CN108007825B - 一种基于液滴机械振动的液体粘度测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于液滴机械振动的液体粘度测试方法，具体包括以下步骤：在多普勒超声仪的超声探头上放置疏水基片，通过微量注射器产生液滴于疏水基片上；通过具有自动回弹功能的振动触发装置使液滴发生振动，然后使振动触发装置回弹，液滴发生自由振动；超声探头采用非聚焦连续波多普勒方法将液滴表面毛细波的自由振动转换为超声波多普勒频移信号并加以放大；计算机信号处理模块对多普勒频移信号采集并处理，得到液滴自由振动特征图；由自由振动特征图拟合得到液滴振幅随时间的衰减速率，进而计算得到液体粘度。用该方法测量液滴粘度响应速度快，适用面广，可靠性强，而且设备便携，性价比高，对试剂的消耗少。

Description

一种基于液滴机械振动的液体粘度测试方法
技术领域
本发明属于液体物理化学性质测量技术领域，具体涉及一种基于液滴机械振动的液体粘度测试方法。
背景技术
粘度是液体的一个重要物理特性，是液体受到外力作用时在分子间所呈现的内摩擦力。在很多领域中，粘度是表征产品质量的重要参数之一。粘度的传统测量方法主要是基于力学原理，有毛细管法、落球法以及旋转法等。旋转法的精度虽然高，但是对于某些共混聚合物的测定，由于只能测定动态粘度，不能表征静态黏度，可能会破坏共混状态，而毛细管法对于一些非牛顿流体无法得到准确的粘度值。
奥地利科学家发现声源与观察者之间的相对运动，会使得观察者听到的声音振动频率不同于声源。当声源远离观测者时，声波波长增加，音调变得低沉，但声源接近观测者时，声波的波长减小，音调变高，这种现象被称为多普勒效应，适应于所有类型的波。当本发明所采用的多普勒超声仪，是基于超声多普勒技术，利用超声波穿透能力强，衍射程度小等物理特性，并结合多普勒效应，将液滴自由振动的周期性蕴藏超声多普勒频移信号中。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种基于液滴机械振动的液体粘度测试方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于液滴机械振动的液体粘度测试方法，采用多普勒超声探头将自由液滴的表面毛细波振动转换为多普勒频移信号，经计算机信号处理模块收集并进行数据处理，具体包括以下步骤：
(1)在多普勒超声仪的超声探头上放置疏水基片，通过微量注射器产生液滴于疏水基片上；
(2)通过具有自动回弹功能的振动触发装置使液滴发生振动，振动触发装置回弹后，液滴发生自由振动；
(3)超声探头将液滴的自由振动转换为多普勒频移信号并加以放大；
(4)计算机信号处理模块对多普勒频移信号采集并处理，得到液滴自由振动特征图；
(5)由自由振动特征图拟合得到液滴振幅随时间的衰减速率，进而计算得到液体粘度。
进一步地，所述振动触发装置带有具有自动回弹功能的尖端，设于疏水基片的上部。
进一步地，所述振动触发装置的尖端为聚四氟乙烯材质。
进一步地，所述疏水基片与超声探头之间通过凝胶层耦合。
进一步地，步骤(4)中计算机信号处理模块包括用于数据采集的Audition软件以及用于数据处理的origin软件。
进一步地，所述微量注射器产生液滴的质量为15-20mg。
进一步地，步骤(5)计算液体粘度所依据的公式为：
y＝ce-αt(1)
Figure GDA0001582385200000021
其中，ρ为液体在测量温度下的密度，V为液滴的体积，μ为液体的粘度，α为振幅随时间的衰减速率，由自由振动特征图拟合得到。
本发明的原理是液滴在进行自由振动时，由于受到粘性阻尼的作用，其表面波的振幅会衰减，补充由于粘性阻尼而损失的能量，而表面波振幅的衰减速率与液体的密度和粘度有关，拟合出液滴振幅的衰减速率就可按照一定关系计算出液体的粘度。
多普勒超声仪是由超声发射器发出连续超声，当遇到自由振动的液滴，反射回来的超声已是改变了频率的连续超声，它被反射超声接收器接受并转为电信号，此信号与仪器的高频振荡器产生的信号混频以后，经高频放大器放大，然后解调出差频信号。多普勒超声仪的超声探头采用非聚焦连续波多普勒原理，超声探头由与疏水基片耦合的超声换能器及电路部分组成，它将液滴的特征自由振动通过多普勒频移原理转化为特征频移信号并加以放大。
本发明采用多普勒超声仪的探头，提供了稳定的表面波信号解调系统，减少空间尺寸，设备造价低，仪器性价比高；操作简便、省时，能快速取得准确可靠的结果；测量范围广；试剂用量少，原则上只需要几十微升液体即可；具有触发振动作用的聚四氟乙烯尖端对形成的表面施加的影响较小，具有性价比高、操作简便及耗品少的特点。
附图说明
图1为本发明测试过程的示意图；
图2为图1的局部放大示意图；
图3为信号采集过程示意图；
图4为液滴振动波形拟合图；
图中：1-多普勒超声仪，2-自动弹回装置，3-超声探头，4-液滴，5-疏水基片；6-耦合凝胶层；7-超声换能器；8-接收超生器；9-发射超生器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1、2所示，本发明所使用的设备包括振动触发装置2，由超声波输入模块、反射超声波探测模块以及信号解调模块共同组成多普勒超声仪的超声探头3，超声探头3连接多普勒超声仪开关1，超声探头上部放置疏水基片5，微量注射器和带有尖端的振动触发装置2设于疏水基片5的上部，微量注射器产生液滴4的质量为15-20mg，振动触发装置的尖端为聚四氟乙烯材质，其中，振动触发装置2具体由钢制外壳和弹簧构成，聚四氟乙烯材质的尖端直径为100微米，疏水基片5与超声探头3之间设置耦合凝胶层6，超声探头3包括超声换能器7，接收超声器8和发射超声器9。超声探头具体由超声发射探头，反射超声接收探头以及信号解调组成，具体过程为，超声波发射装置发出超声波，遇到振动的液滴时超声波的频率发生改变，被反射超声探头接收，经由信号解调模块和原始超声混频后得到差频信号并放大得到多普勒频移信号。
本发明测试水-丙三醇混合物液滴粘度时，具体包括以下步骤：
(1)微量注射器产生一系列质量为15.9±1mg的60％水-丙三醇混合物液滴于疏水基片上，基片与多普勒超声仪探头之间涂有一薄层水凝胶；
(2)带有聚四氟乙烯尖端的自动弹回装置固定在底座上，轻触液滴使其发生振动，当尖端离开时，液滴发生自由机械振动，重复20次，如图3所示；
(3)多普勒探头将测量得到的液滴自由表面毛细波振动转换为多普勒频移信号，经计算机Audition软件采集数据，以及origin软件数据处理，得到液滴自由振动特征图，如图4所示；
(4)分析步骤(3)中的自由振动特征图，由公式(1)拟合同一个液滴不同毛细波的衰减速率，并求20次平均值，得到振幅随时间的衰减速率α值，再由公式(2)计算得到液体粘度为8.849mPa·s。

