CN113405947B - 一种基于qcm的液体粘度检测仪 - Google Patents

一种基于qcm的液体粘度检测仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于QCM的液体粘度检测仪在QCM表面进行环形封装，与压电石英晶片中心一起构成液体检测池，用于盛放各种待检测液体。晶体整体支架连接QCM电极提供导电，支撑杆为QCM支架提供支撑，其为杠杆的支点。由于液体量较少，质量较小，杠杆的原理可以对其进行放大。检测杠下表面均覆盖有压力检测传感器，这样检测电路根据获得的感应压力、待检测液体的体积计算出待测检液体的密度，最后结合谐振频率的变化通过Kanazawa方程计算出所检测液体的粘度。这样由于采用杠杆原理进行质量测量，所以液量较少，同时，通过本发明，可以同时测量出密度和谐振频率，检测方便，操作简单。

Description

一种基于QCM的液体粘度检测仪
技术领域
本发明属于液体粘度技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)的液体粘度检测仪。
背景技术
粘度是物质的一种物理化学性质。对于液体在某些应用场合下来说，其具体数值以及检测的准确性尤为重要。目前常用的液体粘度检测方法主要有毛细管式、振动式、旋转式等，商用液体粘度计以旋转式为主，而毛细管式和振动式因其操作复杂，维护麻烦而只能应用于实验室。
对常用的液体粘度检测方法，无论是实验室使用的还是商用的，其操作和维护都比较繁琐，同时对于液体量的需求也较大，比如商用旋转式液体粘度计，其需要将百毫升级液体放置在桶内后再将旋转杆放置桶内旋转一定的时间。检测过程繁琐且耗时，器材的清洗维护也很麻烦，特别是当检测有毒有害液体时，清洗维护不当甚至会对人体造成危害。
石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)是上个世纪六十年代出现的一种具备纳克量级的质量型传感器(G.Sauerbrey.Use of quartz vibration forweighing thin film on a microbalance[J].Physik，1968,155：206-212)。直到1985年，Kanazawa等人(K.Keiji Kanazawa,Joseph G.Gordon.Frequency of aquartzmicrobalance in contact with liquid[J].Analytical Chemistry，1985，57：1770-1771)发现了QCM谐振频率的变化与相接触液体密度粘度的关系，其关系如下所示。
Figure BDA0003124723540000011
η和ρ为液体粘度和密度，μq和ρq为石英晶体的剪切模量和密度，Δf则为相应的谐振频率变化。
通过液体密度粘度与谐振频率变化关系，我们可以发现，液体的密度和粘度是耦合在一起的。因此在没有数学上的解耦方法之前，只能通过其他方法先行测量液体的密度后，然后再得出具体的粘度值，但这会导致整个粘度检测过程繁琐且耗时。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种检测方便、操作简单、维护简单并且所需液量少的基于QCM的液体粘度检测仪。
为实现上述发明目的，本发明基于QCM的液体粘度检测仪，其特征在于，包括：
压电石英晶片、上电极(检测电极)、下电极组成的QCM传感器，所述压电石英晶片为圆形，上电极为圆形片状，作为检测电极覆在压电石英晶片的上方，下电极也为圆形片状，作为接地电极覆盖在压电石英晶片的下方；
柱状圆环，用于在QCM传感器的上表面进行环形封装，将上电极置于其中，并与压电石英晶片的上表面构成液体检测池，用于盛放各种待检测液体；
晶片整体支架，包括长度为L的两根支杆，两根支杆平行对齐，前端分别与QCM传感器的左右外边缘固定连接，为QCM传感器提供物理支撑；
上下电极的电极引线，分别与上电极、下电极连接，然后再分别连接到QCM传感器左右外边缘的支杆上，晶片整体支架为导体，为QCM传感器提供导电；
