CN108414403A - 一种基于振动的微量液体粘度测量装置及测量方法 - Google Patents

一种基于振动的微量液体粘度测量装置及测量方法 Download PDF

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赵美蓉
薛卓阳
郑叶龙
宋乐
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周惠言
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Abstract

一种基于振动的微量液体粘度测量装置及测量方法，在支架上垂直向下的设置有平行四边形柔性铰链，所述平行四边形柔性铰链的下端的一侧连接有微悬臂梁，所述平行四边形柔性铰链的与所述微悬臂梁相对应的那一侧设置有反光镜，所述悬臂梁的下方通过电控位移台设置有用于容纳被测液体的容器，在电控位移台的一侧设置有与所述反光镜相对应用于向反光镜发射激光的激光干涉仪，所述激光干涉仪设置在手动位移台的上面，所述手动位移台设置在角度调节器的上面。本发明通过铰链机构带动悬臂梁探针做振荡衰减运动，探针受到较大的切应力，用激光干涉仪采集微小的相对位移量，能够将被测液体的体积减少至15μL，测量效果好，实现了微量液体的粘度测量。

Description

一种基于振动的微量液体粘度测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种液体粘度测量。特别是涉及一种基于振动的微量液体粘度测量装置及测量方法。
背景技术
粘度是衡量液体抵抗流动能力的一个重要的物理参数，粘度测量技术在石油、化工、电力、冶金及国防等领域具有重要作用。传统的粘度测量方法有落球法，毛细管法，振动法和旋转法等，在测量过程中需要液体的体积都在mL量级，并且样品在使用之后都不能进行回收利用，造成了极大的浪费。
对于昂贵的液体或者不易提取的液体，用传统的仪器设备测量粘度是无法解决的。专利文件CN1815179A给出一种用重力落球测量微量样品粘度的测试装置，用来测量体积至少为0.2ml的样品粘度，而且可以实现数组液体同时测量的目的；N.Doy等人利用石英晶体微天平测量室温下的粘度密度乘积，需要液体的体积低至30μL；专利文件CN105547922A给出了一种基于微米纳米通道的微量粘度计，使用一次性纳米通道，所需液体体积为1μL。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单，能够测量微量液体的基于振动的微量液体粘度测量装置及测量方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于振动的微量液体粘度测量装置，包括支架，其特征在于，所述的支架上垂直向下的设置有平行四边形柔性铰链，所述平行四边形柔性铰链的下端的一侧连接有微悬臂梁，所述平行四边形柔性铰链的与所述微悬臂梁相对应的那一侧设置有反光镜，所述悬臂梁的下方通过电控位移台设置有用于容纳被测液体的容器，在电控位移台的一侧设置有与所述反光镜相对应用于向所述的反光镜发射激光的激光干涉仪，所述激光干涉仪设置在手动位移台的上面，所述手动位移台设置在角度调节器的上面。
所述悬臂梁的基座固定在所述平行四边形柔性铰链的下端，所述微悬臂梁的探针垂直向下。
所述的容器高度为2～4mm，容积为8～64μL。
一种采用基于振动的微量液体粘度测量装置的测量方法，包括如下步骤：
1)通过手动位移台和角度调节器调整将激光干涉仪的高度和角度，使经过反光镜反射的激光信号最强；
2)通过电控位移台调整容器与微悬臂梁的探针底端的相对位置，并使探针底端的中点位于容器的轴心；
3)标记容器的位置，作为每次实验容器所在位置；
4)利用电控位移台使微悬臂梁的探针浸入容器液体内，外部对平行四边形柔性铰链施加一个脉冲，通过激光干涉仪得到铰链的位移变化，进行数据处理、拟合得到阻尼因数；
5)控制电控位移台使容器下降到步骤2)所调的位置；
6)采用至少2种不同的标准粘度液体进行实验，重复步骤4)～步骤5)得到每种液体对应的阻尼因数；
7)利用粘度计和天平分别测量每种液体的粘度和密度；
8)根据粘度密度乘积与阻尼因数的关系式：
η*ρ＝c*β2
其中，η表示液体粘度，c表示比例系数，β表示阻尼因数，ρ表示液体密度，得到比例系数c的具体值；即，分别将每一种液体的粘度与密度相乘，将相乘的结果与该种液体对应的阻尼因数进行线性拟合，得到比例系数c的具体值；
9)取8～64μL的密度已知的被测液体，放入容器中，再将容器放入标记的位置固定；
10)重复步骤4)～步骤5)，得到待测液体的阻尼因数；
11)将得到的被测液体的阻尼因数，密度和步骤8)中得到的比例系数代入步骤8)中粘度与阻尼因数的关系式中，得到被测液体的粘度。
步骤2)中所述的调整容器与微悬臂梁的探针底端的相对位置，是使微悬臂梁的探针底端与所述容器上端口的距离要确保能够便于更换待测样品。
步骤4)中微悬臂梁的探针浸入容器液体内深度为0.5～3mm。
步骤4)中所述的进行数据处理、拟合得到阻尼因数是：根据激光干涉仪采集到的柔性铰链反光镜处的位移随时间变化的信号，利用MATLAB软件程序获取位移时间信号的上包络点，对包络点进行对数变化，画出上包络点进行对数变换之后的位移随时间变化的散点图，进行基于最小二乘线法的线性拟合，将拟合得到的直线的斜率作为阻尼因数。
