法，其特征在于，所述步骤S6，其具体为：

计算微芯片在空气中与待测流体中的谐振频率之差，进而根据下式计算获得待测流体的粘度：

$\mathrm{\η}=\frac{{\left(2\mathrm{\π}\mathrm{\ρ}d\mathrm{\Δ}f\right)}^2}{{\mathrm{\πf}}_0{\mathrm{\ρ}}_l}$

上式中，η表示待测流体的粘度，ρ表示微芯片所采用材料的密度，ρ_l表示待测流体的密度，d表示微芯片的厚度，△f表示微芯片在空气中与待测流体中的谐振频率之差，f₀表示微芯片在空气中的谐振频率。