支撑杆，与晶片整体支架垂直，晶片整体支架放置其上，支撑杆为晶片整体支架提供支撑，并形成杠杆，支撑杆为杠杆的支点；
两根检测杆，两根检测杆的下表面均覆盖有压力检测传感器，晶片整体支架的两根支杆的后端，分别置于检测杆的下方并与压力检测传感器接触；
对于晶片整体支架，支撑杆与检测杆之间的距离为L2小于等于晶片支架长度L的一半，这样晶片整体支架、支撑杆、检测杆组成一个杠杆系统；
检测电路，与晶片整体支架的两根支杆的后端连接，检测电路驱动QCM传感器并获得其谐振频率，同时，检测电路与两根检测杆下表面覆盖的压力检测传感器连接，检测电路驱动压力传感器并获得其感应的压力，检测电路中的中央处理器首先根据获得的感应压力、杠杆力臂比例计算出待测检液体的质量，然后，根据加入的待检测液体的体积，计算出待检测液体的密度，最后结合谐振频率的变化通过Kanazawa方程计算出所检测液体的粘度。
本发明的目的是这样实现的。
本发明基于QCM的液体粘度检测仪结合杠杆原理，在进行QCM频率检测的同时进行液体质量的检测。具体而言，在QCM表面进行环形封装，与压电石英晶片中心一起构成液体检测池，用于盛放各种待检测液体。晶体整体支架连接QCM电极提供导电，支撑杆为QCM支架提供支撑，其为杠杆的支点。由于液体量较少，质量较小，杠杆的原理可以对其进行放大。检测杠下表面均覆盖有压力检测传感器，这样检测电路根据获得的感应压力、待检测液体的体积计算出待测检液体的密度，最后结合谐振频率的变化通过Kanazawa方程计算出所检测液体的粘度。这样由于采用杠杆原理进行质量测量，所以液量较少，同时，通过本发明，可以同时测量出密度和谐振频率，检测方便，操作简单。
附图说明
图1是本发明基于QCM的液体粘度检测仪中QCM传感器封装组件结构示意图；
图2是本发明基于QCM的液体粘度检测仪的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明基于QCM的液体粘度检测仪中QCM传感器封装组件结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，将QCM传感器进行环形封装，然后其左右外边缘与晶片整体支架固定连接，晶片整体支架分别通过上下电极的电极引线连接到QCM传感器的上下电极，这样形成一个QCM传感器封装组件。具体而言，如图1所示，QCM传感器封装组件包括：
压电石英晶片11、上电极12(检测电极)、下电极13组成的QCM传感器，所述压电石英晶片11为圆形，直径为D，上电极12为圆形片状，直径为n，作为检测电极覆在压电石英晶片11的上方，下电极13也为圆形片状，直径为m，作为接地电极覆盖在压电石英晶片11的下方。
柱状圆环14，外直径和内直径分别为D和d，厚度为h，与压电石英晶片11圆心对齐，用于在QCM传感器的上表面进行环形封装，将上电极12置于其中，并与压电石英晶片11的上表面构成液体检测池，用于盛放各种待检测液体。
晶片整体支架17，包括长度为L的两根支杆，两根支杆平行对齐，前端分别与QCM传感器的左右外边缘固定连接，为QCM传感器提供物理支撑。
上下电极的电极引线16、15，分别与上电极12、下电极13连接，然后再分别连接到QCM传感器左右外边缘的支杆上，晶片整体支架17为导体，为QCM传感器提供导电。
图2是本发明基于QCM的液体粘度检测仪的整体结构示意图。
在本实施例中，如图2所示，本发明基于QCM的液体粘度检测仪包括QCM传感器封装组件外，还包括：
支撑杆21，与晶片整体支架17垂直，晶片整体支架17放置其上，支撑杆21为晶片整体支架17提供支撑，并形成杠杆，支撑杆21为杠杆的支点。
两根检测杆22，两根检测杆22的下表面均覆盖有压力检测传感器23，晶片整体支架17的两根支杆的后端，分别置于检测杆22的下方并与压力检测传感器接触23。
对于晶片整体支架17，支撑杆21与检测杆22之间的距离为L2小于等于晶片支架长度L的一半，即杠杆动力臂L1大于阻力臂L2，这样晶片整体支架、支撑杆、检测杆组成一个杠杆系统。作为优选，杠杆动力臂L1长度为阻力臂L2长度的两倍。