本发明的一种基于振动的微量液体粘度测量装置及测量方法，结构简单，通过铰链机构带动悬臂梁探针做振荡衰减运动，用激光干涉仪采集微小的相对位移量，能够将被测液体的体积减少至15μL，测量效果好，实现了微量液体的粘度测量。本发明从粘度的定义出发，探针受到较大的切应力，并且可以满足专用的实验测量需求。
附图说明
图1是本发明一种基于振动的微量液体粘度测量装置的立体结构示意图；
图2是本发明一种基于振动的微量液体粘度测量装置的正面结构示意图；
图3是本发明中悬臂梁的结构示意图；
图4是图3的侧示图。
图中
1：支架 2：平行四边形柔性铰链
3：悬臂梁 3.1：基座
3.2：探针 4：反光镜
5：电控位移台 6：容器
7：手动位移台 8：激光干涉仪
9：角度调节器
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于振动的微量液体粘度测量装置及测量方法做出详细说明。
本发明的一种基于振动的微量液体粘度测量装置，包括支架1，所述的支架1上垂直向下的设置有平行四边形柔性铰链2，所述平行四边形柔性铰链2的下端的一侧连接有微悬臂梁3，所述悬臂梁3的基座3.1固定在所述平行四边形柔性铰链2的下端，所述微悬臂梁3的探针3.2垂直向下。所述平行四边形柔性铰链2的与所述微悬臂梁3相对应的那一侧设置有反光镜4，所述悬臂梁3的下方通过电控位移台5设置有用于容纳被测液体的容器6，所述的容器6高度为2～4mm，容积为8～64μL。在电控位移台5的一侧设置有与所述反光镜4相对应用于向所述的反光镜4发射激光的激光干涉仪8，所述激光干涉仪8设置在手动位移台7的上面，所述手动位移台7设置在角度调节器9的上面。
本本发明的实施例中：
所述的平行四边形柔性铰链2是采用刘聪的基于柔性铰链的液体粘度测量系统研究[D].天津大学,2016.中所公开的柔性铰链。所述的悬臂梁3是采用中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所制作的悬臂梁。所述的电控位移台5采用型号为Zolix KSAV1010-ZF的电控位移台。所述的手动位移台7采用型号为Zolix KSMTW-213-231的手动位移台。所述的激光干涉仪8采用型号为RENISHAW RLE10激光干涉仪。所述的角度调节器9采用型号为Zolix KSMR90A的角度调节器。
本发明的采用基于振动的微量液体粘度测量装置的测量方法，包括如下步骤：
1)通过手动位移台和角度调节器调整将激光干涉仪的高度和角度，使经过反光镜反射的激光信号最强；
2)通过电控位移台调整容器与微悬臂梁的探针底端的相对位置，并使探针底端的中点位于容器的轴心；所述的调整容器与微悬臂梁的探针底端的相对位置，是使微悬臂梁的探针底端与所述容器上端口的距离要确保能够便于更换待测样品。
3)标记容器的位置，作为每次实验容器所在位置，每次实验保证容器的绝对位置不变；
4)利用电控位移台使微悬臂梁的探针浸入容器液体内，微悬臂梁的探针浸入容器液体内深度为0.5～3mm。外部对平行四边形柔性铰链施加一个脉冲，通过激光干涉仪得到铰链的位移变化，进行数据处理、拟合得到阻尼因数；
所述的进行数据处理、拟合得到阻尼因数是：根据激光干涉仪采集到的柔性铰链反光镜处的位移随时间变化的信号，利用MATLAB软件程序获取位移时间信号的上包络点，对包络点进行对数变化，画出上包络点进行对数变换之后的位移随时间变化的散点图，进行基于最小二乘线法的线性拟合，将拟合得到的直线的斜率作为阻尼因数。
5)控制电控位移台使容器下降到步骤2)所调的位置；
6)采用至少2种不同的标准粘度液体进行实验，重复步骤4)～步骤5)得到每种液体对应的阻尼因数；
7)利用粘度计(AND SV-10)和天平(JA3003J)分别测量每种液体的粘度和密度；
8)根据粘度密度乘积与阻尼因数的关系式：
η*ρ＝c*β2
其中，η表示液体粘度，c表示比例系数，β表示阻尼因数，ρ表示液体密度，得到比例系数c的具体值；即，分别将每一种液体的粘度与密度相乘，将相乘的结果与该种液体对应的阻尼因数进行线性拟合，得到比例系数c的具体值；
9)取8～64μL的密度已知的被测液体，放入容器中，如使用移液枪向容器中注入待测液体，再将容器放入标记的位置固定；
10)重复步骤4)～步骤5)，得到待测液体的阻尼因数；
11)将得到的被测液体的阻尼因数，密度和步骤8)中得到的比例系数代入步骤8)中粘度与阻尼因数的关系式中，得到被测液体的粘度。
实施例1
在室温基本不变的条件下，重复测量编号为130204的标准粘度液10次，拟合得到的阻尼因数βt如表1所示。
表1 130204标准粘度液的阻尼因数的测量结果
计算阻尼因数βt均值为2.246*10-2，标准差为0.00029。
实施例2
对5种不同的标准粘度液进行阻尼因数β的拟合，再利用粘度计和天平分别测量液体的粘度和密度，结果如表2所示。
表25种标准粘度液的测量结果
名称 温度(℃) 粘度*密度(mPa.s*g/cm3) 密度(g/cm3) 阻尼因数β
13603 22.1 10.0 0.7887 0.00148
130204 22.8 34.1 0.8872 0.00618
130205 22.1 100 0.9112 0.01305
13607 21.9 151 0.8322 0.01799
13608 22.2 653 0.8757 0.05394

