CN1076026A

CN1076026A - 压电测量流体粘弹性的装置

Info

Publication number: CN1076026A
Application number: CN 93110824
Authority: CN
Inventors: 杨力; 卢晓; 常晓军; 杨恬
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 1993-01-03
Filing date: 1993-01-03
Publication date: 1993-09-08

Abstract

压电测量流体粘弹性的装置，属于生物体液粘弹性的测试装置，该装置由装于机壳内腔底部的电致伸缩器件，穿过连接轴，装于上、下端固定架之间的弹簧，固定在连接轴一端的活塞，活塞缸体，被测流体，弹性隔膜和固定在机壳上部的压电管组成，压电管由压电材料制成管状，其上涂上电极，该装置能产生多种波形振荡，消除了压力测量中的孔压误差，实现压力多点测量。本装置能在高温、恶劣环境中正常工作。

Description

本发明属于生物体液粘弹性的压电测试装置。

七十年代末，美国学者G.B.Thurston提出利用流体在多根园形截面管内作小振幅振荡流动测量流体粘弹性的装置。该装置通过凸轮转动，使一薄膜带动测试管内流体作小振幅正弦振荡流动，并在测试管侧壁开孔处联接一压力传感器，在凸轮转动部位装有位移传感器。该装置因在测量管管壁处开孔联接压力传感器而影响了测量管内的流场，导致孔压误差，孔压误差与流体粘弹性质有关，影响流体粘弹性质的孔压误差难以估计。压力的测点单一，因而压力测量准确性差，随机误差大，导致测量精度低。又因该装置仅使测量管内的流体作正弦振荡，不产生方波、三角波振荡，所以难以了解粘弹流体触变性和复杂振荡流动中的性质。

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种压电测量流体粘弹性的装置。该装置不仅能消除压力测量中的孔压误差，实现压力多点测量，而且能使流体产生多种波形振荡。

本发明的目的通过以下技术解决方案实现：根据压电材料所受压力与其所产生的电荷密度成正比关系，用压电材料把测量管本身做成既能让流体在其内流动，又能同时传递流体压力信号的压电管，压电管的内外管壁的相对位置上作有电极，组成电极群，输出压力信号。用电致伸缩器件替代原装置中的凸轮。

压电管的制作：压电管由压电材料制成横截面为园形或长方形狭缝的直通管，压电材料制作成形后的压电管的内，外表面光滑，光洁度要求为：

，压电管内径的偏差为0.1%-1%，壁厚度的偏差为1%-5%，管长的偏差为1%-7%，压电材料灵敏性要求为：1N/m²-10N/m²压力，产生1μV～10μV的电压。

压电管的技术规格：

压电管横截面的内部尺寸：园形管内径：2mm～30mm，

或长方形狭管内部尺寸：长边：20mm～200mm，

短边：0.2mm～10mm，

压电管长：50mm～150mm，

压电管壁厚：1mm～10mm。

压电管的支数：1～20支，并根据具体支数在活塞缸工作顶部加工成相应的孔均用弹性隔膜封闭。

压电管内、外表面电极及内表面电极引出线的制作：在压电管的内、外表面对应位置上涂抹银浆或金浆，组成电极群，经室温干燥后为电极，电极的位置关系为：在压电管内、外表面对应位置的一对电极为压力信号的正极和负极，根据压电材料的性质和极化方式，选择内表面电极为正极，对应的外表面电极为负极，或内表面电极为负极，对应的外表面电极为正极，每对电极仅测量该电极处的流体压力，每对电极的信号接微电荷放大器的相应通道，当测量流体流动方向压力分布时，电极沿其流动方向排列，每对电极间的距离为1mm到100mm，外表面电极可直接接至微电荷放大器上，各内表面电极由沿其流动方向管壁上的银浆或金浆引线引至压电管的上端面，接至微电荷放大器，银浆或金浆引线的宽度为0.2mm-0.7mm，银浆或金浆引线一般应避免在另外内表面电极上面通过，如必须通过另外的内表面电极，则在通过部位预先涂硅橡胶后银浆或金浆引线从硅橡胶上引过，以避免信号的相互干扰，银浆或金浆引线的制作方式与电极的制作方式相同，银浆或金浆引线的厚度很薄为0.01mm-0.05mm，不会影响管内被测流体的流场。压力信号通过微电荷放大器放大后，输入微机，存贮压力信号随时间变化曲线，对每一对电极输出的压力信号都进行编号，以便于识别。

电致伸缩器件由50～800片正方形或长方形或园形的压电材料薄片迭成，施加电压便在电场方向产生伸缩，施加电压与伸缩尺寸成正比，从施加电压到产生伸缩的响应时间为1μS-10μS，技术要求为：最大位移20μm～80μm，承受荷重10kg～50kg，回零位移再现性：0.01μm～0.1μm，驱动电压为直流电压，其变化范围为：0～300V，0V时电致伸缩器件无伸长，处于最小长度，对应于使被测流体产生振荡的弹性膜处于最低位置，300V时电致伸缩器件处于最大伸长，对应于上述弹性膜处于最高位置。

在流体粘弹性测试中，施加在电致伸缩器件上的电压相位为位移相位，将该电压信号与微机贮存的压力信号进行相位比较，便能得出相位差，由相位差、压力值和测试前或测试后测出的被测流体的密度值，即便能计算被测流体粘弹性的存贮模量和耗损模量。被测流体的密度由密度计测出。