检测电路25，与晶片整体支架17的两根支杆的后端连接，检测电路25驱动QCM传感器并获得其谐振频率，同时，检测电路25与两根检测杆22下表面覆盖的压力检测传感器23连接，检测电路25驱动压力传感器23并获得其感应的压力；连接通过一组导线24实现。检测电路25中的中央处理器首先根据获得的感应压力、杠杆力臂比例计算出待检测液体的质量，然后，根据加入的待检测液体的体积，计算出待测检液体的密度，最后结合谐振频率的变化通过Kanazawa方程计算出所检测液体的粘度，并通过显示装置显示出来。
在本发明中晶片整体支架17不仅为整个QCM传感器封装组件提供杠杆支撑，同时还提供导电功能。柱状圆环14与压电石英晶片11的上表面构成液体检测池，为检测待检测液体提供盛放空间。
使用镊子夹住晶片整体支架17将QCM传感器封装组件插入仪器，注意其中晶片整体支架17搭载在支撑杆21的上面，且晶片整体支架17的两根支杆的后端分别置于检测杆22的下方并与压力检测传感器接触23，以形成杠杆状态，其中，阻力臂L2小于杠杆动力臂L1，以对待测液体重量形成放大。
QCM传感器封装组件插入后，仪器自动初始化完成一系列初始检测并显示准备就绪，此过程为了避免QCM传感器封装组件插入不稳接触不良等一些问题，若显示不正常则需要重新插拔QCM传感器封装组件，特殊时候可能是QCM传感器封装组件问题需要更换QCM传感器封装组件。
一切就绪后使用微量移液枪或其它移液设备滴入检测池固定量的待检测液体，其中液体会完全覆盖住液体检测池底部区域。在显示装置上输入所加液体体积。检测电路254中的中央处理器在获取了加载待检测液体之前和之后的石英晶体谐振频率以及压力传感器数值后，进行相应的处理计算出待检测液体的粘度送入显示装置显示，此时测量完成，可以将QCM传感器封装组件小心拔出丢入相应的垃圾桶。整个仪器形成一个整体，QCM传感器封装组件即插即用。整个操作过程简单快捷耗时短。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于QCM的液体粘度检测仪，包括：
压电石英晶片、上电极、下电极组成的QCM传感器，所述压电石英晶片为圆形，上电极为圆形片状，作为检测电极覆在压电石英晶片的上方，下电极也为圆形片状，作为接地电极覆盖在压电石英晶片的下方；
其特征在于，还包括：
柱状圆环，用于在QCM传感器的上表面进行环形封装，将上电极置于其中，并与压电石英晶片的上表面构成液体检测池，用于盛放各种待检测液体；
晶片整体支架，包括长度为L的两根支杆，两根支杆平行对齐，前端分别与QCM传感器的左右外边缘固定连接，为QCM传感器提供物理支撑；
上下电极的电极引线，分别与上电极、下电极连接，然后再分别连接到QCM传感器左右外边缘的支杆上，晶片整体支架为导体，为QCM传感器提供导电；
支撑杆，与晶片整体支架垂直，晶片整体支架放置其上，支撑杆为晶片整体支架提供支撑，并形成杠杆，支撑杆为杠杆的支点；
两根检测杆，两根检测杆的下表面均覆盖有压力检测传感器，晶片整体支架的两根支杆的后端，分别置于检测杆的下方并与压力检测传感器接触；
对于晶片整体支架，支撑杆与检测杆之间的距离为L2小于等于晶片支架长度L的一半，这样晶片整体支架、支撑杆、检测杆组成一个杠杆系统；
检测电路，与晶片整体支架的两根支杆的后端连接，检测电路驱动QCM传感器并获得其谐振频率，同时，检测电路与两根检测杆下表面覆盖的压力检测传感器连接，检测电路驱动压力传感器并获得其感应的压力，检测电路中的中央处理器首先根据获得的感应压力、杠杆力臂比例计算出待测检液体的质量，然后，根据加入的待检测液体的体积，计算出待检测液体的密度，最后结合谐振频率的变化通过Kanazawa方程计算出所检测液体的粘度。
2.根据权利要求1所述的基于QCM的液体粘度检测仪，其特征在于，所述QCM传感器进行环形封装，然后其左右外边缘与晶片整体支架固定连接，晶片整体支架分别通过上下电极的电极引线连接到QCM传感器的上下电极，这样形成一个QCM传感器封装组件；
使用镊子夹住晶片整体支架将QCM传感器封装组件插入仪器，晶片整体支架搭载在支撑杆的上面，且晶片整体支架的两根支杆的后端分别置于检测杆的下方并与压力检测传感器接触，以形成杠杆状态；
测量完成，将QCM传感器封装组件拔出丢入相应的垃圾桶。
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