Claims (7)

1.一种基于振动的微量液体粘度测量装置，包括支架(1)，其特征在于，所述的支架(1)上垂直向下的设置有平行四边形柔性铰链(2)，所述平行四边形柔性铰链(2)的下端的一侧连接有微悬臂梁(3)，所述平行四边形柔性铰链(2)的与所述微悬臂梁(3)相对应的那一侧设置有反光镜(4)，所述悬臂梁(3)的下方通过电控位移台(5)设置有用于容纳被测液体的容器(6)，在电控位移台(5)的一侧设置有与所述反光镜(4)相对应用于向所述的反光镜(4)发射激光的激光干涉仪(8)，所述激光干涉仪(8)设置在手动位移台(7)的上面，所述手动位移台(7)设置在角度调节器(9)的上面。
2.根据权利要求1所述的一种基于振动的微量液体粘度测量装置，其特征在于，所述悬臂梁(3)的基座(3.1)固定在所述平行四边形柔性铰链(2)的下端，所述微悬臂梁(3)的探针(3.2)垂直向下。
3.根据权利要求1所述的一种基于振动的微量液体粘度测量装置，其特征在于，所述的容器(6)高度为2～4mm，容积为8～64μL。
4.一种采用权利要求1所述的基于振动的微量液体粘度测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)通过手动位移台和角度调节器调整将激光干涉仪的高度和角度，使经过反光镜反射的激光信号最强；
2)通过电控位移台调整容器与微悬臂梁的探针底端的相对位置，并使探针底端的中点位于容器的轴心；
3)标记容器的位置，作为每次实验容器所在位置；
4)利用电控位移台使微悬臂梁的探针浸入容器液体内，外部对平行四边形柔性铰链施加一个脉冲，通过激光干涉仪得到铰链的位移变化，进行数据处理、拟合得到阻尼因数；
5)控制电控位移台使容器下降到步骤2)所调的位置；
6)采用至少2种不同的标准粘度液体进行实验，重复步骤4)～步骤5)得到每种液体对应的阻尼因数；
7)利用粘度计和天平分别测量每种液体的粘度和密度；
8)根据粘度密度乘积与阻尼因数的关系式：
η*ρ＝c*β2
其中，η表示液体粘度，c表示比例系数，β表示阻尼因数，ρ表示液体密度，得到比例系数c的具体值；即，分别将每一种液体的粘度与密度相乘，将相乘的结果与该种液体对应的阻尼因数进行线性拟合，得到比例系数c的具体值；
9)取8～64μL的密度已知的被测液体，放入容器中，再将容器放入标记的位置固定；
10)重复步骤4)～步骤5)，得到待测液体的阻尼因数；
11)将得到的被测液体的阻尼因数，密度和步骤8)中得到的比例系数代入步骤8)中粘度与阻尼因数的关系式中，得到被测液体的粘度。
5.根据权利要求4所述的采用基于振动的微量液体粘度测量装置的测量方法，其特征在于，步骤2)中所述的调整容器与微悬臂梁的探针底端的相对位置，是使微悬臂梁的探针底端与所述容器上端口的距离要确保能够便于更换待测样品。
6.根据权利要求4所述的采用基于振动的微量液体粘度测量装置的测量方法，其特征在于，步骤4)中微悬臂梁的探针浸入容器液体内深度为0.5～3mm。
7.根据权利要求4所述的采用基于振动的微量液体粘度测量装置的测量方法，其特征在于，步骤4)中所述的进行数据处理、拟合得到阻尼因数是：根据激光干涉仪采集到的柔性铰链反光镜处的位移随时间变化的信号，利用MATLAB软件程序获取位移时间信号的上包络点，对包络点进行对数变化，画出上包络点进行对数变换之后的位移随时间变化的散点图，进行基于最小二乘线法的线性拟合，将拟合得到的直线的斜率作为阻尼因数。
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