Claims (3)

1.一种基于液滴机械振动的液体粘度测试方法，其特征在于，用多普勒超声仪将自由液滴的表面毛细波振动转换为多普勒频移信号，经计算机信号处理模块收集并进行数据处理，具体包括以下步骤：
(1)在多普勒超声仪的超声探头上放置疏水基片，通过微量注射器产生液滴于疏水基片上；
(2)通过具有自动回弹功能的振动触发装置使液滴发生振动，振动触发装置回弹后，液滴发生自由振动；
(3)超声探头将液滴的自由振动转换为多普勒频移信号并加以放大；
(4)计算机信号处理模块对多普勒频移信号采集并处理，得到液滴自由振动特征图；
(5)由自由振动特征图拟合得到液滴振幅随时间的衰减速率，进而计算得到液体粘度；
所述振动触发装置带有具有自动回弹功能的尖端，设于疏水基片的上部，所述振动触发装置的尖端为聚四氟乙烯材质，所述疏水基片与超声探头之间通过凝胶层耦合；
步骤(5)计算液体粘度所依据的公式为：
y＝ce-αt (1)
Figure FDA0002582907100000011
其中，ρ为液体在测量温度下的密度，V为液滴的体积，μ为液体的粘度，α为信号强度随时间的衰减速率，由自由振动特征图拟合得到。
2.根据权利要求1所述的一种基于液滴机械振动的液体粘度测试方法，其特征在于，步骤(4)中计算机信号处理模块包括用于数据采集的Audition软件以及用于数据处理的origin软件。
3.根据权利要求1所述的一种基于液滴机械振动的液体粘度测试方法，其特征在于，所述微量注射器产生液滴的质量为15-20mg。
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