将压电材料作成的测量管在其内、外对应位置的内外管壁上作成电极后，固定在机壳的上部，并使测量管的管口与活塞缸体上部孔上的弹性隔膜相对应，弹性膜装在活塞缸体的上部开口上，并与压电管的管口相对，电致伸缩器件的上部与连接轴底部接触，其下部底面与安装在机壳内腔底部的支撑台接触。使测量管纵向中心线与活塞缸体、活塞、连接轴、电致伸缩器件、支撑台的中心线在同一条直线上。

由于测试段直接由压电材料制成，并涂有电极，能测得管内不同地点的流体压力，避免了在测试段侧壁安装压力传感器而引起测试段流场扰动，因而测量精度高，电致伸缩器件亦由压电材料制成，所依据的原理为逆压电效应，即在压电材料上施加电压，则产生电场方向上的尺寸改变，由于施加电压与尺寸改变仍为线性关系，且响应极快，故电致伸缩器件的尺寸改变精度高。因而能根据不同的实际需要改变电压，提供相应的振荡波，使流体产生不同的振荡流动。本发明除在常温条件下测试流体粘弹性的上述优点外，还具有在高温环境、恶劣环境下工作稳定的优点。

图1为本发明的装置结构剖面图

图2为本发明的原理图

图3为本发明的园管内流体流动示意图

在图1，图2中，1-压电管，2-内外表面电极，3-电极引线，4-微电荷放大器，5-微机，6-被测流体，7-弹性隔膜，8-进样口，9-机壳，10-活塞缸体，11-流体（起传动作用），12-活塞，13-连接轴，14-弹簧上端固定架，15-弹簧，16-弹簧下端固定架，17-电致伸缩器件，18-固定螺栓，19-底座，20-底脚。

下面结合附图予以详细说明：

在机壳[9]的内腔底座[19]中间位置用连接件[18]固定支撑台，在支撑台上装有电致伸缩器件[17]，在电致伸缩器件[17]的上表面上装有连接轴[13]与活塞[12]连接，连接轴[13]的下部装有弹簧下端固定架[16]，穿过连接轴[13]，在弹簧下端固定架[16]上装有弹簧[15]，弹簧上端固定架[14]穿过连接轴[13]与弹簧[15]的上端接触，弹簧上端固定架[14]的两端用连接件[18]固定在机壳内腔底座[19]上，活塞[12]装入活塞缸体[10]内，并使活塞缸体内充满起传动作用的流体[11]，在机壳[9]上部表面上加工有一进样口[8]，进样口与压电管[1]接通，弹性隔膜[7]固定在活塞缸体[10]上部孔上，弹性隔膜[7]与活塞[12]和活塞缸体[10]三者共同密闭起传动作用的流体[11]，压电管[1]的孔对准弹性隔膜[7]，位于压电管内且在弹性隔膜[7]上面为被测流体[6]，压电管固定在机壳[9]的上部，另一端向上伸出。压电管的制作为：压电陶瓷制作成园形截面直管状，或长方形狭缝，压电晶体用于制作长方形狭缝，在压电管内外壁对应位置上涂电极的形状为带状，其尺寸为：宽：1mm～2mm，长：8mm～120mm，或园形，其直径为1mm～2mm，或正方形，其尺寸为每边1mm～2mm，电极的分布为沿着长轴轴线方向（与被测流体流动方向一致）每隔一段距离涂一对电极，并在一条直线上，其间隔距离为电极的中心间距为4mm～120mm，该压电管的内径8mm，管长10mm，管壁厚1.5mm，安装1支管，活塞缸体的上部开孔直径为8mm，活塞缸体的内径为160mm，弹簧的弹性系数K＝5m/秒²～10m/秒²其长度为25mm，直径mm，电致伸缩器件选作机电部二十六所生产的WTDS-特1，或WTDS-特4，外壳厚度1mm，底座厚度为2mm。

Claims

1、一种压电测量流体粘弹性的装置，包括机壳，机壳的内腔底座，在内腔底座固定支撑台的连接件，与活塞连接的连接轴，连接轴的下部装有弹簧下端固定架，穿过连接轴，在弹簧下端固定架上装有弹簧，弹簧上端固定架穿过连接轴与弹簧的上端接触，弹簧上端固定架的两端用连接件固定在机壳底座上，活塞装入活塞缸体内，并使活塞缸体内充满流体，在机壳上部表面上加工有一进样口，弹性隔膜固定在活塞缸体上部孔上，使弹性隔膜，活塞和活塞缸体三者共同密闭流体，与电极连接的微电荷放大器，微机，被测流体；其特征在于压电管一端固定在机壳的上部，其另一端向上伸出，并使该管的管口与活塞缸体上部孔上的弹性隔膜相对应，进样口与压电管连通，压电管的内外管壁的相对位置作有电极组成的电极群，每对电极均通过电极引线引出压电管外；电致伸缩器件的上部与连接轴底部接触，其下部底面与安装在机壳内腔底座的支撑台接触；压电管、活塞缸体、活塞、连接轴、电致伸缩器件、支撑台的中心线在同一条直线上。

2、根据权利要求书1所述的电压测量流体粘弹性的装置，其特征在于用压电材料制成的压电管的横截面为园形或长方形狭缝直通管，该管内，外表面的光洁度为，其内径的偏差为0.1%-1%，壁厚度的偏差为1%-5%，管长偏差为1%-7%，压电材料灵敏度为1N/m²-10N/m²压力，产生1μV～10μV的电压，其内，外管壁上涂成带状或园形或正方形银浆或金浆作为电极，各内表面电极通过压电管管壁长轴方向的银浆或金浆引线引至压电管的上端面。

3、根据权利要求上所述的压电测量流体粘弹性的装置，其特征在于当银浆引线通过内表面电极时，在其通过部位先涂硅橡胶，银浆引线从其上引过。